Простые приёмники АМ сигналов

Радиоприемники и их параметры

Рассмотрим теперь структурную схему приемника AM сигналов (рис. 1.26).

Сигнал, принятый антенной, поступает в радиотракт, который выполняет две задачи: селекцию сигнала нужной радиостанции от всех остальных, мешающих, и его усиление. Качество выполнения первой задачи характеризуется селективностью приемника, а второй - чувствительностью. Селективность обеспечивают колебательные контуры, настроенные на частоту сигнала. Лучшие результаты получаются при объединении нескольких контуров в фильтр. Отфильтрованный и усиленный радиочастотный (РЧ) сигнал, имеющий точно такую же форму, как и на осциллограмме 3 на рис. 1.21, подается на детектор огибающей, который выделяет напряжение звуковой частоты (ЗЧ). Оно усиливается в УЗЧ и подается на громкоговоритель.

Название «приемник прямого усиления» было присвоено данному устройству потому, что усиление принятого сигнала производится прямо на его частоте. Аналогичное название в англоязычной литературе - TRF (Tuned Radio Frequency) - отражает другую особенность приемника: для настройки на разные радиостанции все имеющиеся колебательные контуры приемника надо одновременно перестраивать по частоте. Под эту структурную схему, если исключить из нее усилители, подходит и детекторный приемник. Приемник прямого усиления имеет ряд неоценимых достоинств: простота, отсутствие интерференционных свистов и ложных настроек, высокое отношение сигнал/шум, малые искажения сигнала.

Приемник прямого усиления

Простейший одноконтурный приемник прямого усиления содержит колебательный контур, связанный с антенной, широкополосный ненастраиваемый (апериодический) усилитель, выполненный на одном или нескольких транзисторах, детектор и УЗЧ. Чувствительность его бывает высокой, а вот селективность оставляет желать лучшего.

Мы еще будем подробно рассказывать о свойствах и возможностях колебательного контура, а также о фильтрах - системах из нескольких колебательных контуров. Их способность выделять полезный сигнал из массы мешающих намного выше. Расчеты показывают, что для выделения слабого полезного сигнала из массы посторонних сигналов и помех при дальнем приеме нужно как минимум 5-10 контуров. Сделать их все перестраиваемыми по частоте в приемнике прямого усиления очень сложно - ведь настройки контуров в любой точке диапазона должны точно совпадать! Есть и другие трудности, связанные с неравномерностью усиления УРЧ по диапазону, с изменением его полосы пропускания, с опасностью самовозбуждения и т.д.

Супергетеродин

По этим причинам во всех промышленно выпускаемых радиоприемниках используют супергетеродинную схему радиотракта, показанную на рис. 1.27а. Главной ее особенностью является преобразователь частоты, установленный на входе. Элементы настройки приемника (обычно КПЕ) есть только в преобразователе. Его задача - привести все частоты принимаемых радиостанций к единой, стандартизованной промежуточной частоте (ПЧ). Для AM приемников значение ПЧ выбрано равным 465 кГц в отечественных и 455 кГц в импортных приемниках. ПЧ лежит как раз в неиспользуемом для радиовещания промежутке между диапазонами ДВ и СВ.

Для преобразования частоты нужен гетеродин - встроенный в приемник маломощный генератор, частота которого отличается на значение ПЧ от принимаемой, обычно в большую сторону. Другой элемент преобразователя - смеситель, на который поступают принимаемый сигнал и сигнал местного гетеродина. Преобразование частот происходит по закону: ПЧ = fгетеродина - fсигнала. В самых простых приемниках функции смесителя и гетеродина объединяют и весь преобразователь часто выполняют на одном транзисторе. В приемниках же с высокими параметрами обязательно используют отдельный гетеродин.

Приведя сигналы любой станции к единой ПЧ, мы можем очень хорошо отфильтровать сигнал многоконтурным фильтром - ФПЧ, ведь все его контуры будут иметь фиксированную настройку. Более того, сейчас промышленность хорошо освоила выпуск пьезокерамических фильтров, в которых контуры заменены резонаторами из пьезокерамики. Например, фильтр типа ФП1П имеет семь резонаторов и занимает объем менее 1 см3! Полоса пропускания этого фильтра 6-10 кГц, а ослабление сигналов при расстройке на 10 кГц достигает 50 дБ (300 раз по напряжению). Высокая селективность супергетеродина сохраняется на любой частоте, независимо от диапазона. Отфильтрованный сигнал ПЧ усиливается в УПЧ и затем детектируется. На фиксированной ПЧ легче получить стабильное и высокое усиление, поэтому и чувствительность супергетеродина, как правило, выше, чем у приемников прямого усиления.

