Данный урок об особой схеме супергетеродинного радиоприемника - инфрадине, и о приеме радиовещательных станций, работающих с одной боковой полосой (SSB).
Инфрадин
Инфрадин - это супергетеродин, в котором ПЧ выбирается выше максимальной принимаемой частоты, тем самым зеркальный канал приема расположен всегда выше диапазона принимаемых частот.
Ниже структурная схема радиочастотного тракта инфрадина с однократным преобразованием частоты.
Приводим пример: Приемник КВ работает в диапазоне частот 3,95-26,1 МГц. Выбираем ПЧ равной 38 МГц. Частоту гетеродина в этом случае придется изменять в пределах от (3,95+38=41,95) до (26,1+38=64,1) МГц. Как видно, несмотря на существенный коэф. перекрытия диапазона принимаемых колебаний, равный 26,1/3,95=6,61 (и неперекрываемый колебательным контуром со стандартным КПЕ), коэф. перекрытия по частоте гетеродина составляет всего 64,1/41,95=1,52, и его удается перекрыть не только колебательным контуром с КПЕ, но и варикапом (вспоминаем урок 10, у варикапа коэф. перекрытия по емкости меньше, чем у стандартного КПЕ), без разбиения на поддиапазоны, и не потребуется переключатель поддиапазонов.
Рассчитаем границы зеркальной полосы приема. Нижняя частота (41,95+38=79,95), верхняя (64,1+38=104,1) МГц. Полоса зеркального приема (79,95-104,1) МГц заведомо лежит выше полосы принимаемых частот (3,95-26,1) МГц.
Достоинством инфрадина является то, что вместо преселектора, перестраиваемого согласно частоте приема, можно применить неперестраиваемый фильтр НЧ с границей полосы пропускания, равной самой верхней принимаемой частоте, в примере выше 26,1 МГц. Тем самым, ПЧ (38 МГц) и зеркальная полоса частот приема (79,95-104,1 МГц) будут эффективно подавляться входным ФНЧ. В инфрадинах, также для повышения избирательности по соседнему каналу, может применяться двойное преобразование частоты.
Инфрадину свойственны и недостатки, и любители собирают инфрадины редко. Высококачественный инфрадин сложен и труден в настройке, но вполне пригоден в качестве профессионального или полупрофессионального приемника для дальней связи.
Но поскольку на входе инфрадина стоит не колебательный контур, а ФНЧ, посторонние сигналы и помехи могут перегрузить усилители сигнальной и ПЧ, и их следует рассчитывать на работу в широком динамическом диапазоне.
Прежде чем перейти к структурной схеме приемника однополосной модуляции, рассмотрим принципы амплитудной модуляции.
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда гармонического колебания (несущего сигнала) изменяется по закону изменения передаваемого информационного сигнала. Первые искровые передатчики для передачи телеграфных сигналов, по сути, также работали с амплитудной модуляцией, поскольку генерируемые в колебательном контуре колебания возбуждались в момент разрыва контакта вибропреобразователя катушки Румкорфа, затухая по ходу разрыва контакта. Таким образом, при подключении к колебательному контуру антенны в эфир излучались электромагнитные волны с частотой, определяемой резонансной частотой колебательного контура, промодулированные по амплитуде с частотой работы вибропреобразователя, порядка 10-20 Гц, и массой гармоник.
Эти колебания могли быть приняты детекторным приемником, и оператор слышал в телефонах тон, частота которого определялась частотой искрообразования передатчика, которая была достаточно низкой, порядка 20-100 Гц, что ощущалось как низкий гул. Позднее применялись иные прерыватели, прерывающие ток с частотой до нескольких тысяч герц, и каждая передающая радиостанция первых лет развития радиосвязи характеризовалась своим собственным звуковым тоном и была "узнаваемой".
Но это история, нас интересует амплитудная модуляция эпохи передатчиков с излучением непрерывных высокочастотных колебаний. На рисунке ниже представлен процесс модуляции несущей частоты синусоидальным сигналом более низкой частоты.
Из самого нижнего графика видно, что амплитуда несущей частоты изменяется в такт с изменением модулирующего сигнала. Это и есть амплитудная модуляция. Интереснее другое - при амплитудной модуляции спектр излучаемого сигнала расширяется, кроме сигнала несущей с частотой Fнес в нем появляются сигналы т.н. боковых частот, верхней и нижней.
Частота верхней боковой частоты равна сумме несущей частоты и частоты модуляции, а нижней боковой частоты их разности.
В качестве примера: Если несущая частота 1 МГц промодулирована звуковой частотой 1000 Гц, в спектре промодулированного сигнала будут одновременно присутствовать частоты (1.000.000 - 1000 = 999.000) Гц, 1.000.000 Гц и (1.000.000 + 1000 = 1.001.000) Гц. Тем самым, ширина спектра при амплитудной модуляции равна удвоенной частоте модулирующего сигнала, в нашем случае (1.001.000 - 999.000 = 2000) Гц, или 2*1000=2000 Гц.
Выше мы рассмотрели пример однотональной амплитудной модуляции. При радиовещании несущая модулируется не однотональным сигналом, а сложным звуковым сигналом, звучанием оркестра или голосом диктора. В этом случае ширина спектра АМ-сигнала равна удвоенному значению наивысшей частоты в спектре модулирующего низкочастотного сигнала.
Наивысшая частота спектра звучания симфонического оркестра составляет 16.000 Гц, а речи диктора около 6.000 Гц, однако считается, что для передачи речи достаточно передавать частоты до 3.000 Гц.
Позволить себе передавать в эфир сигнал с шириной полосы в 32 кГц не может никакая система радиовещания, и при АМ приходится сознательно ограничивать верхнюю частоту модуляции, т.е. при АМ качественное радиовещание невозможно.
