Дослідження способів підвищення чутливості та селективності супергетеродинних радіоприймачів

     Частотна характеристика. Частотна характеристика всього приймача, тобто від його антенного входу і до виходу на гучномовець, показує, наскільки рівномірно підсилюються в приймачі різні частоти звукового спектру. Тому за формою частотної характеристики можна судити, наскільки добре (або погано, тобто із спотвореннями) радіоприймач здатний відтворювати звуки. Сильний вплив на якість звучання відтворюваної передачі здійснює низькочастотна частина приймача, в якій відбувається підсилення коливань низької частоти, отриманих після детектування, а також гучномовець. В той же час якість звучання радіопередачі, що приймається, значною мірою залежить і від роботи високочастотної частини приймача і, в першу чергу, від того, наскільки рівномірно підсилюються нею коливання всієї смуги частот, що пропускаються, до детектування [16].

     Нерівномірне підсилення приймачем різних частот викликає спотворення звучання радіопередачі, що приймається. Щоб ці спотворення понизити до мінімуму, прагнуть резонансній кривій приймача надати таку форму, щоб потрібна смуга частот радіостанції, що приймається, укладалася в межах верхньої частини цієї характеристики, що знаходиться на висоті 0,7 від її максимальної висоти (на рис. 1.3 позначено пунктиром).

Рис.1.3.Смуга пропускання

Ширина цієї частини резонансної характеристики умовно і називається смугою пропускання приймача. Посилення крайніх бічних частот цієї смуги зменшується порівняно з посиленням резонансної частоти лише в 1,4 рази

(1 : 0,7= 1,4).

     Цим ми умовно допускаємо, що досить добре проходять через резонансні контури всі частоти, які послаблюються не більш, ніж в 1,4 рази порівняно з резонансною частотою. При цьому і вищі звукові частоти, відповідні крайнім бічним частотам цієї смуги, послаблюються також в 1,4 рази порівняно з нижчими, отримуваними з бічних частот, близьких до резонансної частоти. Якщо резонансна характеристика приймача (контура) буде дуже вузька, то він пропускатиме з послабленням в 1,4 разу лише бічні частоти поблизу від резонансної. Отже, частотна характеристика приймача буде сильно обмежена з боку високих частот. Це призведе, до помітного зниження якості звучання, до спотворення тембру передачі, оскільки тембр або забарвлення звуку визначається вищими звуковими частотами.

     Таким чином, високочастотна частина приймача здійнює істотний вплив на його характеристики по низькій частоті, і це слід враховувати при оцінці роботи різних приймальних схем.

 

1.1.1. Детекторний радіоприймач

 Детекторний радіоприймач - простий радіоприймач, в якому прийняті сигнали радіостанцій не посилюються, а лише перетворюються на звукові сигнали (детектуються) детектором.  

     Для приймання електромагнітних хвиль у найпростішому детекторному радіоприймачі застосовують приймальну антену 1 (рис.1.4), в якій енергія електромагнітної хвилі перетворюється на змінний високочастотний струм. Вимушені коливання в антені збуджуються електромагнітними хвилями всіх радіостанцій. Коливання напруги подаються на коливальний контур 2 із змінною власною частотою коливань. Власна частота коливань у контурі приймача змінюється внаслідок зміни електроємності змінного конденсатора. За умови збігу частоти вимушених коливань в антені з власною частотою коливань контуру наступає резонанс, при цьому амплітуда вимушених коливань напруги на пластинах конденсатора контура досягає максимального значення. Таким чином, із великої кількості електромагнітних коливань, збуджених в антені, виділяються коливання потрібної частоти, на якій і працює радіостанція [14].

 

Рис.1.4.Детекторний радіоприймач

 

       З коливального контуру приймача модульовані коливання високої частоти поступають на детектор 3. Як детектор можна використати напівпровідниковий діод, що пропускає змінний струм високої частоти тільки в одному напрямі. Високочастотний модульований струм після проходження через діод стає пульсуючим струмом. На ділянці паралельно з'єднаних конденсатора С і телефона 4 високочастотні пульсації струму закорочуються через конденсатор. Для струму звукової (низької) частоти конденсатор є великим опором, і тому такий струм проходить через телефон. Для високочастотних пульсацій струму обмотка електромагніта телефона є досить великим індуктивним опором. Телефон перетворює коливання струму на звукові коливання. Таким чином, високочастотні модульовані електромагнітні коливання в приймачі знову перетворяться на звук.

     Детекторний приймач дуже простий, надійний, не вимагає джерела живлення, однак він може приймати сигнали лише від близьких або дуже потужних радіостанцій.

