О стабильности частоты настройки телекоммуникационных приёмников

ченном коэффициенте перекрытия по частоте первого гетеродина или синтезатора. Поскольку хороших фильтров с узкими полосами пропускания на частоты первой ПЧ в десятки мегагерц нет, вторым преобразователем переносят сигнал на вторую ПЧ, но она не может быть слишком низкой опять-таки из-за проблемы зеркального канала, который должен быть подавлен фильтрами первой ПЧ. Выбор второй ПЧ 9 МГц обусловлен наличием выпускаемых промышленностью кварцевых фильтров на эту частоту. Однако использовать целый набор кварцевых фильтров основной селекции с полосами пропускания от 0,1 до 6 кГц и к тому же обеспечивающих хорошую прямоугольность частотной характеристики и высокое затухание вне полосы было бы слишком сложно и дорого. Поэтому на второй ПЧ часто используют один фильтр с широкой полосой и преобразуют сигнал еще раз на третью ПЧ 450…500 кГц. На эти частоты имеется большой набор относительно дешевых электромеханических (ЭМФ) и пьезокерамических (ПФ)

фильтров с нужными параметрами, тем более, что значения ПЧ 455, 465 и 500 кГц стандартизованы. Только здесь эти фильтры и осуществляют основную селекцию сигнала. Не рассматривая другие недостатки столь сложного технического решения, такие, как обилие комбинационных частот, ложных настроек, интермодуляционные помехи и общее ухудшение динамического диапазона из-за множества узлов приёмника, расположенных до фильтров основной селекции, рассмотрим лишь проблему стабильности частоты настройки.

Для упрощения изложения и без потери общности на рис. 1 приведена типовая структурная схема супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием частоты, пригодного для регистрации телеграфных (CW), однополосных (SSB) и цифровых (RTTY, PSK и т.д.) сигналов. Если первые два вида сигналов могут приниматься на слух, то для цифровых сигналов требуется демодулятор, работающий, как правило, также в диапазоне звуковых частот, преимущественно 500…1500 Гц.

Рис. 1. Структурная схема супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием частоты

Как видим, в самом приёмнике нет никаких демодуляторов, а происходит лишь перенос спектра принимаемого сигнала в область звуковых частот. Соотношения между частотами иллюстрирует рис. 2.

Fo F3 IF2 Fc                     IF1 F2 F1

Рис. 2. Диаграмма частот в супергетеродине с двойным преобразованием

Такие приёмники удобны для доплеровских ионосферных исследований [1], поскольку имеются простые программы для ПК со звуковой картой, выполняющие анализ и регистрацию спектра сигнала, искаженного ионосферой.

Порядок преобразования частот в приёмнике таков:

F1 – Fc = IF1 ,

F2 – IF1 = IF2 ,

IF2 – F3 = Fo .

В этом случае спектр выходного сигнала на частоте Fo не инвертирован, а прием идет в верхней боковой полосе сигнала (USB). Боковая полоса обозначена на рис. 2 тонкой изогнутой линией рядом с несущей частотой сигнала. Смена боковых полос приема обычно достигается перестройкой (переключением кварцев) третьего гетеродина на частоту выше IF2 , тогда меняются знаки в левой части третьего уравнения. Выражая Fo и исключая промежуточные частоты, имеем:

Fo = Fc – (F1 – F2 + F3) = Fc – Fh , где Fh – частота некоторого виртуального гетеродина, представляющая собой алгебраическую сумму частот реальных гетеродинов, взятых со знаками, соответствующими схеме преобразования частот.

Собственно говоря, этот гетеродин не обязательно должен быть «виртуальным», и вполне возможно конструирование приёмников с одним преобразованием частоты и единственным гетеродином, работающим на частоте, отличающейся на Fo от частоты сигнала. Такие приемники называются гетеродинными (прямого преобразования) и теперь широко используются в любительской связи, пейджинге и сотовой телефонии.

