Радиолюбителям о технике прямого преобразования

Скачать DjVu (2,44 МБ)

Описание

В книге описываются принципы действия приемников и трансиверов прямого преобразования, приводятся схемы, даются описания настройки выполненных конструкций, пригодных для воспроизведения радиоиобителями.

Для широкого круга радиолюбителей.

ОТ АВТОРА

Несколько лет назад издательством ДОСААФ были выпущены книги «Приемники прямого преобразования для любительской связи» (1981) и «Трансиверы прямого преобразования» (1984). Тираж их полностью разошелся, обе книги получили положительные отзывы. Затронутые вопросы, а также практические конструкции, описанные там, вызвали живейший интерес радиолюбителей До сих пор в издательство продолжают приходить письма с просьбами выслать эти книги (что по понятным причинам невозможно) или переиздать их. В то же время техника не стоит иа месте — за истекшие годы появилось немало новых радиолюбительских конструкций, опубликован ряд статей, да и взгляд на проблему гетеродинного приема и технику прямого преобразования существенно изменился. В связи с развитием идей когерентной радиосвязи в теоретической радиотехнике она стала в ряду самых передовых в совершенных методов. В радиолюбительской деятельности, давно перестав быть новинкой, техника прямого преобразования прочно завоевала заслуженное место.

В связи с этим по совету редакции было решено переиздать упомянутые книги, объединив их в одну, расширив изложение материала и пополнив его описаниями новых конструкций. Настоящая книга полностью посвящена любительской радиосвязи, а именно одному из ее аспектов — использованию техники прямого преобразования сигналов. Книга предназначена радиолюбителям-коротковолновикам, самостоятельно изготавливающим свою аппаратуру, но может оказаться полезной и разработчикам промышленной аппаратуры, а также всем, кто интересуется новинками в области связи.

ВВЕДЕНИЕ

Время от времени в истории науки и техники случаются события, коренным образом преобразующие жизнь всех людей. К таким событиям относится и изобретение радиосвязи. Радио оказалось могучим средством общения людей, передачи информации практически мгновенно на огромные расстояния, обеспечило возможность управления, организации производства и других видов деятельности в масштабе целых государств. Попробуйте представить себе современный мир без радиосвязи — у вас ничего не получится. Без связи остановится промышленность, транспорт, замрет экономическая, политическая и общественная жизнь. В настоящее время линии радиосвязи многократно опоясывают весь земной шар. Другое событие, свидетелем, а может быть, и участником которого было наше поколение, связано с успехами микроэлектроники и новой науки — информатики. Это «компьютерная революция», давшая мощный импульс к дальнейшему развитию всех видов передачи информации, в том числе и радиосвязи.

Одним из интереснейших увлечений многих радиолюбителей является связь на коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волнах в специально отведенных для радиолюбителей диапазонах. Правовые вопросы любительской радиосвязи решаются внутригосударственными и международными организациями. Они присваивают радиолюбителям позывные сигналы, определяют диапазоны частот и виды излучения для работы в эфире.

В области радиосвязи любителями сделано очень много. Ими открыто и освоено дальнее распространение коротких волн, впервые использованы радиоволны для связи с летательными аппаратами, исследовано распространение УКВ в условиях горной и пересеченной местности, они внесли большой вклад в освоение новых диапазонов волн, вплоть до сантиметрового, инфракрасного и оптического. Радиолюбители непрерывно совершенствуют свою связную аппаратуру. Путь в эфир начинается с получения разрешений на постройку и эксплуатацию любительской радиостанции и получения личного позывного сигнала. Но нужно построить и саму радиостанцию. В развитых капиталистических странах, например в США, Японии, налажен промышленный выпуск весьма совершенных любительских радиостанций (трансиве-ров), но даже и там наибольшим уважением пользуются любители, сами построившие свои станции. Повторить трансивер промышленного производства, а тем более профессиональную связную радиостанцию достаточно сложно. Нужны знания, опыт, соответствующее оборудование, дефицитные детали, наконец. Знания и опыт приобретаются в процессе постройки станции и других сопутствующих экспериментов. К сожалению, этого нельзя сказать о радиодеталях, и очень часто приходится довольствоваться не тем, что нужно, а тем, что есть, проявляя максимум изобретательности и выбирая самые простые схемные и конструктивные решения. Нередко радиостанция конструируется с использованием своих, оригинальных схемных решений и затем постоянно совершенствуется. Часто шутят, чго для увлеченного радиолюбителя-коротковолновика и конструктора постройка станции не кончается никогда. В процессе подобного творчества радиолюбителями предложено немало новых идей, методов и схем, относящихся к связной аппаратуре. К ним относится и техника прямого преобразования, позволяющая при минимальных затратах получать очень неплохие результаты.

Приемники прямого преобразования, точнее гетеродинные приемники, стали применяться радиолюбителями сравнительно недавно — с конца 60-х — начала 70-х годов. Очень быстро они завоевали широкую популярность благодаря простоте схемы и высокому качеству работы. Многие опытные коротковолновики рассматривали приемник прямого преобразования как курьез, простую игрушку, позволявшую лишь еле-еле прослушать сигналы любительских станций. Но построившие и хорошо наладившие эту «игрушку» убеждались в ее больших возможностях — по чувствительности она не уступала другим, неизмеримо более сложным связным приемникам, сигналы звучали чище и гораздо качественнее, появлялось удивительное чувство «присутствия» в эфире. Все это дало повод считать гетеродинный приемник многообещающей новинкой.

