Высококачественный трансивер “Мастер 2009”
Предлагается новая версия трансивера, прототипом которого является опубликованный на страницах журнала РадиоХобби в номерах №1; 2; 3 за 2008г- “Мастер 2007”. Изменения, прежде всего претерпела блок- схема, а именно организация прохождения сигнала на передачу, распределение узлов аппарата по блокам, упрощение их принципиальных схем. Все это сделано не в ущерб качеству работы, а за счет бОльшей проработки схемотехники и удалению второстепенного сервиса, редко используемого в работе.
Рис. 1 Блок схема основных узлов трансивера Мастер 2009.
Упрощенная структурная схема основных блоков трансивера "Мастер 2009" приведена на рис.1 (весь приемопередающий тракт до 1-го смесителя повторяет Мастер 2007 и поэтому не показан).
Как видно из структурной схемы трансивера все опорные генераторы, VOX с ключом TX, двухтональный и CW генераторы, находятся в отдельном блоке. Это позволяет уменьшить паразитное проникновение наводок с генераторов в тракт усиления и обработки сигнала. Еще один плюс, такое размещение позволило по габаритам объединить НЧ тракты приема и передачи в один узел.
В режиме приема входной сигнал с диапазонных фильтров (ДПФ) подается на блок ПЧ1 (IF1) в состав которого входят ключевой смеситель (Mix1), защитный фильтр (Roofing filter) необходимость применения которого описана в публикации [1] и два каскада усиления IF1-1 и IF1-2. Между каскадами установлены переключаемые SSB/CW кварцевые фильтры на частоту 8,86мГц. Усиление второго каскада (IF1-2) управляется системой АРУ, это предотвращает перегрузку 2-го смесителя (Mix2 RX) мощными входными сигналами.
“Оторванный” от шума и внеполосных помех в ПЧ1 т.е. отфильтрованный и усиленный сигнал подается на 2-й смеситель блока ПЧ2 (IF2). Выделенный сигнал второй ПЧ частотой 200кГц усиливается каскадом с АРУ (IF2-1), проходит узел с регулируемой по частоте режекцией (Notch filter) и попадает на фильтр основной селекции ФЭМ на 200кГц. Еще один каскад усиления (IF2-2) служит буфером между фильтром и третьим смесителем. Он так же охвачен цепью АРУ. С последнего смесителя НЧ сигнал подается в блок (AF). В нем он последовательно проходит фильтр верхних частот (ФВЧ), нижних частот (ФНЧ) с регулируемым срезом и попадает на последний каскад - выходной УНЧ.
В режиме передачи сигнал с микрофона предварительно усиливается (Mice AF), обрабатывается компрессором (Compr) в блоке (AF) и подается на балансный модулятор блока ПЧ2 (IF2).
Основное отличие передающего тракта этого трансивера от предыдущего, мастера 2007- формирование сигнала передачи на частоте 200кГц. Это сделано для обеспечения большего подавления нерабочей боковой полосы ввиду лучшей прямоугольности фильтра ФЭМа на частоту 200кГц, по сравнению с кварцевым фильтром на 8,86мГц. Особенно это заметно в ESSB режиме с близким расположением частоты опорного генератора к частоте среза фильтра.
С балансного модулятора двухполосный сигнал частотой 200кГц с подавленной несущей проходит через буферный усилитель (IF2-4), а затем фильтруется ФЭМом. Выделенный фильтром уже однополосный сигнал через отключаемый диодный ограничитель и буферный каскад (IF2-3) подается на 2-й смеситель. После смесителя, для дополнительного подавления паразитного зеркального канала по ПЧ2, установлен фильтр-пробка на частоту 9,26мГц. Через буферный усилитель (IF1-3), сформированный и при необходимости ограниченный сигнал дополнительно фильтруется защитным Roofing фильтром и с помощью основного 1-го смесителя переносится на рабочую частоту.
Рассмотрим принципиальные схемы узлов. Меньше всего изменений претерпел блок ПЧ1 (IF1) рис. 2
Рис. 2 Cмеситель1, защитный фильтр, УПЧ1, КФ.
