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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Receptores para conversão direta de sinais AM e FM. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / recepção de rádio Para receber sinais telegráficos e de banda lateral única, os rádios amadores de ondas curtas nos últimos anos costumam usar os chamados receptores de conversão direta. Ao contrário dos super-heteródinos, eles não possuem caminho IF ou detector - existe apenas um conversor de frequência que transfere o espectro do sinal de alta frequência recebido diretamente para a região de frequência de áudio (ou seja, a filtragem e a amplificação do sinal principal ocorrem em baixo frequências). Graças a isso, um receptor de conversão direta acaba sendo muito mais simples que um super-heteródino, tanto na fabricação quanto na configuração. A alta sensibilidade e seletividade características dos super-heteródinos são facilmente obtidas usando transistores modernos de baixo ruído (o nível de ruído que eles criam, referido à entrada de um amplificador de baixa frequência, pode ser de 0,1...0,2 μV) e bastante simples, mas eficaz filtros passa-baixo (LPF). Soma-se a isso a seletividade “natural” da audição humana, dos telefones (alto-falantes), cuja sensibilidade diminui com o aumento da frequência. As vantagens indicadas dos receptores de conversão direta atraem cada vez mais a atenção dos projetistas de equipamentos de radiodifusão. No entanto, um receptor convencional de conversão direta não pode demodular sinais AM e FM. O fato é que seu mixer não detecta as oscilações recebidas, mas converte sua frequência. Portanto, ao sintonizar, por exemplo, a frequência de uma estação de rádio transmitindo de AM, ouve-se inicialmente um apito (batidas da portadora com oscilações locais do oscilador), cujo tom diminui à medida que a diferença entre as frequências do sinal e o local oscilador diminui. É quase impossível desmontar a transmissão nestas condições. Com uma sintonia mais precisa, o tom da batida com frequência F torna-se muito baixo, inaudível, mas a transmissão é acompanhada por mudanças periódicas de volume com frequência 2F. Isso acontece porque a fase das oscilações do oscilador local muda continuamente em relação à fase do sinal recebido. Quando as fases coincidem, o volume de transmissão é normal, quando a diferença é de 90° ou 270°, cai para zero, quando deslocado em 180°, o sinal aparece novamente, mas sua polaridade é invertida. O ponto aqui são as batidas das duas bandas laterais do sinal AM, que, sendo convertidas em frequência de áudio, são adicionadas ou subtraídas na saída do mixer. Com a modulação de frequência, a frequência do sinal muda no tempo com vibrações sonoras variando de fс-Δf a fс+Δf (fс - frequência portadora, Δf - desvio de frequência do transmissor). A frequência de batida F na saída do mixer receptor de conversão direta, neste caso, mesmo com ajuste fino, não permanece constante - varia de 0 a Δf. - portanto, geralmente é impossível desmontar a transmissão. A boa qualidade de recepção dos sinais AM e FM é obtida sincronizando a oscilação do oscilador local com a frequência portadora do sinal, o que pode ser feito de diversas maneiras. A maneira mais fácil é usar o fenômeno de captura de oscilações do oscilador local da portadora de sinal. Para fazer isso, parte da tensão do sinal do circuito de entrada ou da saída do amplificador de RF é introduzida no circuito oscilador local. A banda de captura é determinada pela fórmula 2Δfз=fcUc/QUг (fс é a frequência do sinal que coincide com a frequência do oscilador local, Uc é a tensão do sinal de entrada, Q é o fator de qualidade do circuito oscilador local, Uг é a tensão através dele ). Deve ser ajustado (ajustando a tensão do sinal introduzida no circuito) para o mínimo necessário para uma sincronização confiável (aproximadamente 200...400 Hz). Isto melhora a imunidade ao ruído do receptor, reduzindo a probabilidade de interferência passar pelo circuito