Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Radioempfang

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Zum Empfang von Telegrafen- und Einseitenbandsignalen verwenden Kurzwellenfunkamateure in den letzten Jahren häufig sogenannte Direktumwandlungsempfänger. Im Gegensatz zu Superheterodynen verfügen sie nicht über einen ZF-Pfad oder Detektor – es gibt nur einen Frequenzwandler, der das Spektrum des empfangenen Hochfrequenzsignals direkt in den Audiofrequenzbereich überträgt (d. h. die Filterung und Hauptsignalverstärkung erfolgt bei niedrigen Frequenzen). Frequenzen). Dadurch erweist sich ein Direktumwandlungsempfänger als viel einfacher als ein Superheterodyn-Empfänger, sowohl in der Herstellung als auch in der Einrichtung. Die hohe Empfindlichkeit und Selektivität von Superheterodynen lässt sich leicht mit modernen rauscharmen Transistoren erzielen (der von ihnen erzeugte Rauschpegel kann bezogen auf den Eingang eines Niederfrequenzverstärkers 0,1 bis 0,2 μV betragen) und ist recht einfach, aber effektiv Tiefpassfilter (LPF). Hinzu kommt die „natürliche“ Selektivität des menschlichen Gehörs, Telefone (Lautsprecher), deren Empfindlichkeit mit zunehmender Frequenz abnimmt. Die genannten Vorteile von Direktumwandlungsempfängern ziehen zunehmend die Aufmerksamkeit der Entwickler von Rundfunkgeräten auf sich.

Ein herkömmlicher Direktumwandlungsempfänger kann jedoch keine AM- und FM-Signale demodulieren. Tatsache ist, dass sein Mischer die empfangenen Schwingungen nicht erkennt, sondern deren Frequenz umwandelt. Daher ist beim Einstellen beispielsweise auf die Frequenz eines von AM sendenden Radiosenders zunächst ein Pfiff zu hören (Trägerschläge mit Schwingungen des Lokaloszillators), dessen Ton mit der Differenz zwischen den Frequenzen des Signals und der Lokalfrequenz abnimmt Oszillator nimmt ab. Unter diesen Bedingungen ist es nahezu unmöglich, das Getriebe zu zerlegen. Bei genauerer Abstimmung wird der Schwebungston mit der Frequenz F sehr leise, unhörbar, die Übertragung wird jedoch von periodischen Lautstärkeänderungen mit der Frequenz 2F begleitet. Dies geschieht, weil sich die Phase der Oszillatorschwingungen relativ zur Phase des empfangenen Signals kontinuierlich ändert. Bei Phasenübereinstimmung ist die Übertragungslautstärke normal, bei einer Differenz von 90° oder 270° sinkt sie auf Null, bei einer Verschiebung um 180° erscheint das Signal wieder, allerdings mit umgekehrter Polarität. Hier geht es um die Schwebungen der beiden Seitenbänder des AM-Signals, die nach der Umwandlung in Audiofrequenz am Ausgang des Mischers entweder addiert oder subtrahiert werden.

Bei der Frequenzmodulation ändert sich die Signalfrequenz im Takt der Schallschwingungen im Bereich von fс-Δf bis fс+Δf (fс – Trägerfrequenz, Δf – Senderfrequenzabweichung). Die Schwebungsfrequenz F am Ausgang des Direktumwandlungs-Empfängermischers bleibt in diesem Fall auch bei Feinabstimmung nicht konstant – sie variiert von 0 bis Δf. - Daher ist eine Demontage des Getriebes grundsätzlich nicht möglich.

