Приемники и радиостанции с аналоговым фазовым методом формирования однополосного сигнала

[sgk]

Владимир R-V-A
Спасибо. Наиболее популярная методика измерений у радиолюбителей от ARRL.
This is a test (arrl.org)

[Игорь Тихомиров]

Тут https://disk.yandex.ru/i/4rpVbx8FKlXZVw будет текстовый файл очерка "Приемники и радиостанции с аналоговым фазовым методом формирования однополосного сигнала" по состоянию на текущий момент.

[Игорь Тихомиров]

Дело в том, что требования ГОСТ к приёмникам для магистральной связи по интермодуляционным искажениям не удовлетворяет радиолюбителей при проведении связей или радиоприёма в реальных условиях помех. Приёмники магистральной связи работают в составе радиоцентра где нет помех в месте приёма. Приёмники любителей могут работать в условиях сильных помех. Наиболее аргументированно с научно техническим обоснованием требований к любительскому приёмнику показано в книге В. В. Дроздова "Любительские КВ трансиверы". Скачать можно по ссылке из библиотеки.
Библиотека радиолюбителя (cqham.ru)

Всетаки удивляют суждения некоторых радиолюбителей. Я читал книгу уважаемого тов. Дроздова. Но если речь идет о науке, все же, лучше почитать, хотя бы, книгу Головина Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона http://publ.lib.ru/ARCHIVES/G/GOLOVI...ovin_O.V..html

[Игорь Тихомиров]

В действующем ГОСТ на магистральные приемники Д₃ относительно 1 мкВ повысили.

Коэффициент шума тот же 10 дБ.

[Игорь Тихомиров]

Сейчас моделирую схему и разрабатываю плату модулятора/демодулятора для Рации путешественника 2.0. Усовершенствованная технология обр.1990г. Надеюсь устранить недостатки той, вполне работоспособной, схемы. Отличие - имеется УПЧ работающий в режиме приема. Это компенсирует потери на преобразование и, соответственно, расширит ДД. Надеюсь получить Д₃ не менее 75дБ

Модулятор мульти-диапазонный с широкополосными входами сигнала и первого гетеродина.

[Игорь Тихомиров]

2 Структурные схемы аналоговых фазовых модуляторов и демодуляторов однополосного сигнала

Сразу хотел бы обратить внимание, что в данной главе будет рассмотрена ограниченная часть возможных структурных схем фазовых модуляторов и демодуляторов SSB сигнала. Акцент будет сделан на схемы с обратимыми (двунаправленными) преобразователями частоты (смесителями).
На рис.2.1 приведена структурная схема обратимого фазового модулятора/демодулятора SSB сигнала прямого преобразования.

Рис.2.1

Из рис.2.1 видно, что ВЧ фазовращатель выполнен на основе цифрового кольцевого счетчика-делителя на 4. На выходах первой и второй ступени кольцевого счетчика образуются два сигнала в виде прямоугольных импульсов (меандра) сдвинутых по фазе друг относительно друга, точно на 90^О. То, что сигналы, подаваемые на вход смесителей, имеют вид меандра значения не имеет. Лучший режим работы большинства реализаций схем смесителей - ключевой. Естественно, сами ключи должны пропускать сигнал в обоих направлениях.
А вот с НЧ фазовращателем не все так просто. Он должен обеспечивать фазовый сдвиг 90^Ово всей, рабочей, полосе звуковых частот. Требуемые величины баланса фаз и амплитуд, в зависимости от степени подавления сигнала нерабочей боковой полосы, приведены в табл. 2.1 (заимствована из книги В.Т. Полякова [1],табл. 3 стр. 57).

Естественно, что для модулятора/демодулятора выполненного согласно стр. схеме рис.2.1, НЧ фазовращатель, также как смесители, должен быть двунаправленным. Двунаправленность НЧ фазовращателя, а также то, что он работает при малых амплитудах полезного сигнала, вызывает необходимость применения исключительного пассивных вариантов их конструктивной реализации. Причем, НЧ фазовращатель не должен вносить существенные потери сигнала, чтобы не испортить отношение сигнал/шум приемного канала. Схемы и конструкции пассивных НЧ фазовращателей подробно рассмотрены в книге В.Т. Полякова[1]. По мнения автора, применение пассивных НЧ фазовращателей это тупиковый вариант. Вызвано это сложностью, а зачастую трудной реализуемостью и повторяемостью их конструкций.

