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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Ricevitori per la conversione diretta dei segnali AM e FM. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / ricezione radiofonica Per ricevere segnali telegrafici e a banda laterale singola, i radioamatori a onde corte negli ultimi anni utilizzano spesso i cosiddetti ricevitori a conversione diretta. A differenza delle supereterodine, non hanno un percorso IF o un rilevatore: c'è solo un convertitore di frequenza che trasferisce lo spettro del segnale ad alta frequenza ricevuto direttamente nella regione della frequenza audio (in altre parole, il filtraggio e l'amplificazione del segnale principale avvengono a basse frequenze frequenze). Grazie a ciò un ricevitore a conversione diretta risulta essere molto più semplice di uno supereterodina, sia nella realizzazione che nella messa a punto. L'elevata sensibilità e selettività caratteristica delle supereterodine si ottiene facilmente utilizzando moderni transistor a basso rumore (il livello di rumore da essi creato, riferito all'ingresso di un amplificatore a bassa frequenza, può essere 0,1...0,2 μV) e abbastanza semplici ma efficaci filtri passa-basso (LPF). A ciò si aggiunge la selettività “naturale” dell'udito umano, dei telefoni (altoparlanti), la cui sensibilità diminuisce con l'aumentare della frequenza. I vantaggi indicati dei ricevitori a conversione diretta attirano sempre più l'attenzione dei progettisti di apparecchiature di trasmissione. Tuttavia, un ricevitore a conversione diretta convenzionale non può demodulare i segnali AM e FM. Il fatto è che il suo mixer non rileva le oscillazioni ricevute, ma ne converte la frequenza. Pertanto, sintonizzandosi, ad esempio, sulla frequenza di una stazione radio che trasmette dall'AM, si sente inizialmente un fischio (battiti della portante con oscillazioni dell'oscillatore locale), il cui tono diminuisce man mano che la differenza tra le frequenze del segnale e quella locale l'oscillatore diminuisce. È quasi impossibile smontare la trasmissione in queste condizioni. Con un'accordatura più precisa, il tono del battito con frequenza F diventa molto basso, impercettibile, ma la trasmissione è accompagnata da cambiamenti periodici di volume con frequenza 2F. Ciò accade perché la fase delle oscillazioni dell'oscillatore locale cambia continuamente rispetto alla fase del segnale ricevuto. Quando le fasi coincidono il volume di trasmissione è normale, quando la loro differenza è di 90° o 270° scende a zero, quando sfasato di 180° il segnale ricompare, ma la sua polarità è invertita. Il punto qui sono i battiti delle due bande laterali del segnale AM, che, convertite in frequenza audio, vengono aggiunte o sottratte all'uscita del mixer. Con la modulazione di frequenza, la frequenza del segnale cambia nel tempo con vibrazioni sonore che vanno da fс-Δf a fс+Δf (fс - frequenza portante, Δf - deviazione della frequenza del trasmettitore). La frequenza di battimento F all'uscita del mixer del ricevitore a conversione diretta in questo caso, anche con la sintonizzazione fine, non rimane costante, varia da 0 a Δf. - pertanto è generalmente impossibile smontare la trasmissione. Una buona qualità di ricezione dei segnali AM e FM si ottiene sincronizzando l'oscillazione dell'oscillatore locale con la frequenza portante del segnale, cosa che può essere effettuata in diversi modi. Il modo più semplice è utilizzare il fenomeno di cattura delle oscillazioni dell'oscillatore locale della portante del segnale. Per fare ciò, parte della tensione del segnale proveniente dal circuito di ingresso o dall'uscita dell'amplificatore RF viene introdotta nel circuito dell'oscillatore locale. La banda di cattura è determinata dalla formula 2Δfз=fcUc/QUг (fс è la frequenza del segnale che coincide con la frequenza dell'oscillatore locale, Uc è la tensione del segnale di ingresso, Q è il fattore di qualità del circuito dell'oscillatore locale, Uг è la tensione ai suoi capi ). Dovrebbe essere impostato (regolando la tensione del segnale introdotto nel circuito) al minimo richiesto per una sincronizzazione affidabile (circa 200...400 Hz). Ciò migliora l'immunità al rumore del ricevitore riducendo