1.1.2. Радіоприймач прямого підсилення

 

Радіоприймач прямого  підсилення — один з найпростіших типів радіоприймачів.

 

 

Рис.1.5.Блок-схема приймача прямого підсилення

 

     Радіоприймач  прямого підсилення (герадеаус) складається з коливального контура, декількох каскадів підсилення високої частоти, квадратичного амплітудного детектора, а також декількох каскадів підсилення низької частоти.

     Коливальний контур служить для виділення сигналу необхідної радіостанції. Як правило, частоту налаштування коливального контура змінюють конденсатором змінної ємкості. До коливального контура підключають антену, інколи і заземлення.

     Сигнал, виділений коливальним контуром, поступає на підсилювач високої частоти. Підсилювач високої частоти (ПВЧ), як правило, має декілька  каскадів  підсилення. З ПВЧ сигнал подається на діодний детектор, з детектора знімається сигнал звукової частоти, який підсилюється ще декількома каскадами підсилювача низької частоти (ПНЧ), звідки поступає на динамік або навушники[8].

     У літературі  приймачі прямого підсилення  класифікують за числом каскадів підсилювачів низької і високої частоти. Приймач з n-каскадами підсилення високої і m-каскадами підсилення низької частоти позначають n-V -m, де V позначає детектор. Наприклад, приймач з одним каскадом ПВЧ і одним каскадом ПНЧ позначається 1-V-1. Детекторний приймач, який можна розглядати як окремий випадок приймача прямого посилення, позначається 0-V-0.

Переваги та недоліки.

 

     Головна перевага приймача прямого підсилення — простота конструкції, У СРСР в 1970-80 рр продавалися, а в інших країнах продаються і нині, радіоконструктори — набори деталей для виготовлення приймача прямого підсилення на транзисторах. Крім того, радіоприймачі прямого підсилення (на відміну від приймачів супергетеродинів) відрізняються відсутністю паразитних випромінювань в ефір, що може бути важливим, якщо необхідна повна прихованість приймача.

     Основний недолік приймача прямого підсилення — мала селективність (вибірковість), тобто мале ослаблення сигналів сусідніх радіостанцій порівняно з сигналом станції, на яку налаштований приймач (до регенеративного приймача, що є різновидом приймача прямого посилення, це не відноситься). Тому цей тип приймачів зручно використовувати лише для приймання потужних радіостанцій, що працюють в довгохвильовому або середньохвильовому діапазоні (із-за особливостей поширення хвиль в іоносфері довгохвильові і середньохвильові сигнали не можуть поширюватися дуже далеко, тому приймач «бачить» лише обмежене число місцевих станцій). Із-за цього недоліку приймачі прямого посилення не виробляються промисловістю і використовуються нині лише в радіоаматорській практиці [19].

     Як правило, радіоприймачі цього типа можуть приймати лише амплітудно-модульовані радіопередачі. Також зазвичай необхідне підключення зовнішньої антени і заземлення, у зв'язку з їх невисокою чутливістю, обмеженою підсиленням.

 

1.1.3. Радіоприймач прямого перетворення

     Радіоприймач прямого перетворення — радіоприймач, в якому радіосигнал безпосередньо перетвориться на сигнал звукової частоти за допомогою малопотужного генератора (гетеродина), частота якого рівна (майже рівна) або кратна частоті сигналу, що приймається. По схожості принципу дії такий приймач інколи називають супергетеродином з нульовою проміжною частотою.

          Розглянемо приклад використання  такого радіоприймача : нехай потрібно прийняти частоту 100,2 МГц.Сусідні канали будуть 100,2+0,03=100,23 МГц та 100,2-0,03=100,17 МГц.(Рис.1.6)

Рис.1.6.Структурна схема приймача прямого перетворення

 

     Для цього використовуємо приймач прямого підсилення (рис.1.6),який складається з антени (А), вхідного кола (ВК),підсилювачів радіочастоти (ПРЧ) (ПРЧ2), детектора (Д),підсилювача низької частоти (ПНЧ), та динамічного гучномовця [21].

     ВК та  ПРЧ використовуються, щоб забезпечити  вибірковість по сусідньому сигналу. В складі кожного вузла є паралельний коливальний контур з такими параметрами: 

         

Рис.1.7.Частотна характеристика коливального контура

 

Q-добротність ~50

f₀-частота станції (f_c=100,2 МГц)      f_c

     Отже, смуга 2∆f контура становить 2∆f =          =  2 МГц.

                               Q

Нам потрібно непропустити сусідній канал на віддалі 30 кГц, тобто  контур який має смугу 2 МГц не підходить.Тобто в цьому випадку неможливо реалізувати приймач прямого підсилення.Такі приймачі використовуються тільки тоді, коли треба прийняти одну фіксовану частоту і не має близько розташованих сусідніх каналів.

