Дослідження способів підвищення чутливості та селективності супергетеродинних радіоприймачів

Рис.1.9.Структурна схема супергетеродина з подвійним перетворенням частоти

 

          Відносно висока перша проміжна частота забезпечує достатнє пригнічення дзеркальної перешкоди, а основна селекція зазвичай здійснюється на нижчій проміжній частоті. Першу проміжну частоту вибирають в межах від 1,6 до 10 Мгц, другу — від 50 до 500 кГц. Проміжна частота не повинна лежати в діапазоні, що приймається. Співвідношення першої і другої проміжних частот вибирають не більше 10—20, інакше важко ослабити дзеркальний канал приймання по другій проміжній частоті. Першу ПЧ вибирають так, щоб гармоніки другого гетеродина, а також комбінації частот першого і другого гетеродинів не попали в робочі діапазони приймача. У широкодіапазонному приймачі це виконати важко, але в приймачах на аматорські, порівняно вузькі діапазони, цілком можливо. Якщо частота другого гетеродина змінна в невеликих межах (наприклад ± 5 кГц), то виникає можливість підстроювання частоти приймання, що калібрується, причому калібрування не залежить від діапазону, в якому працює приймач. У багатьох зв'язкових КХ приймачах з подвійним перетворенням частота коливань першого гетеродина стабілізується кварцевими резонаторами. Тоді частота другого гетеродина і перша ПЧ мають бути змінними. Така побудова приймача має як позитивні, так і негативні сторони. З одного боку, підвищується стабільність більш високочастотного гетеродина, і можна використовувати одну шкалу на всіх діапазонах, що дозволяє виконати її точнішою і полегшує калібрування приймача. З іншого боку, важко забезпечити захист від паразитного приймання на змінній ПЧ. Наприклад, вибір змінної ПЧ в межах від 6 до 6,5 Мгц не можна вважати вдалими: ці частоти дуже близькі до діапазону 7 Мгц, і вхідні контури на цьому діапазоні не можуть забезпечити достатнє ослаблення сигналів першої ПЧ. Крім того, в межі такої ПЧ потрапляють потужні мовні станції 49-метрового діапазону.       Основна селекція в приймачах з подвійним перетворенням частоти здійснюється на другій, нижчій ПЧ, унаслідок чого каскади першої ПЧ, і особливо другий перетворювач, більш схильні до комбінаційних перешкод. Підсилення має бути таким, щоб компенсувати втрати на фільтрах і підтримувати відношення сигнал/шум на заданому рівні. Застосовуючи ВЧ кварцеві фільтри, можна забезпечити необхідну селективність по сусідньому каналу безпосередньо на високій ПЧ. Таким чином, відпадає необхідність в подвійному перетворенні частоти [15].

     Приймачі з одним перетворенням частоти менше схильні до комбінаційних і перехресних перешкод, мають менше позасмугових каналів приймання і внутрішніх інтерференційних свистів. Для збереження однієї шкали налаштування на всіх діапазонах чинять так. Генератор плавного діапазону (ГПД) повинен працювати у вузьких межах, однакових для всіх КХ діапазонів. Його коливання шляхом змішування з коливаннями кварцевого гетеродина переносяться на необхідну частоту, фільтруються і подаються на змішувач приймача. Необхідно особливу увагу звернути на спектральну чистоту отриманого таким чином коливання, інакше впаде перешкодозахищеність  приймання.

 

Рис.1.10.Структурна схема супергетеродина з одиничним перетворенням частоти

 

     Перспективною є схема  супергетеродиннного приймача з перетворенням частоти «вгору» (рис. 1.11), коли перша проміжна частота вища за діапазон частот, що приймаються (наприклад, 40 Мгц).

Рис.1.11.Структурна схема супергетеродина з електронним перемиканням діапазонів і компенсацією нестабільності першого гетеродина

 

     Якщо діапазон частот, що приймаються, від 3 до 30 Мгц, то частота гетеродина повинна змінюватися від 43 до 70 Мгц, а діапазон частот дзеркальних перешкод складе 83—110 Мгц. Це дозволяє простими засобами повністю усунути дзеркальну перешкоду і відмовитися від пере налаштування селективних контурів на вході (при великому динамічному діапазоні приймача). У такому приймачі застосовують гетеродин, що працює на порівняно високій частоті, що ускладнює одержання високої стабільності. Крім того, на високій проміжній частоті слід застосовувати високоякісний (бажано вузькосмуговий) фільтр, інакше можлива поява дзеркальної перешкоди при другому перетворенні частоти «вниз», оскільки ця частина приймача аналогічна схемі звичайного приймача супергетеродина. Кварцеві фільтри із смугою 3—10 кГц на частоту 40 Мгц і вище, розроблені і випускаються промисловістю [6].

          У зв'язкових і висококласних мовних приймачах застосовують подвійне (рідко — потрійне) перетворення частоти. Про переваги такого рішення і критерії вибору першою і другою ПЧ сказано нижче.

