Фазофильтровый DRM приемник

Проблема создания простого и дешевого радиоприемника для цифрового радиовещания по системе DRM весьма актуальна. При разработке системы предполагали использовать супергетеродинные приемники со стандартной ПЧ 455 или 465 кГц и расширенной до 20 кГц полосой пропускания. Их необходимо оснащать дополнительным (вторым или третьим) преобразователем частоты, включенным на выходе тракта ПЧ и понижающим центральную частоту DRM сигнала до 12 кГц для цифровой обработки в полосе 2...22 кГц.

Супергетеродинные приемники решают проблему приема DRM сигналов, но имеют ряд общеизвестных недостатков. Прежде всего, это наличие зеркального канала приема, отстоящего от основного на удвоенное значение ПЧ (910 или 930 кГц). Зеркальный канал обычно подавляют фильтрацией в преселекторе, но на КВ, где, в основном, и предполагается вещание с DRM, сделать это не просто. В диапазоне 19 м, например, фильтрация частоты 15,78 МГц с подавлением зеркального канала с частотой 16,69 МГц на 50...60 дБ требует установки пяти или шести высокодобротных перестраиваемых контуров на входе приемника.

Применение двойного преобразования частоты позволяет достаточно подавить зеркальные каналы (их в этом случае намного больше), но порождает новые проблемы, связанные с появлением массы комбинационных частот, интерференционных свистов и побочных каналов приема. Без эффективной фильтрации на каждой из ПЧ и тщательной экранировки отдельных узлов приемника двойное преобразование частоты бессмысленно. С описанными проблемами давно столкнулись конструкторы связной КВ аппаратуры, но их решения слишком сложны и дороги для массовых приемников.

Не удивительно, что творческая мысль сразу же обратилась к гетеродинным приемникам (прямого преобразования), простым по схеме и имеющим очень мало побочных каналов приема (в основном, на гармониках гетеродина), которые легко подавить одно- двухконтурным преселектором. Главная особенность гетеродинного приемника — отсутствие детектора как такового. Вместо детектирования используют линейную операцию — перенос спектра сигнала с высокой на низкую (например, звуковую) частоту с помощью смесителя и вспомогательного гетеродина, настроенного на частоту сигнала. Смеситель делают балансным или двойным балансным, чтобы устранить паразитное прямое детектирование сигнала.

Гетеродинные приемники известны очень давно, почти с момента изобретения радио. Первая заявка на приемник с электромеханическими преобразователями частоты подана еще в 1899 г. [1]. Н. Тесла уже тогда применил преобразование сигнала в постоянный ток (синхронное выпрямление), фильтрацию его накопительным конденсатором и затем второе преобразование постоянного тока в звуковую частоту. Это, как мы увидим ниже, вполне соответствует структурной схеме фазофильтрового приемника.

С развитием радиовещания и связи с АМ гетеродинные приемники были забыты из-за трудности надежной синхронизации гетеродина с несущей сигнала. Тем не менее, еще в 30-е годы прошлого века были выдвинуты основные идеи, относящиеся к использованию техники преобразования частоты вместо традиционных модуляции-детектирования. К ним относятся фазовый метод формирования однополосного сигнала, предложенный Ширексом, синхронный прием, фазовый и фазофильтровый однополосные гетеродинные приемники [2].

Интересна судьба этой книги: подписанная к печати 25 июня 1941 года она оказалась в блокадном Ленинграде и все экземпляры погибли при бомбежке. Лишь после войны удалось разыскать чудом сохранившийся сигнальный экземпляр, и книгу издали безо всяких изменений. Изложенные в ней проекты и решения не устарели и через 20 лет! Фазофильтровый метод приема независимо от Е. Г. Момота был разработан на западе Д. Уивером, но уже в 50-е годы.

Гетеродинный прием возродили радиолюбители в конце 60-х, начале 70-х годов прошлого века. Полученные результаты были удивительны — простейший гетеродинный приемник на трех-четырех транзисторах позволял слушать на КВ телеграфные (CW) и однополосные (SSB) сигналы маломощных любительских станций других континентов, и нередко с лучшим качеством, чем на профессиональные связные аппараты!

Простейший гетеродинный приемник сигналов DRM содержит преобразователь частоты с гетеродином, настроенным на 12 кГц ниже частоты сигнала, полосовой фильтр 12 ± 10 кГц, усилитель с выходом на АЦП и устройство цифровой демодуляции сигнала. Недостаток приемника в том, что он с равным успехом принимает и помехи, расположенные на 12 ± 10 кГц ниже частоты гетеродина, т. е. имеет две боковые полосы приема, верхнюю и нижнюю (ВБП и НБП). Подавить одну из боковых полос приема удается фазовым методом.

