Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Виды модуляции, их преимущества и недостатки, назначение и принцип работы SSB/CW формирователей

1.1 Виды модуляции, их преимущества и недостатки

1.1.1 Телеграфный сигнал

1.1.2 Однополосный сигнал

1.1.3 Частотно-модулированный сигнал

1.2 Основные характеристики радиостанций

1.3 Классическиий метод формирования SSB сигнала

Глава 2. Эффективный способ формирования SSB-сигнала

2.1 Способы формирования однополосного сигнала

2.2 Схема эффективного формирователя SSB сигнала

2.3 Канал слежения за частотой

2.4 SSB/CW формирователь

Литература



ВВЕДЕНИЕ

Выбор темы выпускной работы обусловлен актуальностью радиовещания в современных условиях развития радиосистем.

Радиовещание в КВ диапазоне является одной из важных частей мировой и национальной политики, предоставляя большие возможности для дальних радиопередач. КВ - диапазон радиоволн с частотой от 3 МГц (длина волны 100 м) до 30 МГц (длина волны 10 м). Коротковолновый радиоканал в настоящее время является эффективным средством решения проблем дальней связи. До недавнего времени их не внедряли вследствие их громоздкости, сложности в эксплуатации, низкой пропускной способности и надежности связи.

Стремительное развитие вычислительной техники и микроэлектроники стимулировало успехи в развитии технологии коротковолновой связи. КВ диапазон имеет некоторые особенности распространения волн. Они могут отражаться от верхних слоев атмосферы и достигать объектов вне прямой видимости. КВ диапазон, в основном, используется для любительской, персональной и служебной радиосвязи, а также для международного радиовещания. При таком типе распространения сигнал наземной антенны отражается от ионосферы, по направлению к Земле. Отражение сигнала от верхних слоев атмосферы может происходить многократно. Если радиоволна распространяется, таким образом, сигнал может быть принят на расстояние тысяч километров от передатчика. Однако коротковолновый радиоканал существенно зависит от состояния ионосферы, которая, как известно, нестабильна. Достаточно низкое качество аналогового АМ вещания, объясняемое большой зависимостью от изменяющихся параметров ионосферного распространения радиоволн, приводит к убыванию возможных радиослушателей.



Глава 1. Виды модуляции, их преимущества и недостатки. Назначение и принцип работы SSB/CW формирователей

1.1 Виды модуляции, их преимущества и недостатки

В радиосвязи на коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волнах в настоящее время используются в основном три вида сигналов: телеграфные (CW), однополосные (SSB) и частотно-модулированные сигналы (FM). Остальное множество сигналов является в той или иной степени разновидностью трех основных. Для более глубокого понимания принципа работы радиостанции следует остановиться подробнее на каждом из сигналов.

1.1.1 Телеграфный сигнал

Немодулированный высокочастотный сигнал (несущая), излучаемый передатчиком, сам по себе не несет никакой информации. Для передачи информации его необходимо тем или иным способом закодировать, а на приемной стороне аналогичным образом декодировать. Самый простой способ кодирования несущей был изобретен более полтора столетия назад и известен всем как азбука Морзе, Телеграфный сигнал -- CW, представляет собой длинные и короткие посылки синусоидальных высокочастотных сигналов, соответствующих тире и точкам азбуки Морзе. График телеграфных сигналов представлен на рис. 1.1.

Телеграфные сигналы -- долгожители в радиосвязи. Этому способствует ряд положительных сторон этого вида связи.

Рис.1.1 График телеграфных сигналов

Телеграф остается самым “дальнобойным” и помехоустойчивым видом связи -- наиболее привлекательные стороны радиосвязи. Объясняется это тем, что телеграфный сигнал передается как бы в двоичном коде, где различаются всего два состояния -- наличие и отсутствие сигнала. Для уверенного приема, т.е. различия этих состояний, достаточно отношения сигнал/шум или сигнал/помеха на входе приемника порядка единицы.

Интересная ситуация получается при попытке применения компьютеров для приема телеграфных сигналов. Теоретически, телеграфная азбука, которая кодирует информацию в двоичном коде, идеально подходит для компьютера. Это соответствует действительности, но при идеальных условиях приема, любая незначительная эфирная помеха воспринимается как сигнал, что отрицательно сказывается на качестве раскодированного сигнала. Поэтому до сих пор радиолюбители используют слуховой прием, при котором получается наименее допустимое отношение сигнал/шум при приеме CW.