     Переваги :

– висока чутливість. Супергетеродин дозволяє отримати більше підсилення порівняно з приймачем прямого підсилення за рахунок додаткового підсилення на проміжній частоті, що не приводить до паразитної генерації: позитивний зворотний зв'язок не виникає через те, що в каскадах ВЧ і ПЧ підсилюються різні частоти;

–висока селективність, обумовлена фільтрацією сигналу в каналі ПЧ. Фільтр ПЧ можна виготовити із значно вищими параметрами, оскільки його не потрібно переналаштовувати за частотою. Наприклад, широко використовують кварцеві, пьезокерамічні й електромеханічні фільтри зосередженої селекції;

– можливість приймати сигнали з модуляцією будь-якого виду, у тому числі з амплітудною маніпуляцією (радіотелеграф) й односмуговою модуляцією.

     Недоліки.

     Найважливішим недоліком є наявність так званого дзеркального каналу приймання — другої вхідної частоти, що дає таку ж різницю з частотою гетеродина, що і робоча частота. Сигнал, що передається на цій частоті, може проходити через фільтри ПЧ разом з робочим сигналом.

     Наприклад, нехай приймач з ПЧ 6,5 Мгц налаштований на радіостанцію, що працює на частоті 70 Мгц і частота гетеродина рівна 76,5 Мгц. На виході фільтру ПЧ виділятиметься сигнал з частотою 76,5 - 70 = 6,5 Мгц. Проте, якщо на частоті 83 Мгц працює інша потужна радіостанція, і її сигнал зможе просочитися на вхід змішувача, то різницевий сигнал з частотою також 83 - 76,5 = 6,5 Мгц не буде пригнічений і створить перешкоду.

     Величина пригнічення такої перешкоди (селективність по дзеркальному каналу) залежить від ефективності вхідного фільтру і є однією з основних характеристик супергетеродина.

     Перешкоди від дзеркального каналу зменшують двома шляхами. По-перше, застосовують складніші і ефективніші вхідні смугові фільтри, що складаються з декількох коливальних контурів. Це ускладнює і здорожчує конструкцію, оскільки вхідний фільтр потрібно ще і переналаштовувати за частотою. По-друге, проміжну частоту вибирають досить високою порівняно з частотою приймання, інколи навіть вище останньої (так зване «перетворення вгору»). В цьому випадку дзеркальний канал приймання виявляється відносно далеко по частоті від основного, і вхідний фільтр приймача може ефективніше його пригнітити. У цьому випадку заради спрощення приймача інколи взагалі відмовляються від вхідного смугового фільтру, замінюючи його фільтром низьких частот. У високоякісних приймачах часто застосовують метод подвійного перетворення частоти, причому, якщо першу ПЧ вибирають високою з описаних вище міркувань, то другу роблять низькою (сотні, інколи навіть десятки кілогерц), що дозволяє ефективніше пригнічувати перешкоди від близьких по частоті станцій, тобто підвищити селективність приймача по сусідньому каналу. Подібні приймачі, не дивлячись на досить високу складність виготовлення і налагодження, широко застосовуються в професійному й аматорському радіозв'язку.

     Крім того, в супергетеродині можливий паразитне приймання станцій, що працюють на проміжній частоті. Йому запобігають екрануванням окремих вузлів і приймача в цілому [18].

     Уцілому супергетеродин вимагає набагато більшої ретельності в проектуванні і налагодженні, ніж приймач прямого підсилення. Доводиться застосовувати досить складні заходи, щоб забезпечити стабільність частоти гетеродинів, оскільки від неї сильно залежить якість приймання. Сигнал гетеродина не повинен просочуватися в антену, щоб приймач сам не ставав джерелом перешкод. Якщо в приймачі більше одного гетеродина, існує небезпека, що биття між якимись гармоніками виявиться в смузі звукових частот і дадуть перешкоду у вигляді свисту на виході приймача. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 2. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ СЕЛЕКТИВНОСТІ СУПЕРГЕТЕРОДИННИХ РАДІОПРИЙМАЧІВ

2.1 ЗАСТОСУВАННЯ   ВУЗЬКОСМУГОВИХ ВХІДНИХ ФІЛЬТРІВ

(ПАСИВНИХ ПРЕСЕЛЕКТОРІВ)

    Для усунення перешкод на вході приймача застосовуються фільтри, налаштовані на проміжну частоту, які не пропускають на вхід перетворювача сигнали станцій, що заважають та мають частоту, рівну проміжній.

     Застосовуються такі фільтри двох типів: замикаючі та проникні. Фільтр першого типу — замикаючий, або фільтр-пробка, як його інколи називають, — є контур, включений в антенне коло послідовно і налаштований на проміжну частоту(схема а) .Такий контур LС складає великий опір для коливань тієї частоти, на яку він налаштований, і не пропускає їх. Особливо ефективною затримуючою дією відрізняється фільтр-пробка LС1С2 (схема б).

