Статья от 21-11-2021г.

Очередной привет всем паяющим... и не только !

Сегодняшний разговор пойдет о приемниках прямого преобразования с подавлением боковой полосы.

Совсем кратенькое вступление, чтобы понять о чём будет речь.

    Как известно, в простых приемниках прямого преобразования(далее ППП) всегда присутствует так называемый низкочастотный зеркальный канал, т.е. представим себе несущую с частотой 7000 кГц, которую принимает наш ППП. При настройке нашего ГПД на частоту 7002 кГц мы будем слышать тон биений(частоты несущей и ГПД) частотой 2 кГц. Но такой же тон биений мы будем слышать, если настроим наш ГПД на частоту 6998 кГц и разницы мы не услышим никакой, в смысле звучания и в первом, и во втором случаем мы будем слышать тон с частотой 2 кГц. Теперь представим, что передается не несущая а спектр сигнала с частотами от 7000 до 7002 кГц, а ГПД настроен на частоту  7002 кГц, что мы услышим ? Все верно мы услышим НЧ спектр с частотами 0-2000 Гц(будем для простоты считать, что наш НЧ пропускает частоты с 0 Гц 😃). Будем считать этот спектр "прямым". А что будет , если настроить наш ГПД на частоту 6998 кГц ? Верно, мы также будем принимать НЧ спектр частот 0-2000Гц, но уже инверсный по отношению к первому случаю, т.к. закон преобразования частот поменялся - в первом случае Fгпд - Fсигн, во втором случае Fсигн - Fгпд -улавливаете разницу 😏?! Т.е. если будет в этом НЧ спектре 0-2000Гц передаваться речевая передача(к примеру сигнал SSB), то в первом случае мы будем слышать четкий и разборчивый спектр НЧ частот, а во втором случае, мы тоже будем слышать спектр НЧ частот, но "инверсный" по отношению к первому, который будет напоминать, сорри, какое-то "хрюканье". Всё описанное выше относится к простому ППП, в котором нет селекций боковых полос. Такие приемники в технической литературе стали называть DSB - ППП, т.е ППП принимающий одновременно две боковых полосы. Но это стоит понимать "как-бы две боковые полосы" . На самом деле боковая полоса передатчика одна или ВБП, или НБП. Обратите, также своё внимание на тот факт, что в приёмнике DSB ППП полоса пропускания равна как-бы удвоенной частоте среза фильтра НЧ. Иными словами, если у вас в ППП стоит фильтр нижних частот после смесителя, к примеру, с частотой среза 3000Гц, то полоса приема вашего ППП будет 2х(3000)=6000Гц, т.е не 3, а 6-ть кГц. В SSB ППП полоса приема будет 3кГц, т.к. вторая боковая полоса  или НЧ зеркальный канал будет подавлен.

    Конечно, такой термин как "DSB-ППП" не совсем правильно толкует суть приема, но он укоренился среди радиолюбителей, а стало быть и мы не будем "белой вороной", а примем так как оно укоренилось.

Как быть с таким явлением - 2-хполосный прием ? На помощь приходят фазовые методы селекции сигналов, которые были разработаны ещё в прошлом веке(как звучит), в 50-60-е годы !!

Если коротко, не вдаваясь в "дебри" математических выкладок и различных диаграмм, и графиков, то суть фазового метода селекции боковой в ППП сводится, собственно, к следующему:

    Делается два смесителя, сигналы на которые подаются от одного источника ВЧ сигнала. Сигнал ГПД "расщепляется" на два сигнала с фазами 0 и 90 градусов. Этими сигналами запитывают оба смесителя. Образуется теперь как-бы два НЧ канала - один со сдвигом фазы 0 градусов( в иностранной литературе называют его "Inphase signal" или просто "I")  и другой со сдвигом фазы 90 градусов( в иностранной литературе называют его "Quadrature signal" или просто "Q"). Теперь если эти оба сигнала I/Q пропустить ещё через один фазовращатель, но уже работающий на НЧ частотах и поворачивающий фазу на 90  градусов , к примеру в полосе частот 300-3000Гц, то получим следующую картину - сигналы "прямой" боковой полосы не получат дополнительного фазового сдвига, а сигналы "инверсной" боковой полосы получат дополнительный фазовый сдвиг  в 90 градусов. Далее сигналы с НЧ фазовращателя суммируются и получается, что НЧ сигналы "прямой" боковой полосы просуммируются, а сигналы "инверсной" боковой полосы придут в противофазе(180 градусов) в точку суммирования и взаимно-скомпенсируются. Т.е. в точке суммирования мы получим сигнал только "прямой" боковой полосы. Конечно же, степень подавления будет зависеть от многих факторов:

1. Точность фазового сдвига(0/90) в ГПД, подаваемых на смесители.

