Эксперименты с синхронным детектированием
В.Т. Поляков, г. Москва
Неожиданное - всегда рядом. Нужно только вовремя заметить это неожиданное и найти способ извлечь из него пользу. Например, в самом амплитудно-модулированном сигнале заложен ключ к усовершенствованию приемника. Чтобы убедиться в этом, автор предлагает провести несложные эксперименты, которые по силам даже начинающим радиолюбителям. Для проведения подобных работ он рекомендует воспользоваться самым "элементарным" приемником.
Приемник с ключевым детектором, правильнее сказать, смесителем или перемножителем, изобретен Гольдшмидтом в Германии еще ранее, в начале 1900-х годов. Механический коммутатор представлял собой колесо с множеством контактов, быстро вращаемое моторчиком [2]. Контакты на колесе замыкались с неподвижным контактом, обеспечивая частоты коммутации в десятки килогерц. В то время радиостанции работали телеграфом на сверхдлинных волнах и приемник позволял принимать телеграфные сигналы на слух, при этом расстройка между частотами сигнала и ключа устанавливалась порядка 400... 1000 Гц регулировкой скорости вращения моторчика. Позднее появились приемники со смесителями и генераторами на лампах, и их стали называть гетеродинными. Они были незаменимы для приема телеграфных сигналов, обеспечивая гораздо большую дальность связи, чем известные тогда детекторные приемники с телеграфными реле (О. Лоджа, А. Попова, Г. Маркони и др.). Гетеродинные приемники были забыты с появлением радиовещания с AM, поскольку средств синхронизации тогда не было, а асинхронный гетеродинный приемник для приема AM не годился - слышно не передачу, а только тон биений сигнала и гетеродина.
В изображенном на рис. 1 ,а приемнике с ключевым смесителем контур, образованный емкостью антенны и элементами L1C1, настроен на частоту сигнала. Если ключ смесителя SA1 замкнут в те промежутки времени, когда проходит положительная полуволна сигнала, то через телефоны потечет пульсирующий ток положительной полярности (рис. 1 ,б). Если же фазу коммутации ключа изменить на обратную, то и импульсы тока в телефонах будут отрицательными. Но если фаза коммутации сдвинута на 90 град. по отношению к сигналу, импульсы тока окажутся двуполярными - средний ток будет равен нулю. Таким образом, ключевой детектор чувствителен к фазе сигнала. В случае, когда частота коммутации не совпадает с частотой сигнала, импульсы тока в нагрузке будут то положительными, то отрицательными - появится тон разностной частоты.
Рис.1Итак, чтобы детектировать AM сигнал, ключ надо замыкать строго синхронно с колебаниями несущей сигнала, тогда однополярные импульсы тока в нагрузке начнут изменяться в такт с модуляцией сигнала и будет слышна передача. Такой детектор и называется синхронным. Возможности синхронного приема AM сигналов рассмотрены в [2] - замечательной книге, написанной в 1941 г., увидевшей свет в 1961-м и не устаревшей до наших дней.
Синхронный детектор обладает рядом достоинств: он идеально линеен, не детектирует сигналов радиостанций из соседних каналов - они дают только биения с частотой, равной разности частот сигнала и коммутации, более чувствителен и согласуется практически с любой нагрузкой.
В нашем приемнике использована современная элементная база. Роль механического коммутатора с успехом выполнит полевой транзистор с изолированным затвором, например, серии КП305. Когда на его затвор подано отрицательное напряжение, проводящий канал между истоком и стоком закрывается электрическим полем затвора и сопротивление между стоком и истоком очень велико. Если же на затворе положительное напряжение, сопротивление канала составляет всего сотни или даже десятки ом. Таким образом, полевой транзистор служит ключом, управляемым напряжением, которое берется не от местного гетеродина (приемник все же детекторный), а прямо с контура, на котором присутствует напряжение несущей AM сигнала (ведь сама по себе энергия несущей частоты информации не несет) - так пусть оно хотя бы коммутирует ключ!
В идеальном случае надо бы разделить принятый сигнал двумя фильтрами:
одним - очень узкополосным, выделяющим только несущую из спектра сигнала, другим - полосовым, с режекцией несущей, выделяющим только частоты боковых полос (рис. 2).
Puc.2Когда из антенного контура на фильтры поступит AM сигнал (осциллограммы показаны на рис. 3), первый фильтр выделит немодулированные колебания несущей (CW), а второй - балансно-модулированный сигнал боковых полос без несущей (DSB). Фаза последнего совпадает с фазой несущей при положительной полуволне ЗЧ и меняется на обратную при отрицательной. Несущая, выделенная фильтром Z1, управляет ключом, и на его входе появляются положительные импульсы тока при положительной полуволне ЗЧ и отрицательные - при отрицательной. В телефоны потечет ток звуковой частоты без постоянной составляющей.
