Радиолюбительский приемник: характеристики

Антенна любительского радиоприемника принимает сотни и тысячи радиосигналов одновременно. Их частоты могут варьироваться в зависимости от передачи на длинных, средних, коротких, ультракоротких волнах и телевизионных диапазонах. В промежутках между ними работают любительские, правительственные, коммерческие, морские и другие станции. Амплитуды сигналов, подаваемых на антенные входы приемника, варьируются от менее 1 мкВ до многих милливольт. Радиолюбительские контакты происходят на уровне порядка нескольких микровольт. Назначение любительского ресивера двоякое: выбор, усиление и демодуляция нужного радиосигнала, и отсеивание всех остальных. Приемники для радиолюбителей доступны как отдельно, так и в виде составляющей части трансивера.

Основные узлы ресивера

Радиолюбительские приемники должны иметь возможность принимать крайне слабые сигналы, отделять их от шума и мощных станций, всегда присутствующих в эфире. При этом для их удержания и демодуляции необходима достаточная стабильность. В целом производительность (и цена) радиоприемника зависит от его чувствительности, избирательности и стабильности. Есть и другие факторы, связанные с эксплуатационными характеристиками устройства. К ним относятся охват и считывание частоты, режимы демодуляции или детектирования ДВ, СВ, КВ, УКВ-радиоприемников, требования к мощности. Хотя ресиверы различаются по сложности и производительности, все они поддерживают 4 основные функции: прием, селективность, демодуляцию и воспроизведение. Некоторые также включают усилители для повышения уровня сигнала до приемлемых значений.

Прием

Это способность ресивера обрабатывать слабые сигналы, собираемые антенной. Для радиоприемника данная функциональная возможность прежде всего связана с чувствительностью. Большинство моделей имеет несколько каскадов усиления, необходимого для повышения мощности сигналов от микровольт до вольт. Таким образом, общий коэффициент усиления приемника может достигать порядка миллиона к одному.

Начинающим радиолюбителям полезно знать, что на чувствительность ресивера влияют электрические шумы, генерируемые в антенных контурах и самом устройстве, особенно во входных и радиочастотных модулях. Они возникают при термическом возбуждении молекул проводника и в компонентах усилителя, таких как транзисторы и трубки. В целом электрический шум от частоты не зависит и увеличивается с температурой и шириной полосы.

Любые помехи, присутствующие в антенных терминалах приемника, усиливаются вместе с принимаемым сигналом. Таким образом, существует предел чувствительности ресивера. Большинство современных моделей позволяет принимать 1 мкВ или меньше. Многие спецификации определяют эту характеристику в микровольтах для 10 дБ. Например, чувствительность 0,5 мкВ для 10 дБ означает, что амплитуда шума, генерируемого в ресивере, примерно на 10 дБ ниже сигнала в 0,5 мкВ. Иначе говоря, уровень помех приемника составляет около 0,16 мкВ. Любой сигнал ниже этого значения будет перекрываться ими и не будет слышен в динамике.

На частотах до 20–30 МГц внешний шум (атмосферный и антропогенный) обычно значительно выше внутренних помех. Большинство приемников имеют достаточную чувствительность для обработки сигналов в этом частотном диапазоне.

Селективность

Это способность приемника настраиваться на требуемый сигнал и отклонять нежелательные. В ресиверах используются высокодобротные LC-фильтры для пропускания только узкой полосы частот. Таким образом, полоса пропускания приемника имеет важное значение для устранения нежелательных сигналов. Селективность многих ДВ-ресиверов составляет порядка нескольких сотен герц. Этого достаточно для отсеивания большинства сигналов, близких к рабочей частоте. Все радиолюбительские приемники КВ- и СВ-диапазонов должны иметь избирательность около 2500 Гц для любительского голосового приема. Многие ресиверы и трансиверы ДВ/КВ используют переключаемые фильтры для обеспечения оптимального приема сигнала любого типа.

Демодуляция, или детекция

Это процесс разделения НЧ-составляющей (звука) из входящего модулированного сигнала несущей. В контурах демодуляции используются транзисторы или лампы. Два наиболее распространенных типа детекторов, применяемых в ВЧ-приемниках, – это диодный для ДВ и СВ и идеальный смеситель для ДВ или КВ.

