Что такое интермодули и как с ними бороться или повышение динамического диапазона приёмников Си-Би трансиверов

Новости

Бюллетень Си-Би №4 Апрель 1997 г

Автор Владислав "Ребус" (3А13277)

Если вы живете не в деревене или провинциальной глуши, где эфир чист, а в большом городе, приемник вашей Си-Би радиостанции часто доставляет вам много неприятностей в виде различного рода помех.

С некоторыми из них, вызываемыми “радиохулиганами”, “несунами”, бороться можно только административными мерами, и о них мы сейчас говорить не будем. Поговорим о помехах, связанных с несовершенством приемника.

В технических характеристиках Си-Би трансиверов, заявляемых их производителями, обычно приводятся только значения избирательности по соседнему и по зеркальному каналам, что далеко полно характеризует помехозащищенность его приемника при работе в реальных условиях.

Многие виды помех возникают в вашем приемнике, и улучшая его помехозащищенность, вы можете от них избавиться.

Ранее мы писали о повышении избирательности приемников по соседнему каналу путем применения кварцевых фильтров (Писали в бюллетене от января 1997 года).

Теперь попытаемся описать методы улучшения защищенности приемника от мощных сигналов, действующих не его вход, но не попадающих в полосу пропускания фильтров ПЧ.

Вещательные АМ станции в Си-Би диапазоне

На некоторых моделях трансиверов проявляются помехи от мощных коротковолновых вещательных станций, работающих с амплитудной модуляцией. Если вы услышали в Си-Би каналах AM вещание, значит на входе приемника либо вовсе нет преселектора, либо его избирательность недостаточна, и сигналы коротковолновых станций, образуя на нелинейных элементах приемного тракта гармонические или интермодуляционные частоты, попадают в полосу пропускания.

С этим недостатком приемника справиться относительно просто. Достаточно включить на его входе двухконтурный полосовой фильтр (рис.1), пропускающий полосу от 26 до 28 МГц, но сильно ослабляющий сигналы КВ станций, частоты которых расположены значительно ниже.

Рис.1. Схема простейшего входного фильтра-преселектора.

Для сопротивления входа-выхода 50 Ом и полосы пропускания 26-28 МГц элементы фильтра должны иметь примерно следующие значения: L2, L4 -0,5 мкГн, C - 60 пФ, Cсв - 3 пФ. Значения элементов связи зависят от конструктивного выполнения катушек (их добротности). Обмотки связи L1, L4 должны иметь число витков в 3-4 раза меньше числа витков катушек L2, L3. При монтаже на плате катушки нужно разнести на расстояние около четырех диаметров их каркасов друг от друга, чтобы исключить магнитную связь между ними. При этом можно использовать катушки без экранов. Если катушки имеют экраны, их можно размещать вплотную.

Подбирая величину Cсв, нужно добиться двугорбой характеристики фильтра с небольшим (не более 0,5 дБ) провалом в середине. Если при этом полоса пропускания получается слишком широкой, нужно уменьшить число витков катушек связи, если слишком узкой, то увеличить. После изменения числа витков катушек связи снова придется подобрать величину Cсв.

При наличии измерителя частотных характеристик настройка фильтра может быть выполнена довольно просто.

После установки фильтра на вход приемника никаких следов помех от АМ вещания не остается.

Интермодуляционные помехи

Многим пользователям Си-Би диапазона, работающим с высоко расположенных базовых антенн, хорошо знакомо явление интермодуляционных помех (на жаргоне Си-Бистов “интермодулей”). Субъективно это явление проявляется как появление в свободном канале сразу двух голосов, наложенных друг на друга, хотя прослушиваемые станции работают совсем в других каналах. Понятно, что при работе со слабым корреспондентом интермодуляционные помехи могут его заглушать. Известно, что приемники разных моделей трансиверов в разной степени подвержены этим помехам: у дорогих аппаратов они могут совсем не проявляться, или проявляться редко, у некоторых дешевых моделей проявляются настолько сильно, что в условиях Мосвы работать почти невозможно: эфир кажется сплошь забитым помехами.