2. Точность фазового сдвига сигналов во втором НЧ, фазовращателе.

3. Баланс амплитуд в каналах НЧ (0/90) 

4. Возможно, от паразитных емкостей монтажа, особенно в ВЧ части(ГПД)

    Существует множество схем, сдвигающих фазу сигнала. Это могут быть RC-фазовращатели, LC-фазовращатели, RLC-фазовращатели. В последнее время широкое распространение получили, так называемые  "цифровые" фазовращатели. Слово "цифровые" скорее всего относится в данном контексте не к самому принципу фазовращения, а к тому, что фазовращатели собраны на "цифровых" элементах(микросхемах) TTL, CMOS  и т.д. 

    В этой статье мне хотелось бы поделиться некоторыми своим схемами именно "цифровых" фазовращателей, которые применяются для получения квадратурных (0/90) сигналов от сигнала ГПД. Такие фазовращатели широкополосны(работают в широкой полосе частот) и их не нужно переключать при переходе с диапазона на диапазон. RC, LC, RLC  фазовращатели невозможно создать для широкой полосы ВЧ частот, к примеру 3-30 МГц. Вернее сказать, можно, но это будет что-то "невообразимо-сложное" 😏 . Цифровые фазовращатели, как мы увидим ниже, гораздо проще, точнее и надежнее "аналоговых".

Самое простое решение применить счетчик Джонсона выполненный на 2-х D-триггерах, схема ниже на Рис.1.

(Кликните мышкой по этому (и другим) изображению для увеличения...)

 

    Рис.1

    В этой схеме ничего "военного" нет. Два D-триггера ИМС 74НС(АС)74 соединены кольцевым делителем на 4-ре.  В таком варианте на выводах 5 и 9 мы получим квадратурные сигналы(0/90).

Следует учесть, что частота подаваемых на вход такого формирователя должна быть в 4-ре(!!!) раза выше принимаемой. Для принимаемых частот 7-7.2 МГц ГПД(или синтезатор) должны выдавать частоту 28-28,8 МГц. В случае синтезатора, проблем, как говорится нет. Совсем другой случай, когда будем использовать "доморощенный" ГПД, в котором придется прибегать очень тщательно к стабильности такой высокой частоты, не говоря уже про диапазоны 14, 21, 28 МГц.

Есть способ избежать "учетверения" частоты ГПД.

Формирователь в таком случае можно построить по схеме ниже, Рис.2

 

    Рис.2

    В данной схеме используется также два D-триггера, но включены они по схеме синхронного делителя на 2. Т.е. входные частоты от ГПД должны быть больше не в 4-ре, а в 2 раза. Для входных частот 7 МГц, частота ГПД должна быть 14 МГц, а не 28 МГц, как в первом случае.

Важное замечание по данной схеме...

Делитель потому и называется "синхронным", потому как сигналы на оба триггера, выводы 3 и 11 должны приходить строго(!!!) синхронно. Т.е. если на выводе 3 сигнал лог. "1", то на выводе 11 должен тут же быть сигнал лог. "0". В данной схеме так не получится, потому что элемент DD3 будет вносить задержку сигнала на вывод 3 DD1.

Как быть ?

Можно поступить так как на схеме ниже. Рис. 3. Хотя других вариантов может быть много.

 

    Рис.3
  

Как видно из схемы, здесь предпринята попытка "синхронизировать" сигналы подаваемые на выводы "С" разных триггеров(выводы 3 и 11). Схема распространённая и никакого "хау-ноу" в ней нет.