Телеграфный передатчик имеет очень простую схему, причем при построении схемы нередко используется многократное умножение частоты задающего генератора [1]. Использование простейших схем телеграфных передатчиков привело к тому, что основные любительские диапазоны построены по такому же принципу умножения частоты (3,5 МГц; 2x3,5 = 7 МГц; 4x3,5 = 14 МГц и т.д.). Структурная схема телеграфного передатчика представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Структурная схема телеграфного передатчика: G1 - задающий генератор гармонических колебаний; U1 - умножитель частоты; А1 - усилитель мощности, SA1 - ключ включения на передачу (манипулятор)



CW станция занимает в эфире очень малую полосу, порядка десятка герц, что при современной перегрузке диапазонов является весьма актуальной проблемой. Поскольку скорость передачи информации при телеграфии существенно ниже, чем при других видах модуляции, радиолюбители проводят лаконичные связи с использованием кодовых выражений, что также способствует уменьшению загруженности любительских диапазонов и преодолению языковых барьеров (радиолюбители применяют международный Q-код).

1.1.2 Однополосный сигнал

Однополосный или SSB сигнал остается наиболее популярным видом связи на любительских диапазонах. Именно при этой модуляции можно услышать живой голос оператора. Однополосный сигнал в любительской радиосвязи стал применяться в пятидесятых годах. В 1956 году в мире было всего несколько десятков любительских SSB радиостанций, в 1961 году их число уже превышало 20 тысяч. Первым советским коротковолновиком, заработавшим на SSB, был Георгий Румянцев (UA1DZ). Много сделал для популяризации работы на SSB один из старейших российских радиолюбителей Л. Лабутин (UA3CR), начавший работать на SSB в 1958 году. Однополосный сигнал появился в результате усовершенствования амплитудной модуляции -- AM, которая в настоящее время радиолюбителями из-за низкой эффективности не используется. Поэтому сначала рассмотрим амплитудную модуляцию сигнала.

Пусть звуковое напряжение, поступающее от микрофонного усилителя, изменяется по синусоидальному закону. При амплитудной модуляции амплитуда несущего высокочастотного сигнала, поступающего от задающего генератора, изменяется в соответствии с изменениями мгновенного значения звукового (модулирующего) сигнала. График AM сигнала представлен на рис. 1.3, причем левая часть графика показывает сигнал при отсутствии модуляции, а в правой части можем наблюдать изменение амплитуды высокочастотного сигнала, т.е. амплитудная модуляция сигнала.

Рис. 1.3 График AM сигнала

Как видно из графика, при AM непрерывно излучается несущая, которая информации не несет и нужна только для нормальной работы амплитудного детектора в приемнике. Блок-схема AM передатчика изображена на рис. 1.4.

Рис.1.4 Блок-схема АМ передатчика

Анализируя приведенную схему, легко заметить, что AM передатчик достаточно прост в изготовлении и лишь незначительно отличается от телеграфного передатчика. Именно поэтому AM и CW сигналы были достаточно широко распространены в радиолюбительском эфире в середине прошлого века. К сожалению, простота формирования AM сигнала приводит к таким отрицательным факторам, как достаточно широкая полоса, занимаемая радиостанцией в эфире, низкий КПД передатчика из-за того, что даже при очень глубокой модуляции на передачу несущей тратится более половины излучаемой мощности. Все это привело к появлению SSB сигнала, в котором частично преодолены указанные недостатки AM модуляции. Проведем сравнение AM и SSB сигналов.

На рис. 1.5 представлен спектр AM сигнала, промодулированного не чистым тоном, а реальным сигналом звуковой частоты.

Рис. 1.5. Спектр AM сигнала.

На нем четко выражена несущая частота f₀ и две совершенно одинаковые боковые полосы, показанные в виде условных треугольников, расположенные симметрично относительно несущей частоты. Вся информация о звуковом сигнале находится в каждой из боковых полос, Поэтому для передачи телефонного сообщения достаточно излучать спектр частот, соответствующей одной из боковых полос, верхней или нижней. Иными словами, можно без всякой потери информации убрать одну боковую полосу, т.е. получить однополосный сигнал -- SSB. При этом получается четырехкратный выигрыш по мощности сигнала по сравнению с AM при 100% модуляции, поскольку половина мощности при AM тратится на передачу несущей, а оставшаяся половина делится поровну между двумя боковыми полосами.

Дополнительный двукратный выигрыш получается в приемнике, так как мощность шумов и помех в полосе SSB (3 кГц) вдвое меньше, чем в полосе AM (6 кГц). Таким образом, переход к однополосной модуляции (SSB) дает восьмикратный выигрыш по мощности сигнала. В реальных условиях замираний, характерных для KB диапазонов, выигрыш получается еще больше и оценивается примерно в 16 раз (12 дБ).

Если из AM сигнала исключить несущую, получается двухполосный сигнал с подавленной несущей (DSB сигнал). Технически это выполняется достаточно просто -- достаточно установить в передатчике балансный модулятор. Форма DSB сигнала при модуляции синусоидальным колебанием показана на рис. 1.6.



