Записки программиста

Недавно мы познакомились с устройством приемника прямого преобразования. Хоть приемник и работает, он имеет ряд недостатков, некоторые из которых не так-то просто исправить. Поэтому большинство современных приемников являются супергетеродинами. Давайте же рассмотрим устройство таких приемников на конкретном примере.

Примечание: Для повторения проекта не требуется какое-либо сложное оборудование. Вполне достаточно мультиметра и RTL-SDR v3. Все использованные компоненты просто работали с первого раза и не требовали настройки.

Демонстрационный приемник диапазона 40 метров был изготовлен в таком виде:

Приемник состоит из модулей с разъемами SMA. Модули крепятся к небольшой дощечке при помощи каптона (термоскотча) и соединяются коаксиальными кабелями. Схему аналоговой части вы можете скачать здесь [PDF], а исходники прошивки для микроконтроллера — здесь.

Структурная схема приемника такова:

Цифры над компонентами схемы — это соответствующее им усиление или вносимые потери. Цифры приблизительные. Так вносимые потери полосового фильтра на диапазон 40 метров составляют не более 3 дБ. Но вносимые потери кварцевого фильтра могут оказаться и намного больше 3 дБ, например, если вы решите использовать узкополосный фильтр для приема телеграфа.

Использованные компоненты были рассмотрены в предыдущих статьях:

• Об изготовлении полосно-пропускающих фильтров;
• Диодный кольцевой смеситель: теория и практика;
• Высокочастотные усилители с обратной связью;
• Рассчитываем и паяем аттенюатор на 20 дБ;
• Учимся делать кварцевые полосовые фильтры;

За всеми деталями я вынужден направить вас к этим статьям, поскольку коротко пересказать их не представляется возможным. Далее будут рассмотрены только моменты, специфичные для приемника.

VFO и BFO генерируются при помощи Si5351 под управлением микроконтроллера STM32F103. Вывод информации осуществляется на TFT-дисплей на базе ST7735. Из доступных пользователю элементов управления — только роторный энкодер. Еще четыре кнопки, который можно заметить на фото, не используются.

Важно! Чтобы МК стабильно запускался при подаче питания, используйте формирователь сброса вроде MCP100-315DI. Данный формирователь в корпусе TO-92 имеет порядок пинов RST, Vcc, GND. Его можно припаять прямо к Blue Pill.

Пройдемся по структурной схеме слева направо. Сигнал с антенны проходит через полосовой фильтр. Он пропускает только диапазон 40 метров. При помощи первого смесителя интересующий сигнал переносится на фиксированную промежуточную частоту (ПЧ), в качестве которой были выбраны 12 МГц. За смесителем стоит буфер в виде усилителя и аттенюатора 6 дБ, как было описано в заметке про усилители с обратной связью.

На ПЧ происходит следующее. Кварцевый полосовой фильтр с полосой 2.5 кГц выделяет интересующий SSB-сигнал. Отфильтрованный сигнал проходит через каскад из двух усилителей с обратной связью. На частоте 12 МГц каждый из усилителей дает примерно +18 дБ, или в сумме +36 дБ.

Затем при помощи второго смесителя сигнал переносится на низкие частоты. Здесь он проходит через УНЧ и попадает в наушники или динамик. Между смесителем и УНЧ был поставлен простой диплексер. Ниже он будет рассмотрен чуть подробнее.

Fun fact! В наши дни нередко встречаются супергетеродинные приемники с двумя и тремя преобразованиями ПЧ. В рассматриваемом приемнике ПЧ только одна.

Некоторые модули на фото были сделаны новым для меня способом — на односторонних макетных платах из гетинакса (veroboard):

Макетки из гетинакса дешевы и легко режутся. Непрерывные дорожки быстро делятся на островки при помощи шуруповерта и сверла 3 мм. Далее компоненты припаиваются к островкам напрямую (не через отверстия), как в обычном ugly construction / manhattan style методе. Заранее продумав размещение компонентов за листом бумаги в клетку, можно небольшими усилиями получить аккуратные и компактные платы под сравнительно сложные схемы. Такой способ я подсмотрел у радиолюбителя-конструктора Charlie Morris, ZL2CTM из Новой Зеландии.

Дополнение: Позже был выявлен и недостаток данной техники. При перепаивании у модулей могут отслаиваться дорожки.

