Приемник прямого преобразования на диапазон 40 метров

26 августа 2020

В рамках статьи Детекторный AM-приемник: теория и практика мы сделали наш первый радиоприемник. Надо признать, что данный приемник оставляет желать лучшего. Принять на него можно только мощные широковещательные AM-радиостанции. Притом, слышны они преимущественно в ночное время, и в динамике звучат совсем негромко. Сегодня мы познакомимся с более серьезной конструкцией — приемником прямого преобразования.

Примечание: Для повторения описанного приемника не требуется какое-либо сложное оборудование вроде анализатора спектра. Почти все компоненты, из которых состоит приемник, просто работали с первого раза и не требовали никакой настройки. Исключением является только гетеродин, в котором требуется подобрать кварцевые резонаторы и номинал катушки. Для его настройки подойдет любой КВ-приемник, например, тот же RTL-SDR v3.

Теория

Рассмотрим структурную схему приемника прямого преобразования:

Структурная схема приемника прямого преобразования

Иллюстрация позаимствована из The ARRL Handbook. Идея в следующем.

Сигнал с антенны проходит через фильтр. Фильтр оставляет только те частоты, которые мы можем захотеть принять. Например, для радиолюбительского диапазона 40 метров, это будут частоты 7.0-7.2 МГц. На схеме фильтр изображен вместе с предусилителем. С его помощью сигнал можно усилить на несколько децибел. Но, строго говоря, предусилитель не является обязательным. Далее идет смеситель, который перемножает сигнал с антенны с сигналом от гетеродина. Гетеродин имеет частоту, близкую к той, которую мы хотим принять. Допустим, нас интересует телеграфный сигнал на 7.011 МГц. При частоте гетеродина 7.010 МГц на выходе смесителя сигнал окажется на 7.011 МГц минус 7.010 МГц или ровно 1 кГц, что попадает в интервал от 20 Гц до 20 кГц, которые может слышать человек. Затем этот сигнал проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ) и воспроизводится на динамике или в наушниках.

Если вы помните, как работает смеситель, то можете обратить внимание на небольшую проблему. Допустим, на частоте 7.009 МГц также работает какой-то радиолюбитель. Тогда на выходе смесителя его сигнал окажется на той же частоте 1 кГц. То есть, два совершенно разных сигнала смешаются в один. Это называется зеркальный канал (image frequency).

Описанная проблема является главным недостатком приемника прямого преобразования. Также она является основной причиной, почему большинство современных приемников являются не приемниками прямого преобразования, а супергетеродинами. С другой стороны, описанный эффект может быть по-своему интересен, особенно если вы никогда не слышали его вживую. Главное же преимущество приемника прямого преобразования — простота конструкции.

Домашнее задание: Вещательные AM-радиостанции в диапазоне 41 метр идут с шагом 5 кГц: 7.205 МГц, 7.210 МГц, 7.215 МГц, и так далее. Каждая радиостанция занимает полосу в 5 кГц. Если сделать приемник прямого преобразования на этот диапазон, будет ли для него актуальна проблема зеркального канала? Объясните ответ.

Практика

Сделаем приемник на телефонный участок радиолюбительского диапазона 40 метров. Воспользуемся гетеродином из статьи Генератор переменной частоты Super VXO, а также смесителем из заметки Диодный кольцевой смеситель: теория и практика. Таким образом, нам остается сделать только фильтр ВЧ, предусилитель, ФНЧ, а также УНЧ.

Фильтр ВЧ был сделан по следующей схеме:

Схема фильтра низких частот на 40 метров

Это фильтр Чебышева нижних частот 7-го порядка. Фильтр был рассчитан в Elsie, а затем подогнан под имеющиеся компоненты в LTspice. Для запуска Elsie под MacOS я использую CrossOver. Почему был использован фильтр нижних частот вместо полосно-пропускающего фильтра? Просто в данной задаче нижние частоты нам не мешают, зато номиналы компонентов у фильтра получаются намного удобнее.

В моем исполнении фильтр получился таким:

Самодельный фильтр Чебышева 7-го порядка

А вот его АЧХ:

АЧХ фильтра Чебышева нижних частот 7-го порядка

Помним, что выход нашего гетеродина богат гармониками. Поэтому необходимо получить как можно большую аттенюацию в диапазоне 20 метров. Иначе приемник будет одновременно принимать станции с двух или более радиолюбительских диапазонов. Теперь допустим, что некая радиостанция проходит на 20 метрах с уровнем S9+20, и мы используем двухдиапазонную антенну на 20 и 40 метров. Тогда наш приемник будет принимать сигнал с уровнем примерно:

>>> (9*6+20-51.8)/6
3.7000000000000006

… S3-S4. Это все еще достаточно много. Для решения проблемы можно сделать второй такой же фильтр и поставить его на выходе гетеродина. Правда, это не спасет от нечетных гармоник, потому что они создаются самим смесителем. Также мы помним, что смеситель создает и другие артефакты. Более выигрышным решением будет поставить второй фильтр следом за первым, добившись еще большей аттенюации на 20 метрах. Впрочем, в своем приемнике я не стал использовать второй фильтр. Это бессмыслено, поскольку в моем QTH на 40 метрах уровень шума сильно выше S4.