Рис. 1.6 Форма DSB сигнала

Дважды за период модуляции амплитуда DSB сигнала падает до нуля, и в эти моменты фаза высокочастотного заполнения меняется на обратную. При модуляции спектром звуковых частот образуются, как и при AM, две боковые полосы, но без несущей. Это отражено на рис. 1.7.

Рис. 1.7 Спектр DSB сигнала AM к DSB

Устранение несущей дает двукратный выигрыш. В детекторе приемника амплитуды боковых полос складываются, что увеличивает мощность НЧ сигнала по сравнению с мощностью одной боковой в 4 раза, тогда как независимые шумы двух боковых полос складываются по мощности. Это дает еще двукратный выигрыш над AM и общий выигрыш получается в 4 раза. Таким образом, при равных пиковых мощностях передатчика переход к DSB дает четырехкратный, а к SSB -- восьмикратный выигрыш. Однако средняя мощность при DSB получается вдвое меньше, чем при SSB за счет периодического уменьшения амплитуды излучаемого сигнала до нуля.

При одинаковых средних мощностях передатчика DSB и SSB модуляции эквивалентны по выигрышу и оказываются намного эффективнее AM, В паузах речи DSB и SSB передатчики не излучают, а это повышает их КПД и снижает общий уровень помех в эфире.

Следует отметить, что SSB передатчик в эфире занимает вдвое меньшую полосу по сравнению с DSB передатчиком, поэтому в настоящее время DSB передатчики практически не применяются.

Рассмотрим теперь структурные схемы DSB и SSB передатчиков. Схема DSB передатчика чрезвычайно проста (рис. 1.8).

Рис. 1.8 Структурная схема DSB передатчика

Он содержит задающий генератор G1 (с буферными каскадами и умножителями), балансный модулятор U1 и выходной усилитель мощности А1. Второй вход балансного модулятора соединен с микрофонным усилителем А2. Иногда балансную модуляцию осуществляют в выходном двухтактном каскаде. Сформировать SSB сигнал гораздо сложнее. Основная сложность заключается в подавлении второй (нерабочей) боковой полосы. Структурная схема SSB модулятора представлена на рис. 1.9 и содержит следующие каскады: кварцевый генератор G1, балансный модулятор U1 и микрофонный усилитель А2.

Рис. 1.9 Структурная схема SSB модулятора

Сформированный DSB сигнал с выхода модулятора U1 подается на узкополосный кварцевый или электромеханический фильтр (ЭМФ), выделяющий одну боковую полосу спектра сигнала. Поскольку фильтр с полосой пропускания 2.1...3 кГц можно выполнить только на фиксированную частоту, обычно 215 кГц или 500 кГц для ЭМФ и 3...9 МГц для кварцевых, необходимо применить еще одно преобразование частоты, которое осуществляется смесителем U2.

Частота перестраиваемого гетеродина G2 подбирается так, чтобы сумма или разность частот f1 и 4 попала в рабочий диапазон. График, представленный на рис. 1.10 более наглядно показывает принцип выделения одной боковой полосы.

Рис. 1.10 Формирование SSB сигнала фильтровым методом

Электромеханический фильтр (ЭМФ) имеет полосу пропускания шириной 2.1...3 кГц и крутые скаты на границах пропускания (идеальный вариант показан на среднем графике). Для получения верхней боковой полосы необходимо кварцевый генератор настроить на частоту 213,35 кГц (нижний график). При этом нижняя боковая полоса DSB сигнала, которая не попадает в полосу пропускания ЭМФ, отфильтровывается. Аналогично формируется нижняя боковая полоса -- генератор настроен на частоту 216,65 кГц. Генератор формирования SSB сигнала должен иметь высокую стабильность, которую идеально обеспечивает кварцевый генератор. Однако, для этих целей возможно применение и LC-генератора, но при его изготовлении и настройке следует большое внимание уделить стабильности частоты, иначе возможно изменение тембра излучаемого сигнала и даже инвертирование (переворот) боковой полосы.

Следует заметить, что в радиолюбительской практике имелись многочисленные попытки замены дефицитного и дорогостоящего электромеханического фильтра на связанную систему LC контуров. Однако данный способ формирования SSB сигнала не получил дальнейшего распространения из-за того, что контуры имеют пологие склоны полосы пропускания, что ведет к пропусканию нерабочей боковой полосы и сильное затухание в полосе пропускания, что требует дополнительного усиления в SSB формирователе. Существуют и другие способы формирования SSB сигнала, но описанный выше позволяет получить хорошо сформированный сигнал, поэтому применяется во многих радиолюбительских схемах.

1.1.3 Частотно-модулированный сигнал

Узкополосная частотная модуляция -- ЧМ (или FM в других странах). Принцип кодирования звуковых сигналов при ЧМ в корне отличается от SSB и AM. Если последние используют изменение амплитуды несущего сигнала, то ЧМ модуляция изменяют частоту несущего сигнала в зависимости от звукового сигнала (рис. 1 . 1 1).