Перспективным представляется применение в фазовых модуляторах/демодуляторах активных RC НЧ фазовращателей на операционных усилителях(в дальнейшем ОУ). Естественно, такие фазовращатели не являются двунаправленными. Структурная схема модулятора/демодулятора прямого преобразования допускающего применение активных RC НЧ фазовращателей на ОУ показана на рис.2.2.

Рис.2.2

Усилители НЧ сигнала нужны для увеличения уровня сигнала на входах звеньев активных RC НЧ фазовращателей, чтобы исключить влияние их шума на общее отношение сигнал/шум приемного канала.
По мнению автора фазовые модуляторы/демодуляторы прямого преобразования могут обеспечить требуемые характеристики передающего тракта с высокой стабильностью во времени и в различных условиях эксплуатации на частотах, максимум, до 10мГц. Выше10мГц или при широком диапазоне рабочих частот радиостанции, следует применять варианты с фазовым модулятором/демодулятором на промежуточной частоте.
Варианты структурной схем с фазовым модулятором/демодулятором на промежуточной частоте показаны на рис.2.3, рис.2.4.

Рис.2.3

Рис.2.4

По структурной схеме близкой к рис.2.3выполнен фазовый модулятор/демодулятор носимой 27мГц SSB «Рации путешественника» обр. 1990г конструкции автора, которая, по состоянию на конец 2023г, находится в рабочем состоянии и активно используется. Диодный, полностью обратимый, фазовый модулятор/демодулятор этой рации работает на ПЧ 3мГц.
Недостатком фазового модулятора/демодулятора выполненного в соответствии с рис.2.3 является меньший, более чем на 10дБ, динамический диапазон по сравнению с фазовым модулятором/демодулятором выполненным по схеме прямого преобразования. Чтобы получить приемлемый коэффициент шума приемного канала приходится увеличивать коэффициент передачи УВЧ стоящего перед модулятором/демодулятором. А это, естественно, снижает динамический диапазон приемного канала. Применение УПЧ в тракте приема радио-сигналов (см.Рис.2.4), в значительной мере, позволяет устранить этот недостаток. УПЧ компенсирует потери на преобразование частоты вносимые первым смесителем, давая возможность фазовому модулятору/демодулятору работать при большем отношении входного сигнала к собственному шуму его смесителей.

[Игорь Тихомиров]

3 Структурная схема и параметры радиоприемного устройств (РПУ)
однополосного сигнала прямого преобразования

3.1 Структурная схема РПУ однополосного сигнала прямого преобразования

На рис.3.1.1 приведена упрощенная структурная схема РПУ «Фазотрон» обр.1999г конструкции автора. Это РПУ рассчитано на прием радиосигналов в полосе до 16мГц (с разрывами) с внутренним гетеродином и в полосе 1...30мГц с внешним синтезатором включенным вместо внутреннего гетеродина.
Чувствительность РПУ составляет 4,8мкВ (измерено на частоте 7мГц при отсутствии узкополосного фильтра преселектора). Динамические диапазоны D₂ и D₃ составляют,соответственно,70дБ и 79дБ.
Величина чувствительности, прямо скажем, не предельно достижимая. Дело в том, что в активных RC звеньях НЧ фазовращателя и фильтра применены не самые малошумящие ОУ типа 544УД2. Да и ФНЧ 6-го порядка с передаточной характеристикой Чебышева с неравномерностью 2дБ, не самый оптимальный, с точки зрения вносимых шумов, вариант. Используя более подходящие ОУ и отказавшись в ФНЧ от варианта передаточной характеристики Чебышева с неравномерностью 2дБ ситуацию можно немного исправить. Но, поскольку характеристики полученные в 1999г вполне удовлетворительны, то при модернизации РПУ в 2023г, автор предпочел оставить все как есть.