Eine gute Empfangsqualität von AM- und FM-Signalen wird durch die Synchronisierung der Schwingung des Lokaloszillators mit der Trägerfrequenz des Signals erreicht, was auf verschiedene Arten erfolgen kann. Der einfachste Weg besteht darin, das Phänomen der Erfassung von Schwingungen des lokalen Oszillators des Signalträgers zu nutzen. Dazu wird ein Teil der Signalspannung vom Eingangskreis bzw. vom Ausgang des HF-Verstärkers in den Lokaloszillatorkreis eingespeist. Das Fangband wird durch die Formel 2Δfз=fcUc/QUг bestimmt (fс ist die Signalfrequenz, die mit der Lokaloszillatorfrequenz zusammenfällt, Uc ist die Eingangssignalspannung, Q ist der Qualitätsfaktor der Lokaloszillatorschaltung, Uг ist die Spannung darüber ). Sie sollte (durch Anpassen der in den Stromkreis eingespeisten Signalspannung) auf das für eine zuverlässige Synchronisierung erforderliche Minimum (ca. 200...400 Hz) eingestellt werden. Dies verbessert die Störfestigkeit des Empfängers, indem die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Störungen durch die Synchronisationsschaltung gelangen. Bei einem Schaltungsgütefaktor von Q = 35, einer Spannung Ug = 0,1 V und einem Fangband von 2Δfз = 400 Hz beträgt die Synchronisationsspannung im CB-Bereich (bei einer Frequenz von 1400 kHz) etwa 1 mV, im KB-Bereich ( 14 MHz) - etwa 100 μV.

Komplexere und fortschrittlichere Synchronempfänger enthalten einen Phasenregelkreis (PLL). Die Artikel [1,2] waren der Beschreibung solcher Empfänger gewidmet.

Es gibt andere Methoden zum Empfang modulierter Signale mit einem Direktumwandlungsempfänger. Sie wurden vor langer Zeit vorgeschlagen, haben sich aber wahrscheinlich aufgrund ihrer mangelnden Popularität noch nicht durchgesetzt. Der Zweck dieses Artikels besteht darin, die Aufmerksamkeit öffentlicher Laborbegeisterter auf asynchrone Empfänger zu lenken, um das Problem ihrer Verwendung in der Amateurfunkkommunikation und für den Rundfunkempfang praktisch zu lösen.

Der einfachste Weg, AM-Schwingungen in einem Empfänger mit Direktumwandlung zu erkennen, besteht darin, ihn um 2 bis 3 kHz relativ zum Träger zu verstimmen und am Ausgang einen Vollwellendetektor einzuschalten, wie in Abb. 1. Hier ist U1 ein Mischer, G1 ein Lokaloszillator, Z1 ein Tiefpassfilter und A1 ein Tiefpassverstärker. An dessen Ausgang entsteht ein Schwebungssignal der Frequenz 2...3 kHz. amplitudenmoduliert durch die übertragenen Informationen. Über den Isolationskondensator C1 wird dieses Signal dem Detektor (V1 - V4) zugeführt. An seinem Ausgang wird eine mit der doppelten Schwebungsfrequenz pulsierende Spannung abgegeben, deren Hüllkurve sich entsprechend dem Modulationsgesetz des Empfangssignals ändert. Dadurch ist im Kopfhörer, etwas abgeschwächt durch den Sperrkondensator C4, sowohl eine Funkübertragung als auch ein Dauerpfiff mit doppelter Schwebungsfrequenz (6...2 kHz) zu hören. Sie können diese Störungen beseitigen, indem Sie zwischen dem Detektorausgang und den Kopfhörern einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 3 kHz anschließen.

Fig. 1

Der Empfänger gemäß der betrachteten Funktionsschaltung (im Wesentlichen ein Superheterodyn mit einer sehr niedrigen – gleich der Schwebungsfrequenz – ZF) ist für Experimente geeignet, jedoch nicht für den Rundfunkempfang geeignet, da aufgrund der großen Verstimmung, die nicht kleiner sein kann als 1,6 kHz, die Bandbreite der Pfadübertragung stimmt nicht mit dem Signalspektrum überein, was die Störfestigkeit verschlechtert und zu Verzerrungen führt. Die Aufgabe, AM-Signale zu empfangen, ist, wie jetzt klar ist, ... Um die Hüllkurve bei einer sehr niedrigen „Träger“-Frequenz hervorzuheben, die im Audiobereich liegt, müssen deren Vibrationen unterdrückt werden. Dies ist in einem Empfänger mit zwei sogenannten Quadratur-NF-Kanälen möglich, deren Signale um 90° phasenverschoben sind. In diesem Fall werden nach der Vollwellenerkennung von Quadratursignalen die gleichen pulsierenden (auch mit doppelter Frequenz) Spannungen erhalten, aber die Pulsationen selbst sind gegenphasig (bei einer Verdoppelung der Frequenz verdoppelt sich auch die Phasenverschiebung), und sie kann durch einfaches Summieren der erkannten Signale eliminiert werden.

