Записки программиста

В широком смысле под зеркальным каналом (image frequency) понимается прием частоты, отличной от желаемой. Ярче всего эта проблема выражена в приемнике прямого преобразования, который одновременно принимает верхнюю и нижнюю боковые полосы, если только не предпринять специальных мер. Благодаря кварцевым фильтрам в супергетеродине не приходится беспокоиться конкретно об этой проблеме, но в нем есть другие зеркальные каналы. Давайте разберемся, как же так получается.

На самом деле, есть несколько мнений о том, что следует называть зеркальным каналом. В одних источниках дается определение, согласно которому это очень конкретная особенность супергетеродина, тогда как в других можно встретить рассуждения на предмет зеркального канала в ППП. Есть также авторы, которые разделяют «зеркальный канал» и «каналы побочного приема». В рамках этого поста все рассматриваемые артефакты будут называться зеркальными каналами. Причины их возникновения качественно одни и те же, и следствия одинаковые — приемник принимает что-то, что принимать не должен.

Рассмотрим проблему на примере телеграфного КВ-трансивера HBR/8B. Это супергетеродин с одной ПЧ около 9 МГц на восемь радиолюбительских диапазонов. На всех диапазонах используется перенос с инверсией спектра, то есть, LO = IF + RF. Как рассказывалось ранее, такой выбор был сделан для борьбы с пораженными частотами.

Откуда же в HBR/8B взяться зеркальным каналам? Рассмотрим следующую иллюстрацию:

Первая картинка изображает прием желаемого сигнала. На выходе смесителя имеем сумму и разность входных сигналов, то есть, LO-RF и LO+RF. Сигнал LO-RF попадает в полосу пропускания фильтра по ПЧ, проходит через него и обрабатывается далее. Сигнал LO+RF практически полностью подавляется фильтром по ПЧ.

Вторая и третья картинка изображают прием нежелательных сигналов. Если сигнал с частотой RF + 2*IF просочится через ДПФ, он также попадет в полосу пропускания фильтра по ПЧ. Этот случай соответствует переносу без инверсии спектра. Смесители у нас не идеальные. В частности, использованные в HBR/8B диодные кольцевые смесители уверенно работают на нечетных гармониках LO (в отличие от ячейки Гилберта). Этот сценарий показан на третьей картинке.

Здесь показаны не все случаи. Другие нечетные гармоники LO тоже представляют собой проблему. Перенос без инверсии спектра актуален безотносительно того, работает ли смеситель на основной частоте LO или на его гармониках.

Смесители имеют и другие дефекты, в частности, утечку LO и RF. Если на входе приемника появится мощный сигнал на частоте ПЧ, мы его услышим, пусть и очень тихо. Но такого рода артефакты представляют собой меньшую проблему. В данной статье мы их рассматривать не будем.

Можно построить таблицу с частотами зеркальных каналов:

Точное значение ПЧ равно 8.9983 МГц. Таблица построена для этой частоты. Было решено не рассматривать работу смесителей на гармониках гетеродина выше 5-ой. Дело в том, что конверсионные потери диодного кольцевого смесителя при работе на 7-ой гармонике LO составляют ~30 dB. Кроме того, использованные в HBR/8B усилители с обратной связью на 2N3904 не очень-то усиливают высокие частоты. Это еще 10+ dB аттенюации.

Подав на антенный вход HBR/8B сигнал с уровнем S9 на соответствующих частотах, мы узнаем, что трансивер и вправду принимает их, пусть и негромко. Но разве ДПФ на 20 метров не должен давить всякие 31.9966 МГц и 59.9966 МГц? Увы, ДПФ не идеальны, и типично имеют в полосе подавления порядка 40-50 dB. Кроме того, чем выше частота, тем хуже работает фильтр из-за паразитных эффектов в цепи.

Что же делать? А давайте поставим по входу приемного тракта дополнительный ФНЧ и посмотрим, что будет. Для расчета фильтра был использован калькулятор на rf-tools.com:

Полученная АЧХ:

Перед нами интервал частот от 0 МГц до 500 МГц. До 100 МГц фильтр работает очень хорошо. На более высоких частотах аттенюация снижается, но все равно остается вполне приличной.

А вот что будет, если поставить этот фильтр следом за ДПФ на 30 метров:

Здесь пурпурный трейс — это исходная АЧХ фильтра. В HBR/8B используются фильтры по схеме double-tuned circuit. Желтый трейс — это АЧХ, полученная при последовательном включении ДПФ и ФНЧ. На высоких частотах фильтры сифонят, поэтому 60 dB подавления на 100+ МГц нам не видать. Зато на частотах 30-100 МГц ситуация стала куда лучше. Именно на эти частоты попадают многие зеркальные каналы (см табличку).

Перепроверяем трансивер с добавленным ФНЧ. На 80-и метрах все еще слышны сигналы на частотах RF+2*IF и RF+2*LO. Но они изначально были очень тихими. Правильнее было бы назвать их не сигналами, а слабым присутствием. Что не удивительно, ведь ДПФ отлично давит соответствующие частоты. Учитывая шумность диапазона 80 метров, было решено ничего с этим не делать.

На диапазонах 40 и 30 метров вполне уверенно слышны частоты RF+2*IF. Еще бы, ведь они находятся в полосе пропускания ФНЧ, а ДПФ здесь справляются не так хорошо, как на 80-и метрах. Но это дело поправимое. Достаточно добавить на входе каждого из ДПФ простой режекторный LC-фильтр. Фильтр состоит из подстроечного конденсатора на 50 пФ и катушки индуктивности, намотанной в 16 витков на кольце T37-6. Он настраивается на любую частоту от 22 до 42 МГц, что позволяет подавить зеркальные каналы на обоих диапазонах.

Все остальные зеркальные каналы попали в полосу подавления ФНЧ и перестали быть слышны. По крайней мере, для сигналов с уровнем S9.

Таким образом, подавление зеркальных каналов удалось существенно улучшить при помощи всего лишь пары дополнительных фильтров. Как альтернативный вариант, можно было воспользоваться уже имеющимися ФНЧ. Теми, которые используются при работе на передачу. Но это требовало бы более существенных переделок, которых в этом проекте мне хотелось избежать. Обновленная схема трансивера доступна на GitHub.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.