Даже в современном мире радио остается эффективным способом приема и передачи информации, который позволяет миновать границы и лишних посредников. Простой и максимально надежный, сигнал радиостанций можно принять вне зависимости от наличия вышек сетей 5G в твоей местности. Как собрать свой приемник из россыпи микросхем и деталей, ты узнаешь из этого материала.
История приемников принципиально нового типа началась в 1901 году, когда Реджинальд Фессенден показал возможность приема сигнала на биениях. Суть революционного метода заключалась в том, что в приемник, помимо радиосигнала из антенны, подавался вспомогательный сигнал близкой частоты, в результате чего на выходе можно было обнаружить биения — сигнал с частотой, равной разности частот принимаемого сигнала и выхода вспомогательного генератора. Эти биения были слышны в телефонных аппаратах, причем, как показали несколько позднее, амплитуда этих биений оказалась заметно выше амплитуды полезного сигнала.
Вспомогательный генератор исследователь назвал «гетеродином» (от греческого ἕτερος — иной или внешний и δύναμις — сила), а сам приемник «гетеродинным». На тот момент это был новый способ детектирования, который позволял принимать телеграфный радиосигнал тоном на слух.
Здесь буквой O обозначен гетеродин, а сам приемник представлял собой две индуктивно связанные катушки на общем сердечнике. При этом сигнал биений заставлял колебаться металлическую мембрану D (надо полагать, диффузор). В общем, как ты понимаешь, все было сурово, вполне в духе того далекого времени. Позднее приемник модернизировали, повысив чувствительность.
Внимательное изучение схемы позволяет заметить здесь кристаллический диод — да, представь себе, эта штука была сделана уже в 1913 году! Однако большого успеха эта конструкция не снискала, так как в то время генератор вспомогательного сигнала был громоздкой, сложной и очень дорогой в изготовлении штукой. Тогда наибольшее распространение получили механические генераторы, а до изобретения первой радиолампы оставалось еще несколько лет.
Следующей итерацией стал гетеродинный приемник Генри Раунда, созданный в том же 1913 году. В этом устройстве генератор был уже на электронной лампе, которая выполняла сразу три функции: усиливала принимаемый сигнал, генерировала вспомогательный, а также работала в качестве микшера, перемножая сигналы. Из‑за такой обильной функциональности автор дал приемнику название «автодин», намекая, что генерация вспомогательного сигнала здесь происходит в приемно‑усилительных цепях.
К слову, похожее решение я использовал в статье о ламповом FM-приемнике.
А дальше случилась война, которая ярко показала, насколько радиосвязь полезна. Но требовались надежные, более чувствительные и селективные приемники, ведь к тому времени радиостанций стало заметно больше. У тогдашних радиоприемников было три серьезные проблемы: недостаточные чувствительность, что напрямую связано с дальностью связи, селективность, то есть способность выделить сигнал нужной радиостанции из нескольких принятых, и устойчивость к атмосферным помехам.
Изучая эти проблемы, три исследователя независимо друг от друга пришли к концептуально похожим решениям. Первым с незначительным отрывом был француз Люсьен Леви, который предположил, что если в приемнике преобразовывать сигнал принимаемой станции не сразу в звуковую частоту, а в некоторую промежуточную частоту (выше слышимой), то на этой промежуточной частоте будет проще избавиться от атмосферных помех, после же ее можно преобразовать в слышимую (звуковую).
Такое решение требует введения в конструкцию приемника дополнительного гетеродина. В результате получился прибор, говоря современным языком, с двойным преобразованием частоты. Леви назвал свой приемник «супергетеродинным», то есть содержащим дополнительный гетеродин. Вероятно, именно это и объясняет происхождение столь замысловатого названия.
Впрочем, существует и другая версия, которая предполагает, что приставка «супер» перекочевала от промежуточной частоты, которая была выше слышимой, или, как было принято писать в то время, supersonic (ультразвук). В любом случае надо понимать, что супергетеродинный прием подразумевает наличие промежуточной частоты.
Здесь H1 и H2 — точки подключения первого и второго гетеродина. Несколько с другой стороны к проблеме подступились независимо друг от друга Эдвин Армстронг и Вальтер Шоттки. Их больше занимала идея увеличения чувствительности, для чего требовался усилитель на радиолампах. Однако надо понимать, что радиолампы в 1918 году были несовершенными и капризными устройствами и построить усилитель с большим коэффициентом, способный работать на частотах КВ‑диапазона (2–30 МГц), было просто невозможно.
Для решения этой проблемы исследователи предложили преобразовать полезный сигнал высокой частоты в промежуточную (на которой лампы могли эффективно работать) и уже на этой частоте усилить сигнал, что технологии того времени вполне позволяли. Более того, авторы указывали, что такое преобразование можно выполнять в несколько этапов, что повысит устойчивость работы усилителя.
И если изыскания немца Шоттки носили теоретический характер, то инженер Армстронг в Америке уже в 1918 году построил работающий прототип своего супергетеродина на восьми лампах (на самом деле безумное количество для того времени). Выглядело это как‑то так.
Тем не менее тогда супергетеродины не нашли широкого применения, и причиной тому была в первую очередь высокая цена. В то время как раз появились регенеративные приемники, которые хоть и уступали супергетеродинам по своим характеристикам, но зато позволяли построить приемлемого качества приемник, используя всего одну или две лампы. Любопытно, что регенеративный приемник был изобретен также Армстронгом и, что характерно, принес ему гораздо больший доход и известность.
