Odbiór superheterodynowy

Odbiór superheterodynowy
Jak zostało już napisane w dziale
poświęconym schematom
blokowym superheterodyna
jest
najdoskonalszym układem radiowym,
stosowanym do dzisiaj w praktycznie
każdym urządzeniu radioodbiorczym,
poczynając od zwykłych 'jamników' po
telefony komórkowe i radary. Aby
zrozumieć na czym polegają jej zalety
należy najpierw opisać podstawowe wymagania stawiane odbiornikom i wynikające z nich
ograniczenia możliwości poszczególnych układów.
Oczywiste są dwa podstawowe parametry odbiornika - CZUŁOŚĆ i SELEKTYWNOŚĆ. Czułość
jest parametrem mówiącym jak słaby sygnał dany odbiornik jest w stanie odebrać, oczywiście im
wyższa tym lepiej. Czułość zależy bezpośrednio od wzmocnienia odbiornika - większe wzmocnienie
powoduje, że słaby sygnał daje już słyszalny w głośniku lub słuchawkach efekt. Selektywność
natomiast to parametr opisujący możliwość wychwycenia jednej żądanej, aktualnie odbieranej stacji
spośród innych, leżących na skali bardzo blisko. Selektywność uzyskuje się za pomocą odpowiednich
filtrów wybierających odbieraną częstotliwość spośród wszystkich przychodzących z anteny. Filtrami
tymi są OBWODY STROJONE, im tych obwodów jest więcej tym selektywność jest większa. Z tego
powodu odbiornik dwuobwodowy jest lepszy od jednoobwodowego a gorszy od pięcioobwodowego.
We wszystkich typach odbiorników poza superheterodynami, niezależnie od rodzaju zastosowanego
detektora odbierana jest bezpośrednio sygnał o częstotliwości nadajnika dostarczony bezpośrednio
przez antenę. Z tego powodu te odbiorniki są czasami nazywane odbiornikami bezpośredniego
wzmocnienia. Oznacza to, że wszystkie obwody strojone odbiornika muszą być nastrojone na jedną i
tą samą częstotliwość - częstotliwość odbieranej stacji. Przestrajanie radia na inną stację wymaga
przestrajania wszystkich obwodów, podobnie zamiana zakresów. Analogicznie, uzyskanie
odpowiedniego wzmocnienia warunkującego dużą czułość wymaga zastosowania odpowiedniej ilości
wzmacniaczy w.cz, gdyż ze względu na zakłócenia nie jest możliwe zbudowanie bardzo czułego
wzmacniacza m.cz.
Wspomniane wyżej parametry nie są tak istotne na falach długich i częściowo średnich, gdzie ze
względu na stosunkowo wysoki poziom zakłóceń nie da się i tak uzyskać bardzo wysokiej czułości,
oraz stosunkowo dużej szerokości pasma w stosunku do obieranej częstotliwości. Natomiast wraz z
upowszechnieniem się zakresu fal krótkich i zwiększeniem tłoku w eterze czułość i selektywność
zyskiwały coraz bardziej na znaczeniu. Zwłaszcza selektywność - szerokość pasma zajmowanego
przez stacje pracujące z modulacją AM (a więc tą używaną na zakresach długo, średnio i
krótkofalowych) wynosi od 7 do 11kHz (dzisiejsza norma definiuje ją na 9kHz). W przypadku fal
długich i częściowo średnich wartość stosunku wymaganej szerokości pasma do odbieranej
częstotliwości jest niewielka - co nie wymaga dużej selektywności, a więc i dużej ilości obwodów
strojonych, inaczej jest na zakresie fal krótkich. Dodatkowo wraz ze wzrostem częstotliwości spada
wzmocnienie pojedyńczego stopnia, czyli zwiększa się wymagana ilość lamp do zapewnienia
odpowiedniej czułości.