Первый смеситель выполнен на МС ADG774 (SW1) по двухбалансной схеме с использованием ВЧ трансформаторов. Высокое быстродействие, небольшое сопротивление открытых ключей коммутируемых меандром, позволяют получить очень высокие параметры смесителя. Опорный сигнал для него формируется с помощью триггера (U1A), поэтому входная частота с синтезатора должна быть выше в 2 раза. Смеситель с делителем питаются от отдельного стабилизатора напряжения (DA1) через антишумовой фильтр DR11, C33, C37. Выход смесителя, через Т- образный диплексор, рассеивающий внеполосные продукты преобразования, нагружен на защитный (Roofing) фильтр. Каскад на транзисторе VT2 установлен для согласования смесителя с дополнительным SDR приемником или панорамным анализатором. Впоследствии им планируется оснастить трансивер, место под него и разъем заранее предусмотрены.
Первый каскад усиления ПЧ1 выполнен на полевом транзисторе VT5 по схеме с общим затвором и малошумящей отрицательной обратной связью Х-типа. Коммутация прием/передача осуществляется с помощью электронных ключей на диодах VD3, VD4. Для оптимизации нагрузки каскада и дополнительной развязки установлен аттенюатор на R7, R11, R12. Согласование SSB и CW фильтров осуществляется контурами на L4, C10, C11 и L7, C27, C29. Нагрузкой второго контура и одновременно элементом смещения каскада усиления на VT3 служит резистор R17. Этот каскад охвачен АРУ через инвертор на VT4. Резистором R20 устанавливается порог начала снижения усиления при уровне сигнала на входе трансивера S9+20_25дБ. Резистор R22 определяет глубину регулировки АРУ этого каскада. Ключ на транзисторе VT1 снимает питание с обоих усилительных каскадов в режиме передачи. Традиционная шина включения RX (+12В прием / 0В передача) в трансивере Мастер 2009 отсутствует, только TX (+12В передача / 0В прием), поэтому ключ на VT1 инвертирующий. Это несколько упрощает монтаж и позволяет автономно настраивать блоки. Светодиод VD2 не только индикация состояния режима работы, он служит для надежного закрывания VT1 в режиме ТХ. Сигнал с выходного контура на L6, С15, С21 подается на выход ПЧ1 через емкостной делитель, это обеспечивает нужное согласование без катушки связи.
В режиме передачи сформированный сигнал через фильтр пробку на частоту 9,26мГц приходит на согласующий каскад VT6. При появлении в шине ТХ напряжения, коллекторный ток транзистора открывает диод VD4, подключая тракт передачи к Roofing фильтру. VD3 при этом закрывается обратным напряжением. Резистор R24 позволяет выровнять выходное сопротивление этого каскада под входное VT5 для того, чтобы не изменилось согласование фильтра в режиме приема и передачи. В этом же каскаде на диодах VD6, VD5 реализован переключатель входов SSB/CW. С помощью построечного резистора R29 устанавливается нужный уровень SSB сигнала. Уровень сигнала телеграфа (CW) выставляется непосредственно в блоке генераторов.
На рис. 4 показана схема блока ПЧ2 (IF2)
Рис. 4 Смеситель 2, УПЧ2 200кГц, регулируемая режекция, ФОС, смеситель 3.
