РАДИОПРИЕМНИК ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК H04B1/06 

Изобретение относится к радиоприемной технике и может быть использовано при построении приемных устройств частотно-модулированных (ЧМ) сигналов вещательного и связного назначения.

В настоящее время из-за резкого увеличения стоимости эксплуатации сети проводного вещания (возросшая цена провода, плата за использование опор ЛЭП) стоит задача перехода на ретрансляционную УКВ-систему местных передач с частотной модуляцией. Соответственно УКВ ЧМ-радиоприемники, предлагаемые при этом потребителю, не должны уступать абонентским громкоговорителям в качественных показателях при умеренной стоимости в крупносерийном и массовом производстве. В этом плане нельзя считать оптимальным супергетеродинный вариант построения приемных устройств, отличающихся значительным искажением сигнала, а также большим числом нетехнологичных намоточных элементов, требующих тщательной регулировки.

Известен и наиболее широко применяется радиоприемник ЧМ-сигналов, содержащий последовательно соединенные входную цепь, усилитель высокой частоты, преобразователь частоты с гетеродином, усилитель промежуточной частоты, ЧМ-детектор, усилитель низкой частоты, в котором выход усилителя промежуточной частоты соединен с его управляющим входом цепью автоматической регулировки усиления (АРУ), а выход ЧМ-детектора соединен с управляющим входом гетеродина цепью автоподстройки частоты (Буга Н. Н. и др. Радиоприемные устройства. М. Радио и связь, 1986, с. 12). Указанный радиоприемник называется супергетеродинным и имеет следующие основные недостатки: значительные интермодуляционные нелинейные искажения, возникающие в двух принципиально нелинейных блоках преобразователе частоты и ЧМ-детекторе. Во-вторых, двух-, трехкаскадный усилитель промежуточной частоты (ПЧ) имеет довольно низкую полосу пропускания (из-за эффекта старения и механических воздействий контуры каскадов расстраиваются и частотная характеристика тракта ПЧ может искажаться и сужаться до 50-80 кГц и менее). В результате в усилителе ПЧ возникают существенные частотные искажения и паразитная амплитудная модуляция. В-третьих, супергетеродинным радиоприемникам свойственно наличие побочных (зеркальных) каналов приема и интерференционных "свистов", которые не устраняются полностью во входной цепи и усилителе высокой частоты. В-четвертых, не обеспечивается высокая помехоустойчивость при воздействии мощных сигналов по соседнему каналу, они взаимодействуют с полезным сигналом на нелинейном элементе преобразователя частоты. В результате этого прослушиваются несколько близко расположенных по частоте станций (в крупных городах число программ в диапазоне 66 73 МГц достигает 5 7), а также возникают перекрестные искажения полезного сигнала. Усилитель высокой частоты без автоматической регулировки усиления подвержен перегрузке сигналами мощных станций, в результате чего также имеют место нелинейные искажения и побочные каналы приема. В свою очередь, изготовление и регулировка нескольких контурных катушек усилителя ПЧ намного усложняют технологию и увеличивают себестоимость изделия.

Таким образом, освоение массового производства качественных недорогих радиоприемников УКВ-диапазона требует нового подхода к выбору принципа действия и схемы.

Известен радиоприемник ЧМ-сигналов, построенный на базе синхронно-фазового детектора диапазона до 200 МГц (патент ГДР N272751, МКИ Н 03 Д 9/00, заявл. 1.6.88, опублик. 18.10.89). Приемник содержит аналоговый перемножитель, на один вход которого подается принимаемый сигнал, на другой - напряжение гетеродина. Выход перемножителя через частотнокорректирующую цепь соединен с входом усилителя постоянного тока, выходной сигнал которого подается на элемент фазовой подстройки частоты гетеродина, а также на выход приемника. В указанном приемнике, если не предусмотреть соответствующих мер и использовать обычные (небалансные) усилитель ВЧ и усилитель НЧ, то из-за нарушения симметрии плеч умножителя сузится его динамический диапазон и возникнут чрезмерно большие нелинейные искажения сигналов мощных станций. Кроме того, разбалансировка перемножителя приведет к большому температурному дрейфу постоянных напряжений схемы. Однако самым значительным недостатком такого приемника является подверженность воздействию низкочастотных электромагнитных полей, например сетевой частоты, когда радиоприемник нельзя приближать к массивным металлическим и другим токопроводящим объектам. Фоновый НЧ-сигнал от них подавляется при этом недостаточно. Это приводит к необходимости тщательной экранировки всего радиоприемника с соответствующим усложнением и удорожанием конструкции.