la probabilità che le interferenze passino attraverso il circuito di sincronizzazione. Con un fattore di qualità del circuito Q = 35, tensione Ug = 0,1 V e una banda di cattura di 2Δfз = 400 Hz, la tensione di sincronizzazione nella gamma CB (a una frequenza di 1400 kHz) è di circa 1 mV, nella gamma KB ( 14 MHz) - circa 100 μV. I ricevitori sincroni più complessi e avanzati contengono un anello ad aggancio di fase (PLL). Gli articoli [1,2] erano dedicati alla descrizione di tali ricevitori. Esistono altri metodi per ricevere segnali modulati utilizzando un ricevitore a conversione diretta: sono stati proposti molto tempo fa, ma probabilmente, a causa della loro scarsa popolarità, non si sono ancora diffusi. Lo scopo di questo articolo è attirare l'attenzione degli appassionati di laboratori pubblici sui ricevitori asincroni per risolvere praticamente il problema del loro utilizzo nelle comunicazioni radioamatoriali e per la ricezione delle trasmissioni. Il modo più semplice per rilevare le oscillazioni AM in un ricevitore a conversione diretta è dissintonizzarlo a 2...3 kHz rispetto alla portante e accendere un rilevatore di onda intera in uscita, come mostrato in Fig. 1. Qui U1 è un mixer, G1 è un oscillatore locale, Z1 è un filtro passa basso, A1 è un amplificatore passa basso. All'uscita di quest'ultimo si forma un segnale di battimento con frequenza 2...3 kHz. modulata in ampiezza dall'informazione trasmessa. Attraverso il condensatore di isolamento C1, questo segnale viene fornito al rilevatore (V1 - V4). Alla sua uscita viene rilasciata una tensione pulsante con una frequenza doppia di battimento, il cui inviluppo cambia secondo la legge di modulazione del segnale ricevuto. Di conseguenza nelle cuffie si sente sia una trasmissione radio che un fischio continuo con una frequenza di battimento raddoppiata (4...6 kHz), leggermente indebolita dal condensatore di blocco C2. È possibile eliminare questa interferenza collegando un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di circa 3 kHz tra l'uscita del rilevatore e le cuffie.
Il ricevitore secondo il circuito funzionale considerato (essenzialmente una supereterodina con una frequenza IF molto bassa - uguale alla frequenza di battimento) è adatto per esperimenti, ma non è adatto per la ricezione televisiva, poiché a causa della grande disarmonia, che non può essere inferiore a 1,6 kHz, la larghezza di banda. Il percorso di trasmissione non coincide con lo spettro del segnale e ciò peggiora l'immunità al rumore e porta alla distorsione. Il compito di ricevere i segnali AM, come è ormai chiaro, è... evidenziare l'inviluppo ad una frequenza “portante” molto bassa, situata nella gamma audio, e le vibrazioni di quest'ultima devono essere soppresse. Ciò è possibile in un ricevitore con due cosiddetti canali LF in quadratura, i cui segnali sono sfasati di 90°. In questo caso, dopo il rilevamento dell'onda intera dei segnali in quadratura, si otterranno le stesse tensioni pulsanti (anche a doppia frequenza), ma le pulsazioni stesse saranno controfase (al raddoppio della frequenza raddoppia anche lo sfasamento), e saranno può essere eliminato semplicemente sommando i segnali rilevati. Lo schema a blocchi di un tale ricevitore di segnali AM è mostrato in Fig. 2 [3]. Contiene due mixer: U1 e U2. La tensione dell'oscillatore locale G1 viene loro fornita attraverso uno sfasatore ad alta frequenza U3, creando uno sfasamento di 90°. Ciascun canale del ricevitore ha un filtro passa-basso (Z1 e Z2), un amplificatore passa-basso (A1 e A2) e un rilevatore di onda intera - quadrator (un rilevatore di onda intera che opera in modalità di rilevamento quadratico esegue l'operazione di quadratura, che per questo è chiamato anche quadratore) U4 e U5. I segnali dalle uscite dei rilevatori entrano nel dispositivo sommatore U6.
La parte ricevente, costituita dai rivelatori U4, U5 e dal sommatore U6, può essere realizzata secondo il circuito mostrato in Fig. 3. Bilanciare i rilevatori (sopprimendo i battiti con frequenza F = fc-fg) utilizzando i resistori di regolazione R1 e R2. I segnali rilevati vengono aggiunti all'avvolgimento primario del trasformatore T1, che se lo si desidera può essere sostituito da un amplificatore operazionale.