Воспроизведение

Финальным процессом приема является преобразование обнаруженного сигнала в звуковой для подачи на динамик или наушники. Обычно для усиления слабого выхода с детектора используется каскад с высоким коэффициентом. Выход аудиоусилителя затем подается на динамик или наушники для воспроизведения.

Большинство радиолюбительских приемников имеют внутренний динамик и выходное гнездо для наушников. Простой одноступенчатый аудиоусилитель подходит для работы с наушниками. Для динамика обычно требуется 2-х или 3-ступенчатый аудиоусилитель.

Простые ресиверы

Первые приемники для радиолюбителей представляли собой простейшие устройства, которые состояли из колебательного контура, кристаллодетектора и наушников. Они могли принимать лишь местные радиостанции. Однако кристаллический детектор не способен правильно демодулировать сигналы ДВ или КВ. Кроме того, чувствительность и селективность такой схемы недостаточны для радиолюбительской работы. Увеличить их можно путем добавления аудиоусилителя к выходу детектора.

Радиоприемник прямого усиления

Чувствительность и избирательность могут быть улучшены путем добавления одного или нескольких каскадов. Этот тип устройств называется приемником прямого усиления. Многие коммерческие СВ-ресиверы 20-х и 30-х гг. использовали такую схему. Некоторые из них имели 2–4 ступени усиления для получения требуемой чувствительности и селективности.

Приемник прямого преобразования

Это простой и популярный подход для приема ДВ и КВ. Входной сигнал подается на детектор вместе с РЧ от генератора. Частота последнего несколько выше (или ниже) первого, чтобы можно было получить биение. Например, если на входе 7155,0 кГц, а ВЧ-генератор настроен на 7155,4 кГц, то смешиванием в детекторе создается звуковой сигнал 400 Гц. Последний поступает в высокоуровневый усилитель через очень узкий звуковой фильтр. Селективность в этом типе ресивера достигается с помощью колебательных LC-контуров перед детектором и звуковым фильтром между детектором и аудиоусилителем.

Супергетеродин

Разработан в начале 1930-х годов с целью устранения большинства проблем, с которыми сталкивались ранние типы радиолюбительских приемников. Сегодня супергетеродинный ресивер используется практически во всех типах услуг радиосвязи, включая радиолюбительские, коммерческие, а также для амплитудной и частотной модуляции и телевидения. Основное отличие от приемников прямого усиления заключается в преобразовании входящего РЧ-сигнала в промежуточный (ПЧ).

ВЧ-усилитель

Содержат LC-контуры, которые обеспечивают некоторую селективность и ограниченное усиление на требуемой частоте. РЧ-усилитель также обеспечивает два дополнительных преимущества в супергетеродинном приемнике. Во-первых, он изолирует каскады смесителя и локального генератора от контура антенны. Для радиоприемника преимущество заключается в том, что ослабляются нежелательные сигналы, частота которых вдвое выше требуемой.

Генератор

Необходим для создания синусоидального сигнала с постоянной амплитудой, частота которой отличается от входящей несущей на величину, равную ПЧ. Генератор создает колебания, частота которых может быть либо выше, либо ниже несущей. Этот выбор определяется полосой пропускания и требованиями к настройке РЧ. Большинство таких узлов в СВ-приемниках и нижнем диапазоне любительских УКВ-ресиверов генерируют частоту выше входной несущей.

Смеситель

Назначением данного блока является преобразование частоты входящего несущего сигнала в частоту ПЧ-усилителя. Смеситель выводит 4 основных выходных сигнала из 2 входных: f₁, f₂, f₁+f₂, f₁-f₂. В супергетеродинном приемнике используется только либо их сумма, либо разность. Остальные могут вызвать помехи, если не будут предприняты надлежащие меры.

ПЧ-усилитель

Характеристики ПЧ-усилителя в супергетеродинном приемнике лучше всего описываются с точки зрения коэффициента усиления (КУ) и селективности. Вообще говоря, эти параметры определяются усилителем ПЧ. Селективность ПЧ-усилителя должна быть равна ширине полосы входящего модулированного РЧ-сигнала. Если она больше, то любая смежная частота пропускается и вызывает помехи. С другой стороны, если селективность слишком узкая, некоторые боковые полосы будут срезаны. Это приводит к потере четкости при воспроизведении звука динамиком или наушниками.

