Сдвиг фазы аудио-сигнала на 90° при помощи ОУ

7 ноября 2022

Ранее мы познакомились со схемами квадратурного демодулятора и детектора Тейло. Было отмечено, что пара сигналов I и Q несут достаточно информации, чтобы подавить нижнюю боковую полосу и принять только верхнюю боковую. Сегодня мы разберемся, как это можно сделать при помощи операционных усилителей.

Суть идеи в следующем. I и Q — это один и тот же сигнал, только для верхней боковой I опережает Q на 90°, а для нижней — наоборот, отстает на 90°. Назовем это фазовыми сдвигами 90° и -90° соответственно. Допустим, у нас есть схема, которая добавляет еще 90° сдвига. Что будет, если прогнать I и Q через такую схему, а затем сложить их? Для верхней боковой получим 90°+90° = 180°. Сложение двух сигналов в противофазе приводит к подавлению верхней боковой. Для нижней боковой имеем -90°+90° = 0°. Сложение двух синфазных сигналов не дает никакого подавления. Если схема добавляет не 90°, а -90°, то по тому же принципу получаем подавление нижней боковой и прием верхней боковой. Можно даже не придумывать новую схему, а просто поменять местами I и Q.

Схем, осуществляющих фазовый сдвиг НЧ сигналов на 90°, существует больше одной. Принцип их действия одинаков. Например, в книге Experimental Methods in RF Design см иллюстрации Fig 9.48 … Fig 9.56. Аналогичная схема применена в трансиверах NorCal 2030 и QCX. Рассмотрим ее более подробно. Схема была слегка адаптирована под имеющиеся у меня компоненты.

Вот что получилось (файл PDF):

Схема сдвига фазы НЧ сигнала на 90° при помощи операционных усилителей

Это схема для приема верхней боковой полосы. Для приема нижней боковой поменяйте местами IN_I и IN_Q.

Перед нами четыре фазовых фильтра, или all-pass filters. Фильтры не усиливают и не ослабляют сигнал, но вносят в него какой-то фазовых сдвиг. Этот сдвиг зависит от частоты. Последовательное включение двух фильтров обеспечивает примерно линейное изменение фазового сдвига в полосе несколько килогерц. Номиналы компонентов подобраны так, чтобы относительный сдвиг для сигналов I и Q составлял около 90°.

Так описанное выглядит в LTspice:

Схема сдвига фазы аудио-сигнала в LTspice

Модель можно скачать здесь.

Схема настраивалась в сочетании с детектором Тейло следующим образом. Частоту гетеродина (LO) выставляем в 7.100 МГц. Уровень принимаемого сигнала (RF) выставляем в -35 dBm, или S9+38. Эксперименты показали, что это уровень, выше которого части схемы для I и Q по отдельности начинают заметно искажать сигнал. Частоту RF выставляем в 7.0993 МГц, то есть, на 700 Гц ниже частоты гетеродина. Вращением RV1, RV2 и RV3 по принципу градиентного спуска добиваемся максимального подавления сигнала. Мне удалось получить 3.5 mVpp. Для сигнала с тем же уровнем на 7.1007 МГц имеем уровень 720 mVpp.

Отсюда подавление зеркального канала составило:

>>> 20*log10(3.5/720)
-46.26528904161986

… более 46 dB. Очень достойный результат. В документации на NorCal 2030 заявлено 45 dB.

Конечно, по мере удаления от 7.0993 МГц подавление становится скромнее. Но это не является большой проблемой, поскольку данные частоты будут подавлены полосовым аудио-фильтром. Про фильтры мы поговорим в другой раз.

Дополнение: Активный телеграфный фильтр HI-PER-MITE

Метки: , , , .


Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.