Рис. 1.11 График ЧМ сигнала

При этом полоса, занимаемая радиостанцией в эфире, резко увеличивается с 3 кГц при SSB до 25 кГц при ЧМ. Однако ЧМ модуляция обеспечивает наиболее качественное звучание, если сигнал корреспондента достаточно силен. Использование ЧМ позволяет подавить большинство видов помех, которые носят импульсный (амплитудный) характер. Недостатком ЧМ является высокий уровень шумов детектора при отсутствии сигнала, что требует точной установки порога подавителя шумов.

Такой способ формирования однополосного сигнала называется фильтровым. Второй по распространенности метод формирования SSB сигнала -- это фазовый метод.

При формировании SSB сигнала фазовым методом подавление нерабочей боковой полосы обеспечивается в результате взаимной компенсации противофазных составляющих (составляющие же рабочей боковой полосы складываются синфазно). Необходимый для такой компенсации фазовый сдвиг формируется с помощью низкочастотного и высокочастотного фазовращателей.

ЧМ применяется только на УКВ диапазонах (частота выше 29 МГц), т.е. на тех диапазонах, где мало станций, а сам диапазон достаточно широк. При этом следует заметить, что максимальная дальность связи при использовании AM и ЧМ практически одинакова.

Рис. 1.12 Структурная схема ЧМ передатчика

Схема ЧМ радиостанции достаточно проста (рис. 1.12), где ВМ1 -- микрофон; А2 -- микрофонный усилитель; G1 -- генератор несущей частоты, в котором осуществляется ЧМ модуляция; U1 -- умножитель частоты; А1 -- выходной усилитель мощности.

Анализируя схему, можно заметить, что ЧМ модуляция применяется в задающем каскаде и обычно осуществляется при подаче на варикап, включенный в контур задающего генератора, звукового сигнала от микрофонного усилителя.

Существует множества различных схем реализации принципа совпадения частот, но в основе каждого из них лежит идея использования совместных гетеродинов для приемной и передающей частей. Следует также учесть тот факт, что электромеханические фильтры (ЭМФ) изготавливаются на низкие частоты, поэтому большинство схем построены по принципу двойного преобразования частоты.

Поясним сказанное примером: SSB сигнал в передатчике формируется на частоте 500 кГц и для переноса его на частоту 14100 кГц необходимо применить двойное преобразование -- сложить с частотой 4500 кГц, а затем полученные 5 МГц сложить с частотой 9100 кГц. В приемнике наблюдается обратное преобразование: 14100 - 9100 = 5000 кГц и далее 5000 - 4500 = 500 кГц. Таким образом, видно, что частоты гетеродинов в приемнике и передатчике совпадают, что и позволяет получить единый приемо-передающий аппарат (трансивер).

В трансивере можно в качестве единых элементов использовать не только гетеродины, но и другие узлы, в частности, полосовые фильтры, смесители и т.д. Применение трансиверной схемы приводит к значительному уменьшению числа элементов приемо-передающей аппаратуры, но, к сожалению, применение единого тракта приема-передачи приводит к невозможности реального контроля сигнала своей радиостанции.

Лучшие результаты по контролю качества своего сигнала получаются при использовании трансиверных приставок к промышленным радиоприемникам. При построении схемы трансиверной приставки к приемнику общими являются лишь гетеродины приемника и передатчика, что позволяет бесподстроечно входить в радиосвязь, а также контролировать свой истинный сигнал в эфире. При этом, трансиверная приставка является, по существу, независимым передатчиком, что позволяет при использовании дополнительного гетеродина организовать работу на разнесенных частотах, что бывает полезным дополнением при работе с редкими и удаленными станциями. Отрицательной стороной данной схемы являются габариты приемо-передающего комплекса.

1.2 Основные характеристики радиостанций

При проведении любительских радиосвязей радиолюбители в большинстве случаев используют принцип -- “где передаешь, там и слушай”. Исходя из этого, радиолюбители строят свои радиостанции по трансиверной схеме (от английских слов transmitter и receiver). Трансиверная схема предусматривает не только изготовление радиостанции в едином корпусе, но и использование одних и тех же элементов схемы, как приемником, гак и передатчиком. В первую очередь это относится к гетеродинам радиостанции, что позволяет бесподстроечно входить в радиосвязь и автоматически отвечать на частоте вызываемой радиостанции.