Суть подстройки "синхронности" сводится  к следующему - на выводы 3 и 11 подаются постоянные "опорные" напряжения, которые будут определять момент переключения D-триггеров. Сигналы "слегка" интегрируются цепочками R1C1, R2C2, чтобы получить немного затянутые фронты входных сигналов - так легче "поймать" уровень "опорного" напряжения, для синхронного срабатывания обеих D-триггеров. Конечно и само собой разумеется, что эту подстройку нужно выполнять в уже готовом и настроенном(в остальном) приемнике ППП. Просто заходите в "инверсную"(нерабочую) боковую и подстраиваете её подавление до максимально-возможного. Это можно выполнять просто "на слух", думаю, что ваши органы слуха вас на подведут и вы четко уловите момент максимального(или полного) подавления нерабочей боковой.

Как ещё один вариант такой подстройки на схеме ниже. Рис.4

 

    Рис.4

В этой схеме используется ИМС 74НС86 лог. "XOR". Подстроечником RP1 также добиваетесь "синхронности" сигналов 0/180 на выходах 3.

Можно попробовать и такой вариант, схема ниже. Рис.5

    Рис.5

Таким способом также можно подстроить "синхронность" сигналов 0/180 на выходах ИМС 74АС86,  8 и 11 подстройкой резистора R5. Тут же дана простенькая топология расположения элементов схемы в случае её макетирования. ИМС DD1 располагается в "позе дохлого жука", т.е. ножками вверх.

Подстройку фазы можно выполнить и таким путём, см. ниже Рис.5.1

    Рис.5.1

Ниже краткое описание расчета такой цепи  получившийся результат. Рис.5.2

    Рис.5.2

Все схемы на рис 2, 3, 4, 5 используют деление частоты ГПД только на 2 для получения квадратур 0/90 для смесителей.

Предложу ещё, на мой взгляд, интересную схему(ниже) для "полного" формирователя квадратур 0-90-180-270 для детектора Tayloe. Рис.5.3.

Рис. 5.3
  

    Можно вкинуть ещё небольшую "ложку дёгтя" по поводу этих схем. Если внимательно посмотреть, то станет очевидным тот факт, что все эти формирователи НЕ широкодиапазонны. Т.е. подстроив максимальное подавление на одном диапазоне, скорее всего, на других диапазонах оно уже не будет максимальным и нужно опять подстраивать те или иные элементы.

    Конечно, можно решить и эту задачу, поставив там, где нужно "цифровые потенциометры" и запоминать в процессоре их "положение" для каждого диапазона. Но это уже совсем другая "песня" и на другом уровне. И возникает естественный вопрос - а стоит ли всё это "городить" для простого ППП/ТПП ?! 

    А теперь, "невзирая ни на что" 😁 пришло время познакомиться с формирователями на регистрах сдвига. Как оказалось и проверено экспериментально, такие формирователи квадратурных сигналов 0/90 дают гораздо лучшие параметры сдвига, т.е. гораздо меньшую погрешность, чем на счётчике Джонсона и синхронном делителе(см. выше). Посмотрите на сравнительные схемы от автора UR5FFR на Рис.6

     Рис.6

     Левую схему мы уже рассматривали выше. Две правые заслуживают своего внимания ввиду очень неплохой погрешности ошибки сдвига - всего 0,4 и 0,2 градуса в средней и правой схеме соответственно. Там же указаны примерно цифры подавления нежелательной боковой. По сравнению с традиционной, использовавшейся долгие годы схеме формирователя на счетчике Джонсона, результаты, конечно, впечатляют.

Есть вариант схемы, которая посередине, но выполненной на ИМС 74АС175. Рис.7

Даташит <тут> .

    Рис.7
 

Как видно такая схема включения немного проще, чем на "АС164" ввиду отсутствия дополнительного инвертора.

 

Вот ниже пример практического выполнения такого формирователя, использованного мною в SSB ППП на диапазон 7 МГц.

Рис.8

 

       Рис.8

Входная частота должна быть равна 4*Fсигн.

Применённая схема, взамен вышеперечисленных схем формирователей, показала гораздо лучшие результаты по подавлению боковой в одной и той-же схеме приемника ППП на 7 МГц.

Пояснений никаких, в принципе, не требуется.