Но новое — это хорошо забытое старое — гласит известная поговорка. Первый гетеродинный приемник был изобретен еще в 1901 году, задолго до появления электронной лампы, и спустя всего 5 лет после изобретения радио. В то время для радиосвязи использовались искровые или дуговые передатчики и детекторные приемники на основе знаменитого когерера, изобретенного французом Э. Бранли,— стеклянной трубочки с выводами, заполненной металлическими опилками. Когерер использовался для обнаружения электромагнитных колебаний в первых опытах по радиосвязи А. С. Попова и Г. Маркони. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались проводящие «мостики» и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле. В дальнейшем помощники А. С. Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий обнаружили детекторный эффект когерера, обусловленный нелинейностью вольтамперной характеристики, и использовали для приема головные телефоны (1899 г.). В последующих опытах было замечено, что чувствительность приемника к слабым сигналам значительно возрастала, если с приемником был связан собственный генератор, пусть даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор был назван гетеродином, а приемник — reiepo-динным.

С изобретением кристаллического детектора, где множество нестабильных контактов между опилками было заменено одним контактом между кристаллом полупроводника и металлическим острием (1906—1908гг.), и переходом на излучение незатухающих колебаний гетеродинные приемники стали незаменимы. При настройке местного гетеродина на частоту, отличающуюся на 0,5...1 кГц от частоты принимаемой станции, они обеспечивали слуховой прием телеграфных сигналов на телефонные трубки, в результате чего чувствительность и селективность приемника резко возросли, а следовательно, увеличилась и дальность связи. В те годы считалось, что наиболее дальние связи возможны лишь на сверхдлинных волнах. Для генерирования незатухающих колебаний на этих, сравнительно низких частотах широко использовались мощные электромашинные генераторы. Для приема сигналов использовали механический коммутатор — колесо Гольдшмидта, вращаемое моторчиком. Телефоны через коммутатор подключались непосредственно к антенне или к настроенному антенному контуру. Если частота коммутации немного отличалась от частоты принимаемого сигнала, в телефонах были слышны биения со звуковой частотой. По-видимому, это был первый смеситель мультипликативного типа!

В эпоху расцвета гетеродинных приемников был изобретен генератор на вакуумном триоде (Мейснер, 1913 г.), автодинный телеграфный приемник, в котором гетеродин и смеситель были выполнены на одном триоде (Роунд, 1913 г.), и супергетеродин (Леви, 1917 г.). Само свое название супергетеродинные приемники получили от гетеродинных, поскольку в супергетеродине применен еще один, дополнительный, или «супер», гетеродин для преобразования высокой принимаемой радиочастоты в промежуточную. Гетеродинный прием около полутора десятилетий безраздельно царил в области телеграфной связи. Но с 20-х годов в передатчиках телефонных сигналов стали широко использовать амплитудную модуляцию (AM), а в приемниках — радиола,м-пы. Приемники прямого усиления содержали один-два каскада усиления радиочастоты, ламповый детектор и несколько каскадов усиления звуковой частоты. Позиции приемников прямого усиления значительно укрепил регенератор (Армстронг, 1922 г.). Благодаря введению положительной обратной связи значительно увеличилась и селективность, и чувствительность приемника. Широкое использование регенератора позволило выявить несколько аспектов его использования.

Для приема AM сигналов обратная связь устанавливалась несколько ниже критической, т. е. такой, когда собственные колебания в контуре регенератора еще не возникали, но потери энергии в контуре в значительной мере компенсировались. При этом эффективная добротность контура могла достигать нескольких тысяч, что и приводило к увеличению и селективности, и чувствительности. Для приема телеграфных сигналов обратная связь в регенераторе устанавливается больше критической, в контуре возникают собственные колебания, а в цепи лампы появляется ток биений с частотой, равной разности частот принимаемых и собственных колебаний. Регенератор превращался в автодинный приемник. С появлением в 30-х годах многоламповых супергетеродин-пых приемников, где основная селективность получалась за счет полосовых фильтров в тракте промежуточной частоты (ПЧ), все описанные приемники были забыты.

Супергетеродинные приемники обычно проектировались для приема AM сигналов и оснащались обычным амплитудным детектором, одинаково хорошо реагировавшим и на полезный сигнал, и на помехи. Для приема телеграфных сигналов на биениях служил второй, или «телеграфный» гетеродин, возбуждавшийся на частоте, близкой к промежуточной. Часто его колебания просто подмешивали к сигналу ПЧ, подаваемому на амплитудный детектор, теряя тем самым дополнительную селективность, обеспечиваемую УЗЧ, и ухудшая качество сигнала из-за его прямого детектирования. Широкое распространение впоследствии однополосной модуляции заставило ввести в супергетеродин второй детектор смесительного, или мультипликативного типа, а по сути дела, обычный смеситель, преобразующий сигнал ПЧ на звуковые частоты. Это был уже значительный шаг вперед в деле улучшения параметров приемников.