Антенны любительской радиостанции. Антенна любительской радиостанции -- лучший усилитель высокой частоты. Эта расхожая радиолюбительская фраза часто подтверждается реальной работой в эфире. Часто радиолюбитель, имея простую антенну и мощный передатчик, проходит на дальних трассах хуже, чем радиолюбители, использующие направленные антенны и гораздо меньшую мощность. Однако, установка вращающейся направленной антенны, занимающую практически всю крышу многоэтажного дома, для городского радиолюбителя часто представляется непреодолимой преградой и зачастую ограничивается установкой простой проволочной антенны.

Диапазоны волн и их распространение. Электромагнитные волны по их особенностям распространения подразделяются на диапазоны, которые приведены в табл. 1.11.

Диапазоны электромагнитных волн

Диапазон волн

Промежуточные волны

Ультракороткие волны

Дециметровые волны

Сантиметровые волны

Энергия, излучаемая передающей антенной, распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.

Радиоволны распространяются такими путями:

- вдоль земной поверхности -- поверхностная волна;

- в ионосфере, окружающей земной шар -- пространственная волна.

Длинные и средние волны распространяются главным образом вдоль земли -- это поверхностные волны, которые следуют за кривизной земного шара. Степень поглощения землей длинных и средних волн сравнительно невелика. Поверхностная волна, хотя и затухает в почве, но все же распространяется довольно далеко, легко огибая кривизну земли и различные препятствия. Поэтому на длинных волнах при больших мощностях можно получить значительные дальности радиопередачи. Никаких резких колебаний слышимости на длинных волнах не происходит. Длинные волны обеспечивают устойчивую непрерывную связь во всех точках от радиостанции до границы возможного приема.

Короткие волны (KB) распространяются пространственной волной. Поверхностная волна от коротковолновых передатчиков, сильно поглощаемая землей, быстро затухает. Связь возможна только на небольшие расстояния. Пространственная волна (KB) на своем пути в ионосфере встречает несколько ионизированных слоев. Электромагнитные волны отражаются от этих слоев и возвращаются обратно на Землю.

Пространственная волна может отражаться многократно. Эти волны весьма незначительно поглощаются на своем пути, и поэтому в месте приема создают значительную напряженность электромагнитного поля. Это свойство коротких волн дает возможность при небольших мощностях связываться на большие расстояния. Одно из неприятных явлений, наблюдаемых при распространении коротких волн -- это замирание сигнала. На KB наблюдается так называемое «радиоэхо». К месту приема сигнал приходит по двум различным путям. Один непосредственно от передатчика по близкому пути, а другой -- вокруг земного шара по длинному пути. Сигнал по длинному пути приходит с некоторым опозданием. На приемной радиостанции один и тот же сигнал слышен дважды, причем другой значительно слабее.

Скорость распространения радиоволн равна скорости света, и составляет 300000 км/с. Число периодов, излучаемых передатчиком в секунду, называется частотой. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц), килогерцах (кГц), мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц).

Для удобства на практике часто применяют другое определение, а именно длину радиоволн. Радиоволны измеряются в метрической системе мер: в метрах, дециметрах, сантиметрах, миллиметрах.

Зависимость между радиоволной и радиочастотой определяется по следующей формуле:

X = 300000/f,

где: X, -- длина волны (м),

f -- частота (кГц),

300000 -- скорость распространения радиоволн (км/с).

Отдельные узкие участки коротковолнового диапазона выделены радиолюбителям.

В своей работе радиолюбители добиваются исключительных результатов. При помощи простых маломощных передатчиков они связываются и ведут переговоры с радиолюбителями всех континентов, перекрывая расстояния на многие тысячи километров.

Радиолюбительская связь на KB и ультракоротких волнах -- это одно из интереснейших увлечений. Любительской радиосвязью увлекаются люди различных возрастов и профессий. Количество любительских радиостанций во всем мире превысило три миллиона и продолжает расти. На начало 2012 года население планеты превысило семь миллиардов человек.

Разрешенные частоты и виды работы. Радио (лат. radio-- излучаю, испускаю лучи -- radius--луч) -- разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве. Частотная сетка, используемая в радиолюбительской связи, разбита на диапазоны.

Радиолюбителям выделено девять участков KB диапазона:

160-метровый (1,81--2 МГц);

80-метровый (3,5--3,8 МГц);

40-метровый (7--7,2 МГц);

30-метровый (кроме телефоном 10,1--10,15 МГц);

20-метровый (14--14,35 МГц);

16-метровый (18,068--18,318 МГц);

15-метровый (21--21,45 МГц);

12-метровый (24,89--24,89 МГц);

10-метровый (28--29,7 МГц).

1.3 Классическиий метод формирования SSB сигнала

SSB формируется «классическим» методом: с контуром. Предусматривается ВЧ ограничение в формирователе SSB. Иногда приходиться передавать частично информацию при SSB связи телеграфом.