Обычно частоты распределяются между радиостанциями с шагом в 5, 9 или 10 кГц, что предполагает ограничение верхней частоты спектра звуковых частот от 2,5 до 5 кГц. При этом радиостанции вещают с ограничением спектра модулирующих частот до 10 кГц, т.е. спектры боковых полос соседних по частоте радиостанций перекрываются и создают помехи друг другу.
Соседние каналы отводят обычно станциям, территориально разделенным, но в условиях распространения пространственных волн, многократных отражений от ионосферы, "мертвых зон" и "замираний" может внезапно "проявиться" отдаленная станция и создать помехи.
Проблема частично решается сужением полосы пропускания приемника до 4-6 кГц (т.е. ограничением диапазона принимаемых звуковых частот значением 2-3 кГц, что обычно обеспечивает еще разборчивый прием речи. Спасает положение также и то обстоятельство, что бόльшая часть энергии звукового сигнала приходится не на высокочастотные, а низкочастотные составляющие.
Ниже на графике усредненный энергетический спектр речевого сигнала.
Спектр сигнала радиовещательной станции при АМ представлен ниже.
При вырезании приемником удаленных частей спектра боковых полос, добиваются существенного уменьшения помех. Ниже на рисунке график передаточной характеристики фильтра ПЧ при изменении полосы пропускания, и пример простого фильтра ПЧ с изменением полосы пропускания регулировочным напряжением +Uрег.
Регулировочное напряжение изменяет емкость варикапа, что приводит к изменению степени связи между 2 колебательными контурами, образующими двухконтурный полосовой фильтр. Чем слабее связь, тем уже полоса пропускания, и наоборот.
В качестве примера, у магистрального коротковолнового радиоприемного устройства первого класса типа "Калина", выпускавшегося до 1975 года, ширина полосы пропускания ПЧ плавно регулировалась в пределах 1,5-16 кГц.
Ниже панель приемника с регулятором полосы пропускания ПЧ.
Применяется и автоматическая регулировка полосы пропускания в зависимости от силы сигнала - чем слабее сигнал (и тем сильнее сказываются помехи), тем уже полоса пропускания.
Описанной выше классической АМ свойственен существенный недостаток - даже при 100% модуляции 2/3 излучаемой передатчиком мощности приходится на несущую частоту, и лишь по 1/6 на каждую из 2 боковых полос. Впрочем, детекторный приемник при правильном согласовании использует мощность обоих боковых полос, т.е. 1/3 излучаемой мощнсоти.
Но во избежание перемодуляции на пиках программы коэффициент модуляции при радиовещании устанавливается около 30%, а в среднем за счет пауз и тихих звуков составляет еще меньшую величину, и в итоге более 96% мощности передатчика тратится на излучение несущей. При этом несущая нужна лишь для работы АМ детекторов (демодуляторов), но зачем передавать ее в эфир, затрачивая энергию, если ее можно генерировать в самом приемнике посредством маломощного генератора (гетеродина)?
Отсюда возникли 2 способа амплитудной модуляции с повышением энергоэффективности передачи - с подавлением (полным или частичным) только несущей и двумя боковым полосами (DSB-модуляция) или подавлением несущей и одной из боковых, с излучением оставшейся боковой полосы (SSB-модуляция).
DSB-модуляция
DSB-модуляция (АМ с подавленной несущей) по энергетической выгоде занимает промежуточное положение между АМ и SSB, но не требует использования узкополосного фильтра (который некогда был редок и дорог).
Схему получения напряжения DSB мы здесь разбирать не будем, но она проста, достаточно 2 п/п диодов и 2 трансформаторов. На 2 входа схемы подаются раздельно модулирующее напряжение НЧ и высокочастотное напряжение. На выходе присутствуют лишь 2 боковые частоты, которые после умощнения в выходном каскаде передатчика и излучаются в эфир. Несущая при правильной настройке схемы подавляется. DSB обеспечивает выигрыш в энергии, но ширина излучаемой полосы по-прежнему равна удвоенной наивысшей частоте модуляции.
Другой недостаток, что в приемнике для демодуляции сигнала необходимо иметь генератор с частотой подавленной несущей. Обычный известный нам детектор не в состоянии демодулировать сигнал DSB, и для демодуляции применяются более сложные схемы.
SSB-модуляция
Еще более эффективна амплитудная модуляция с одной боковой полосой (SSB-модуляция), при которой из спектра удалены несущая и одна из боковых полос. Вся полезная информация при этом передается одной оставшейся боковой полосой.
При этом появляется возможность при размещении частот станций в эфире чередовать их нижние и верхние боковые частоты, и на одной несущей частоте фактически будут работать 2 станции, одна из которых будет работать на нижней, а другая на верхней боковой полосе, что позволит уплотнить вдвое диапазоны частот.
Для радиовещания подобная модуляция еще не используется (схема бытового радиоприемника усложняется) , но она широко распространена в профессиональной и радиолюбительской связи.
Для получения SSB-сигнала можно вначале получить DSB-сигнал, а затем отделить одну из боковых полос узкополосным полосовым фильтром. Колебательные контуры здесь непригодны, а вот электромеханические, пьезоэлектрические или кварцевые фильтры вполне.
В приемнике может быть предусмотрен прием по выбору станции с нижней или верхней боковой полосой, что делается переключением опорной частоты, с соответствием либо верхней либо нижней частоте полосы пропускания фильтра.
Вот пожалуй и все, что можно освоить для предварительного ознакомления с инфрадинами и приемниками однополосной модуляции. Одна из возможных структурных схем SSB-приемника приведена на титульной картинке статьи, без ее пояснения в тексте.
Схемотехника для начинающих
.