Переваги та недоліки

     Ключовий недолік, він же ключова перевага цього виду приймачів — близькість дзеркального каналу приймання до каналу, що приймається. Практично це сусідні канали, і відфільтрувати дзеркальний канал приймання на низькій частоті досить складно. У ряді випадків дзеркальний канал фільтрувати не треба зовсім, оскільки він майже гарантовано вільний. Така ситуація спостерігається в УКХ радіомовленні, коли при ліцензуванні частот сусідній канал поряд з потужною радіостанцією прагнуть залишити порожнім. Тому приймачі прямого перетворення для УКХ радіостанцій можна взагалі не забезпечувати вхідним фільтром, а все інше легко укладається в одну мікросхему без навісних елементів. Саме такі дуже дешеві і мініатюрні приймачі зараз вбудовують в електронні гаджети типу стільникових телефонів.

     В разі використання приймача прямого перетворення на КХ, наприклад, для військового радіозв'язку, двосмугове приймання стає серйозним недоліком, оскільки на КХ діапазонах дуже багато перешкод від сусідніх станцій.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 СУПЕРГЕТЕРОДИННІ ПРИЙМАЧІ ТА ЇХ ОСОБЛИВОСТІ

 

     Супергетеродинний  радіоприймач (супергетеродин) — один  з типів радіоприймачів, оснований на принципі перетворення сигналу, що приймається, на сигнал фіксованої проміжної частоти (ПЧ) з подальшим її підсиленням. Основна перевага супергетеродина перед радіоприймачем прямого підсилення в тому, що найбільш критичні для якості приймання частини приймального тракту (вузькосмуговий фільтр, підсилювач ПЧ і демодулятор) не повинні переналаштовуватися під різні частоти, що дозволяє виконати їх із значно кращими характеристиками.

     Супергетеродинний радіоприймач винайшов американець Едвін Армстронг в 1918 році [4].

Рис.1.8.Спрощена схема супергетеродина

 

          Радіосигнал з антени подається на вхід підсилювача високої частоти (у спрощеному варіанті він може бути і відсутнім), а потім на вхід змішувача — спеціального елемента з двома входами і одним виходом, що здійснює операцію перетворення сигналу по частоті. На другий вхід змішувача подається сигнал з локального малопотужного генератора високої частоти — гетеродина. Коливальний контур гетеродина переналаштовується одночасно з вхідним контуром змішувача (і контурами підсилювача ВЧ) — зазвичай конденсатором змінної ємкості (КЗЕ), рідше котушкою змінної індуктивності (варіометром, ферроваріометром). Таким чином, на виході змішувача утворюються сигнали з частотою, що дорівнює сумі і різниці частот гетеродина і радіостанції, що приймається. Різницевий сигнал постійної проміжної частоти (ПЧ) виділяється за допомогою смугового фільтра і підсилюється в підсилювачі ПЧ, після чого поступає на демодулятор, який поновлює сигнал низької (звуковий) частоти. У сучасних приймачах як гетеродин використовується цифровий синтезатор частот з кварцевою стабілізацією.

          У звичайних мовних приймачах довгих, середніх і коротких хвиль проміжна частота, як правило, рівна 465 або 455 кГц, в побутових ультракороткохвильових — 6,5 або 10,7 Мгц. У телевізорах використовується проміжна частота 38 Мгц [2].

          У супергетеродині основне підсилення прийнятого радіосигналу відбувається на фіксованій, до того ж порівняно низькій проміжній частоті. Це дозволяє шляхом збільшення числа каскадів підсилювача ПЧ отримати дуже велике і вельми стабільне підсилення прийнятого радіосигналу без ризику збудження підсилювача ПЧ. Селективні властивості приймача прямого підсилення визначаються, зазвичай, одним вхідним коливальним контуром. У супергетеродині ж декілька коливальних контурів, постійно налаштованих на проміжну частоту. Ці контури, створюючи фільтри ПЧ, і забезпечують супергетеродину вищу, ніж в приймачі прямого підсилення, селективність. До всього цього треба ще додати, що чутливість і селективність супергетеродина зберігаються приблизно постійними на всіх діапазонах, у тому числі і на короткохвильових, для яких приймачі прямого підсилення практично непридатні.

          Для поліпшення селективності по дзеркальному каналу необхідно підвищувати проміжну частоту. Проте з її підвищенням ускладнюється основна селекція сигналу. Тому застосовують подвійне або потрійне перетворення частоти в приймачі[17].