Очень сильно интермодуляционные проявляются в приемниках портативных радиостанций, если использовать их с базовыми антеннами: схемотехника их рассчитана на достижение максимальной чувствительности и экономичности в ущерб динамическому диапазону, что вполне оправдано при работе от короткой и малоэффективной антенны.

Природа интермодуляционных помех такова. Если на вход приемника попадает одновременно два сигнала большой амплитуды f1 и f2, они образуют на любых нелинейных элементах приемного тракта ряд интермодуляционных частот по формуле:

m¦1+n¦2=¦mn .

Сумма коэффициентов m и n называется порядком, т.е. интермодуляционная частота fmn называется частотой порядка m+n.

Если вам не повезло, и ваш приемник настроен на одну из этих частот, в нем будет прослушиваться помеха с двухголосой модуляцией. Это можно проиллюстрировать рис.2. На нем частоты сильных внеполосных сигналов f1 и f2 условно приняты равными 27,1 и 27,2 МГц со ответственно.

Как видно из рисунка, два мощных сигнала порождают частокол интермодуляционных частот, самые сильные из которых имеют порядок 2+1=3. С повышением порядка амплитуды помех быстро спадают. Чем более линейным является приемный тракт, тем меньше амплитуды интермодуляционных помех и тем быстрее они спадают с повышением их порядка (рис.3). Линейность приемника часто характеризуется также величиной динамического диапазона, т.е. диапазоном амплитуд сигнала от минимального уровня, равного уровню собственных шумов приемника, до максимального уровня сигнала, при котором начинает проявляться нелинейность.Поскольку в образовании интермодуляционной помехи участвует два сигнала, избирательность приемника к этим помехам называют “двухсигнальной избирательностью”.

Если частота помехи попала в полосу пропускания приемника, она принимается на правах полезного сигнала, т.е. никакие фильтры на способны ее устранить. Использование высокоизбирательных кварцевых фильтров на первой промежуточной частоте (ПЧ1), о котором мы писали ранее, улучшая избирательность по соседнему каналу, способно помочь в подавлении помехи от одного мощного внеполосного сигнала, но бессильно помочь в подавлении интермодуляционных помех.

Если источниками помех являются сильные сигналы Си-Би станций (а это нередко бывает, когда по соседству с вашей антенной находятся антенны других станций), ослабить их на входе приемника практически невозможно (преселектор, имеющий полосу 26-28 МГц, их свободно пропускает). Единственным способом ослабления интермодуляционных помех является повышение линейности приемного тракта до первого фильтра сосредоточенной селекции, которым в Си-Би трансиверах обычно является фильтр ПЧ1.

Источником нелинейности обычно являются:

- встречно-параллельные диоды на входе приемного тракта, предназначенные для защиты приемника от сигнала собственного передатчика,

- диоды, входящие в схему автоматической регулировки усиления, установленные на входе приемника,

- каскад усиления высокой частоты,

- первый смеситель.

Бюллетень Си-Би №5 Май 1997 г

Автор Владислав "Ребус" (3А13277)

Продолжение

Я столкнулся с проблемой интермодуляционных помех после переезда. До этого мой трансивер President Jeorge меня вполне устраивал. Но после установки антенны на крыше 17- этажного дома, по соседству с которым в пределах квартала обитает несколько активно работающих Си-Бистов, проблема интермодуляционных помех встала и передо мной: не очень приятно, когда при дежурном приеме в “своем” канале шумоподавитель то и дело “открывается” соседями, “обитающими” совсем в другом канале, и в динамике появляются звуки двух искаженных до неразборчивости голосов! Я понял, что без доработки трансивера не обойтись, поскольку потратить 1000 долларов на приличный аппарат я был не готов.

