Синхронный АМ-детектор (NE602AN)
Синхронное детектирование сигналов во многом сходно с использованием приемника однополосных сигналов (SSB) для приема сигналов с амплитудной модуляцией (AM). В этом случае приемник настраивают на частоту нулевых биений несущей частоты принимаемой АМ-радиостанции. При этом устраняются искажения, вызванные замиранием сигнала несущей частоты, так как сама несущая образуется (восстанавливается) в приемнике. Отличие синхронного детектирования АМ-сигнала от нормального детектирования однополосного сигнала состоит в том, что синхронный детектор “захватывает” фазу несущей частоты получаемого сигнала. При этом устраняется ошибка настройки. В результате получается эффективное увеличение качества детектирования по сравнению с обычным диодным детектором AM.
Синхронный детектор
На рис. 1 приведена принципиальная электрическая схема синхронного детектора, для настройки которого требуется всего лишь цифровой мультиметр. В схеме используются популярные микросхемы NE602AN (смеситель/генератор) и NE604AN (ЧМ-тракт). Данные ИМС необходимы для получения как синхронного, так и квазисинхронного детектирования. (Следует отметить, что в качестве DA1 и DA2 неплохо работают ИМС NE602N, SA602N, SA602AN; аналогично вместо ИМС DA3 типа NE604AN можно использовать NE604N, SA604N, SA604AN). При использовании напряжения питания +6 В схема потребляет ток около 10 мА. ИМС DA2 используется в качестве генератора опорной частоты и детектора, необходимых для синхронного детектирования. Применение балансных входов ИМС позволяет значительно ослабить прохождение сигнала опорного генератора во входную цепь и, соответственно, на вход ограничителя DA3. Для использования преимуществ цепи внутреннего смещения ИМС DA1, DA2 трансформатор Т1 подключен к входам данных ИМС через разделительные конденсаторы С6, С7, С9, С11. У ИМС DA2 также имеется симметричный выход низкой частоты, но практичней использовать обычный (несимметричный) выход. В этом случае требуется применение дополнительного каскада на операционном усилителе. При использовании балансного выхода уменьшается уровень четырех гармоник в звуковом сигнале, однако данный вариант неоправданно увеличивает сложность всей конструкции.
Амплитуда опорного генератора на DA2 составляет около 660 мВ (напряжение от пика до пика, измеренное на выводах катушки L1) и выставляется подбором сопротивления резистора R2. Частота генерации опорного генератора определяется количеством витков катушки L1, а также варикапами настройки VD1 и VD2. На ИМС DA1 поступает управляющее напряжение через контакты переключателя SA2 - Режим ОГ, которым выбирается источник управляющего напряжения. Имеется два режима работы: первый, когда управляющее напряжение поступает с фазового детектора DA3 (режим синхронного детектирования), и второй, когда управляющее напряжение является постоянным и снимается с резистивного делителя R22, R23 (режим приема CW, SSB или режим настройки).
Постоянное напряжение в случае использования второго режима (выставляется отношением сопротивлений резисторов R22 и R23) соответствует оптимальному выходному напряжению с фазового детектора. Резистор R16 - Настройка ОГобеспечивает ручную настройку детектора без потери значения установленного ранее управляющего напряжения. Переключатель SA1 определяет вид боковой полосы. Предварительно необходимо установить движок резистора R2 в положение оптимальной настройки: для нижней боковой полосы (LSB) -2 кГц; двух боковых полос (DSB) или амплитудной модуляции ±0 кГц; для верхней боковой полосы (USB) +2 кГц (приведенные значения расстройки справедливы при применении синхронного детектора в приемнике, в котором боковые полосы на ПЧ уже инвертированы относительно принимаемого ВЧ-сигнала). Резистор R16 “Настройка ОГ’ обеспечивает точную настройку детектора в случае использования схемы в приемнике с дискретной перестройкой по частоте (например, с шагом 1 кГц). Для нормальной работы фазового детектора DA3 необходим сдвиг фаз между входным и опорным сигналами, равный 90°. В этом случае на выходе будет присутствовать “правильное” напряжение с нулевой фазой (оно составляет около 2,16 В). Буферный каскад на транзисторе ѴТ1 представляет собой регулируемый фазовращатель, необходимый для получения фазового сдвига 90°.
ИМС DA3 NE604N содержит усилитель-ограничитель (сквозной коэффициент усиления составляет около 101 дБ) и квадратурный детектор. Для коррекции полосы пропускания можно использовать различные RC-цепочки и LC-фильтры, включаемые между каскадами ограничителя. Однако практические эксперименты с разными корректирующими цепями не привели к хорошим результатам - увеличилось время задержки прохождения сигнала, вследствие чего изменилось требуемое фазовое отношение между боковой полосой и несущей частотой. На рис. 1 квадратурный детектор ИМС DA3 используется в качестве фазового детектора, формирующего управляющее напряжение для ИМС DA1.