Das Blockschaltbild eines solchen AM-Signalempfängers ist in Abb. dargestellt. 2 [3]. Es enthält zwei Mischer – U1 und U2. Über einen Hochfrequenz-Phasenschieber U1 wird ihnen die Lokaloszillatorspannung G3 zugeführt, wodurch eine Phasenverschiebung von 90° entsteht. Jeder Empfängerkanal verfügt über einen Tiefpassfilter (Z1 und Z2), einen Tiefpassverstärker (A1 und A2) und einen Vollwellendetektor – Quadratrator (ein im quadratischen Detektionsmodus arbeitender Vollwellendetektor führt die Quadrierungsoperation durch, die daher auch Quadrator genannt) U4 und U5. Signale von den Ausgängen der Detektoren gelangen in das Summiergerät U6.

Fig. 2

Der Empfängerteil, bestehend aus den Detektoren U4, U5 und dem Addierer U6, kann nach der in Abb. gezeigten Schaltung hergestellt werden. 3. Balancieren Sie die Detektoren (unterdrücken Sie Schwebungen mit der Frequenz F = fc-fg) mithilfe der Trimmwiderstände R1 und R2. Die erkannten Signale werden der Primärwicklung des Transformators T1 zugeführt, der bei Bedarf durch einen Operationsverstärker ersetzt werden kann.

Fig. 3

Der Grad der Signalunterdrückung bei der 2F-Frequenz hängt vom Kanalausgleich und dem Fehler bei der Einstellung der Phasenverschiebung ab. Bei einem Verstärkungsungleichgewicht in den Kanälen von +-1 % und einem Fehler bei der Einstellung der Phasenverschiebung von +-1° erreicht er 40 dB. Eine solche Unterdrückung reicht für den Funkverkehr und den Rundfunkempfang bei schwachen Signalen oder Störungen aus. Für einen qualitativ hochwertigen Empfang muss sie mindestens 60 dB betragen, was natürlich eine Reduzierung des Einstellfehlers um eine Größenordnung erfordert.

Die einfachste Methode zum Empfang von FM-Signalen unterscheidet sich im Wesentlichen nicht von der für AM-Signale beschriebenen (siehe Abb. 1). Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Kapazität des Isolationskondensators C1 in diesem Fall klein sein sollte (um eine Signaldifferenzierung vor der Erkennung sicherzustellen). Unter dieser Bedingung ist die erfasste Spannung proportional zur Schwebungsfrequenz zwischen dem empfangenen Signal und den Schwingungen des Lokaloszillators. Eine ähnliche Methode zum Empfang von FM-Signalen wird in bekannten Geräten mit niedriger ZF und einem nach dem Prinzip eines Impulszählers |4| arbeitenden Detektor verwendet Der Nachteil dieser Methode ist das Vorhandensein eines niederfrequenten Spiegelkanals, der die Empfängerbandbreite doppelt so stark erweitert wie erforderlich.

Ein asynchroner Empfänger von FM-Signalen mit Quadraturkanälen [5] enthält den gleichen Eingangsteil wie das Gerät zum Empfang von AM-Schwingungen, jedoch werden die Signale von den Ausgängen der NF-Verstärker A1 und A2 einem Verarbeitungsgerät zugeführt, dessen Blockschaltbild ist in Abb. dargestellt. 4. Es besteht aus den Differenzierschaltungen U7 und U8, den Multiplizierern U9, U10 und dem Subtrahierer A3 (die Nummerierung der Schaltungselemente setzt das fort, was in Abb. 2 begonnen wurde). Der Durchlassbereich der Filter Z1, Z2 wird in diesem Fall entsprechend der maximalen Abweichung Δfmax des FM-Signals (50 kHz im Rundfunk und 6...12 kHz im Rundfunk) oder etwas größer gewählt. Die Zeitkonstante der Differenzierschaltungen wird nach den gleichen Überlegungen gewählt: RC=(0,5...0,7)/ 2πΔfmax. Als Multiplizierer können Ringdiodenmischer oder integrierte Schaltkreise und als Subtrahierer ein Differenzverstärker eingesetzt werden.