Второй смеситель приема и передачи-ключ, переключающий опорное напряжение. Все это выполнено на одной МС (SW1). В этом месте хорошо вписалась недорогая МС 74HC4053. Опорное напряжение для смесителя усиливается каскадом на транзисторе VT2, рабочая точка которого Uколл. = 0,5Uпит.SW1 устанавливается резистором R45. Контур L3, C19 выделяет из продуктов преобразования частоту 200кГц и одновременно согласует низкое выходное сопротивление смесителя с высоким 1-го каскада ПЧ2 на VT1. Двухзатворный полевой транзистор в этом месте обеспечивает стабильно высокое усиление при малом уровне шумов. Двухполярное питание позволяет управлять усилением каскада при нулевом смещении [3]. На МС DA1A выполнен “Notch filter” – регулируемая режекция в полосе пропускания ПЧ2. Высокое входное сопротивление ОУ хорошо согласуется с предыдущим каскадом, нагрузкой которого является R8. Установка частоты режекции производится с помощью варикапа VD1, балансировка по максимуму подавления резистором R28. Вторая половина МС является буфером между каскадом режекции и фильтром основной селекции (ФОС). Резистором R21 можно выставить необходимое усиление каскада или скорректировать общее усиление блока ПЧ2. ФОС выполнен на ФЭМе марки RFT с полосой пропускания 3,1 кГц. Достаточный запас по усилению ПЧ2 позволяет сделать согласование с помощью обычных резисторов. С одной стороны фильтра это R22, с другой R18. Последний каскад ПЧ2 выполнен на МС DA2B. Ее двухполярное питание обеспечивает высокую перегрузочную способность. Этот усилитель охвачен АРУ через Q1. По переменному току инвертирующий вывод 6 DA2B является виртуальной землей, поэтому регулирующий транзистор Q1 хорошо развязан по цепи управления. Так же через диод VD5 на Q1 подается запирающее тракт приема управляющее напряжение с подавителя импульсных помех “Noise blanker” (NB). ОУ DA2B работает в инвертирующем включении, поэтому при замыкании ключа каскад вносит затухание не менее 50дБ.
Третий смеситель выполнен аналогично второму, 3 функции в одном корпусе МС - это значительно упрощает общую схему. Нагрузкой смесителя является дифференциальный каскад на ОУ DA3B. Такое включение хорошо подавляет синфазные помехи от опорного сигнала 3-го смесителя. Усиление каскада выставлено около 10дБ. Это компенсирует потери в 3-м смесителе. Дополнительно каскад на DA3B выполняет роль ФНЧ с частотой среза около 4кГц. Вторая половинка этой МС DA3A работает во входном микшере тракта передачи. Он нужен для сложения НЧ сигналов от микрофона (компрессора), испытательного двухтонового генератора и внешнего универсального входа, который незаменим при работе цифровыми видами связи. Ко всему прочему ОУ согласует относительно высокое выходное сопротивление источников с низким входным сопротивлением ключевого балансного модулятора (БМ). Балансый модулятор режима передачи выполнен на ключах МС (SW2). Коммутация с приема на передачу во втором и третьем смесителях происходит переключением сигналов опорных гетеродинов с помощью свободных ключей в тех же самых МС. Выход БМ нагружен дифференциальным каскадом на DA2A c коэффициентом передачи равным 1. Кроме дополнительного подавления сигнала опорного гетеродина, его задача согласование БМ и ФОС. Переключение выходов ФЭМа при смене режима работы происходит с помощью Q1 и Q2 (для Q1 это уже третья выполняемая функция). Открытый ключ Q2 при приеме надежно заземляет выход DA2A, в режиме передачи открытый Q1 подключает к общему проводу вход DA2B. Нагрузкой ФОС в обоих режимах работы является резистор R18. С левой по схеме части фильтра (верхний по схеме вывод С25) при приеме сигнал снимается на усилитель АРУ DA4B. Этот же каскад в режиме передачи является развязывающим между ФОС и двухсторонним диодным ограничителем VD6, VD7. Его при необходимости можно отключить с помощью VT4. Весь этот узел в режиме приема для дополнительной развязки блокируется транзистором VT3. МС DA4A служит буфером между ограничителем и смесителем 2 режима передачи (SW1). С катушки связи симметрирующего трансформатора Т1, однополосный сигнал частотой 8,86мГц, подается в блок ПЧ1 (IF1).
Рис. 5 Компрессор, ФНЧ, ФВЧ, УНЧ, АРУ, подавитель импульсных помех.
Блок НЧ приема и передачи (AF) объединяет в себе сразу несколько узлов, кроме непосредственно усиления и обработки сигналов в него входят выпрямитель АРУ и подавитель импульсных помех (Noise Blanker).