Известен радиоприемник ЧМ-сигналов, описанный в книге: Поляков В.Т. Радиовещательные ЧМ-приемники с фазовой автоподстройкой. М. Радио и связь, 1983, с. 73 и являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Указанное устройство содержит последовательно соединенные входную цепь, усилитель высокой частоты, смеситель, усилитель постоянного тока и гетеродин, при этом выход гетеродина подключен к второму входу смесителя, а выход усилителя постоянного тока соединен также с входом усилителя низкой частоты. Его недостатками являются нетехнологичность, неустойчивость приема, некачественное воспроизведение.

В приемнике-прототипе реализуется невысокое качество приема и воспроизведения, проявляющееся в низкой чувствительности, в недостаточной избирательности по соседнему каналу, в значительных нелинейных искажениях, а также в неустойчивой работе (с подвозбуждением).

Неперестраиваемая входная цепь и резистивный (согласующий) усилитель высокой частоты обеспечивают коэффициент передачи, близкий к единице. Поэтому основное усиление сигнала происходит в усилителе постоянного тока и усилителе низкой частоты. При этом низкочастотные фоновые наводки недостаточно ослабляются входной цепью и усилителем высокой частоты и затем проходят смеситель и усилитель постоянного тока с петлей фазовой автоподстройки подобно полезному сигналу. В результате низкочастотный фон прослушивается довольно громко, особенно при близком расположении массивных токопроводящих предметов или рук человека. Соответственно шумы усилителя высокой частоты, смесителя и гетеродина (вместе с напряжением фона) не позволяют получить чувствительность приемника лучше 30 50 мкВ, чего недостаточно для уверенного качественного приема в радиусе до 30 50 км.

Примененный в приемнике-прототипе смеситель выполнен по обычной (небалансной) схеме с несимметричными входами и выходами. Это определяет значительную зависимость режима и качества работы смесителя от амплитуды гетеродинного колебания, от фазы и величины проникающего на сигнальный вход гетеродинного напряжения, от температурного дрейфа. В результате этого не удается обеспечить оптимальный режим работы смесителя: резко падает его коэффициент передачи, возникают большие нелинейные искажения сигнала, при изменении положения антенны на различных участках частотного диапазона в зависимости от фазовых соотношений радиоприемник возбуждается.

Особенно заметны перекрестные искажения и помехи при наличии мощного сигнала соседнего канала, который взаимодействует с полезным сигналом на нелинейных элементах согласующего усилителя и смесителя и даже приводит к возможности прямого детектирования сигнала и помех.

Таким образом, радиоприемник-прототип является очень "капризным" при регулировке и эксплуатации, то есть непригодным для серийного производства, что и подтверждается опытом радиопромышленности в России и за рубежом.

Из анализа приведенного уровня техники видно, что задачей изобретения является создание технологичного (с малым числом подстраиваемых катушек индуктивности) приемника частотно-модулированных сигналов с устойчивым приемом (за счет высокой чувствительности и избирательности) и качественным воспроизведением (за счет синхронно-фазового отслеживания частоты с точностью до фазы, высокой избирательности, минимальных нелинейных искажений и подавления фоновых помех).