Рис.3Столь узкополосные фильтры нельзя сделать на обычных колебательных контурах, но они имеются - это синхронные фильтры на коммутируемых конденсаторах. Суть их работы сводится к следующему: к цепи переменного тока (рис. 3) периодически и поочередно подключают конденсаторы. Если моменты подключения каждого конденсатора попадают всегда в одну и ту же точку синусоиды, то конденсатор зарядится до соответствующего напряжения и перестанет потреблять ток. На всей системе конденсаторов выделится ступенчатое напряжение, аппроксимирующее входное синусоидальное. Если же частота коммутации не совпадает с частотой входного сигнала, на конденсаторы будет поступать каждый раз разное напряжение, конденсаторы не зарядятся и на выходе сигнала не будет.
У нас в проектируемом приемнике уже есть ключ, который, кроме демодуляции сигнала, может выполнять и роль ключа синхронного фильтра. Осталось добавить конденсатор, чтобы получить простейший синхронный фильтр с одним ключом и одним конденсатором. Схема получившегося приемника показана на рис. 4. Затвор полевого транзистора подключен ко всему контуру. Сопротивление цепи затвора чрезвычайно велико и совершенно не нагружает контур, поэтому на нем может развиваться весьма значительное напряжение высокой частоты сигнала - 0,5...3 В [3]. Как раз такое и нужно для уверенной коммутации транзистора. Конденсатор С3 - обычный блокировочный, он сглаживает высокочастотные пульсации тока после ключа.
Рис.4Конденсатором фильтра служит разделительный конденсатор С4 - он заряжается положительными импульсами тока (см. рис. 1 ,б), после чего ток из контура в режиме несущей при немодулированном сигнале вообще перестает потребляться. Контур оказывается ненагруженным, его добротность - большой, а селективность - высокой. Иное дело при модуляции: когда напряжение на контуре возрастает, по цепи ключ - телефоны протекает ток "дозарядки" конденсатора (положительная полуволна звукового сигнала). Когда же напряжение на контуре уменьшается, конденсатор С4 через ключ и телефоны разряжается на контур, подпитывая контур синфазными импульсами тока (отрицательная полуволна звукового сигнала). Таким образом, на несущей сигнала энергия из контура не потребляется и постоянного тока в телефонах нет, а происходит перекачка энергии из контура в конденсатор и обратно в соответствии со звуковыми колебаниями. При этом потребляется только энергия спектра частот боковых полос сигнала, и она переходит в энергию звука в телефонах. Как видим, приемник в работе очень непрост, несмотря на простоту схемы!
Если наблюдать высокочастотные колебания в контуре с помощью осциллографа (использовался выносной щуп с делителем 1:10 с входным сопротивлением 10 МОм и емкостью 10 пФ), можно увидеть, что происходит "размодуляция" сигнала - пики амплитуды сглаживаются, а провалы поднимаются. Это соответствует подъему несущей, что как нельзя лучше способствует правильной работе ключа и уменьшению ее зависимости от модуляции сигнала. АЧХ контура приобретает очень необычный вид: на пологой резонансной кривой нагруженного контура обычного детекторного приемника появляется острый пик на частоте несущей (рис. 5). Высота пика пропорциональна конструктивной добротности контура, которая достигает на СВ порядка 200...300, тогда как нагруженная добротность - всего несколько десятков. Ширина пика определяется (предположительно) постоянной времени цепочки, образованной конденсатором С4 и суммарным сопротивлением ключа и телефонов. С увеличением емкости С4 ширина пика уменьшается. Более того, этот пик "вырастает" только при наличии сигнала заметной амплитуды, ведь для его образования нужна коммутация ключа. В случае достаточно большой емкости С4 (порядка 100 мкФ) можно наблюдать рост пика после настройки на несущую в течение нескольких секунд!
Рис. 5Приемник "не терпит" неточной настройки - пик АЧХ должен образовываться на несущей. Если же пик окажется на боковой полосе, то он будет появляться лишь при глубокой модуляции, поднимет одну из боковых частот, что приведёт к сильным искажениям звукового сигнала. Но это вовсе не значит, что надо настраиваться с точностью до нескольких герц, надо только, чтобы несущая попала на вершину довольно пологой АЧХ нагруженного контура, затем пик вытянется автоматически на несущей сигнала.
Другой интересный эффект проявляется при большой емкости С4. Если быстро перестроить приемник от несущей мощной станции на несколько килогерц, можно услышать свист повышающегося тона. Это энергия заряженного конденсатора "перекачивается" в контур, но уже не на частоте несущей, а на частоте настройки контура, при этом слышны биения с несущей. И действительно, если считать заряженный конденсатор источником питания (на доли секунды его хватит), то его положительный полюс соединен со стоком, а сам транзистор включен по схеме генератора - индуктивной трехточки (см. рис. 4) - он и генерирует, пока есть заряд!
Во время одного эксперимента, желая измерить напряжение на С4, автор по ошибке подсоединил к конденсатору тестер, оказавшийся в режиме омметра. И приемник загенерировал, потребляя всего около 15 мкА и развивая на контуре около 2 В. На такой автодинный приемник вполне удовлетворительно принимались AM станции в режиме захвата частоты. Полоса захвата составляла от сотен герц до единиц килогерц, в зависимости от силы сигнала. Зато в режиме биений прослушивалось практически все, что было в эфире! Отличный эксперимент, чтобы оценить достоинства гетеродинного приема и преимущество телеграфа!