Из блока ПЧ2 принятый НЧ сигнал подается на ФНЧ с частотой среза 3,5кГц. Каскад на DA3A имеет усиление около 10дБ, на параметры фильтра это не отражается. Работа ФНЧ заметна при уровнях принимаемого сигнала на уровне шумов эфира, при бОльших сигналах и при сужении полосы ВЧ срез определяетcя в основном прямоугольностью ФЭМа в ФОС. Далее следует регулируемый ФВЧ с граничными частотами 80_400Гц по уровню -3дБ. Ограничение полосы бывает полезным при сильных НЧ помехах или при приеме DX станций. При хорошем приеме широкая полоса снизу придает сигналу натуральность или особый колорит в случае работы ESSB станции. Регулировка полосы происходит изменением сопротивления канала полевого транзистора VT2. Для минимизации вносимых искажений в приоткрытом состоянии ПТ введена ОС через С29. Возможные переходные помехи при переключении прием/передача, так же в обратную сторону, предотвращает ключ на транзисторе VT6. Он открывается блокируя прохождение НЧ сигнала при появлении в шине TX напряжения +12В. Постоянная времени зарядки конденсатора С40 определяющего состояние ключа, 1мСек, а разрядки 100мСек. Поэтому при переходе на прием, звук на выходе появляется после небольшой задержки, когда переходные процессы уже успевают закончится. Через регулятор громкости R29 сигнал подается на оконечный УНЧ в качестве которого применяется очень распространенная и недорогая МС TDA2003. После применения в трансивере Мастер 2007 более современной микросхемы TDA1013 может показаться, что это шаг назад, однако это не так. Моделирование схем усилителей и детальное исследование параметров обеих микросхем выявило недостатки у TDA1013. Это повышенный уровень гармоник в основном за счет первого регулирующего усиление каскада. Особенно проявляется при бОльшем входном сигнале и небольшой установленной громкости. Наличие инвертирующего входа у TDA2003 позволило включить ее как источник тока управляемый напряжением (ИТУН) по отношению к нагрузке (АС) акустической системе. Это как известно значительно снижает уровень гармоник на средних частотах самой АС [4][5]. Дополнительных мер по демпфированию НЧ резонанса громкоговорителя, как правило не требуется, т.к. сигналы радиолюбительских станций очень редко имеют спектр частот ниже 100Гц, к тому же для приема часто применяют АС небольшого объема.
Рис. 6 Основные параметры МС TDA2003 при включении с ОС по току.
При проверке IMD в качестве генератора использовалась программа SpectraLAB c выходом на звуковую карту Sound Blaster Live! 24-bit, при измерении К гармоник – звуковой генератор. В обоих случаях спектр анализировался той же программой при подаче сигнала на линейный вход ЗК E-MU 0202 USB. Питание МС TDA2003 13,8В.
Для того, чтобы разгрузить самый востребованный стабилизатор трансивера +12В, УНЧ запитан через свой на DA4. Его можно подключить к стабилизатору ВЧ усилителя мощности +24_26В. Претерпел изменения узел формирования сигнала АРУ, его выпрямитель выполнен на одной из половинок МС DA5A по схеме “идеального выпрямителя”. Каскад охвачен ОС через R45 после диода VD7, поэтому линейный участок его работы начинается с единиц милливольт. На вход выпрямителя АРУ подается входной сигнал частотой 200кГц с ПЧ2, поэтому в качестве DA5 нужно применять быстродействующие ОУ. Время отпускания АРУ формируется каскадом на транзисторах VT4, VT5 и разрядной цепочкой С30 через R50, VD11, R58. Резистор R52 служит для калибровки S- метра, а R53 является регулятором ручной регулировки усиления (РРУ). Выпрямитель АРУ задействован так же в устройстве подавителя импульсных помех (NB). Алгоритм его работы подробно описан в [6]. В данном случае схема упрощена до предела при заметно лучшей работе. Из активных элементов всего один корпус МС и транзистор. Это стало возможным после переноса узла выделения помехи и ее блокирования с низкой частоты в ПЧ2. Нет проблем с затягиванием фронта помех из-за высокоселективного ФОС, не нужно бороться с коммутационными искажениями.