Безраздельное господство супергетеродинных приемников привело к тому, что к 50-м годам радиоспециалисты и радиолюбители пребывали в уверенности, что существуют лишь два больших класса радиоприемных устройств: приемники прямого усиления и супергетеродины. Первые обладали существенными недостатками (малая чувствительность и селективность, необходимость одновременной перестройки нескольких контуров, неравномерность параметров по диапазону, склонность к самовозбуждению и т. д.), вторые эти недостатки устраняли, но... взамен имели собственные (наличие зеркальных и побочных каналов приема, интерференционные свисты, необходимость сопряжения контуров и т. д.). Впрочем, все это хорошо изложено в любых книгах и учебниках по радиотехнике, выпущенных до 70-х годов и даже позднее.

Вспомнили (или заново открыли?) принцип гетеро--динного приема радиолюбители, использующие при работе в эфире самые «дальнобойные» виды сигналов — телеграфные и однополосные телефонные. С конца 60-х годов стали появляться сообщения о хороших результатах, полученных с гетеродинными приемниками при использовании чрезвычайно простых схемных решений. Оказалось, что они работают не хуже, а часто даже и лучше, чем сложные многоламповые. Например, первый описанный в радиолюбительской литературе транзисторный гетеродинный приемник (Бингхем и Хейворд, 1968 г.) обеспечил прием в США азиатских станций с S7 по девятибалльной радиолюбительской шкале силы сигнала, и это в диапазоне 80 м! Немало способствовала возрождению гетеродинного приема и новая элементная база, ведь создать УЗЧ с чувствительностью в доли микровольта на лампах практически невозможно, а на транзисторах и интегральных микросхемах (ИМС) — сравнительно несложно. Название, к сожалению, появилось новое—приемник прямого преобразования (direct conversion receiver, DCR), подчеркивающее факт прямого, без предварительного переноса на ПЧ, преобразования радиочастоты в звуковую — именно преобразования, а не детектирования. Этим гетеродинные приемники радикально отличаются от приемников прямого усиления, что позволяет выделить их в отдельный класс радиоприемных устройств. Из других, менее точных названий использовались и еще иногда используются такие, как гомодинный приемник, синхродин и супергетеродин с нулевой ПЧ.

Прогресс в области техники прямого преобразования далеко не закончился, и следует ожидать новых интересных разработок. Развитие современной радиоэлектроники связано с широким использованием аналоговых и цифровых интегральных микросхем. Техника прямого преобразования, где основное усиление и обработка сигналов производятся на низких частотах, отвечают этим тенденциям как нельзя лучше. В приемниках и трансиверах прямого преобразования можно применять интегральные усилители, синхронные и цифровые фильтры, цифровые синтезаторы частоты, активные RC фильтры и фазовращатели и тому подобные устройства.

Эта книга посвящена описанию принципов действия и практических схем приемников и радиостанций (тран-сиверов) для любительской радиосвязи, выполненных на основе метода прямого преобразования сигналов. Начинающие радиолюбители смогут по ней разобраться в некоторых теоретических основах связной техники и найти несложные конструкции для повторения. Более опытные радиолюбители также смогут повторить описанные в книге конструкции или заимствовать из них отдельные узлы для использования в своих собственных разработках. Многие из разобранных в книге схем (задающие генераторы, усилители мощности, смесители и модуляторы, усилители высокой и звуковой частот) могут применяться и в другой радиолюбительской аппаратуре, использующей традиционные методы обработки сигналов. Приведенные в книге сведения могут быть полезны и радиоспециалистам, работающим в области техники связи.

В первой главе разобраны особенности гетеродинных приемников, проведено сравнение их с супергетеродинными, выявлены достоинства и недостатки тех и других. Вторая глава посвящена разбору структурных схем телеграфных и однополосных трансиверов прямого преобразования. Подробно рассмотрен фазовый метод формирования и демодуляции однополосных сигналов. В третьей главе рассматриваются возможности использования техники прямого преобразования в УКВ радиостанциях, работающих с частотной или фазовой модуляцией. В четвертой главе приведены отдельные элементы схем приемников и трансиверов, а последующие главы посвящены описанию конкретных практических конструкций.

В книге описаны главным образом однодиапазонные яриемники и трансиверы. Однако ничто не мешает на их основе создавать и многодиапазонные конструкции, пользуясь рекомендациями, приведенными в описании. Существенно изменяется при этом лишь конструктивное исполнение аппарата в связи с введением переключателя диапазонов и дополнительных катушек индуктивности. При переводе приемников и трансиверов, рассчитанных на высокочастотные диапазоны, на более длинные волны, как правило, никаких схемных изменений не требуется. При переводе же низкочастотных аппаратов на более высокочастотные диапазоны их чувствительность может оказаться недостаточной. Тем не менее материал книги вполне можно использовать для дальнейшего творчества и усовершенствования аппаратуры. Все описанные аппараты опробованы в процессе реальной работы в эфире, а многие из них уже неоднократно повторялись радиолюбителями.