Делать предусилитель изначально не планировалось. Выяснилось, что приемник работает и без него, однако радиолюбителей слышно довольно тихо. Причина, как я думал на тот момент, могла быть в слишком низком уровне сигнала от гетеродина для оптимальной работы смесителя. Мы знаем, что диодному кольцевому смесителю требуется уровень LO порядка 10-13 dBm. Выход же нашего LO составляет 4 dBm. Соответственно, был рассчитан усилитель примерно на 10 dB:

Схема предусилителя на транзисторе 2N3904

Напомню, что 10 dB означают увеличение амплитуды сигнала примерно в три раза:

>>> from math import log10
>>> 20*log10(3/1)
9.542425094393248

Схема взята из книги Hands-On Radio Experiments за авторством Ward Silver, NØAX и слегка адаптирована под имеющиеся компоненты и требуемый уровень усиления. Похожую схему можно найти в статье «A Beginner’s Look at Basic Oscillators», написанной Doug DeMaw, W1FB для журнала QST за февраль 1984 года, и вошедшую в книгу QRP Classics.

В обоих источниках схема приводится в качестве буфера для VXO. Это обычный каскад с общим эмиттером (common-emitter amplifier). Трансформатор L1-L2 преобразует нагрузку 50 Ом в 50×(12/3)2 = 800 Ом, которые транзистор и видит на коллекторе. Можно заметить, что 4 dBm + 10 dB это чуть больше, чем нам нужно. Меня беспокоило, что усиление может оказаться меньше расчетного. Добавить небольшой аттенюатор всегда проще, чем переделывать усилитель.

Усилитель получился вот таким:

Предусилитель 10 dB на транзисторе 2N3904

Он был проверен при помощи анализатора спектра со следящим генератором. На частотах от 1 до 30 МГц получилось усиление от 9 до 13 dB. На 7 МГц усиление составило 11 dB.

Впрочем, усиление сигнала от LO не дало желаемого эффекта. Зато усиление отфильтрованного сигнала с антенны позволило существенную повысить уровень аудио-сигнала. В таком положении усилитель и был оставлен.

УНЧ был сделан на базе популярной интегральной схемы LM386 по схеме из даташита [PDF]:

УНЧ на базе LM386

Конденсаторов на 250 мкФ не нашлось, поэтому я использовал 220 мкФ. На одной плате с УНЧ был размещен небольшой RC-фильтр. Резистор 3.3 кОм с конденсатором 15 нФ дают полосу по уровню -3 dB около 3 кГц, в самый раз для SSB:

>>> 1/(2*pi*3300*15/1000/1000/1000)
3215.251375593845

Стоит напомнить, что крутизна АЧХ такого простого фильтра составляет лишь 6 dB на октаву (удвоение частоты). Если в ±15 кГц будет работать мощная станция, мы также услышим ее в наушниках, что есть большой минус. Плюс же такого решения заключается в интересном, необычном звучании приемника. Также он создает эффект «панадаптера» в мозгу пользователя. С более сложными фильтрами я хотел бы поэкспериментировать отдельно.

Плата с RC-фильтром и УНЧ:

Плата с RC-фильтром и УНЧ на LM386

LM386 имеет выходную мощность 0.325 Вт и рассчитан на нагрузку 8 Ом. С типичными наушниками-затычками 16 Ом 0.1 Вт к УНЧ нет никаких претензий. Закрытые наушники 38 Ом 1.6 Вт звучат очень громко. В тихой комнате их можно использовать в качестве динамика.

Результат

Все перечисленные компоненты были помещены в корпус от сгоревшего компьютерного блока питания, который мне любезно подарил сосед:

Приемник прямого преобразования в корпусе от блока питания

Сигнал идет по отрезкам кабеля RG-174. Между компонентами не помешали бы экранирующие перегородки. Делать я их пока не стал. Во-первых, работает и без них, а во-вторых, приемник планируется дорабатывать.

В корпусе имеется большое отверстие под вентилятор. Его было решено закрыть при помощи оргстекла:

Самодельный приемник прямого преобразования

Решетка расположена очень удачно. В будущем я собираюсь разместить за ней динамик. Конечно же, к такому корпусу я не мог не сделать подсветку:

Подсветка корпуса самодельного приемника

Приемник питается напряжением от 9 до 13.8 В. Первое соответствует батарейке «крона», второе — стандартному напряжению питания КВ-трансиверов. Потребление тока составляет порядка 35-60 мА, в зависимости от напряжения питания и громкости.

Чувствительность приемника была проверена при помощи следящего генератора анализатора спектра и аттенюатора на 100 dB. Приемник слышит сигнал с уровнем -120 dBm (0.22 мкВ). На сигналах с более низким уровнем я проверять не стал. В этом мало смысла, учитывая типичный уровень шума на 40 метрах. Для сравнения, чувствительность типичной Си-Би радиостанции составляет 0.5 мкВ или -113 dBm, а трансивера Yaesu FT-891 — 0.16 мкВ или -123 dBm.

Fun fact! Используя описанные принципы, можно сделать приемник на телеграфный участок диапазона 40 метров, телефонный участок диапазона 80 метров, да и вообще любой диапазон, не обязательно радиолюбительский.

Если у вас нет полноразмерной КВ-антенны, это не страшно. Приемник работает с небольшой телескопической антенной или куском провода длиной около метра. Конечно, на такую антенну вы примите меньше станций, особенно если проживаете в городе с высоким уровнем шума от импульсных блоков питания и всякого такого.

Заключение

Безусловно, это не самый выдающийся КВ-приемник на свете. Но он работает, и довольно сносно. Представленную конструкцию можно использовать, как основу для будущих экспериментов. В приемник можно добавить S-метр, частотомер, схему автоматической регулировки усиления (АРУ), улучшить НЧ-фильтр и добавить встроенный динамик.

А на этом у меня все. Как обычно, буду рад вашим комментариям и вопросам.

Дополнение: В приемник был установлен динамик 8 Ом 1 Вт диаметром 75 мм. За счет объема корпуса он звучит очень громко, даже когда ручка регулировки громкости повернута лишь наполовину.

Дополнение: Простой CW-передатчик на диапазон 40 метров

Метки: , , .