Анализ схемы показал, что на входе приемника нет фильтра-преселектора (он установлен не на входе, а на выходе УВЧ, видимо для повышения чувствительности), схема автоматического регулирования усиления, стоящая на входе УВЧ, выполнена на обычном диоде, шунтирующем вход УВЧ, и УВЧ выполнен небалансным на маломощном биполярном транзисторе. Стало понятно, что ожидать от такой схемы высокой интермодуляционной избирательности не приходится. Правда, встечно-параллельных диодов на входе приемника не обнаружилось (они есть в большинстве моделей Си-Би трансиверов), и первый смеситель выполнен по кольцевой схеме на четверке диодов (что совсем неплохо в смысле динамики).Вооружившись рекомендациями Эрика Реда (Э.Ред “Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике”, М. “Мир”, 1990.), я приступил к доработке УВЧ.

УВЧ высокой линейности

Перепробовав несколько вариантов усилителей на мощных СВЧ полевых и биполярных транзисторах, которые удалось найти в собственных “закромах” и раздобыть у знакомых, я остановился на следующей схеме (рис.4).

Рис.4. Схема УВЧ на мощном СВЧ транзисторе

Транзистор VT1 - КТ911, КТ610. Эти транзисторы имеют низкий коэффициент шума на частотах Си-Би диапазона при токах до 100 мА.

В данной схеме ток коллектора составлял примерно 15 мА.

Трансформаторы Т1,2 - имеющиеся в схеме President George.

Практически переделка схемы УВЧ состояла в замене транзистора 2SC1674L на КТ610, шунтирования R172 резистором 27 Ом, R27 резистором 100 Ом, R25 резистором 1 кОм, и добавления резистора 1,8 кОм между базой VT1 и выходом УВЧ. Усиление каскада практически не изменилось, но динамика улучшилась очень сильно. Регулировка усиления каскада (RF GAiN) сохранилась. При повторении каскада для использования вместо УВЧ других трансиверов трансформатор T1 можно исключить и использовать вместо его вторичной обмотки обмотку L4 преселектора (рис.1). Трансформатор T2 можно намотать на ферритовом сердечнике К6х3х2 из материала 2000НМ3. Обмотки - 4 витка из двух скрученных проводов ПЭЛ-0,15. Начала обмоток соединить в соответствии со схемой рис.4. Испытания показали, что чувствительность приемника после замены УВЧ на описанный не ухудшилась.

Следующим на очереди был входной аттенюатор, используемый в схеме АРУ.

Высоколинейный аттенюатор с электронным управлением

Согласно Реду входные аттенюаторы рекомендуется выполнять на резисторах. Такие аттенюаторы не обладают нелинейностью, а значит не могут создавать интермодуляционных продуктов. Но включать и выключать их приходится вручную. Поскольку в моем трансивере автоматическая регулировка усиления осуществлялась на диодном аттенюаторе, отказаться от нее было невозможно. Нужно было найти замену диоду, который в ней использовался.

Известно, что существуют мощные переключательные СВЧ диоды с p-i-n структурой, i слой которых настолько толстый, что время рассасывания носителей составляет микросекунды. Такой диод не обладает детектирующими свойствами на 27 МГц, т.е. ведет себя как активное сопротивление, величина которого в широких пределах меняется путем изменения постоянного тока через него.

Мне удалось найти диоды типа 2А512А. Собрав на нем схему детектора, и подав на него 4 Вт с выхода станции, я убедился, что он действительно не детектирует сигнал 27 МГц (совсем не детектирует, нет деже милливольта, хотя обычный диод, используемый в аттенюаторе станции, в той же схеме детектора дал выпрямленное напряжение 17 вольт!). При нулевом управляющем токе диод имеет сопротивление несколько МОм и емкость менее 1 пФ, при токе 50 мА - сопротивление менее 1 Ома. После некоторых экспериментов родилась схема рис.5.

Рис.5. Электронный аттенюатор на p-i-n диодах.