Структурная схема гетеродинного приемника с фазовым подавлением близкого по частоте зеркального канала дана на рис. 1. Сигнал от антенны через УРЧ (его применение не обязательно) поступает на два квадратурных смесителя См1 и См2. Гетеродин, как и прежде, должен быть настроен на 12 кГц ниже средней частоты спектра DRM сигнала, и иметь два выхода с относительным сдвигом фаз 90°. С этих выходов на смесители поступают сигналы cosωt и sinωt, где ω = 2πf_г — угловая частота гетеродина.

Низкочастотные (НЧ) сигналы с выходов смесителей проходят через фазосдвигающие цепи Фв1 и Фв2, параметры которых подобраны так, чтобы разность фазовых сдвигов в каналах составляла также 90°. Затем НЧ сигналы суммируются, в результате чего зеркальный канал приема оказывается подавлен.

Поясним процесс подавления. Примем (условно) фазу сигнала и "косинусных" колебаний гетеродина за нулевую. Тогда на выходе См1 сигналы низкой ПЧ (12 кГц) как от ВБП, так и от НБП будут иметь нулевую фазу. Иное дело в См2. Здесь колебания гетеродина имеют относительную фазу - 90° поскольку sinωt = cos(ωt - 90°). При приеме ВБП ПЧ = f_c - f_г. Фазы преобразуются так же, как и частоты, поэтому в См2 сигнал от ВБП будет иметь фазу 0° - (-90°) = 90°. При приеме НБП ПЧ = f_г - f_з и фаза будет -90°. Если Фв1 обеспечит дополнительный фазовый сдвиг + 90° относительно сдвига в Фв2, то сигналы от ВБП на входах сумматора будут иметь одинаковую фазу 90° и сложатся. Сигналы же от НБП на входах сумматора будут иметь фазы 90° и -90°, поэтому взаимно компенсируются. Для выделения НБП надо переключить (поменять местами) ветви фазовращателя Фв1 и Фв2.

Ослабление ненужной боковой зависит, в основном, от точности поддержания фазового сдвига в одиннадцатикратной полосе 12 ± 10 кГц. Так, например, при использовании НЧ фазовращателя четвертого порядка (по два элементарных фазовращающих звена в каждом канале) подавление приближается к 40 дБ, шестого порядка — к 60 дБ. Однако точность подбора элементов фазовращателя в последнем случае должна быть лучше 0,1%. Столь же точным должен быть и баланс амплитуд. Более подробно теория метода изложена в [3].

Основную селективность приемника обеспечивает полосовой фильтр ПФ, после которого возможно дополнительное (при необходимости) усиление сигнала. Если высокую крутизну ската ПФ на частотах ниже 2 кГц получить очень просто, даже RC цепями, то этого нельзя сказать о высокочастотном скате, выше 22 кГц. В результате кривая селективности всего приемника далека от симметричной.

Трудностей создания НЧ фазовращателя и ПФ удается избежать, используя фазофильтровый способ приема [3], с. 65-73. В этом случае частота гетеродина располагается в середине (!) спектра принимаемого сигнала (рис. 2).

По-прежнему имеются два квадратурных радиочастотных смесителя См1 и См2. На их выходах включены одинаковые полосовые фильтры ПФ, фактически ФНЧ, поскольку они должны пропускать все частоты от долей герца до 10 кГц. Вслед за фильтрами можно включить и одинаковые усилители НЧ. Затем следуют еще два смесителя См3 и См4, управляемые квадратурными сигналами гетеродина с частотой 12 кГц. После сумматора образуется спектр, такой же, как и спектр принимаемого сигнала, но перенесенный на частоту 12 кГц.

Неточность фазовых сдвигов и балансировки амплитуд в каналах, в отличие от фазового метода, не ухудшает селективности приемника, но приводит к появлению в выходном спектре сигнала еще одного, инвертированного по частоте относительно основного. Это условно показано на спектрограмме (рис. 2), где один из скатов спектра нарочно показан более пологим. Процессы формирования спектров в фазофильтровом приемнике рассматривать не будем для краткости изложения, сделать это можно по той же методике, что и для фазового приемника.

Фазофильтровый приемник отличается высокой селективностью, достигаемой с помощью простых ФНЧ, и полным отсутствием побочных каналов приема (не считая, конечно, упомянутого приема на гармониках первого гетеродина). Кривая селективности симметрична. К недостаткам относится наличие узкого "провала" в спектре принимаемого сигнала на частоте f_c = f_г, соответствующей нулевой частоте после первых смесителей. Провала нет, если каналы выполнены с возможностью передачи постоянного тока между первыми и вторыми смесителями, а ПФ — как ФНЧ. Но это приводит к большим трудностям балансировки смесителей, особенно при желании усилить сигнал в каналах. Неточность балансировки вторых смесителей создает немодулированную помеху с частотой второго гетеродина (у нас — 12 кГц) в выходном спектре.

