"Уплотнение" SSB сигнала.

Одним из факторов, определяющих "дальнобойность" SSB - радиостанции является так называемый пик-фактор передаваемого сигнала. Что же такое пик-фактор и как его улучшить?

Пик-фактор (crest-factor, кросс-фактор) это отношение пиковой и средней мощностей сигнала. Как и большинство относительных величин в радиотехнике, он измеряется в децибелах. Идеалом является когда пиковая мощность равна средней (или наоборот). Прямоугольная волна (меандр) имеет единичный пик-фактор 0 дБ. Пик-фактор синусоиды равен 3 дБ. Сигнал с широкой динамикой или резкими пиками обладают высоким пик-фактором (20 дБ и более), а сильно компрессированные сигналы - низким пик-фактором (10...15 дБ).

Из этого сразу напрашивается вывод: путем компрессии можно снизить пик-фактор на 10 и более процентов, что автоматически повышает среднюю излучаемую мощность.

Если все так просто, то как сжать динамический диапазон звукового сигнала? Первый - просто ограничить по амплитуде, второй - снижать усиление сигнала с высоким уровнем. Можно и комбинировать эти способы.

Давайте посмотрим, как изменяется сигнал при ограничении с помощью любого звукового редактора, например Audacity.

Рис. 1. Неограниченный звуковой сигнал (речь).

Рис. 2. Ограниченный звуковой сигнал.

Действительно, аудио сигнал стал "плотнее", т.е. амплитуда сигнала стала более равномерной, средняя мощность такого сигнала стала ближе к максимальной, т.е. пик-фактор снизился.

Каковы же схемы ограничителей? Я решил испытать самую простую - на встречно-параллельно включенных диодах.

Рис. 3. Схема диодного ограничителя уровня.

Если величина входного сигнала генератора НЧ G1 будет меньше напряжения отрывания диода VD1, то диод будет находиться в закрытом состоянии, его сопротивление велико и не будет влиять на передачу сигнала А в моменты времени, когда напряжение будет превышать Uоткр, диод будет открыт. При этом напряжении на последовательном соединении диода и источника управляющего напряжения будет фиксировано на уровне Uд . Т.е. в сигнале на нагрузке будет срезана верхняя часть синусоиды. Такое ограничение называется ограничением сверху.

Чтобы реализовать ограничение снизу включают еще один диод VD2 встречно-параллельно VD1 В результате на нагрузке получим разнополярную последовательность трапецеидальных импульсов.

Рис. 4. Осциллограммы напряжения на входе ограничителя (вверху) и на его выходе (внизу).

Рис. 4. Макет для изучения диодного ограничителя.

Как известно, германиевые и кремниевые диоды имеют разные напряжения открывания. К кремниевых - это в районе 0,5-0,6 В, у германиевых -в два - три раза меньше. У разных типов германиевых диодов это напряжение немного отличается. В справочника приводится прямое напряжение диодов при определенном токе через него, так как открытый p-n переход имеет определенное сопротивление. Я для экспериментов взял диоды типов КД503В и Д311. Вот какие получились результаты.

Рис. 5. Осциллограммы сигнала на входе (оранжевая кривая) и выходе (белая кривая) диодного ограничителя на частоте 1000 Гц с диодами КД503В.

При увеличении входного сигнала более 800-900 мВ начинает происходить двухстороннее ограничение сигнала. Оно мало заметно при входном сигнале 1,7 В (это размах сигнала), а при напряжении 3 В - вполне заметно. При внимательном рассмотрении ограниченное напряжение растет от 1,3 В до 1,6 В при изменении входного от 1,7 В до 5 В из-за изменения тока через диоды. Если взять сопротивление резистора на входе побольше - 1 кОм, то это изменение будет меньше.

Теперь то же с германиевым диодом Д311.

Рис. 5. Работа диодного смесителя на ГД311.

Как видим, начало ограничения происходит при напряжении на входе порядка 650 мВ. В случае с германиевыми диодами зависимость выходного напряжения от входного более выражена.

Так или иначе, но при ограничении даже простого синусоидального сигнала возникают гармоники сигнала, а это ведет к снижению разборчивости. Поэтому после такого ограничителя необходим ФНЧ, который срежет гармоники.

Рис. 6. Схема ограничителя с ФНЧ (частота среза 1000 Гц), диоды КД503В.

Рис. 7. Внешний вид макета ограничителя с ФНЧ.

Рис. 8. Иллюстрация работы ограничителя с ФНЧ.

Рис. 8 показывает, что чем ближе частота сигнала к частоте среза ФНЧ, тем ближе форма сигнала на его выходе к синусоиде. Это имеет простое объяснение. При частоте 200 Гц вторая, третья, четвертая и пятая гармоники лежат в полосе прозрачности ФНЧ и остаются в выходном сигнале, искажая его. А при частоте сигнала 1 кГц третья и более высокие гармоники сигнала лежат за пределами полосы прозрачности ФНЧ и подавляются им.

Есть еще один вид ограничителей, где диоды включены в цепь ООС усилителя.

Рис. 9. Ограничитель НЧ с диодами в цепи ООС, (https://www.qrz.ru/schemes/contribute/digest/rst31.shtml)

В этом случае при превышении напряжения открывания диодов происходит снижение их сопротивления и углублении ООС и снижение усиления. В данной схеме ООС в добавок еще и частотозависимая из-за наличия конденсатора С4. При этом ограничение на высоких частотах больше, чем на низких, что требует дальнейшей коррекции. Вместо транзистора можно включить операционный усилитель.

По моему опыту, НЧ ограничители не очень эффективны, так как при высоком уровне ограничения вносят в сигнал помехи, кроме того часто проявляется эффект пустой бочки из-за того, что шумы усиливаются больше, чем полезный сигнал.

Есть еще один неприятный момент в использовании НЧ ограничителей. Оказывается, что при использовании идеально ограниченного НЧ сигнала при подаче его на формирователь SSB, на выходе формирователя получаем отнюдь не идеальный сигнал.

Рис. 10. Ограниченный сигнал до и после формирователя SSB.

Из-за разбаланса смесителя и использования нелинейных элементов в нем на его выходе сигнал имеет выбросы, увеличивающие пик-фактор.

Так что же делать. Лично мне помогла прочитанная где-то статья, в которой описывался ограничитель SSB сигнала. Просто после в формирователе используются два фильтра (у меня было два четырехкристальных дифференциальных). После первого устанавливается каскад усиления, а на его выходе, перед вторым фильтром, диодный ограничитель.

Рис. 11. Блок-схема ограничителя SSB сигнала.

Достоинство этого ограничителя в том, что SSB сигнал имеет высокую частоту по сравнению с НЧ, и его гармоники не попадают в полосу пропускания кварцевого фильтра. Чтобы подтвердить этот факт я собрал еще один макет.

Рис. 12. Схема ВЧ ограничителя с кварцевым фильтром.

Рис. 13. Макет ограничителя ВЧ с кварцевым фильтром.

И вот результат.

Рис. 14. Результат работы ВЧ ограничителя.

При входном напряжении 5 В (!) на выходе - чистая синусоида. Я в свое время поставил релюшки, которая могла отключать диоды ограничителя с одновременным снижением уровня SSB перед вторым фильтром. Эффект превзошел все ожидания. Корреспонденты оценивали увеличение сигнала при включении ограничителя на 1,5-2 балла по шкале S.

По мене, так нужно делать мягкое ограничение по НЧ (порядка 1,7 В НЧ сигнала на входе ограничителя) с частотной коррекцией (подъем ВЧ), а затем жесткое ограничение SSB.

Всем здоровья и успехов!