Fig. 4

Betrachten wir die Funktionsweise des Empfängers. Nehmen wir an, dass Signal S2 dem Signal S1 um 90° nacheilt. In diesem Fall ist das differenzierte Signal S'2 in Phase mit dem Signal S1 und seine Amplitude ist proportional zur Frequenz F. Am Ausgang des Multiplizierers U10 erscheint eine positive Spannung proportional zu dieser Frequenz und ihren zweiten Harmonischen. Ähnliche Vorgänge finden im Multiplizierer U9 statt, da jedoch das differenzierte Signal und das S2-Signal phasenverschoben sind, erscheint an seinem Ausgang eine Spannung negativer Polarität. Im Subtrahiergerät A3 heben sich die zweiten Harmonischen gegenseitig auf. Durch die Änderung des Vorzeichens der Verstimmung der Signalfrequenz relativ zur Schwingungsfrequenz des Lokaloszillators ändert sich die Phase des Signals S2 um 180° bei fc>f, die Phase des Signals S2 ist gleich -90° (im Mischer). U2 werden die Frequenz und die Phase der Schwingungen des Lokaloszillators von der Frequenz bzw. Phase des Signals subtrahiert) und bei fc

Die Diskriminierungskurve des Empfängers (Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Verstimmung) ist in Abb. dargestellt. 5. Sein „Nullpunkt“ entspricht der Feinabstimmung des Lokaloszillators auf die Signalträgerfrequenz. Eine gute Unterdrückung von Schwebungen mit der Frequenz F und deren Oberwellen ist im betrachteten Empfänger einfacher zu gewährleisten, da Störungen nur bei F hörbar sind

Fig. 5

Asynchrone Direktwandlungsempfänger mit Quadraturkanälen haben gegenüber Superheterodynen bestimmte Vorteile. In ihnen lässt sich beispielsweise leicht eine hohe Selektivität erreichen – ein Effekt, der dem Einsatz von Dreikreis-FSS im ZF-Pfad eines Superheterodyns entspricht, wird durch ein einfaches U-förmiges Tiefpassfilter bestehend aus einer Spule und zwei Kondensatoren erzielt. Wenn Sie zur Filterung aktive RC-Filter verwenden, kann die Anzahl der Spulen im Empfänger in der Regel auf ein Minimum reduziert werden. Der Hauptvorteil solcher Empfänger besteht darin, dass die gesamte Verstärkung und Signalverarbeitung bei niedrigen Frequenzen erfolgt, wodurch integrierte Schaltkreise weit verbreitet eingesetzt werden können, ohne dass besondere Maßnahmen zur Abschirmung und Entkopplung von Kaskaden erforderlich sind. Zu den Nachteilen gehören eine gewisse Komplexität der Schaltkreise (in stereophonen Systemen verdoppelt sich jedoch die Komplexität des Pfads!) und möglicherweise eine etwas schlechtere Empfangsqualität als bei herkömmlichen Methoden, wenn die Kanäle nicht sorgfältig ausbalanciert sind.

Abschließend ist es interessant festzustellen, dass das Hinzufügen eines Geräts zum AM-Signalempfänger (Abb. 2), das gemäß dem Blockdiagramm in Abb. 4 verwandelt es in ein Gerät zum Empfang von Signalen sowohl von AM als auch FM, und die Einführung eines zusätzlichen Niederfrequenz-Phasenschiebers macht es zu einem Einseitenbandempfänger [6].

Literatur

1. Lyubarsky S. Synchroner AM-Detektor. - Radio. 1979, M 10. p. 31.
2. Polyakov V. FM-Detektor mit PLL-Direktumwandlungsempfänger - Radio, 1978, Nr. 11, S. 41.
3. US-Patent: Klasse 329.50, Nr. 3792364 vom 12.02. Februar. 1974
4. Terentiev R. Transistor-UKW-Einheit. - Radio. 1971, Nr. 2, p. 47.
5. UK-Patent: Klasse H3A. Nr. 1173977 vom 23.11.1966
6. US-Patent: Klasse 329.50, Nr. 2943193 vom 13.06.1960

Autor: V.Polyakov, Moskau

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