Это достигается тем, что в известное устройство, состоящее из последовательно соединенных входной цепи, согласующего усилителя, смесителя, усилителя постоянного тока и гетеродина, причем выход гетеродина подключен к второму входу смесителя, а выход усилителя постоянного тока является одновременно выходом приемника, введены заградительный фильтр, регулируемый усилитель высокой частоты, а также соединенные последовательно высокочастотный усилитель цепи АРУ, амплитудный детектор и усилитель постоянного тока цепи АРУ. Заградительный фильтр включен между выходом согласующего усилителя и сигнальным входом регулируемого УВЧ, выход которого соединен с первым входом смесителя и с входом высокочастотного усилителя цепи АРУ. Выход усилителя постоянного тока цепи АРУ подключен к управляющему входу регулируемого УВЧ. Соответственно регулируемый усилитель высокой частоты перестраивается по диапазону и выполнен по балансной схеме с симметричным выходом, смеситель выполнен по двойной балансной схеме с симметричными первым входом, вторым входом и выходом. Усилитель постоянного тока и высокочастотный усилитель цепи АРУ собраны по балансным схемам с симметричным входом, а гетеродин имеет симметричный выход.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого приемника; на фиг. 2 принципиальная схема его возможной реализации.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные входную цепь (ВЦ) 1, согласующий усилитель (СУ) 2, заградительный фильтр (ЗФ) 3, регулируемый усилитель высокой частоты (РУВЧ) 4, смеситель (СМ) 5, усилитель постоянного тока (УПТ) 6, гетеродин (Гет) 7, а также включенные последовательно высокочастотный усилитель регулирующей цепи (цепи АРУ) (УАРУ) 8, амплитудный детектор (АД) 9 и усилитель постоянного тока цепи АРУ (УПТ АРУ) 10. При этом симметричный выход гетеродина 7 соединен с вторым симметричным входом смесителя 5, симметричный выход которого соединен с симметричным входом усилителя постоянного тока 6. Симметричный вход высокочастотного усилителя цепи АРУ 8 подключен к точкам соединения симметричного выхода регулируемого усилителя высокой частоты 4 и первого симметричного входа смесителя 5. Выход усилителя постоянного тока цепи АРУ 10 соединен с управляющим входом регулируемого УВЧ 4. Выход усилителя постоянного тока 6 является входом предлагаемого приемника, рассчитанным на подключение высококачественного усилителя звуковой частоты.

Все блоки структурной схемы могут быть собраны по типовым схемам. Входную цепь 1 целесообразно использовать перестраиваемую в диапазоне частот согласованно с частотой гетеродина для ослабления мощных соседних и внедиапазонных сигналов, которые могут вызвать перекрестные искажения и прямое детектирование помех на нелинейности активных элементов последующего согласующего усилителя. Сравнительно узкая полоса (2-3 МГц) обеспечивается в таких случаях слабой связью контура с антенной. Кроме того, согласующий усилитель должен иметь достаточно высокое входное сопротивление, чтобы не снижать добротность входной цепи 1. Его собирают по резистивной схеме, например каскадной ОИ-ОЭ, для уменьшения общего числа нетехнологичных (требующих настройки) контурных катушек индуктивности (для ослабления внедиапазонных помех достаточна избирательность входной цепи 1 и регулируемого усилителя высокой частоты 4). При чувствительности радиоприемника десятки - единицы микровольт в городских условиях возможен значительный уровень индустриальных помех и низкочастотного фона электрической сети. Заградительный фильтр 3, непропускающий НЧ-помехи и фон сети, выполняют либо в виде Т-образного (П-образного) фильтра, либо с использованием малогабаритного недорогого дросселя типа ДММ или ДМШ в нагрузочной цепи резистивного усилителя. Регулируемый усилитель ВЧ 4 перестраиваемый резонансный можно собрать на дифференциальной ИС соответствующего диапазона частот с симметричным включением выходов в колебательный контур и управляющим входом: М45121, 175 УВ2, 175 УВ4, К174 УП2, К174 УП3. Смеситель 5 двойной балансный с полной симметрией выполняют по схеме аналогового перемножителя на основе сдвоенного дифференциального усилителя (см. Буга Н. Н. и др. Радиоприемные устройства. М. Радио и связь, 1986, с. 158). При рабочем диапазоне до 40 МГц в смесителе 5 может быть применена ИС-526ПС1. ИС К174ПС1 работоспособна до 200 МГц, а МИС-17 до 900 МГц. Усилитель постоянного тока 6 интегральный операционный усилитель серии 140 или типовой дифференциальный каскад на транзисторах.