На компаратор DA6A в качестве которого используется ОУ подаются два сигнала, в инвертирующий вход (вывод2) с выпрямителя АРУ, а на прямой (вывод 3) с линии задержки. Ее роль выполняет ФНЧ на транзисторе VT3. Сигналы с крутым фронтом, что характерно для помех, приходят на компаратор через ФНЧ с небольшим опозданием, у полезного сигнала фронты более пологие поэтому задержки не происходит. Сработавший компаратор через диод VD8 запускает формирователь импульса “гашения” на DA6B. Цепочка С36, R37 является расширителем этого импульса для более эффективного подавления. Выход NB подается на запирающий ключ в блоке ПЧ2.
Микрофонный вход усилителя для снижения уровня наводок и внешних синфазных помех выполнен по симметричной схеме на ОУ DA1A. С помощью “Т моста” на высоких частотах в него введена частотная коррекция. Ее глубина на частоте 3,5кГц +6_8дБ устанавливается подстроечным резистором R18. Иногда коррекцию АЧХ делают простым уменьшением номиналов переходных конденсаторов, заваливая низкие частоты. Это делать нежелательно по нескольким причинам:
первая – значительная потеря “постоянной составляющей”, это вызывает асимметрию сигнала. Вторая – система голосового управления трансивером (VOX) тем лучше работает, чем больше разница между спектрами голосового сигнала по отношению к принятому и излучаемому АС. Преобладание низких частот в голосе, а значит на входе VOXа, отделяет полезный сигнал от ненужного, более узкого спектра громкоговорителя.
С выхода предварительного усилителя сигнал подается на регулятор порога срабатывания VOXа и сжиматель динамического диапазона - компрессор. Его сигнальный тракт выполнен на ОУ DA1B, а выпрямитель цепи ОС на DA2A, DA2B. Входы выпрямителей включены через фазовращатель, обеспечивающий на частоте 300Гц фазовый сдвиг около 90 градусов. Многофазное двухполупериодное выпрямление позволило уменьшить пульсации напряжения на выходе почти в 6 раз. Это в итоге позволило довести уровень гармоник на частотах 200_300Гц до 0,3%, причем без потери высокой скорости срабатывания петли ОС. Переходную характеристику компрессора значительно улучшает демпфирующая цепочка С13, R17. См. рис. 7
Рис. 7 Переходные характеристики компрессора при степени сжатия 20дБ.
Узел управления собран на самодельной оптопаре из светодиода VD4 и фоторезистора R19. Дополнительный светодиод VD3 позволяет косвенно судить об уровне компрессии. При работе в эфире его редкое моргание говорит о недостаточном уровне входного сигнала, длительное горение--о избыточном уровне. Переменный резистор R20 установленный на передней панели позволяет регулировать входной уровень в зависимости от типа микрофона и его расположения. Резистором R11 выставляется уровень ограничения выбросов на 3_4дБ выше полезного сигнала. Резистор R9 делает ограничение более мягким.
Сравнительное прослушивание сигналов сформированных с помощью двухполосного компрессора Мастера 2007 и рассматриваемого варианта не выявило преимущества первого при заметной простоте новой разработки.
Рис. 8 Схема управления, генераторы.
Блок опорных генераторов состоит из двух кварцевых генераторов, частота одного из них на транзисторе VT7 переключается с помощью реле К1 и L3, C25, C23. Это определяет нижнюю или верхнюю боковую полосу при приеме и передаче (8,862мГц / 8,865мГц). Второй генератор (9,03мГц) на транзисторе VT1, плавно перестраивается с помощью варикапа VD1. Он сдвигает опорную частоту второго смесителя, обеспечивая сужение полосы изменением “просвета” между фильтрами первой и второй ПЧ. Для того, чтобы начальный тон сигнала не изменился, на третий смеситель подается разность частот 1-го фиксированного и 2-го изменяемого генераторов. Эту роль выполняет вспомогательный смеситель на МС DA2. На его выходе, контуре L2, C20, C21 выделятся частота 200кГц, которая является опорной для 3-го смесителя. Транзистор VT6 служит буферным каскадом, так же как VT2 и VT3. Кварцевые генераторы для повышения стабильности частоты питаются от отдельного стабилизатора напряжения на МС DA1. На транзисторе VT5 собран телеграфный (CW) генератор. Узел на элементах C7, R7, R8, R14, R16, C17 и ограничитель напряжения на VD9, VD10 формируют форму телеграфной посылки близкую к колокообразной. [7] Транзистор VT4 позволяет управлять генератором с внешнего, например компьютерного, входа. Резистором R23 можно скорректировать выходное напряжение CW генератора при разной активности экземпляра кварцевого резонатора ZQ2.