Наряду с большими достоинствами у супергетеродина есть и недостатки. Главный из них - наличие побочного канала приема на частоте fгет + ПЧ. Этот канал приема называют зеркальным, поскольку он симметрично с основным расположен относительно частоты гетеродина, см. рис. 1.27б. Ослабить прием по зеркальному каналу может только входной контур или фильтр, поэтому в супергетеродине перестраивать по частоте приходится как минимум два контура - входной и гетеродинный. Особенно трудно подавить зеркальный канал на KB, где селективности одиночного входного контура совершенно недостаточно.

Кроме зеркальной, в супергетеродине возможно появление и других ложных настроек и побочных каналов приема, для которых выполняется условие mfсиг ± nfгет = ПЧ, где m и n - целые числа.

Эффект вызван преобразованием частоты на гармониках сигнала и гетеродина и проявляется обычно при сильных сигналах. Если по основному и какому-либо побочному каналу в супергетеродин проникают два сигнала или гармоника одного сигнала близка по частоте к гармонике гетеродина, может наблюдаться интерференционный свист. Эти свисты изменяющегося тона хорошо знакомы радиослушателям, пользующимся фабричными приемниками, они далее воспроизводились пародистами с эстрады.

Выпускаемые промышленностью УКВ приемники выполнены исключительно по супергетеродинным схемам. Их радиочастотная часть содержит УРЧ, смеситель и гетеродин. Для подавления зеркального канала используют 2-3 и более контуров, настроенных на частоту сигнала. Контуры перестраиваются по частоте чаще всего с помощью варикапов - полупроводниковых диодов с емкостью, управляемой напряжением. В высококачественных приемниках используют полевые транзисторы, в более дешевых - биполярные или одну микросхему, включающую УРЧ, смеситель и гетеродин.

Значение ПЧ ЧМ приемников стандартизовано - 10,7 Мгц. Селективность по соседнему каналу обеспечивает пьезокерамический фильтр ПЧ с полосой пропускания 180-220 кГц. После УПЧ и перед частотным детектором в ЧМ приемнике обычно устанавливают амплитудный ограничитель, «срезающий» любые изменения амплитуды, и тем самым, во-первых, несколько улучшающий отношение сигнал/шум и ослабляющий импульсные помехи и, во-вторых, приводящий сигналы всех станций к единому уровню, а следовательно, и к единой громкости. В современных приемниках УПЧ, ограничитель и частотный детектор выполняются в виде одной микросхемы.

Возвращаясь к параметрам приемников, расскажем немного о том, как и в каких единицах они измеряются. Различают две разновидности чувствительности: ограниченную усилением и ограниченную шумами. Первая используется для простых приемников с небольшим усилением. Чувствительность, ограниченная усилением, - это минимальное напряжение сигнала на входе приемника (в микровольтах), обеспечивающее некоторую, достаточную для нормального прослушивания, выходную мощность ЗЧ, обычно 50 мВт. Если усиление приемника велико, то до такой выходной мощности могут усиливаться даже собственные шумы приемника.

Чувствительность, ограниченная шумами, - это минимальное напряжение сигнала на входе, обеспечивающее заданное отношение сигнал /шум на выходе, обычно 12 дБ (4 раза по напряжению) для связных приемников и 26 дБ (20 раз по напряжению) для радиовещательных. Считается, что такое отношение сигнал/шум обеспечивает достаточно хороший прием. Глубину AM при определении чувствительности устанавливают равной 30%, а девиацию ЧМ - также 30% от максимальной.

Селективность также имеет несколько определений. Селективность по соседнему каналу показывает, на сколько децибел (или во сколько раз) ослабляется сигнал радиостанции, работающей в соседнем частотном канале при заданной расстройке. Хотя сетка частот станций имеет шаг 9 кГц на ДСВ и всего 5 кГц на KB, селективность AM приемника по соседнему каналу традиционно измеряют при расстройке 10 кГц. Селективность ЧМ приемников измеряют при расстройках 120 или 180 кГц в диапазоне УКВ-1 и 200 или 300 кГц - в УКВ-2.