Наиболее часто применяется SSB формирователь на частоту 500 кгц, что обусловлено отсутствием кварцевого фильтра на 34785 кгц, да и ЭМФ на 215 кгц. С получением CW сигнала ясно, а вот SSB требует усилий. Практически невозможно сразу перенести 500 кгц на 34785 кгц применив одно преобразование из-за сложности подавления сигнала гетеродина 34285(35285).



Применение промежуточного преобразования с использованием кварца на 5285 кгц, исходя из того, что реально частота отличается на 1850гц, что бы совпал сигнал передачи и приёма. Это обусловлено средней полосой пропускания ЭМФ в Р-399А, т.е. 215 кгц находится в середине пропускания ЭМФ. Аналогично, кстати, и у Р-326М, только там средняя частота ЭМФ 500кгц.

Частоты фиксированные, что значительно упрощает процесс настройки аппарата.

Получение телеграфа очень просто, сложнее - принимать в полосе 1.5 кгц, а формировать SSB сигнал в такой полосе было практически невозможно. Значит, передавать мы должны сигнал нормальной полосы - 3 кгц.

Рассмотрим задачу: синхронизировать частоту гетеродина переноса частоты 128 кгц на 215 кгц (или на 500 в Р-326М) с CW гетеродином приёмника. Разумеется, и 500 кгц перестраивается +-3 кгц.

Блок-схема выделения нужной полосы 215, или 500 кгц.

Для выделения нужной полосы 215, или 500 кгц, применены фильтры с полосой 6 кгц, на одну и вторую частоту. Именно этот этап является самым важным.

однополосный частотный модулированный формирователь



Глава 2. Эффективный способ формирования SSB сигнала

2.1 Способы формирования однополосного сигнала

В радиолюбительской связной аппаратуре обширно используются в основном два способа формирования однополосного сигнала - фильтровый и фазовый [1]. Третий - фазофильтровый пока не получил распространения. Все они относятся к "прямым" методам, которые характеризуются тем, что звуковой сигнал после ряда частотных преобразований превращается в однополосный.

Особое место занимает "синтетический" способ формирования SSB сигнала, предложенный М. Верзуновым [2]. Его суть состоит в следующем. Из исходного звукового формируют SSB сигнал (любым способом) на сравнительно низкой вспомогательной частоте, где легко подавить несущую и ненужную боковую полосу. Сформированный сигнал детектируют двумя детекторами - амплитудным и частотным, на выходе которых выделяются напряжения, пропорциональные мгновенной амплитуде и мгновенной частоте SSB сигнала. Задающий генератор передатчика, возбуждаемый на рабочей частоте, модулируется по частоте напряжением с выхода частотного детектора. В выходном каскаде передатчика излучаемый сигнал модулируется ещё и по амплитуде напряжением с выхода амплитудного детектора. При правильно подобранных коэффициентах модуляции на рабочей частоте образуется и поступает в антенну обычный SSB сигнал.

К достоинствам "синтетического" метода следует отнести вероятность формирования SSB сигнала на сколь угодно высокой частоте и малое содержание побочных продуктов (комбинационных частот) в выходном сигнале. Кроме того, большинство ВЧ каскадов передатчика может работать в режиме класса С с высоким КПД.

К недостаткам способа следует отнести недопустимость относительного фазового сдвига управляющих сигналов в каналах модуляции частоты и амплитуды и необходимость довольно точно воспроизводить амплитуды и частоты синтезированного сигнала, что предъявляет жесткие требования к линейности амплитудно-частотных характеристик детекторов и модуляторов. Последний недостаток в частотном канале частично устраняется, когда при менеджменте частотой задающего генератора используется система ФАПЧ.

2.2 Схема эффективного формирователя SSB сигнала

Рассмотрим эффективную схему формирования SSB сигнала "синтетическим" способом с использованием техники автоматического регулирования [3], позволившей в значительной мере устранить описанные недостатки способа. Авторы (V. Petrovic и W. Gosling) назвали новый передатчик "Polar loop SSB transmitter", имея в виду, скорее всего, векторное представление SSB сигнала в полярных координатах. Структурная схема передатчика показана на рис. 2.1.

Pиc. 2.1 Схема эффективного формирователя SSB сигнала

Его высокочастотная часть проста - содержит задающий генератор G1, настроенный на рабочую частоту f, и усилитель мощности А1, связанный с антенной W1. Низкочастотная часть аппарата сложнее. В нее входит формирователь вспомогательного SSB сигнала U1, преобразующий звуковой сигнал с микрофона В1 в однополосный на какой-либо сравнительно низкой частоте, например 500 кГц. Формирователь U1 может содержать микрофонный усилитель А5, балансный модулятор U8. опорный генератор G3 на частоту 500 кГц и электромеханический фильтр Z2.