de sincronização. Com um fator de qualidade de circuito Q = 35, tensão Ug = 0,1 V e banda de captura de 2Δfз = 400 Hz, a tensão de sincronização na faixa CB (na frequência de 1400 kHz) é de cerca de 1 mV, na faixa KB ( 14 MHz) - cerca de 100 μV. Receptores síncronos mais complexos e avançados contêm um loop de bloqueio de fase (PLL). Os artigos [1,2] foram dedicados à descrição de tais receptores. Existem outros métodos de recepção de sinais modulados por meio de um receptor de conversão direta, propostos há muito tempo, mas, provavelmente, devido à falta de popularidade, ainda não se difundiram. O objetivo deste artigo é atrair a atenção dos entusiastas dos laboratórios públicos para os receptores assíncronos, a fim de resolver de forma prática o problema de sua utilização em radiocomunicações amadoras e na recepção de transmissões. A maneira mais simples de detectar oscilações AM em um receptor de conversão direta é dessintonizá-lo em 2...3 kHz em relação à portadora e ligar um detector de onda completa na saída, como mostrado na Fig. 1. Aqui U1 é um mixer, G1 é um oscilador local, Z1 é um filtro passa-baixa, A1 é um amplificador passa-baixa. Na saída deste último, é gerado um sinal de batimento com frequência de 2 a 3 kHz. amplitude modulada pela informação transmitida. Através do capacitor de isolamento C1, este sinal é fornecido ao detector (V1 - V4). Em sua saída é liberada uma tensão pulsante com o dobro da frequência de batimento, cujo envelope muda de acordo com a lei de modulação do sinal recebido. Como resultado, tanto uma transmissão de rádio quanto um apito contínuo com frequência de batimento duplicada (4...6 kHz) são ouvidos nos fones de ouvido, um tanto enfraquecidos pelo capacitor de bloqueio C2. Você pode se livrar dessa interferência conectando um filtro passa-baixa com uma frequência de corte de cerca de 3 kHz entre a saída do detector e os telefones.
O receptor de acordo com o circuito funcional considerado (essencialmente um super-heteródino com uma frequência muito baixa - igual à frequência de batimento - IF) é adequado para experimentos, mas não é adequado para recepção de transmissão, pois devido à grande dessintonização, que não pode ser inferior a 1,6 kHz, a largura de banda O caminho de transmissão não coincide com o espectro do sinal, e isso piora a imunidade ao ruído e leva à distorção. A tarefa de receber sinais AM, como agora está claro, é... destacar o envelope em uma frequência “portadora” muito baixa, situada na faixa de áudio, e as vibrações deste último devem ser suprimidas. Isto é possível em um receptor com dois canais LF de quadratura, cujos sinais são deslocados em fase em 90°. Neste caso, após a detecção de onda completa dos sinais de quadratura, serão obtidas as mesmas tensões pulsantes (também com frequência dupla), mas as próprias pulsações serão antifásicas (quando a frequência é duplicada, o deslocamento de fase também duplica), e eles pode ser eliminado simplesmente somando os sinais detectados. O diagrama de blocos de tal receptor de sinal AM é mostrado na Fig. 2 [3]. Ele contém dois mixers - U1 e U2. A tensão do oscilador local G1 é fornecida a eles através de um deslocador de fase de alta frequência U3, criando um deslocamento de fase de 90°. Cada canal receptor possui um filtro passa-baixa (Z1 e Z2), um amplificador passa-baixa (A1 e A2) e um detector de onda completa - quadrador (um detector de onda completa operando em modo de detecção quadrática realiza a operação de quadratura, que é por isso que também é chamado de quadrador) U4 e U5. Os sinais das saídas dos detectores entram no dispositivo somador U6.
A parte receptora, composta pelos detectores U4, U5 e somador U6, pode ser feita conforme o circuito mostrado na Fig. 3. Equilibre os detectores (suprimindo batimentos com frequência F = fc-fg) usando resistores de ajuste R1 e R2. Os sinais detectados são adicionados ao enrolamento primário do transformador T1, que pode ser substituído por um amplificador operacional, se desejado.