Но вернемся к супергетеродину рис. 1 и оценим стабильность его выходной частоты Fo , считая входную частоту сигнала Fс абсолютно стабильной. Ясно, что нестабильность Fo определяется уходами частоты гетеродинов δF1 … δF3 . Теория ошибок учит, что абсолютные погрешности величин при их сложении и вычитании всегда складываются, поэтому

δFo = δF1 + δF2 + δF3 .

Этот факт приводит к очень большой абсолютной нестабильности выходной частоты δFо , даже если гетеродины F1 и F2 хорошего качества, но работают они на высоких частотах.

Качество гетеродина среди других параметров характеризуют его относительной нестабильностью ε = δF1 / F1 . Для LC генераторов она обычно бывает порядка 10^–4, для кварцевых генераторов – 10^–6, для термокомпенсированных или (лучше) термостатированных кварцевых генераторов – 10^–7…10^–8. Для доплеровских исследований в КВ-диапазоне необходима абсолютная нестабильность выходной частоты приёмника не более 0,1 Гц. Учитывая высокую

ВЕСТНИК 2014. ВЫПУСК 4

частоту гетеродинов F1 и F2 (порядка 50 МГц), легко найти их требуемую относительную нестабильность ε = 10^–9.

Как видим, ни один из перечисленных генераторов этому требованию не удовлетворяет – требуется применение эталонов частоты, что достаточно сложно и дорого. В то же время использование гетеродинного приёмника с единственным генератором на частоту, скажем, 10 МГц, проблему решает, если использовать термостабильный кварцевый генератор с ε = 10^–8.

В последние годы, с разработкой большого ассортимента цифровых микросхем и микропроцессоров, стало возможным строить синтезаторы и формирователи нужной сетки частот на основе единственного опорного кварцевого генератора высокой стабильности. Схема супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием, гетеродинные частоты которого формируются таким способом, показана на рис. 3.

ВЕСТНИК 2014. ВЫПУСК 4

Рис. 3. Структурная схема супергетеродина с синтезом гетеродинных частот

Относительно сложным в нем оказывается лишь синтезатор частоты F1 , обеспечивающий перестройку приёмника с необходимым шагом, обычно 10 Гц. Впрочем, он необходим и в ранее рассмотренном приёмнике по рис. 1. Синтезаторы частот F2 и F3 (рис. 3) должны генерировать фиксированные частоты путем умножения и деления частоты F1 на целочисленные коэффициенты m , n для F2 и p , q для F3 , поэтому они довольно просты.

Легко видеть, что при умножении и делении частоты ее относительная нестабильность ε сохраняется, тогда как абсолютные уходы δF оказываются пропорциональны самой генерируе- мой частоте F. Частота виртуального гетеродина, как и прежде, близка к частоте сигнала и равна:

Fh = (F1 – F2 + F3) = F1(1 – m/n + p/q) , имея фиксированную относительную нестабильность, такую же, как у единственного опорного генератора, например ε = 10^–8.

Большим достоинством описанного приёмника (рис. 3) является уменьшение абсолютной нестабильности с понижением частоты приема Fc и, соответственно, Fh . Например, при доплеровских исследованиях на СВ (примерно 1 МГц) разрешение можно повысить до 0,01 Гц, а на ДВ (100 кГц) – до 0,001 Гц, что практически невозможно в приёмнике с независимыми гетеродинами (рис. 1).

Идея синхронизации всех гетеродинов радиотехнических и электронных устройств от единого опорного источника имеет гораздо более широкую область применения, чем описано здесь, и обладает многими достоинствами [2], которые были ясны еще четверть века назад. К сожалению, внедрение этой идеи в жизнь часто наталкивается на трудности отнюдь не технического характера. Простой пример: нужная для научных исследований комбинация радиоприемник – компьютер в современном исполнении имеет никудышную электромагнитную совместимость. Обилие независимых кварцевых генераторов в компьютере приводит к массе комбинационных помех и пораженных точек в диапазоне принимаемых частот. Использование одного опорного генератора для всех узлов компьютера радикально снизило бы количество этих помех.