 

Ну и "на закуску" ниже пример "самого лучшего формирователя" сигналов 0/90. Рис.9

 

    Рис.9

Здесь применен сдвиговый регистр 74АС574 с минимально возможной ошибкой фазового сдвига - 0,2 градуса !!! Даташит <тут> .

В этой схеме нужен один инвертор DD4 для правильной работы регистра U1. Мы его "украли" у ИМС 74НС00. Их у неё аж 4-ре !😄

Все эти схемы формирователей были опробованы в схеме одного и того же ППП на 7 МГц. Конечно же "чемпионом-рекордсменом" стала ИМС 74АС574.

Вот эти ИМС в оригинальном виде 😄:

           

Демо-файл работы ППП с формирователем по схеме Рис.9 выложу чуть попозжее, когда будет хороший проход на 40-ке. Сейчас там слушать практически нечего, по-крайней мере в моём QTH.

Наивным было бы полагать, что всё подавление боковой будет зависеть только от ВЧ формирователя-фазовращателя 0/90. Это - заблуждение. Конечно же, как и писалось выше - подавление боковой будет зависеть от многих ещё факторов и как минимум ещё от НЧ фазовращателя. 

Я использовал полифайзер 6-го порядка со следующими характеристиками ниже. Рис.10

    Рис.10

Как видно рассчитанное подавление не менее 50 дБ равномерно в полосе НЧ частот 200 - 3000 Гц.

Все резисторы точности 1%. Конденсаторы SMD 0.047 мкФ были отобраны с той же точностью измерителем емкости. Частоты полюсов "бесконечного" затухания даны в табличке, колонка "Pole freq.(Hz)". Фото готового 6-тизвенного полифайзера ниже. Рис.10.1.

    Рис.10.1 

Но ничего не мешает каждому из вас попробовать и такое простейшее решение ВЧ-фазовращателя. См. ниже Рис.11. Кусок фрагмента схемы...

    Рис.11

Казалось бы, чего уже проще, а "оно" между прочим работало у автора и неплохо. В качестве R7R8, категорически, необходимо использовать качественные много-оборотные резисторы. Это мостовой RC-ВЧ-фазовращатель. Напряжения в точках соединения подстроечников и конденсаторов сдвинуты относительно друг-друга на те же 90 градусов.

Предвижу, вы возмутитесь - так он же одно-диапазонный ! Я соглашусь - да, одно-диапазонный, зато предельно простой без заморочек и важно - работает на основной частоте, т.е. на частоте Fгпд = Fсигн. Поставив реле, как мы делаем для переключения входных ДПФов и пожалуйста - вот вам и много-диапазонность.

Не так давно я изготавливал такой SSB ППП на 80м.  Схема ниже.

 (кликните мышкой по этому изображению(и других) для увеличения...)

 И работал , пусть не "супер-пупер"(а этого от него и не требовалось), но очень и вполне прилично. НЧ фазовращатель выполнен по 2-хфазной схеме на ОУ DA1 - TL084(4-ре ОУ в корпусе).

РЕЗЮМЕ: 

Как говорится, "на вкус и цвет"... Т.е. каждый сам для себя решает - какое схемо-техническое решение для себя выбрать -  чтобы, и просто, и дёшево, и сердито...😁

И совсем напоследок...  

Конечно, многого из того что здесь написано будет совсем не нужно при переходе к технике SDR. Как минимум, многое отпадает само-собой по НЧ части, т.к. в SDR  этим занимается или программа(софт на компьютере), или быстродействующий специализированный процессор.

Скорее всё это нужно тем, кто любит собирать чисто "автономные" SSB-ППП пусть и не со сверх-параметрами !

Вот и сказке конец, а кто слушал - МОЛОДЕЦ !👍💪😄

На сим разрешите откланяться.

ДЕМО-файл...

Решил воспользоваться CW-тестом и записал демо...

Ниже демо-файл работы SSB ППП на 7 МГц с формирователем квадратуры ГПД на ИМС 74НС574... Слышно, как подавляется боковая. В конце фонограммы отключаю антенну при неизменном усилении, чтобы услышать собственные шумы приемника. Такж оперативно(плавно) меняю полосу пропускания по НЧ (ИМС МАХ7400). Запись вёл на смартфон с расстояния 10-15 см от АС.

Ваш покорный слуга - US5QBR,  Сергей.