Смесители претерпели некоторые изменения:

Во-первых, были использованы ферритовые кольца FT37-43. Они дешевле использованных в прошлый раз FT50-43, и справляются с задачей ничем не хуже. Во-вторых, диоды были заменены на BAT41. Это просто самые дешевые диоды Шоттки, что я смог найти. В смесителе они работают неотличимо от 1N5818. В-третьих, диоды на этот раз подбирались по одинаковому падению напряжения. И в-четвертых, в схему был добавлен потенциометр RV1 на 50 Ом. С его помощью можно полностью избавиться от протекания LO на порт IF. Однако это работает только на одной частоте. Чем больше LO отличается от частоты, на которой производилась настройка, тем больше сигнала протекает.

И для полноты картины рассмотрим доработанный УНЧ:

R23-C27 представляет собой RC-фильтр с полосой 2.8 кГц по уровню -3 дБ. Вместе c R22 и С26 образуется диплексер. На частоте 3 кГц конденсатор С26 емкостью 10 нФ имеет импеданс 5.3 кОм и ток в него течет небольшой. Однако на высоких частотах импеданс конденсатора составляет менее 1 Ом. При этом RC-фильтр имеет высокий входной импеданс. Как результат, почти вся энергия оседает на резисторе R22. Аттенюация сигналов 1-30 МГц данной схемы составляет 47+ dB, а КСВ не превышает 1.4.

Также был добавлен фильтр R24-C28. Он не допускает затекания в УНЧ высокочастотных сигналов по шине питания. Без этого фильтра я наблюдал, как LM386 из усилителя превращается в генератор, если питать его от импульсного блока питания.

Прочие компоненты приемника такие же, как в посвященных им статьям, без изменений.

В эфире слышны как очень тихие радиостанции, так и очень громкие. Ночью приемник не испытывает проблем из-за вещательных AM-радиостанций. Чувствительность приемника, измеренная при помощи генератора сигналов и аттенюаторов, оказалась -120..-126 dBm, смотря что вы называете разборчивым аудио-сигналом. Также приемник нормально переваривает сигналы с уровнем S9+60 (-13 dBm) и больше. Хотя при уровне выше S9+40 сигнал RF на втором смесителе приближается к уровню LO. При уровне выше S9+55 мы приближаемся к точке компрессии второй ступени усилителя ПЧ. Приемнику не помешал бы отключаемый аттенюатор, поскольку обе ситуации не являются штатными. Потребление тока составило ~150 мА, из которых половина приходится на цифровую часть.

Конечно, не обошлось без нескольких дефектов. Во-первых, АЧХ кварцевого фильтра могла бы быть более крутой. Приемник продолжает принимать обрывки сигнала от мощных радиостанций при отстройке от них на 3 кГц выше или ниже. Не удивительно, что бывалые конструкторы используют в своих фильтрах до 8-и кварцев. Во-вторых, цифровая часть приемника немного излучает на КВ. Между цифровой частью и аналоговой следовало бы добавить хорошее экранирование. И в-третих, для получения напряжения 3.3 В из 12 В был использован AMS1117. Стабилизатор справляется со своей задачей, но заметно греется. Стоит заменить его на какой-нибудь LD1117V33 в корпусе TO-220.

Проблема зеркального канала (image frequency), с которой мы сталкивались в ППП, просто и надежно решается в супергетеродине при помощи кварцевых фильтров. Существуют методы подавления зеркального канала и для ППП. Но для достижения сопоставимого результата сложность этих методов такова, что на практике проще сделать супергетеродин. Другое преимущество супергетеродина в том, что основное усиление сигнала может быть сделано на ПЧ после выделения только нужной станции. ППП усиливает либо все станции одновременно на ВЧ, и имеет сопутствующие проблемы с интермодуляцией, либо делает усиление на НЧ, где вместе с полезным сигналом усиливает шум от бытовой техники и наводки от сети 220 В.

Минусы супергетеродина по сравнению с ППП следующие. Во-первых, супергетеродин сложнее, а значит дороже, тяжелее, занимает больший объем и потребляет больше электроэнергии. Во-вторых, приглядевшись к структурной схеме, мы понимаем, что сигнал проходит через большее число компонентов, имеющих ощутимые вносимые потери. При прочих равных супергетеродину требуется больше усилителей, каждый со своим вносимым шумом. При желании можно найти и другие плюсы-минусы, но названные видятся мне основными.

Дополнение: См также Самодельный SSB-трансивер на диапазон 40 метров, HBR/3B: телеграфный QRP трансивер на три диапазона и Про зеркальные каналы в супергетеродине. Статья о HBR/3B рассказывает о том, как сделать супергетеродинный приемник без пораженных частот.

Метки: STM32, Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.