По‑настоящему эпоха супергетеродинных приемников началась лишь в 1930-х годах, когда лампы стали гораздо доступнее и истек срок соответствующих патентов. В итоге к концу Второй мировой войны супергетеродины практически вытеснили все остальные типы приемников. В настоящее время супергетеродинные приемники считаются стандартом. Основное же преимущество супергетеродина заключается в том, что выбрать принимаемый сигнал можно перестройкой самого гетеродина.
При этом промежуточная частота остается постоянной, так что можно применить высокоэффективные кварцевые фильтры в усилителе промежуточной частоты. Это позволяет легко получить желаемую избирательность по соседнему каналу.
Среди всех характеристик любого приемника полезно выделять ряд ключевых: чувствительность, избирательность и полоса пропускания. Чувствительность — это минимальный уровень радиосигнала в микровольтах, позволяющий получить на выходе сигнал с заданным соотношением сигнал/шум. Или, говоря проще, это минимальный уровень сигнала, при котором станцию еще можно услышать. Хорошие современные приемники имеют чувствительность около 1 мкВ.
Избирательность по соседнему каналу характеризует способность приемника выделять нужный сигнал при наличии близко расположенных мешающих сигналов, измеряется в децибелах. Допустим, есть две станции равной мощности, отстоящие друг от друга на 10 кГц (типичная ширина канала на вещательных КВ‑диапазонах). Избирательность будет показывать, насколько слабее будет приниматься сигнал соседней станции при настройке на желаемую.
Наконец, полоса пропускания — это параметр, тесно связанный с избирательностью, который показывает отклонение частоты сигнала от частоты настройки, когда сигнал ослабевает на 3 дБ (это примерно 0,7 для напряжения и 0,5 для мощности).
Конечно, сейчас сборка собственного радиоприемника лишена экономической целесообразности. Более того, с развитием интернета радиовещание сегодня уже потеряло былую актуальность. Даже FM-диапазон заметно поредел, не говоря уже о коротких волнах. И все же радиоприем на коротких волнах, как сейчас принято выражаться, дает ощущение «теплой ламповости». Более того, сама идея «свободно» передавать информацию, минуя границы и посредников, до сих пор выглядит весьма злободневно.
Так, фактически не вставая со стула, можно пробежаться если не по всему миру, то как минимум по своему материку: тысячи километров для коротких волн совершенно не проблема, даже в крупных городах, где радиоэфир сильно зашумлен. Находясь в Москве, можно без труда услышать Китай, Индию, Катар и другие страны. Существует даже такое явление, как DXing — «охота» на дальние радиостанции, своего рода состязание. Приняв радиостанцию и отправив соответствующий ответ, можно получить карточку QSL с эмблемой радиостанции.
В интернете на некоторых форумах есть отдельные темы, посвященные таким карточкам. Как пишут участники, китайцы охотно отправляют карточки. Впрочем, лично меня больше интересует само создание и настройка приемника. Дальше я расскажу об относительно несложном приемнике с цифровой шкалой и кварцевой стабилизацией частоты, вполне пригодном для приема сигнала с дальних станций.
Разумеется, для приема на коротких волнах можно использовать гораздо более простые решения. Например, регенеративные приемники, наиболее известен из которых, пожалуй, «Могиканин» MFJ-8100. Его можно приобрести готовым (долларов за сто на популярных онлайновых площадках) или в виде набора для сборки, а можно и вовсе собрать самому — благо схема открыта. Но регенератор — это скорее «для баловства», так как, прослушивая станцию, постоянно придется подстраивать регенерацию и аттенюатор. Это происходит из‑за того, что КВ‑сигнал практически постоянно меняет свою интенсивность в широких пределах. Связано это с атмосферными явлениями, влияющими на прохождение. И этого как раз регенератор очень не любит.
Итак, суть работы гетеродинов в таком приемнике заключается в том, что входной «высокочастотный» сигнал преобразуется в промежуточную частоту (мы будем использовать 455 кГц), на которой будет выполняться основная селекция и усиление сигнала. Далее следует детектор, выделяющий сигнал звуковой частоты, и усилитель, необходимый для громкоговорящего приема. Рассмотрим структурную схему супергетеродина.
За основу была взята конструкция, которую я уже использовал в SDR-приемнике, однако в данном случае я посчитал, что использование микроконтроллера STM32F103 избыточно, и портировал некоторые куски кода на STM32F030. Последний слабее по характеристикам, но несколько дешевле и, кроме того, доступен в более удобном для самоделок корпусе LQFP32. Это один из немногих МК c ядром Cortex-M и шагом между контактами 0,8 мм. Впрочем, у SI5351 шаг все равно 0,5 мм, поэтому полностью избавиться от мелочовки в проекте не выйдет.
Я добавил в схему стабилизатор питания и операционный усилитель для отображения уровня принимаемого сигнала. ОУ работает в режиме повторителя, а на его выходе стоит делитель напряжения, что позволяет измерять напряжение управляющего сигнала АРУ (изменяется в диапазоне от 0,5 до 4,7 В). Так как управляющее напряжение АРУ близко к напряжению питания, то применен rail-to-rail операционный усилитель MV358. Его здесь можно заменить на более распространенный LM358, но тогда верхний предел измеряемого напряжения снизится до 4 В (при питании 5 В).
Также в схеме заложена возможность управлять варикапами для автонастройки входных цепей, однако подходящих варикапов я не нашел, поэтому такую функцию не реализовал. Схема синтезатора представлена на рисунке.
Материалы из последних выпусков становятся доступны по отдельности только через два месяца после публикации. Чтобы продолжить чтение, необходимо стать участником сообщества «Xakep.ru».
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее
-30%
1 год7690 рублей 5380 р. |
1 месяц720 р. |
Я уже участник «Xakep.ru»
Читайте также
Последние новости