Гетеродин 7 радиоприемника выполняют по традиционной транзисторной схеме, например трехточечной (см. книгу Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. М. Патриот, 1990, с. 188). Выходной сигнал необходимо снимать непосредственно с колебательного контура с помощью симметричной катушки связи, а не через повторитель напряжения. Следует отметить, что лучшие результаты дает смеситель, совмещенный с гетеродином и выполненный на двойном балансном перемножителе типа К174ПС1 (рабочая частота до 200 МГц) или МИС-17 (до 900МГц). Близкая схема приведена в книге: Радиоприемные устройства. /Под ред. Барулина Л.Г. М. Радио и связь, 1984, с. 157. Достаточно в схеме рис. 5.13 выводы 2 и 3 микросхем соединить с шиной питания нагрузочными резисторами, с которых и снимать симметричный выходной НЧ-сигнал.

Естественно, что контуры L1', C2 (незаземленная нагрузка усилителя ВЧ 4) и 2, C3 (гетеродинный) должны быть настроены на частоту сигнала и перестраиваются по диапазону. Высокочастотный усилитель цепи АРУ 8 - резистивный, собранный по дифференциальной схеме с симметричным входом, например, на ИС 526ПС1, К174ПС1 или МИС-17 в зависимости от рабочего диапазона частот. Амплитудный детектор 9 обычный диодный последовательный детектор, постоянная времени нагрузочной цепи которого R_нC_н должна быть меньше минимального периода звуковых модулирующих колебаний принимаемых сигналов. Усилитель постоянного тока цепи АРУ 10 выполняется по обычной схеме с гальванической связью каскадов (например, типовой каскад ОИ-ОЭ). Он должен обеспечивать усиление 10 20 дБ при достаточно высоком входном сопротивлении: R_вх>R_н. Вход предлагаемого приемника подключается к усилителю НЧ, который содержит каскад предварительного усиления, а также усилитель мощности на ИС К174УН7, К174УН14 или комплементарных транзисторах (если радиоприемник используется отдельно в виде переносного или автомобильного). Усилитель НЧ и акустическая система должны иметь минимальные нелинейные искажения. При этом реализуются качественные показатели предлагаемого приемника.

В зависимости от назначения радиоприемника он может включать в себя также стереодекодер (желательно синхронный с малым коэффициентом гармоник) и второй усилитель НЧ, сетевой источник питания, системы автопоиска, бесшумной настройки, переключения диапазонов, индикации. Многодиапазонный приемник или тюнер целесообразно строить на базе диапазонных модулей, каждый из которых содержит блоки 1-10 предлагаемого устройства и включается путем подачи напряжения питания.

Пример принципиальной схемы предлагаемого устройства приведен на фиг. 2. В этом УКВ-приемнике ЧМ-сигналов входная цепь 1 образована элементами L1, C1, C2, VD1. Согласующий усилитель 2 выполнен в виде резистивного каскада VT1, VT2. Заградительным фильтром 3 является дроссель L2 и выходное сопротивление согласующего усилителя 2. Регулируемый усилитель ВЧ 4 построен на ИС ДА1 К174ПС1 и транзисторе VT3, являющемся элементом регулировки усиления. Смеситель 5 с совмещенным гетеродином 7 выполнен в виде двойного балансного перемножителя на микросхеме ДА3 К174ПС1. В качестве УПТ6 применен дифференциальный усилитель VT6, VT7 (КТ3107), в нагрузке которого включена пропорционально-интегрирующая цепочка R28, C31, определяющая полосу удержания и избирательность приемника. Выходной сигнал УПТ 6 подается на варикап VD6 гетеродина 7 и на вход внешнего усилителя НЧ (транзисторы VT8, VT9). Высокочастотный усилитель цепи АРУ 8 также собран на ИС К174ПС1 (ДА2), что существенно уменьшает номенклатуру комплектующих. Амплитудный детектор 9 построен на диодах VD3, VD4 с нагрузкой R16, C15, а УПТ АРУ 10 на каскаде из двух транзисторов VT5, VT6. Переменный резистор R5 является регулятором настройки на станции диапазона. Сопротивление R21 позволяет точно сбалансировать основные блоки: смеситель 5, УПТ 6, гетеродин 7.