Наиболее трудным аспектом цепи синхронизации фазы является выбор постоянной времени в петле фазовой подстройки. Замирание принимаемого сигнала, присутствие или отсутствие фазовой модуляции - все это оказывает существенное влияние на выбор параметров в петле фазовой подстройки. Изменение амплитуды входного сигнала (замирание) не является существенной проблемой. В этом случае для качественного приема боковых полос АМ-сигнала достаточно выбрать маленькую постоянную времени в петле ФАПЧ.
Рис. 1. Схема прибора
В случае приема одной боковой полосы АМ-сигнала с неподавленной несущей частотой (включающей фазовую составляющую всех модуляционных частот), а также двух боковых полос АМ сигнала с глубоким федингом (на время которого ФАПЧ с маленькой постоянной времени может при мгновенных флуктуациях фазы выходить из режима захвата) необходима большая постоянная времени. Для SSB-сигнала с неподавленной несущей полосу пропускания в петле ФАПЧ следует ограничить до значения самой низкой модуляционной частоты. На рис. 1 постоянная времени в петле ФАПЧ устанавливается элементами R18 и C28.
Рис. 2. Конструкция и расположение элементов детектора
С вывода 5 ИМС DA3 снимается напряжение, пропорциональное логарифму от входного уровня. Напряжение шумов составляет 1,1В (при замыкании на общий провод входа). При напряжении входного сигнала около 3 мВ напряжение на выводе 5 DA3 составляет 3,3 В. Данный выход ИМС DA3 можно использовать в составе системы автоматической регулировки усиления по промежуточной частоте. Так как ИМС NE604AN имеет большой коэффициент усиления, то для получения малого уровня шума и наводок необходимо использовать малогабаритные навесные элементы с наименьшей длиной выводов. Следует также обеспечить эффективную развязку цепей ИМС DA3 от опорного генератора DA2.
HMCDA1 NE602AN работает в качестве квазисинхронного детектора. Сигнал опорной частоты в виде меандра поступает на DA1 с вывода 9 ИМС DA3. Можно заметить, что DA1 работает аналогично DA2, за исключением того, что в качестве опорного сигнала на вывод 6 DA1 подается сигнал прямоугольной формы, полученный ограничением входного сигнала, а не с ГУНа, как в ИМС DA2.
Конструкция
При конструктивном выполнении детектора следует использовать как можно большую площадь земляной шины. При этом заземляемые выводы ИМС припаиваются непосредственно к земле, с минимальной длиной соединительных проводников.
На рис. 2 показана конструкция и расположение элементов детектора. Сигнал промежуточной частоты (входной сигнал) и выходной сигнал низкой частоты подаются с помощью коаксиальных кабелей малого диаметра.
Буферный каскад УПЧ
В качестве буферного каскада, соединяющего синхронный детектор с полупроводниковым приемником, можно использовать эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе (рис. 3). В случае использования лампового приемника сигнал промежуточной частоты можно снимать с катоді юго повторителя (рис. 4). При отсутствии приборов, позволяющих измерять напряжение ПЧ, необходимо установить уровень сигнала на входе детектора, при котором выходной сигнал низкой частоты имеет неискаженную форму.
Для оценки работы детектора можно использовать вывод 5 ИМС DA3. При подключении к нему вольгметра необходимо убедиться в отсутствии проникновения сигнала опорного генератора во входную цепь. Для этого закорачиваю! на общий провод вход детектора и снимают показания вольтметра. Измеренное напряжение должно составлять около 1,1 В. Если измеренное значение отличается от приведенного выше, то, возможно, из-за нерационального монтажа сигнал опорног о генератора попадает на вход DA3. Показания измерительного прибора не должны сильно измениться при подключении детектора к приемнику. Усиление приемника по высокой частоте необходимо уменьшить до минимума, так как в этом случае на выходе детектора будет оптимальное отношение сигнал/шум.
Рис. 3. Схема эмиттерного повторителя
Рис. 4. Схема катодного повторителя
При работе с синхронным детектором приемник должен работать в режиме AM (опорный генератор приемника, включаемый при работе в режиме SSB, должен быть отключен). Если в данном режиме работы напряжение на выводе 5 DA3 будет более 1 В, это может быть следствием поступления на вход DA3 сигнала опорного генератора приемника или другого паразитного сигнала. Детектор не будет работать, так как петля ФАПЧ не войдет в режим синхронизации при поступлении на вход сигнала, отличного от сигнала промежуточной частоты приемника. Каскады ограничителя ИМС NE604 могут устойчиво работать до 21 МГц, сохраняя коэффициент усиления порядка 101 дБ. Уровень входного сигнала, при котором нормально работают каскады ограничителя NE604, составляет всего лишь 3 мВ (-92 дБм) на 50-омной нагрузке.