Рис.3.1.1

В РПУ «Фазотрон» применен демодулятор SSB сигнала прямого преобразования выполненный с использованием двух кольцевых широкополосных диодных смесителей и НЧ фазовращателя 4-го порядка состоящего из активных RC звеньев на ОУ с расчетными собственными частотами.
Фильтром основной селекции (ФОС) для SSB сигнала служит ФНЧ 6-го порядка с характеристикой Чебышева и ФВЧ 2-гопорядка с характеристикой Батерворта. Полоса пропускания ФОС 300...3000Гц. Фильтры выполнены на ОУ в вид активных RC звеньев 2-го порядка с расчетными АЧХ.
С функциональным назначением большинства составных частей РПУ «Фазотрон», при внимательном рассмотрении структурной схемы все, более менее, становится понятно. А вот назначение УВЧ с коэффициентом передачи 3дБ требует пояснения. Этот УВЧ служит для обратной развязки между входом демодулятора и антенной. В фазовом демодуляторе РПУ «Фазотрон» применяются два широкополосных кольцевых диодных смесителя. В широкой полосе частот, величина подавления сигнала гетеродина на входе смесителя, обычно составляет, не менее 60дБ. То есть, при типовом напряжении сигнала гетеродина 1В, на входе смесителя будет присутствовать остаточный сигнал напряжением 1 мВ. Этот сигнал будет излучаться антенной и в «обезображенном» виде снова попадет на вход РПУ. Для того, чтобы ослабить этот эффект до приемлемого уровня и служит УВЧ.

[Игорь Тихомиров]

5.1 Принципиальные схемы аналоговых фазовых демодуляторов однополосного сигнала и УВЧ

На рис.5.1 приведена принципиальная схема фазового демодулятора однополосного сигнала РПУ «Фазотрон» без ВЧ и НЧ фазовращателей. Принципиальные схемы ВЧ и НЧ фазовращателей будут рассмотрены отдельно. На схеме, в скобках, показаны номиналы элементов, которые следует применить для расширения динамического диапазона демодулятора.

Рис.5.1

Представленная схема интересна для использования (естественно, совместно с УВЧ и ВЧ фазовращателем) в качестве аналоговой части полу-цифрового «SDR приемника» использующего компьютер с звуковой картой. Как это целесообразно сделать будет показано ниже.
Подробное описание конструкций кольцевого диодного смесителя и широкополосных трансформаторов есть в книге [2] «Справочное пособие по ВЧ схемотехнике» авт. Рэд, поэтому, чтобы не загромождать текст, автор предлагает обратится к этой замечательной книге.
Необходимо остановиться на выборе типов диодов и ОУ.
В качестве диодного кольца идеальным было бы использовать специальную матрицу 2А139АС. Также, хорошо подойдут диоды Шотки КД922АГ(БГ) поставляемые в виде подобранных четверок. Ну, и понятно, нельзя сбрасывать со счетов различные диоды импортного производства.
В качестве ОУ идеально подойдут специальные малошумящие аудио ОУ импортного производства с биполярным входом.

..............

Ну, и наконец, обещанная схема аналогового демодулятора полу-цифрового «SDR приемника».

Рис.5.2

Тут надо остановиться на одном моменте. Схема на рис.5.2 предназначена для использования в SDR приемнике без возможности цифровой перестройки частоты в пределах возможности звуковой карты. В этом случае на параметры и тип самой звуковой карты каких либо существенных ограничений не накладывается. Если предполагается использовать цифровую перестройки частоты, то в схему рис.5.2 необходимо внести следующие изменения. Изъять из схемы L4, L5 замкнув соответствующие цепи. Поставить в схему более широкополосные ОУ (с частотой единичного усиления не менее 100 мГц) с низким уровнем собственных шумов на НЧ.

[Игорь Тихомиров]

Люди читают, но никто не пишет замечания и пожелания. Это плохо.

[Игорь Тихомиров]

Ссылка на материал по состоянию на сегодняшний день https://drive.google.com/file/d/1PQQ...ew?usp=sharing .

[Игорь Тихомиров]

Как уже сказано обязательным атрибутом РПУ с демодулятором на базе диодных (и не только) смесителей является УВЧ с низким значением величины обратной передачи сигнала с выхода на вход. ....
Принципиальная схема УВЧ РПУ "Фазотрон" приведена на рис.5.3.

Рис.5.3

Схема на рис.5.3 требует пояснения. Элементы VT1, R3, R4, R7, R8, С3, C4 служат для запирания (блокирования) УВЧ на время действия на его входе большого сигнала, например при работе передатчика. Если этот режим не нужен, то эти элементы можно изъять из схемы. Свободный вывод резистора R2 необходимо заземлить.

[Игорь Тихомиров]

обещанная схема аналогового демодулятора полу-цифрового «SDR приемника».