O grau de supressão do sinal na frequência 2F depende do balanceamento do canal e do erro na configuração da mudança de fase. Com desequilíbrio de ganho nos canais de +-1% e erro na configuração do deslocamento de fase de +-1°, chega a 40 dB. Tal supressão é suficiente para comunicações de rádio e recepção de transmissão em condições de sinais fracos ou interferências.Para uma recepção de alta qualidade, deve ser de pelo menos 60 dB, o que, naturalmente, exige a redução do erro de ajuste em uma ordem de grandeza. O método mais simples de recepção de sinais FM não difere essencialmente daquele descrito para sinais AM (ver Fig. 1). A única diferença é que a capacitância do capacitor de isolamento C1 neste caso deve ser pequena (para garantir a diferenciação do sinal antes da detecção). Nesta condição, a tensão detectada será proporcional à frequência de batimento entre o sinal recebido e as oscilações do oscilador local. Um método semelhante de recepção de sinais FM é usado em dispositivos conhecidos com baixo FI e um detector operando segundo o princípio de um contador de pulsos |4| A desvantagem deste método é a presença de um canal espelho de baixa frequência, que expande a largura de banda do receptor duas vezes mais do que o necessário. Um receptor assíncrono de sinais FM com canais de quadratura [5] contém a mesma parte de entrada que o dispositivo para receber oscilações AM, mas os sinais das saídas dos amplificadores LF A1 e A2 são alimentados para um dispositivo de processamento, cujo diagrama de blocos é mostrado na Fig. 4. Consiste nos circuitos diferenciadores U7 e U8, nos multiplicadores U9, U10 e no dispositivo subtrator A3 (a numeração dos elementos do circuito continua o que foi iniciado na Fig. 2). A banda passante dos filtros Z1, Z2 é tomada neste caso correspondendo ao desvio máximo Δfmax do sinal FM (50 kHz em radiodifusão e 6...12 kHz em radiocomunicações) ou um pouco maior. A constante de tempo dos circuitos diferenciadores é escolhida a partir das mesmas considerações: RC=(0,5....0,7)/ 2πΔfmax. Misturadores de diodo em anel ou circuitos integrados podem ser usados como multiplicadores, e um amplificador diferencial pode ser usado como dispositivo de subtração.
Consideremos a operação do receptor. Vamos supor que o sinal S2 esteja atrasado em relação ao sinal S1 em 90°. Neste caso, o sinal diferenciado S'2 está em fase com o sinal S1, e sua amplitude é proporcional à frequência F. Uma tensão positiva proporcional a esta frequência e seus segundos harmônicos aparecem na saída do multiplicador U10. Processos semelhantes ocorrem no multiplicador U9, mas como o sinal diferenciado e o sinal S2 estão defasados, aparece uma tensão de polaridade negativa em sua saída. No dispositivo subtrator A3, os segundos harmônicos se cancelam. Alterar o sinal de desafinação da frequência do sinal em relação à frequência de oscilação do oscilador local altera a fase do sinal S2 em 180° em fc>f, a fase do sinal S2 é igual a -90° (no mixer U2 a frequência e fase das oscilações do oscilador local são subtraídas, respectivamente, da frequência e fase do sinal), e em fc A curva de discriminação do receptor (dependência da tensão de saída na dessintonização) é mostrada na Fig. 5. Seu “zero” corresponde à sintonia fina do oscilador local com a frequência portadora do sinal. É mais fácil garantir uma boa supressão de batimentos com frequência F e seus harmônicos no receptor em questão, pois a interferência só pode ser ouvida em F
Receptores assíncronos de conversão direta com canais em quadratura têm certas vantagens sobre os super-heteródinos. Neles, por exemplo, alta seletividade é facilmente alcançada - um efeito equivalente ao uso de três circuitos FSS no caminho IF de um super-heteródino é fornecido por um filtro passa-baixa simples em forma de U, composto por uma bobina e dois capacitores. Se você usar filtros RC ativos para filtragem, o número de bobinas no receptor geralmente poderá ser reduzido ao mínimo. A principal vantagem de tais receptores é que toda amplificação e todo processamento de sinal ocorre em baixas frequências, onde os circuitos integrados podem ser amplamente utilizados sem tomar quaisquer medidas especiais para blindagem e desacoplamento das cascatas. As desvantagens incluem alguma complexidade dos circuitos (no entanto, chegam ao dobro da complexidade do caminho em sistemas estereofónicos!) e, talvez, uma qualidade de recepção ligeiramente pior do que com os métodos tradicionais se os canais não forem cuidadosamente equilibrados. Concluindo, é interessante notar que adicionando ao receptor de sinal AM (Fig. 2) um dispositivo feito conforme o diagrama de blocos da Fig. 4, o transforma em um dispositivo para receber sinais de AM e FM, e a introdução de um deslocador de fase de baixa frequência adicional o transforma em um receptor de banda lateral única [6]. Literatura
Autor: V.Polyakov, Moscou
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