Сформированный низкочастотный SSB сигнал Ui подается на ограничитель U2 и синхронный детектор U3, на выходе которого выделяется напряжение, пропорциональное амплитуде SSB сигнала а1. Таким образом, элементы U2 и U3 выполняют функции амплитудного детектора. Разумеется, можно было бы применить и обычный детектор огибающей, но его линейность хуже, а ограничитель все равно нужен для дальнейших преобразований сигнала.

Теперь посмотрим на структурную схему передатчика с другой стороны, т.е. с выхода. Часть выходного ВЧ сигнала через аттенюатор А4 поступает на преобразователь частоты U7, гетеродином которого служит синтезатор частот G2 или какой-либо иной высокостабильный генератор. Его частоту f, устанавливают равной разности или сумме рабочей частоты f1 и вспомогательной низкой частоты f3. В этом случае после преобразования выделится сигнал с частотой, равной частоте сформированного низкочастотного сигнала (в нашем примере 500 кГц). Предположим, что рабочая частота f1 равна 28 500 кГц, тогда частота синтезатора G2 должна быть 28 000 или 29 000 кГц. Преобразованный сигнал подается на ограничитель U5 и синхронный детектор U6, похожий узлам U2 и U3. На выходе синхронного детектора U6 выделяется напряжение, пропорциональное амплитуде излучаемого сигнала а2. Оба напряжения, а1 и a2 поступают на дифференциальный мод модуляционного усилителя постоянного тока A3 и управляют амплитудой ВЧ сигнала в усилителе мощности А1. Таким образом, образуется замкнутая петля слежения за амплитудой излучаемого сигнала.

На работу петли мало влияют коэффициенты передачи синхронных детекторов и других звеньев. Более того, чем больше коэффициент усиления в петле (определяемый в основном усилителем A3), тем точнее отслеживается амплитуда выходного сигнала при условии, что фазовые сдвиги сигнала регулирования в петле невелики (иначе петля может самовозбудиться). Необходимая пиковая выходная мощность передатчика устанавливается аттенюатором А4.

2.3 Канал слежения за частотой

Рассмотрим работу канала слежения за частотой. Ограниченный SSB сигнал U3 и преобразованный по частоте и также ограниченный выходной сигнал U4 поступает на фазовый детектор U4, где сравниваются между собой по фазе. Выходное напряжение фазового детектора, пропорциональное разности фаз, через фильтр нижних частот Z1 и усилитель постоянного тока А2 воздействует на варикап, включенный в контур задающего генератора передатчика G1. Узлы U4, Z1. А2 и варикап входят, таким образом, в петлю ФАПЧ, устанавливающую точное равенство частот вспомогательного SSB сигнала ч преобразованного выходного. Необходимо только, чтобы при включении передатчика частота задающего генератора попала в полосу захвата петли ФАПЧ (которая может составлять десятки и сотни килогерц), дальнейшее слежение происходит автоматически. В паузах речевого сигнала система подстраивается под частоту подавленной несущей f3, остаток которой имеется на выходе вспомогательного формирователя SSB сигнала U1. Выходной каскад передатчика в паузах закрыт благодаря работе петли слежения за амплитудой.

Суть работы всей системы, таким образом, сводится к следующему: формируется вспомогательный SSB сигнал на частоте f3 (узлом U1), излучаемый сигнал преобразуется в эту же частоту (элементы U7, G2), и две петли автоматического слежения за амплитудой и частотой устанавливают равенство амплитуд и фаз вспомогательного и излучаемого SSB сигналов. В результате излучается SSB сигнал, в точности соответствующий вспомогательному, но на существенно более высокой частоте f1. Работу системы можно пояснить и векторной диаграммой в полярных координатах г и ф, показанной на рис. 2.2.

Pиc. 2.2 Векторная диаграмма работы системы в полярных координатах

Вектор U1 изображает вспомогательный SSB сигнал. Длина а, этого вектора соответствует амплитуде, а угол ф1 - фазе. Преобразованный по частоте выходной сигнал передатчика изображен как вектор U2. Система регулирования амплитуды стремится установить равенство длин векторов U1 и U2, а система ФАПЧ - равенство их фаз. При идеальном отслеживании векторы совпадают, и преобразованный сигнал в точности соответствует сформированному. Практически постоянно имеется некоторая ошибка слежения, которая уменьшается при повышении усиления в петлях регулирования. При реализации ВЧ часть передатчика получается исключительно простой.