В диапазоне ДМВ в качестве элементов ДА1, ДА2, ДА3 могут применяться ИС типа М45121, М42104, МИС-17. При этом каскад ОИ-ОЭ на транзисторах VT1, VT2 можно исключить с учетом сравнительно высокого коэффициента усиления микросхем серии М42 и М45, реализовав полностью симметричный тракт с высоким качеством приема сигналов и с эффективным подавлением помех (НЧ-фон, соседние каналы, мощные внедиапазонные помехи).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перестраиваемая входная цепь 1 ослабляет внедиапазонные помехи, предотвращая перекрестные искажения входного сигнала. Далее сигнал усиливается в малошумящем согласующем усилителе 2, который развязывает гетеродинные цепи от антенны, а также согласует вход усилительного тракта с контуром входной цепи (позволяет получить необходимую добротность 25 30 и избирательность входной цепи). Заградительный фильтр 3 не пропускает низкочастотные помехи, обусловленные электромагнитными наводками, внедиапазонными станциями СВ, ДВ и КВ, индустриальными шумами. Регулируемый усилитель высокой частоты 4 осуществляет основное усиление ЧМ-сигнала на несущей частоте, которая регулируется по цепи АРУ с целью исключения перегрузок мощными сигналами близкорасположенных станций. Такое построение высокочастотного тракта обеспечивает чувствительность РП прямого преобразования, сравнимую с чувствительностью супергетеродина, где основное усиление с АРУ, избирательность и подавление НЧ-помех реализуется в усилителе ПЧ. При этом достигается широкий динамический диапазон (60-70 дБ), а значит хорошая линейность работы и качественный прием. За счет применения цепи быстрой АРУ ослабляется паразитная амплитудная модуляция. С симметричного выхода усилителя ВЧ 4 ЧМ-сигнал поступает на первый вход двойного балансного смесителя 5. Современная элементная база (интегральные аналоговые перемножители) и симметричное включение по обоим входам и выходу обеспечивают сбалансированный режим смесителя 5 и его устойчивость к наводкам напряжения гетеродина 7 в рабочем диапазоне.

При поступлении на его первый симметричный вход сигнала
U_c(t) = U_mcos[ω_ot+Φ(t)],
а на второй (опорный) симметричный вход напряжения гетеродина 7
U_г(t) = U_гcos[ω_ot+Φ(t)]
на симметрично выходе в результате перемножения U_c(t) и U_r(t) получается колебание вида

где
U_m, U_r амплитудные значения напряжений сигнала и гетеродина; ω_o средняя частота ЧМ-сигнала; Φ(t) изменяющаяся фаза при угловой модуляции; k масштабный коэффициент передачи перемножителя; Φ_г(t) = 0
Сигнал с удвоенной частотой не проходит через нагрузочные цепи смесителя 5, на выходе которого получается сигнал, повторяющий изменение разности фаз Φ(t) между ЧМ-сигналом и гетеродинным колебанием

Если в гетеродине обеспечить сдвиг фазы колебания U_r(t) относительно сигнала U_c(t) на угол π/2 то напряжение на выходе смесителя 5 примет вид:

а при малых предельных значениях Φ(t) можно записать

Полная фаза φ(t) ЧМ-сигнала связана с мгновенной частотой соотношениями:

Соответственно при гармонической ЧМ Δω(t) = Δω_м•cosΩt и
где
индекс модуляции частоты сигнала.

Таким образом, выходное напряжение U_см(t) изменяется по закону модуляции (в данном примере по гармоническому):

Особенностью применения двойного балансного смесителя 5 (его симметрия не нарушается при подключении балансных схем усилителя ВЧ 4, усилителя постоянного тока 6 и симметричного выхода гетеродина 7) является практически полное подавление фоновых низкочастотных наводок. При этом также минимизируется температурный дрейф уровней постоянного напряжения в смесителе 5, особенно если применяется вариант с совмещенным гетеродином 7, выполненный на общем кристалле с идентичными транзисторами в плечах балансной схемы, например, на основе ИС К174ПС1 или МИС-17. Важно также, что указанный смеситель является активным усиливает сигнал на 10-22 дБ. Усиленное в УПТ 6 напряжение U_см(t) поступает на управляющий вход гетеродина 7 в качестве напряжения фазовой АПЧ, подстраивая частоту гетеродина до значения частоты сигнала ЧМ с точностью до фазы.

Поскольку АЧХ УПТ 6 может иметь любую заданную полосу пропускания и крутизну спада, обеспечивается высокая избирательность приемника.