Схема начинает регулировать затухание при пороговом напряжении АРУ около +0,6 В. При напряжении ниже +0,6 В затухание равно 0 дБ. Максимальное затухание аттенюатора при хорошей экранировке превышает 80 дБ. Аттенюатор эффективно работает при любых видах модуляции принимаемого сигнала.

Таким образом, я избавился от нелинейных элементов на входе приемника: защитных и регулирующих диодов и склонного к перегрузкам УВЧ.

Следующим элементом тракта, подверженным воздействию сильных внеполосных сигналов, является первый смеситель. В следующих номерах мы расскажем о схемах смесителей, обладающих высокой линейностью.

Бюллетень Си-Би №6 Июнь 1997 г

Автор Владислав "Ребус" (3А13277)

Продолжение

В предыдущих частях мы рассмотрели пути улучшения тракта приемника за счет доработки его УВЧ, входного аттенюатора, фильтра-преселектора. Однако наиболее ответственным узлом приемного тракта с точки зрения его интермодуляционной избирательности все же является первый смеситель.

Смесители с высокой динамикой

Смеситель преобразует частоту принимаемого сигнала в промежуточную частоту, поэтому он принципиально является нелинейным устройством. Под линейностью смесителя понимается поведение его по отношению к входным сигналам: до тех уровней входных сигналов, при которых не происходит уменьшение его коэффициента преобразования, и не появляются заметные интермодуляционные продукты, смеситель можно считать линейным.

В 80-х годах наилучшими смесителями считались кольцевые смесители на диодах с барьером Шоттки (Э.Ред “Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике”, М. “Мир”, 1990.). Они имеют потери преобразования около 7 дБ и очень низкий коэффициент шума (около 0,5 дБ). Смесители сохраняют удовлетворительную линейность (уровень интермодуляционных продуктов ниже полезного сигнала на 20 дБ) до уровня входных сигналов примерно на 3 - 5 дБ ниже уровня гетеродина. По своему динамическому диапазону эти смесители подразделялись на три класса: среднего, высокого и очень высокого уровня. Понятно, что уровень гетеродина в смесителях разного уровня выбирался различным (см. таблицу 1).

Таблица 1

Класс смесителя

Уровень гетеродина (на 50 Ом)

Среднего уровня

~1 В

Высокого уровня

~1,5 В

Очень высокого уровня

~2,2 В

Необходимость применять высокий уровень гетеродина в смесителях этого типа создает ряд проблем: нужно принимать меры от проникновения гетеродина на антенный вход, тщательно экранировать усилитель гетеродина и смеситель от остального монтажа трансивера, использовать дополнительную фильтрацию по цепям питания, чтобы не допустить попадания спектральных компонент и шумов гетеродина в тракты ПЧ и защитить все чувствительные к ВЧ наводкам узлы приемника.

Рис.1. Кольцевой смеситель высокого уровня.

На рис.1 приведена практическая схема кольцевого смесителя высокого уровня на диодах типа 2А120А. Трансформаторы Т1, Т2 намотаны на ферритовых кольцах типоразмера К5х3х1,5 из материала 2000НМ3 (1000НМ3), обмотки - 4 витка ПЭЛ-0,15, скрученных в три провода. При монтаже желательно обеспечить симметрию схемы.

Несмотря на то, что в данном смесителе уровень используемого гетеродина не достигает 2 В, приходится ставить дополнительный каскад усиления сигнала гетеродина, что все-таки неудобно.

Более экономичным вариантом решения проблемы является использование специализированных микросхем К174ПС1 (Отработка данной схемы проведена Александром Колодезевым (3А9399) из “Си-Би Центра”.) (рис.2), которые удовлетворительно работают при напряжении гетеродина 0,15 - 0,2 В. Поскольку коэффициент шума смесителя на микросхеме К174ПС1 составляет 7 дБ, для получения высокой чувствительности приемника необходимо использование малошумящего УВЧ с усилением около 10 дБ. К преимуществам смесителя рис.2 можно отнести то, что, в отличие от пассивного смесителя на диодах, он имеет усиление, и введение его в тракт вместо смесителя на транзисторах не потребует дополнительных каскадов усиления ПЧ.