Настройка
После визуальной проверки собранного устройства в схему детектора подают напряжение питания +6 В. Ток потребления должен составлять около 10 мА. При установке переключателя SA3 “Детектор” в положение 2 на НЧ-выходе должен прослушиваться уровень собственных шумов. Затем, настроив приемник на частоту сильной вещательной станции (работающей в диапазоне AM), устанавливают переключатели SA2 и SA3 в положение 1. При этом НЧ-сигнап на выходе устройства может иметь очень небольшой уровень. Вращая сердечник катушки L1, добиваются максимальной громкости аудиосигнала. Увеличение уровня аудиосигнала свидетельствует о нормальной работе опорного генератора. Если имеется возможность, следует замерить уровень сигнала опорного генератора с помощью осциллографа. Для этого щуп осциллографа подключают параллельно катушке L1. Амплитуда сигнала должна составлять около 600 мВ. В случае необходимости ее можно корректировать подбором сопротивления резистора R2. Настройте как можно точнее приемник на любой сильный сигнал несущей частоты (не-модулированный), например сигнал радиомаяка. Вращая движок резистора R16 - Настройка ОГ добиваются напряжения на нем 2 В, при этом переключатель SA1 должен находиться в положении 2 (величина расстройки ±0 кГц). Следует отметить это положение движка резистора R16, так как от него будет отсчитываться значение расстройки выше или ниже принимаемой частоты. Затем, используя диэлектрическую отвертку, подстраивают сердечник катушки L1 до получения нулевых биений на НЧ-выходе (переключатель SA2 должен находиться в положении 1). При установке переключателя SA2 в положение 2 должен произойти захват несущей частоты петлей ФАПЧ. В случае необходимости добиваются максимального подавления несущей частоты с помощью резистора R12. Далее следует снова установить переключатель SA2 в положение 1; при этом частота опорного генератора должна совпадать с частотой поступающего на вход детектора сигнал (на НЧ-выходе должен “присутствовать” сигнал нулевых биений). На этом предварительная настройка детектора завершена.
Для проведения дальнейшей наладки детектора переключатель SA2 устанавливают в положение 2. После захвата петлей ФАПЧ несущей частоты, добиваются вращением движка резистора R12 минимума низкочастотного шипения на выходе детектора. (В случае отсутствия сильного немоду-лированного сигнала (несущей) в радиоэфире можно использовать любой генератор с высокой стабильностью частоты, например PLL-синтезатор, выдающий сигнал на частоте настройки приемника. Другой, менее желательной альтернативой является использование АМ-сигнала с частотой модуляции 1 кГц. В этом случае подстройкой R12 добиваются на НЧ-выходе детектора сигнала с частотой 1 кГц). С завершением данного этапа настройки устройства фаза сигнала опорного генератора составляет 07180°. При этом фазовый шум детектора минимален. На этом настройка синхронного детектора завершена.
Для проверки работы синхронного детектора сделайте следующее: установите движок резистора R16 Настройка ОГ в центральное положение (отмеченное при настройке); переключатель SA2 Режим ОГ установите в положение 1, a SA1 в любое из трех положений (по желанию); настройте приемник на АМ-станцию по нулевым биениям несущей частоты (как можно точнее); подстройкой резистора R16 добейтесь нулевых биений на НЧ-выходе устройства; переключатель SA2 переведите в положение 2, при котором происходит захват несущей частоты системой ФАПЧ.
Изменяя положение переключателя SA3 “Детектор”, можно оценить работу синхронного детектора по сравнению с детектором огибающей. Особенно заметна разница в приеме сигналов радиостанций при неблагоприятных условиях. Синхронный прием может давать значительный прирост силы сигнала на НЧ-выходе по сравнению с вариантом использования детектора огибающей.
Должным образом настроенный синхронный детектор имеет суммарный коэффициент нелинейных искажений менее 1 %. Справедливости ради следует отметить, что квазисинхронный детектор обеспечивает аналогичные показатели в работе, однако только при подаче на его вход сигнала без значительных колебаний его уровня. Проведенные измерения также показали важность тщательной настройки фазовращателя с помощью R12: при неточной настройке фазовращателя в выходном НЧ-сигнале возрастает уровень интермодуляционных составляющих низших порядков на 3...12 дБ, а также чувствительность детектора к фазовому шуму.
Квазисинхронное детектирование
Квазисинхронное детектирование во многом похоже на действие детектора огибающей сигнала (на основе обычного диода). Лучшие результаты получаются при его использовании с сигналами, уровень которых заметно не падает, как в случае приема SSB- и АМ-станций в условиях глубокого фединга. При снижении уровня входного сигнала уменьшается отношение несущая/шум (н/ш), снижая качество детектирования. Таким образом, в условиях низкого отношения н/ш, квазисинхронное детектирование показывает значительно лучшие результаты (очень малое пороговое отношение н/ш, при котором обеспечивается нормальная работа детектора) по сравнению с детектором огибающей на диоде.
По материалам ARRL Handbook. Статья опубликована в РЛ, №8,2002 г.