Синхронно-фазовый детектор (СФД), образованный смесителем 5, УПТ 6, гетеродином 7 с петлей ФАПЧ, обеспечивает практически неискаженное детектирование ВЧ- и СВЧ-сигналов с частотной модуляцией, когда напряжение с выхода УПТ 6 в качестве модулирующего (информационного) колебания подается на выход приемника.

Таким образом, в предлагаемом приемнике прямого преобразования достигаются потенциальные возможности синхронно-фазового детектирования ЧМ-сигналов:
1. по технологичности отсутствуют подстраиваемые катушки индуктивности промежуточной частоты;
2. по устойчивости приема за счет высокой чувствительности полоса удержания петли фазовой автоподстройки достаточна для устойчивого отслеживания частоты слабого сигнала (единицы микровольт) без перезахвата мощного сигнала соседнего канала. Высокая избирательность, определяемая крутизной спада частотной характеристики петли ФАПЧ и принципом отслеживания частоты сигнала с точностью до фазы, также делает прием устойчивым;
3. по качеству воспроизведения за счет отслеживания частоты сигнала с точностью до фазы. Высокая избирательность и АРУ по высокой частоте позволяют устранить прослушивания мешающих станций, перекрестные искажения и прямое детектирование мощных сигналов. Отсутствие детектора, применение балансного синхронного преобразователя частоты и АРУ по высокой частоте минимизируют нелинейные искажения, свойственные супергетеродинным приемникам. Балансная (симметричная) схема ослабляет фоновые помехи низкой и сетевой частоты.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение при создании высококачественных радиоприемных устройств частотно-модулированных сигналов вещательного и связного назначения. Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные входную цепь 1, согласующий усилитель 2, заградительный фильтр 3, регулируемый усилитель высокой частоты 4, смеситель 5, усилитель постоянного тока 6, гетеродин 7, а также включенные последовательно высокочастотный усилитель регулирующей цепи (цепи АРУ) 8, амплитудный детектор 9 и усилитель постоянного тока регулирующей цепи 10. При этом симметричный выход гетеродина 7 соединен с вторым симметричным входом смесителя 5, симметричный выход которого соединен с симметричным входом усилителя постоянного тока 6. Симметричный вход высокочастотного усилителя регулирующей цепи 8 подключен к точкам соединения симметричного выхода регулируемого усилителя высокой частоты 4 и первого симметричного входа смесителя 5. Выход усилителя постоянного тока регулирующей цепи 10 соединен с управляющим входом регулируемого усилителя высокой частоты 4. Выход усилителя постоянного тока 6 является выходом предлагаемого приемника, рассчитанным на подключение высококачественного усилителя звуковой частоты. Предложенный радиоприемник ЧМ-сигналов отличается технологичностью, устойчивым приемом и качественным воспроизведением. 2 ил.

Радиоприемник частотно-модулированных сигналов, содержащий последовательно соединенные входную цепь, согласующий усилитель, смеситель, усилитель постоянного тока и гетеродин, причем выход гетеродина подключен к второму входу смесителя, а выход усилителя постоянного тока является одновременно выходом приемника, отличающийся тем, что в него введены низкочастотный заградительный фильтр, регулируемый усилитель высокой частоты, а также соединенные последовательно высокочастотный усилитель регулирующей цепи, амплитудный детектор и усилитель постоянного тока регулирующей цепи, при этом согласующий усилитель подключен к первому входу смесителя через последовательно соединенные низкочастотный заградительный фильтр и регулируемый усилитель высокой частоты по сигнальному входу, выход регулируемого усилителя соединен также с входом высокочастотного усилителя регулирующей цепи, выход усилителя постоянного тока регулирующей цепи подключен к управляющему входу регулируемого усилителя высокой частоты, соответственно регулируемый усилитель высокой частоты выполнен по балансной схеме с симметричным выходом, смеситель выполнен по двойной балансной схеме с симметричными первым входом, вторым входом и выходом, усилитель постоянного тока и высокочастотный усилитель регулирующей цепи собраны по балансным схемам с симметричным входом, а гетеродин имеет симметричный выход и перестраивается по диапазону согласованно с перестройкой входной цепи и регулируемого усилителя высокой частоты.