Оптимальная полоса пропускания коротковолнового приемника равна 2300–2500 Гц. Хотя некоторые из более высоких боковых полос, связанных с речевыми сигналами, выходят за пределы 2500 Гц, их потеря существенно не влияет на звучание или информацию, передаваемую оператором. Селективность 400–500 Гц достаточна для работы ДВ. Эта узкая полоса помогает отклонить любой сигнал соседней частоты, который может мешать приему. В любительских радиоприемниках, цена которых выше, используются 2 и более каскада ПЧ-усиления с предшествующим высокоселективным кристаллическим или механическим фильтром. При такой компоновке между блоками используются LC-контуры и преобразователи ПЧ.

Выбор промежуточной частоты определяется несколькими факторами, которые включают: усиление, селективность и подавление сигнала. Для низкочастотных диапазонов (80 и 40 м) ПЧ, используемая во многих современных радиолюбительских приемниках, равна 455 кГц. ПЧ-усилители могут обеспечить превосходный коэффициент усиления и селективность 400–2500 Гц.

Детекторы и генераторы биений

Детекция, или демодуляция, определяется как процесс разделения аудиочастотных компонентов от модулированного сигнала несущей. Детекторы в супергетеродинных приемниках также называют вторичными, а первичным является узел смесителя.

Автоматическая регулировка усиления

Целью узла АРУ является поддержание постоянного уровня выходного сигнала, несмотря на изменения входного. Радиоволны, распространяющиеся через ионосферу, то ослабляются, то усиливаются из-за явления, известного как замирание. Это приводит к изменению уровня приема на антенных входах в широком диапазоне значений. Поскольку напряжение выпрямленного сигнала в детекторе пропорционально амплитуде принятого, часть его может использоваться для управления коэффициентом усиления. Для приемников, использующих ламповые или npn-транзисторы в узлах, предшествующих детектору, для уменьшения КУ подается отрицательное напряжение. Усилители и смесители, использующие pnp-транзисторы, требуют положительного напряжения.

Некоторые радиолюбительские приемники, особенно лучшие транзисторные, имеют усилитель с АРУ для большего контроля над характеристиками устройства. Автоматическая регулировка может иметь разные временные константы для сигналов различных типов. Постоянная времени задает продолжительность контроля после прекращения трансляции. Например, во время интервалов между фразами КВ-ресивер немедленно возобновит полное усиление, что вызовет раздражающий всплеск шума.

Измерение силы сигнала

В некоторых приемниках и приемопередатчиках предусмотрен индикатор, указывающий относительную силу трансляции. Обычно часть выпрямленного сигнала ПЧ от детектора подается на микро- или миллиамперметр. Если у приемника есть усилитель АРУ, то этот узел также можно использовать для управления индикатором. Большинство измерителей калибруются в S-единицах (от 1 до 9), которые представляют приблизительно 6-дБ изменение мощности принимаемого сигнала. Среднее показание или S-9 служит для индикации уровня в 50 мкВ. Верхняя половина шкалы S-метра калибруется в децибелах выше S-9, обычно до 60 дБ. Это значит, что сила принятого сигнала на 60 дБ выше 50 мкВ и равна 50 мВ.

Индикатор редко бывает точным, поскольку на его работу влияют многие факторы. Однако он очень полезен при определении относительной интенсивности входящих сигналов, а также при проверке или настройке приемника. Во многих приемопередатчиках индикатор служит для отображения состояния функций устройства, таких как конечный ток радиочастотного усилителя и выходная мощность РЧ.

Помехи и ограничения

Начинающим радиолюбителям полезно знать, что любой ресивер может испытывать трудности с приемом из-за трех факторов: внешнего и внутреннего шума и интерферирующих сигналов. Внешние помехи на ВЧ, особенно ниже 20 МГц, намного выше, чем внутренние. Только на более высоких частотах узлы приемника составляют угрозу для крайне слабых сигналов. Большинство шумов генерируется в первом блоке, как в радиочастотном усилителе, так и в каскаде смесителя. Для снижения внутренних помех приемника до минимального уровня было приложено много усилий. В итоге появились малошумящие схемы и компоненты.

Внешние помехи могут вызвать проблемы при приеме слабых сигналов по двум причинам. Во-первых, помехи, улавливаемые антенной, могут маскировать трансляцию. Если последняя находится вблизи или ниже уровня входящего шума, прием практически невозможен. Некоторые опытные операторы могут принимать трансляции на ДВ даже при больших помехах, но голос и другие любительские сигналы в этих условиях непонятны.