Рис.2. Смеситель на микросхеме К174ПС1.

В последние годы стали доступны полевые транзисторы с низким коэффициентом шума и квадратичной вольтамперной характеристикой, что позволило строить на них балансные и кольцевые смесители, требующие значительно меньшей мощности гетеродина.

В большинстве трансиверов ведущих японских фирм используется практически типовая схема первого смесителя на полевых транзисторах. На рис.3 приведена принципиальная схема смесителя, используемого в трансивере ICOM-760.

Рис.3. Схема первого смесителя трансивера ICOM-760.

Как измерить или оценить интермодуляционные характеристики приемника

Объективными показателями линейности приемника (или смесителя), поддающимися измерению, являются двухсигнальная избирательность и уровень блокирования. Для их измерения необходимо иметь два генератора сигнала с калиброванным уровнем напряжения, сигналы которых через тройник подключаются на вход приемника.

Сначала на вход приемника, настроенного на частоту f0, подается сигнал от первого генератора. Уровень сигнала U0 устанавливается таким, чтобы сигнал на выходе приемника Uвых превышал собственные шумы на 20 дБ (около 3 баллов по S-метру). Затем частота первого генератора изменяется на величину, при которой он гарантированно не попадает в полосу ПЧ. Обычно достаточно расстроить его на 30 -50 кГц. Пусть, например, частота первого генератора выбрана равной f0+ 50 кГц. Затем включаем второй генератор и устанавливаем его частоту равной f0+ 100 кГц. Одновременно прибавляя уровень сигналов обоих генераторов, добиваемся, чтобы на выходе приемника появился сигнал интермодуляционной помехи третьего порядка на 20 дБ превышающий собственные шумы (т.е. равный Uвых). Уровни сигналов генераторов при этом равны U1.

Динамический диапазон по интермодуляции третьего порядка (интермодуляционная избирательность) при этом равен

D =U1-U0,

если U1 и U0  выражены в дБ, или

если U1 и U0 выражены в микровольтах.

Для измерения уровня блокирования на вход приемника от первого генератора подается сигнал с частотой f0 и уровнем U0, а от второго генератора подается сигнал с частотой f0+ 50 кГц и его уровень повышается до тех пор, пока сигнал на выходе не уменьшится на 1 дБ. Полученный при этом уровень сигнала U2 называют “уровнем компрессии на 1 дБ”, а динамический диапазон по блокированию определяется как

если U2 и U0 выражены в микровольтах.

Разумеется, было бы интересно сравнить между собой динамические характеристики описанных смесителей, измеренные при одинаковых условиях. Мы надеемся сделать это в ближайшем будущем, как только удастся собрать в одном месте все необходимые приборы для измерительного стенда.

Необходимо сказать также о том, что приемники с одинаковыми динамическими характеристиками могут при приеме в сложной помеховой обстановке вести себя по-разному. Результаты двухсигнальных измерений не могут отразить все возможные условия работы приемника в перегруженном эфире, поэтому окончательный вывод о преимуществах тех или иных схемных решений можно сделать только при сравнении их работы в реальных условиях. При этом оценивается также не поддающиеся измерениям на стенде такие характеристики приемника, как “прозрачность эфира”, “уровень утомляемости оператора при работе в условиях приема слабых (на уровне шумов) сигналов” и т.п. Иногда по этим результирующим характеристикам победу одерживает приемник, не показавший рекордных результатов при измерениях на стенде.

Тем из радиоконструкторов, которые займутся оптимизацией приемного тракта своих радиостанций, но в распоряжении которых нет генераторов стандартных сигналов, можно предложить простой способ оценки интермодуляционных свойств приемника.