Из-за этих недостатков фазофильтровые приемники и трансиверы применялись лишь для речевой однополосной (SSB) связи, но не для приема радиовещательных сигналов с аналоговой модуляцией (АМ и ЧМ), когда наличие "призвуков" из-за не полностью подавленного инвертированного спектра и свиста из-за недостаточного подавления сигнала второго гетеродина существенно ухудшает качество звуковоспроизведения, даже при уровнях подавления 30...40 дБ. Кроме того, попадание несущей аналогового сигнала в "провал" на АЧХ приемника приводит к полному нарушению процесса демодуляции.

Создатели цифрового радиовещания DRM обещали, что эта система мало чувствительна к "выпадениям" в спектре сигнала, к наличию немодулированных помех в нем, и может работать при довольно низких отношениях сигнал/помеха. Как раз эти качества и позволяют успешно использовать фазофильтровый приемник в цифровом радиовещании.

Действительно, инвертированный спектр, наложенный на полезный, можно рассматривать как помеху. И если она подавлена хотя бы на 20 дБ, то это очень хорошие условия приема DRM. В то же время такой уровень подавления в фазофильтровом приемнике легко достижим — достаточна точность балансировки амплитуд и фаз всего 10%. Это "смешные" требования с точки зрения конструкторов аналоговых приемников.

Чтобы "развязать" первые и вторые смесители по постоянному току, достаточно установить в ПФ (рис. 2) по одному разделительному конденсатору, и при выборе постоянной времени образовавшейся дифференцирующей RC цепи около 1 с (разумное время "выхода на режим") получаем "провал" шириной всего 0,3 Гц. Учитывая, что спектр DRM сигнала содержит много несущих, даже потеря одной из них практически не скажется на качестве демодуляции. Такое решение позволит применить активные ПФ с усилением или дополнительные усилители в каналах. Тогда даже при неточной балансировке вторых смесителей уровень помехи с частотой 12 кГц окажется ниже уровня DRM сигнала, и тоже не скажется на его качестве. Получается, что фазофильтровый метод хорошо подходит для DRM приемника, а его недостатки устраняются самой системой DRM.

Но можно пойти и далее по пути "цифровизации" приемника. Если разработать алгоритмы и программы демодуляции DRM сигнала не на частоте 12 кГц, а на нулевой частоте, то вторые смесители (См3 и См4) оказываются не нужными, а сигналы после ПФ надо сразу подать на два АЦП для дальнейшей цифровой обработки. Кстати говоря, преобразователи, расщепляющие сигнал на квадратурные каналы, используются во многих алгоритмах цифровой обработки. Собственно, цифровыми можно сделать и фильтры ПФ, тогда в аналоговой части приемника остаются лишь УРЧ, квадратурные смесители, простейшие интегрирующие цепочки в качестве предварительных ФНЧ, и, возможно, два УНЧ с полосой 10 кГц в каналах, доводящие уровень сигнала до необходимого для АЦП.

Пока обработку и демодуляцию DRM сигналов ведут с помощью персональных компьютеров довольно высокого класса. Вероятно, скоро появятся и специализированные устройства только для приема DRM. Чтобы они были максимально дешевыми и экономичными, обработку сигналов надо вести на минимальной частоте. Как раз это и достигается в предлагаемом приемнике.

Первым гетеродином, разумеется, должен служить цифровой синтезатор частоты с памятью частот настроек, цифровым индикатором и прочими потребительскими удобствами. Квадратурные выходы синтезатора легко получить, с высокой точностью, делителем частоты.

В заключение перечислим основные достоинства фазофильтрового приемника DRM:

• исключительно простая аналоговая часть;

• минимум намоточных изделий (одна-две ВЧ катушки в преселекторе);

• легко достижимая высокая селективность с помощью простых ФНЧ, а не ПФ;

• практически полное отсутствие побочных каналов приема;

• цифровая обработка и демодуляция сигнала на минимально возможных частотах, облегчающая выполнение цифровой части, удешевляющая ее и снижающая энергопотребление.

Дело осталось за малым (юмор): построить приемник, разработать алгоритмы и программы обработки DRM сигнала на нулевой частоте, собрать все вместе и "довести до ума", т. е. промышленного производства.


ЛИТЕРАТУРА

1. Tesla N. Method of Intensifying and Utilizing Effects Transmitted through Natural Media. US pat. # 685,953. Filed 1899, patented 1901.

2. Момот Е. Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема. — М.: Связьиздат, 1961.

3. Поляков В. Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. — М.: "Патриот", 1990.

Наши друзья