      Фільтри другого роду (проникні) являють коло з послідовно сполучених індуктивності L і ємності C, налаштоване також на проміжну частоту (схема в). Таке коло має дуже малий опір для резонансної частоти. Включаючи його, як показано на схемі, паралельно входу приймача, ми даємо можливість коливанням з частотою, рівною проміжній, проходити по фільтруючому колу, минаючи вхід приймача[5].

Рис.2.1.Схеми фільтрів проміжної частоти на вході приймача.

а,б – замикаючі  фільтри; в – проникний фільтр.

 

 

      Розглянемо  схему, представлену на рис. 2.1.1. На частоті f реактивний опір LC-контура рівний:

1/Z_LC = 1/Z_C + 1/Z_L = 1/jωL - ωC/j = j(ωC - 1/ωL),                            (2.1)

 

або       Z_LC = j/[(1/ωL) - ωC].                                                                      (2.2)

                                                                 

     Lc-контур у поєднанні з резистором R утворює подільник напруги; у зв'язку з тим, що індуктивність і конденсатор протилежним чином реагують на зміну частоти, імпеданс паралельного LC - кола на резонансній частоті ƒ₀ = 1/2π(LC)^1/2 прагне до нескінченності, на характеристиці при цьому значенні частоти повинен спостерігатися різкий сплеск. Графік такої характеристики представлений на рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Резонансна LC-схема: широкосмуговий фільтр.

 

 

 

 

 

Рис. 2.3. Частотна характеристика LC-фільтра

 

 

     Насправді пік характеристики згладжений за рахунок втрат в індуктивності та в конденсаторі, проте, якщо схема сконструйована добре, то ці втрати дуже невеликі. Якщо ж хочуть спеціально згладити характеристику, то в схему включають додатковий резистор, погіршуючи добротність контура Q. Така схема називається паралельним резонансним LC - контуром. Вона широко використовується в радіотехніці для виділення зі всього частотного діапазону сигналів певної частоти підсилення (L або С можуть бути змінними, і з їх допомогою можна налаштовувати резонансний контур на певну частоту). Чим вище імпеданс джерела, тим гостріше пік характеристики. Коефіцієнт добротності Q дозволяє оцінювати характеристику контура: чим більше добротність, тим гостріше характеристика. Добротність дорівнює резонансній частоті, поділеній на ширину піку, визначену по точках – 3 дБ. Для паралельної RLC - схеми Q = ω₀RC.

     Іншим різновидом LC-схем є послідовна LC-схема (рис.2.4). Використовуючи рівняння для імпедансу, можна показати, що імпеданс послідовної LC - схеми прагне до нуля на частоті ƒ₀ = 1/2π(LC)^1/2.                   

Така схема на резонансній частоті або поблизу неї як би «захоплює» сигнал і заземляє його [12].

 

 

Рис.2.4. Вузькосмуговий  режекторний LC-фільтр.

 

На рис. 2.5 зображена  характеристика вищеописаної схеми.

 

Рис. 2.5. Характеристика режекторного фільтра.

 

      У більшості сучасних радіоприймачів на вході використовується набір широкосмугових, найчастіше двохелементних фільтрів, побудованих за схемою 2.2. Їх селективні властивості невисокі і вони не можуть забезпечити надійного приймання корисного сигналу в умовах перешкод.

 Для роботи у відносно вузькому  діапазоні частот ефективними можуть бути пасивні LC-преселектори на вході приймача, в яких  використані високодобротні  коливальні котури зі смугою пропускання до 10 кГц. У процесі дослідження випробувано такий преселектор з двохсекційним конденсатором змінної ємності для переналаштування його контурів. Такий преселектор послабляє сигнали поза смугою пропускання у десятки разів.

Найкращі характеристики мають пасивні преселектори на кварцевих резонаторах. Вони не потребують налаштування та прості у виготовленні. Потрібні тільки два однакових кварца (в експерименті використано кварцеві резонатори типу Б-1 на 7050 кГц). Фільтр встановлюється між антеною та входом приймача. Конденсатори С1–С3 (4–15 пФ) налаштовують на максимум сигналу. Такий фільтр називають ще активним аттенюатором. В його ефективності суб’єктивно можна легко переконатися, прокручуючи ручку налаштування приймача від 6900 до 7100 кГц. При підході до частот, яка відповідає смузі пропускання фільтра, з‘являються радіостанціі яких не чутно за межами смуги пропускання [11]. Вимірювання АЧХ фільтра за допомогою ГСС, цифрового частотоміра та ВЧ вольтметра повністю підтвердили суб’єктивні відчуття.

Рис. 2.9. Двохкварцевий  пасивний преселектор

 

Отже, в роботі випробувано найпростіший двохкварцевий пасивний преселектор на частоту 7050 кГц, який покращив основну селективність приймача трансивера щонайменше на 28 дБ, тобто, послабив позасмугові сигнали майже у 1000 разів.  Службові системи радіозв’язку, як правило, мають один-два основних канали і декілька запасних, тому побудувати набір кварцевих пасивних преселекторів, хоча б для деяких із них, не складно, а ефект їх застосування надзвичайно великий.