Обычно вы уже знаете, кто из ваших ближайших соседей “идет” у вас с наибольшим уровнем и, скорее всего они - ваши друзья. Воспользуйтесь моментом, когда двое из них работают в эфире и попросите их настроить передатчики: одного на 30 кГц (или 40 кГц) выше (ниже), а второго на 60 кГц (или 80 кГц) выше (ниже) частоты, на которую настроен ваш приемник, и посчитать до десяти. Величина отстройки может быть любой, важно только, чтобы отстройка по частоте одного была вдвое больше отстройки другого, иначе интермодуляционная помеха не попадет в ваш канал. Рассчитайте заранее, в какие каналы настроиться вашим соседям, учитывая, что в частотной сетке имеются “дырки”, не попадитесь на этом.

Если их сигналы достаточно сильны, чтобы превысить двухсигнальную избирательность вашего приемника, вы услышите их голоса одновременно в вашем канале. Запишите уровень показаний S-метра. После любых доработок приемного тракта повторяйте это измерение (конечно с этими же корреспондентами и при тех же уровнях мощности их передатчиков). Это покажет вам, каких результатов вы добились. Конечная цель, которую вы можете себе поставить, - вовсе перестать слышать самых мощных соседей по интермодуляции 3-го порядка! Более высокие порядки вам не страшны, т.к. они имеют значительно меньшие уровни и вы наверняка никогда их не услышите. Уровень блокирования связан с интермодуляционной избирательностью, поэтому он автоматически улучшается при улучшении двухсигнальной избирательности и его можно отдельно не проверять.

Если вы решились усовершенствовать приемный тракт своей радиостанции, нужно иметь в виду следующие общие принципы:

1. Для получения высокой чувствительности приемника его УВЧ должен выполняться на малошумящих транзисторах, а потери преселектора не должны превышать 1 дБ (это выполняется, если преселектор имеет два контура, для трехконтурного преселектора добротность миниатюрных катушек оказывается недостаточной).

2. Коэффициент усиления от входа до первого смесителя должен быть минимальным, при котором достигается необходимая чувствительность (обычно достаточно иметь усиление 10 дБ).

3. Общее усиление приемного тракта для реализации высокой чувствительности должно быть таким, чтобы в режимах АМ и SSB собственный шум приемника при отключенной антенне и согласованной нагрузке на антенном разъеме был хорошо слышимым при среднем положении регулятора громкости. S - метр при этом не должен давать никаких показаний. При подключении антенны шум должен заметно возрастать.

Если усиление в тракте недостаточно, повысить его проще всего путем добавления простого каскада усиления по ПЧ1 на малошумящем полевом транзисторе сразу после кварцевого фильтра ПЧ1. Обычно достаточно дополнительного усиления 5-10 дБ. Не следует вводить слишком большое усиление дополнительного каскада: это может создать проблемы с устойчивостью и калибровками S - метра и шумоподавителя.

Практический опыт показывает, что даже только доработка УВЧ и входных цепей, описанная в прошлом номере Бюллетеня, позволяет резко снизить интермодуляционные помехи. Желаю успеха!



До 22 октября мы снизили цены на популярные модели

Количество товара по акции ограничено, наличие товара указано на сайте.

Автомобильная антенна MegaJet Omega Mag 90
Диапазон CB
Магнитное основание
Длина антенны 90 см.
2300 руб.
1580 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-150
Диапазон CB 27 Мгц,
225 каналов.
Мощность 4 Вт.
Нули-пятёрки.
4100 руб.
3600 руб.
Автомобильная антенна Optim Hustler 1c/100
Диапазон: CB (27 МГц)
Магнитное основание
Длина антенны: 150 см
1280 руб.
999 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-850
Диапазон: CB (27 МГц)
320 (360) каналов
Мощность 18 Вт
Корейская сборка
6690 руб.
4300 руб.

 


ВходРегистрация