Селективность многоконтурного фильтра и одиночного контура

Полоса пропускания до детекторного тракта приемника определяет ослабление верхних частот звукового спектра. Лишь при полосе 20 кГц AM приемник воспроизводит весь передаваемый спектр звуковых частот. Такое возможно лишь при приеме местных мощных станций, и о селективности по соседнему каналу говорить не приходится: ее почти нет. Приемники для дальнего приема имеют полосу пропускания 4-8 кГц, зато высокую селективность. В качестве примера на рис. 1.28 приведена кривая селективности хорошего супергетеродина для дальнего приема, имеющего полосу пропускания 9 кГц и селективность при расстройке 10 кГц более 60 дБ (1000 раз по напряжению). Видно, что кривая селективности, определяемая АЧХ (амплитудно-частотной характеристикой) фильтра ПЧ, близка к прямоугольной. Для сравнения штриховой линией обозначена АЧХ одиночного контура с полосой пропускания всего 2 кГц. Несмотря на более узкую полосу пропускания, его селективность гораздо ниже.

Для супергетеродина вводят еще понятие селективности по зеркальному каналу и другим побочным каналам приема. Наиболее полно приемник характеризует реальная селективность, измеряемая двух-сигнальным методом: на вход подается минимальный полезный сигнал с уровнем, соответствующим чувствительности, и более сильный мешающий, частота которого может перестраиваться в широких пределах, а уровень увеличивается до тех пор, пока не произойдет оговоренного ухудшения приема. Разницу между уровнями полезного и мешающего сигналов называют динамическим диапазоном приемника. У дешевых промышленных радиовещательных приемников он не превосходит 40 дБ (отношение амплитуд мешающего и полезного сигнала ниже 100), у лучших может составить 60-70 дБ. Хорошие профессиональные приемники для радиосвязи имеют динамический диапазон, приближающийся к 100 дБ (отношение амплитуд 100 000).

Реальная селективность и динамический диапазон приёмника

Рис. 1.29 иллюстрирует понятия реальной селективности и динамического диапазона. По горизонтали отложена частота, по вертикали - уровень сигнала на входе, необходимый для создания одинакового эффекта на выходе. Приемник настроен на частоту f0, и на этой частоте ему нужен минимальный сигнал, определяющий чувствительность. Сигналы на других частотах окажутся помехами, вызывающими накладки на полезный, забитие (потерю чувствительности), перекрестную модуляцию (перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный), интерференционные свисты и т.п.

Динамический диапазон и есть разница в уровнях между полезным сигналом и помехами, при которых начинаются все эти нежелательные явления. На рисунке видны селективность по зеркальному каналу Dзер , по побочным каналам приема Dпоб, и динамический диапазон по забитию и перекрестной модуляции.

А теперь обратите внимание на правую часть рисунка, где условными прямоугольниками обозначены уровни сигналов, создаваемых антеннами: малой А1, средней А2 и большой, высоко поднятой A3. Высота прямоугольников соответствует разнице в сигналах, создаваемых помехами Uпом и самой сильной радиостанцией Umax . С антенной А1 приемник будет работать нормально. Если Uпом лежит ниже уровня чувствительности, то шум даже не усилится при подключений антенны, если выше - возрастет, и по этому признаку можно отличить чувствительный приемник.

С антенной А2 сигнал самой сильной станции уже вызовет забитие и перекрестную модуляцию, то есть искажения полезного сигнала, хотя если ее частота не попадает на зеркальный или побочный канал приема, непосредственно ее сигнал слышно не будет. С антенной A3 ситуация катастрофическая: приемник оказывается полностью неработоспособен, а из его динамика будет слышен только вой и рев. Проверить сказанное просто: возьмите любой фабричный портативный транзисторный приемник и подсоедините к нему большую антенну. И вывод прост: традиционное стремление сделать или выбрать приемник почувствительнее, а антенну побольше ничем не оправдано. Каждому приемнику нужна своя, оптимальная антенна.

К другим параметрам, непосредственно не связанным с качеством приема, относятся выходная мощность УЗЧ, полоса воспроизводимых звуковых частот, напряжение питания, потребляемый ток и т.д. Смысл их ясен из названий. К сожалению, заводы и фирмы, выпускающие радиоприемники, приводят в инструкциях все меньше и меньше технических характеристик (из скромности или потому что стыдно?). Часто дело ограничивается только диапазонами волн, габаритами, весом и напряжением питания. Судить о качестве и экономичности приемника по таким данным, разумеется, невозможно. Измерения, проведенные автором на довольно большом количестве фабричных приемников, в основном оставили неутешительное впечатление.

Такова ситуация в радиовещании и радиовещательном приеме, сложившаяся к настоящему времени. Вооруженные этими знаниями, мы вполне можем приступить к постройке собственного радиоприемника, например (не сочтите за юмор) детекторного.

Читать дальше - Детекторные приемники