Несколько слов о деталях. Транзистор должен открываться и закрываться при напряжении на затворе, близком к нулевому. Его надо подобрать по сопротивлению канала при нулевом напряжении на затворе. Оно измеряется авометром между выводом стока и всеми остальными выводами, соединенными вместе. К стоку должен присоединяться тот вывод авометра, на котором положительное напряжение (при измерении токов и напряжений этот вывод отрицательный!). С высокоомными телефонами хорошо работают транзисторы с сопротивлением канала в десятки кОм, а с низкоомными - около 1...2 кОм. Если же сопротивление канала очень велико или очень мало, то такой транзистор не подходит - его напряжение "отсечки" составляет несколько вольт и он либо всегда будет закрыт, либо всегда открыт - приема не будет. Полевые транзисторы с изолированным затвором легко пробиваются и выходят из строя от статического электричества, поэтому следует соблюдать все правила обращения с ними: перемыкать выводы при монтаже, паяльник соединить с общим проводом приемника и через резистор 100 кОм с браслетом на руке оператора.
Из транзисторов серии КП305 подойдут экземпляры с буквенными индексами А, Б и Д, имеющие нулевое или небольшое положительное напряжение отсечки. Экспериментируя, автору удалось получить на контуре большое напряжение несущей. Хорошо работали даже КП301 и КП304 с напряжением отсечки 5 В, но слабые станции не были слышны. В приемнике несколько хуже работают отобранные по тому же принципу и полевые транзисторы с р-п переходом, например, КП303А. В цепь затвора этих транзисторов следует включить "гридлик" - параллельно соединенные резистор 1,5...2,7 МОм и конденсатор 47...100 пФ, чтобы возможный ток затвора создавал некоторое дополнительное смещение, а не шунтировал контур.
Положение отвода катушки (в пределах 1/4... 1/20 от общего числа витков) подбирают вплоть до получения максимальной громкости и качества звучания. Можно использовать и катушку связи, соблюдая направление ее намотки (при перемене выводов катушки связи изменяется и полярность зарядки конденсатора С4). Его емкость на схеме указана для высокоомных телефонов. Для низкоомных ее надо увеличить до 22...50 мкФ.
Полезно пропорционально увеличить и емкость СЗ. При использовании низкоомных телефонов отвод делается ближе к заземленному выводу катушки. Автор, используя телефоны ТДС-6 с сопротивлением 32 Ом (обе половины стереотелефонов соединены последовательно), получил хорошее звучание при использовании средневолновой катушки от магнитной антенны промышленного приемника, содержащей около 60 витков с отводом от 6-го витка. Конденсатор С2 чаще всего устанавливался в положение минимальной емкости, а настройка велась конденсатором С1 и ферритовым стержнем катушки. С антенной длиной менее 10м для трех московских радиостанций напряжение на контуре было больше 1,5 В.
Приемник работал несколько громче обычного детекторного, зато селективность его оказалась намного выше. Например, радиостанции на частотах 846 и 873 кГц прослушивались раздельно, чего нельзя было добиться с обычным детекторным приемником, поскольку сигналы второй станции были намного сильнее.
Любопытно отметить, как менялась громкость этих станций в зависимости от частоты настройки (рис. 6) - вторая проходила всегда громче, кроме случая точной настройки на 846 кГц, теперь первая выделялась, а вторая подавлялась. Сказывалась работа синхронного детектора - коммутируемого фильтра.
Рис.6Таким образом, селективность этого приемника отличается от обычной, статической селективности приемников с фильтрами. Эта селективность - динамическая, проявляющаяся только при поступлении на ключ несущей сигнала достаточной амплитуды. Если же сигналы на входе приемника слабы, то происходит лишь небольшая модуляция проводимости канала транзистора сигналом. Можно показать, что приемник при этом работает в режиме квадратичного детектирования, синхронные эффекты проявляются слабо или вообще незаметны, а селективность не выше, чем у обычного детекторного. Конденсатор С4 в этом режиме можно и замкнуть без особого влияния на работу приемника. Когда же при настройке на станцию с достаточным уровнем несущей транзистор начинает работать в ключевом режиме, проявляются все достоинства синхронного приема.
Математический анализ работы описываемого приемника еще не сделан, и эта задача наверняка будет интересна студентам и аспирантам, а также теоретикам радиотехнических специальностей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балашов М., Беляков В. "Громкоговорящий" детекторный приемник. - Радио, 1982, № 9,с.50,51.
2. Момот Е. Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема. - М.: ГЭИ, 1941; Связьиздат, 1961.
3. Поляков В. Мистика коротких антенн. - Радио, 2000, № 8,с.18,19.
Радио 4/2001, с.20-22.
[ На главную ] [ Радиоприем ]