Выходной каскад может работать в режиме класса С с высоким КПД. Не требуется и высокой линейности амплитудного и частотного модуляторов, поскольку глубокая отрицательная обратная связь в петлях регулирования линеаризует систему и существенно уменьшает нелинейные искажения. К стабильности задающего генератора G1 также не предъявляется особых требований, поскольку его частоту стабилизируют системой ФАПЧ. Передатчик перестраивается по частоте синтезатором G2. Изобретатели нового "синтетического" способа сообщают, что ВЧ часть передатчика совершенно нечувствительна к пульсациям питающих напряжений, изменениям номиналов элементов и т.д. Главным же достоинством передатчика является очень высокая чистота выходного спектра, что в условиях современного эфира особенно важно. Побочных частот (кроме гармоник) передатчик не излучает. При испытании двухтональным сигналом уровень побочных составляющих оказался ниже -50 дБ, а в обычных фильтровых SSB передатчиках он редко опускается ниже -30...-35дБ. Передатчик проверяли на частоте 99.5 МГц при излучаемой мощности 13...20 Вт.

Представляется, что новый способ формирования SSB заинтересует радиолюбителей высокими качественными параметрами. Просматривается и вероятность "трансиверизации" описанного передатчика. Например, элементы U7 и G2 (см. рис.1) могут служить преобразователем частоты приемной части трансивера. К выходу преобразователя U7 при приеме подключается обычный тракт усиления ПЧ н SSB детектор, а опорный сигнал для последнего можно взять из блока формирования вспомогательного SSB сигнала U1. Можно осуществить и двойное преобразование принимаемой частоты f1, а частоту f3, используя первый кварцевый и второй перестраиваемый гетеродины, как часто делают в радиолюбительских приемниках и трансиверах. Вся система формирования SSB сигнала будет работать в этом случае на второй ПЧ приемника.

2.4 SSB/CW формирователь

SSB/CW сигнал формируется с помощью доступного ЭМФ-9Д500-ЗВ или ЭМФ-9Д500-ЗН. В опорном генераторе предусмотрено переключение кварцев 500 кГц и 503,7 кГц (500 кГц и 496,3 кГц) для получения верхней или нижней боковых полос. Сформированный сигнал частотой 500 кГц подается на смеситель. Сюда же подается напряжение с гетеродина 715 кГц. Генератор 715 кГц имеет электронную расстройку +5 кГц. Генератор 715 кГц модуля 1, выполнен на LC контуре.

Если применить кварц на 715 кГц стабильность повысится, но при этом потеряется возможность расстройки передатчика ±5 кГц.

Далее сигнал частотой 215 кГц усиливается и через эмиттерный повторитель VT8 идет на СМ1. На этой плате находится тональный генератор 2000 Гц для получения телеграфного режима (вспомогательного) и схема системы голосового управления прием/передача (VOX) (рис. 1.13). SSB/CW формирователь к радиоприемникам Р-50/М/ М2 легко приспособить для переделки приемника «Крот-М» и т. д. Достаточно поменять местами элементы L4 и L7.

Рис. 1.13 Принципиальная схема SSB/CW формирователя



ЛИТЕРАТУРА

1. Бунимович С, Яйленко Л. Техника любительской однополосной радиосвязи. М.: ДОСААФ СССР. 1970

2. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи.- М.: Воениздат, 1972

3. Hawker P. Polar loop SSB transmitter". Radio Communication; 1979. Sept. p. 828-829. (Радио 4-84)

4. ВТ. Поляков. Трансиверы прямого преобразования. -- М., Издательство ДОСААФ СССР, 1984

5. А. Дорохов. Установка на радиоприемник Р - 250 М2-веерного устройства от радиоприемника Р-311 // Радиолюбитель 1992. №4. С. 20

6. Ю. Куриный. Спортивный приемник из Р-250. // Радио. 1984. №11. С. 17

7. Ю. Куриный. Улучшение параметров радиоприемника Р-250М2. Радио. 1983, №8. С. 17-19.

8. И. Астраханцев. Доработка приемника Р-250М. // Радиолюбитель. 1991. №7. С. 27.

9. Е. Суховерхов. Передающая приставка к Р-250М2. Наша консультация. // Радио. 1980. №10. С. 63.

10. Ю. Завгородний. Передающая приставка к приемнику «Катран». Радиолюбитель. KB и УКВ. 1997 №8.

11. В. Мильченко. Усилитель мощности на 2-х ГУ-29. // Радио-Дизайн. 1998. №2. С. 47.

12. Б. Степанов, Г. Шульгин. Трансивер Радио-76М2. // Радио. 1983. №11. С. 22.

13. В. Буравлев, С. Вартазарян, В. Коломийцев. Универсальная цифровая шкала. Радио. 1990. №4. С. 28.

14.QUA. Идеи, эксперименты, опыт. Из приемника Р-250-трансиверу. Радио. 1983. 10. с. 21.

15. И. Гончаренко. Легкий и мощный РА// Радиолюбитель. KB и УКВ. 1999. №2. С. 19.

16. П. Виллемань. Всеволновая антенна Levy. // Радиолюбитель. 1992. №9. С. 40.

17. И. Подгорный. Универсальное антенное согласующее устройство. Радиолюбитель. 1994. №8. с.44.

Размещено на Allbest.ru