На микросхеме DD1 собран двухтоновой генератор. Его схема несколько изменилась, введены элементы для более точной установки рабочей точки R39, R53 и дополнительные RC фильтры R40, R46, C36, C46. Эти меры позволили уменьшить общий уровень гармоник. При включении двухтонового генератора через цепочку из диода VD6 трансивер автоматически переходит в режим передачи.
Схема голосового управления (VOX) и ключей значительно упростилась за счет исключения шины (+12В RX) из управления. Вся коммутация происходит непосредственно в блоках, по месту. Нижнее плечо ключа VT9 (+12В TX) так же удалено. Это стало возможным после привязки всех исполнительных цепей и нагрузок только относительно общего провода.
С регулятора уровня VOXа НЧ сигнал выпрямляется с помощью диода VD4 и транзистора VT10. Цепочка R29 и VD3 смещает рабочую точку выпрямителя для повышения чувствительности. Каскад на VT8 - усилитель постоянного тока (УПТ) и инвертор. Его нагрузкой является времязадающая цепочка из элементов R34, R50, C35, а так же С40 включенный последовательно с VD5. С40 входит в состав одновибратора на транзисторах VT9, VT11. Достаточно даже одного выпрямленного полупериода входного напряжения с уровнем выше порога срабатывания одновибратора и схема перебрасывается в другое состояние. Открываются VT11 и VT9, на выходе шины ТХ появляется +12В, включается передача. Одновременно через R47 начинает заряжаться С40, надежно удерживая около 100мСек режим передачи. За это время через резистор R34 успевает зарядиться С35. Переменный резистор R50 определяет время отпускания VOXа. Этот алгоритм работы VOXа отличается от обычного с выпрямителем и компаратором более высокой скоростью срабатывания и хорошей фиксацией режима. Кроме этого внешняя педаль TX включенная в петлю ОС одновибратора защищена от дребезга контактов. Выпрямитель схемы Анти VOXа выполнен на VD8, VT13 и особых пояснений не требует, уровень входного сигнала с выхода УНЧ трансивера DA4A, можно отрегулировать подстроечным резистором R49.
Все вновь введенные блоки имеют одинаковый размер, унифицированный с узлами трансивера Мастер 2007. 130 х 110 +7мм на ответную часть ISA разъема. ВЧ части печатных плат обязательно должны иметь экранированные отсеки.
Выражаю искреннюю благодарность за помощь в макетировании и отладке узлов Николаю Тимохину RA3TBP, за рецензирование схемотехники Илье Усихину RW3FY, за участие в обсуждении новых узлов трансивера всех участников радиолюбительского форума http://forum.cqham.ru/
Литература:
[1] Высококачественный трансивер с аналоговой обработкой сигнала “Мастер 2007” - ж. РадиоХобби 1,2,3. 2008г.
[2] http://www.xs4all.nl/~martein/pa3ake/hmode/bpf_notch.html
[3] Любительские КВ трансиверы - В.В. Дроздов
[4] Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? - Радио, 1997, № 4
[5]Алейников А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ - громкоговоритель. - Радио, 2000, № 7
[6] Высококачественный подавитель импульсных помех - П. Борщ, В. Семенов РХ 6. 1999г. Стр. 46
[7] И. Усихин RW3FY Блоки КВ трансивера – РадиоДизайн, № 23