Ошибка в схеме. Забыл, между ЛА3 и ИР8 делитель частоты нарисовать.
Исправлю.

Данная схема предназначена для работы с гетеродином имеющим синусоидальное выходное напряжение. Частоту гетеродина существенно ниже 56мГц использовать нельзя. При делении частоты гетеродина счетчиком D1 на К=1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 диапазон принимаемых частот будет 14...22мГц, 7...11мГц, 4,6...7,3мГц, 3,5...5,5мГц, 2,3...3,66мГц, 1,75...2,75мГц, 1,17...1,83мГц соответственно. Верхняя частота гетеродина ограничена возможностями микросхем серии АС(К1554).
Если в качестве гетеродина будет использован синтезатор с импульсным выходом ТТЛ уровней, то TV1 и D1 со всеми цепями и элементами необходимо исключить из схемы. Сигнал гетеродина подается на вывод 8 D3.

[Владимир R-V-A]

Как уже сказано обязательным атрибутом РПУ с демодулятором на базе диодных (и не только) смесителей является УВЧ с высоким значением величины обратной передачи сигнала с выхода на вход. ....

Это как, типа ООС, АРУ?

[Игорь Тихомиров]

Это как, типа ООС?

Может быть с ООС и без нее, как в данном случае. Я далее в этой главе рассмотрю варианты. АРУ здесь не причем.
Тут главное, чтобы остаток напряжения гетеродина на входе смесителя (из-за не идеальной балансировки) не попал через УВЧ в антенну. В данной схеме такое может быть только через емкость сток-исток. Но поскольку сопротивление в цепи истока R_и=1/S(мА/В)=1/50=25 Ом, то пролаз будет не велик.
Понятное дело идеален будет двух-затворный полевик (хоть КП350), но он ограничит ДД.

[Игорь Тихомиров]

Схема двунаправленного модулятора/демодулятора для Рации путешественника 2.0.



Чуть позже выложу спроектированную плату.
В принципе этот модулятор/демодулятор можно состыковать с не сильно шумящей звуковой картой и получить полу-цифровой приемопередающий тракт без УВЧ и УМ. Вход/выход модулятора/демодулятора широкополосный. Диапазон приема/передачи меняется изменением первого гетеродина.

[Владимир R-V-A]

Чуть позже выложу спроектированную плату.

Каков размер рынка подобных устройств на фоне аналогов? Вы проводили маркетинг?

[Игорь Тихомиров]

Проводил в 1989г. Сейчас это не актуально.

Давно хотел написать статью или очерк для тех кто хочет по экспериментировать с ретро техникой.

[Владимир R-V-A]

Сейчас это не актуально.

Вот и мои поделки - просто хобби, но с перспективой на будущее.

[Владимир R-V-A]

Может быть с ООС и без нее, как в данном случае.

Лучше с ООС и на микросхемах - будет хоть понятно, какой уровень искажений можно ожидать с несущей без фазовых шумов. Я не шучу.

[Владимир R-V-A]

И что ждете?

[Игорь Тихомиров]

Константин добрый день...Вопрос. Есть ли звуковые карты с малошумящим входом и совмещенным переключаемым на один разъем входом/выходом?
Если есть, то какой порядок величины входных шумов?

[Мусатов Константин]

У профессиональных звуковых карт уровень шумов соответствует разрядности АЦП/ЦАП. Потому у них уровень 0 дБ весьма большой. Совмещенные входы выходы я не встречал. Это лучше делать свою дополнительную коробочку с коммутацией, как я делал для микрофонных измерений или измерений фонокорректоров.

[Игорь Тихомиров]

профессиональных звуковых карт уровень шумов соответствует разрядности АЦП/ЦАП. Потому у них уровень 0 дБ весьма большой.

То есть кроме коммутации нужен еще предусилитель. С диодного демодулятора максимальный уровень в районе 50 мВ.

[Игорь Тихомиров]

Всем добрый день...Сделал может главный шаг в разработке и изготовлении Рации путешественника 2.0. А именно изготовил и опробовал плату Модулятора/Демодулятора.
Моя усовершенствованная, если не метод, то технология конца 1980-х.
Приведу в красивый вид плату выложу фотку. Пока выставляю схему и чертеж платы+сб.
Повторяйте, если сможете .

[Игорь Тихомиров]

А эфир не хотите послушать? Графики и мультики это для профнепригодных извращенцев.