Il grado di soppressione del segnale alla frequenza 2F dipende dal bilanciamento del canale e dall'errore nell'impostazione dello sfasamento. Con uno squilibrio di guadagno nei canali di +-1% ed un errore nell'impostazione dello sfasamento di +-1° si arriva a 40 dB. Tale soppressione è sufficiente per le comunicazioni radio e la ricezione di trasmissioni in condizioni di segnali deboli o interferenze. Per una ricezione di alta qualità, deve essere di almeno 60 dB, il che, naturalmente, richiede una riduzione dell'errore di regolazione di un ordine di grandezza. Il metodo più semplice per ricevere i segnali FM non è sostanzialmente diverso da quello descritto per i segnali AM (vedi Fig. 1). L'unica differenza è che la capacità del condensatore di isolamento C1 in questo caso dovrebbe essere piccola (per garantire la differenziazione del segnale prima del rilevamento). In questa condizione, la tensione rilevata sarà proporzionale alla frequenza di battimento tra il segnale ricevuto e le oscillazioni dell'oscillatore locale. Un metodo simile per ricevere segnali FM viene utilizzato nei dispositivi noti con IF bassa e un rilevatore che funziona secondo il principio del contatore di impulsi |4| Lo svantaggio di questo metodo è la presenza di un canale mirror a bassa frequenza, che espande la larghezza di banda del ricevitore due volte quanto richiesto. Un ricevitore asincrono di segnali FM con canali in quadratura [5] contiene la stessa parte di ingresso del dispositivo per ricevere le oscillazioni AM, ma i segnali dalle uscite degli amplificatori LF A1 e A2 vengono inviati a un dispositivo di elaborazione, il cui schema a blocchi è mostrato in Fig. 4. È costituito dai circuiti differenziatori U7 e U8, dai moltiplicatori U9, U10 e dal dispositivo sottrattore A3 (la numerazione degli elementi circuitali continua quanto iniziato in Fig. 2). La banda passante dei filtri Z1, Z2 viene presa in questo caso corrispondente alla deviazione massima Δfmax del segnale FM (50 kHz nelle trasmissioni radiofoniche e 6...12 kHz nelle comunicazioni radio) o leggermente maggiore. La costante di tempo dei circuiti differenziatori viene scelta in base alle stesse considerazioni: RC=(0,5....0,7)/ 2πΔfmax. Miscelatori con diodi ad anello o circuiti integrati possono essere utilizzati come moltiplicatori e un amplificatore differenziale può essere utilizzato come dispositivo di sottrazione.
Consideriamo il funzionamento del ricevitore. Supponiamo che il segnale S2 ritardi il segnale S1 di 90°. In questo caso, il segnale differenziato S'2 è in fase con il segnale S1, e la sua ampiezza è proporzionale alla frequenza F. All'uscita del moltiplicatore U10 appare una tensione positiva proporzionale a questa frequenza e alle sue seconde armoniche. Processi simili si verificano nel moltiplicatore U9, ma poiché il segnale differenziato e il segnale S2 sono sfasati, alla sua uscita appare una tensione di polarità negativa. Nel dispositivo sottrattore A3 le seconde armoniche si annullano a vicenda. Cambiando il segno della stonatura della frequenza del segnale rispetto alla frequenza di oscillazione dell'oscillatore locale si cambia la fase del segnale S2 di 180° a fc>f, la fase del segnale S2 è pari a -90° (nel mixer U2 alla frequenza e alla fase del segnale vengono sottratte rispettivamente la frequenza e la fase delle oscillazioni dell'oscillatore locale) e a fc La curva di discriminazione del ricevitore (dipendenza della tensione di uscita dalla dissintonizzazione) è mostrata in Fig. 5. Il suo "zero" corrisponde alla sintonia fine dell'oscillatore locale sulla frequenza della portante del segnale. È più facile garantire una buona soppressione dei battiti con la frequenza F e le sue armoniche nel ricevitore in questione, poiché l'interferenza può essere udita solo su F
I ricevitori asincroni a conversione diretta con canali in quadratura presentano alcuni vantaggi rispetto alle supereterodine. In essi, ad esempio, si ottiene facilmente un'elevata selettività: un effetto equivalente all'uso di tre circuiti FSS nel percorso IF di una supereterodina è fornito da un semplice filtro passa-basso a forma di U costituito da una bobina e due condensatori. Se per il filtraggio si utilizzano filtri RC attivi, in genere è possibile ridurre al minimo il numero di bobine nel ricevitore. Il vantaggio principale di tali ricevitori è che tutta l'amplificazione e tutta l'elaborazione del segnale avviene a basse frequenze, dove i circuiti integrati possono essere ampiamente utilizzati senza adottare misure speciali per la schermatura e il disaccoppiamento delle cascate. Gli svantaggi includono una certa complessità dei circuiti (che però vanno a raddoppiare la complessità del percorso negli impianti stereofonici!) e, forse, una qualità di ricezione leggermente peggiore rispetto ai metodi tradizionali se i canali non sono attentamente bilanciati. In conclusione è interessante notare che aggiungendo al ricevitore del segnale AM (Fig. 2) un dispositivo realizzato secondo lo schema a blocchi di Fig. 4, lo trasforma in un dispositivo per ricevere segnali sia da AM che da FM, e l'introduzione di un ulteriore sfasatore a bassa frequenza lo trasforma in un ricevitore a banda laterale singola [6]. Letteratura
Autore: V.Polyakov, Mosca
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