Wymienione przed chwilą czynniki powodują, że dobry odbiornik musi mieć wiele obwodów
strojonych i wiele stopni wzmocnienia (lamp). Skonstruowanie takiego odbiornika jest zaś praktycznie
niemożliwe zwłaszcza ze względu na większą ilość obwodów. Każdy z tych obwodów musi być tak
samo przestrajany za pomocą pokrętła strojenia. Problemem staje się tu współbieżność przestrajania
obwodów, gdyż każda, nawet niewielka rozbieżność przy większej ilości obwodów powoduje silne
tłumienie niszczące efekt dużego wzmocnienia. Dodatkowo ze względu na bliskie fizyczne położenie
tych elementów, powstają pomiędzy nimi sprzężenia co objawia się gwizdami w odbiorniku przy
dostrajaniu się do stacji lub wręcz wzbudzeniem się odbiornika (odbiornik zamienia się wtedy w
nadajnik). Zredukować to można przez bardzo rozbudowane obwody zasilania, ekrany, bardzo
precyzyjny montaż itp. - odbiornik staje się wielki, ciężki i drogi, bardzo trudny w strojeniu (w
fabryce), oraz podatny na zmiany wartości elementów spowodowane nagrzewaniem lub starzeniem.
Wad tych jest w znacznej części pozbawiony odbiornik superheterodynowy. Odbiór
superheterodynowy polega na zamianie odbieranej częstotliwości wewnątrz odbiornika w inną,
zawsze stałą (dla danego typu odbiornika oczywiście) i niezmienną w czasie pracy. Do tej zmiany
służy mieszacz i HETERODYNA. Uzyskana częstotliwość wewnątrz odbiornika (tak zwana
częstotliwość pośrednia, w skrócie p.cz.) jest następnie wzmacniana i filtrowana przez odpowiednią
ilość odwodów strojonych. Ponieważ ta częstotliwość jest stała i zawsze inna niż odbierana, to
wzmacniacz ten robi się dużo prostszy - można użyć dużo obwodów strojonych bez obaw o
wzbudzenie, gdyż obwody te są nieprzestrajane, a więc mogą być małe, zamknięte w niewielkiej,
szczelnej ekranującej metalowej puszce i umieszczone daleko od siebie. Również wartość tej
częstotliwości można dość dowolnie wybrać, więc może ona być na tyle mała, że uda się osiągnąć
bardzo duże wzmocnienie, co zmniejsza ilość wymaganych stopni wzmacniacza p.cz. do jednego, a w
przypadku najlepszych odbiorników do dwóch.
Do 'przeniesienia' sygnału radiowego z częstotliwości stacji nadawczej na wewnętrzną częstotliwość
pośrednią odbiornika służy układ zwany mieszaczem. Mieszacz wykorzystuje do tworzenia
częstotliwości pośredniej oprócz sygnału w.cz. będącego sygnałem odbieranym również drugi sygnał,
wytwarzany lokalnie w odbiorniku, o pewnej określonej, ale zmiennej, częstotliwości. Na wyjściu
mieszacza jako produkty mieszania tych dwóch sygnałów otrzymamy pewien sygnał wyjściowy, który
jest różnorodną kombinacją obu sygnałów wejściowych. Każdy sygnał wejściowy ma określoną
częstotliwość, sygnał wyjściowy ma częstotliwość będącą kombinacją częstotliwości sygnałów
wejściowych: ich sumy, różnicy, sumy i różnicy ich wielokrotności. Poglądowo przedstawia to
rysunek obok. Czarne słupki oznaczone 'A' i 'B' to sygnały wejściowe - odpowiednio odbieranej stacji
i lokalny, prążki kolorowe to składowe sygnału wyjściowego. Na osi poziomej
jest
częstotliwość
sygnałów,
na
osi
pionowej
ich
siła.
Jak widać z rysunku najsilniejsze są cztery składowe sygnału wyjściowego: A
+ B, B - A, 2*A i 2*B ('A' i 'B' oznacza ich częstotliwości, odpowiednio
sygnału odbieranego i heterodyny), więc praktycznie użyteczne są tylko one.
Zwyczajowo wybiera się zawsze składnik B - A, czyli sytuację, kiedy
częstotliwość lokalnego generatora odbiornika jest większa od częstotliwości
odbieranego sygnału o wartość częstotliwości pośredniej. Jak widać z rysunku
mieszacz generuje kilka silnych składników sygnału wyjściowego, w tym dwa
(A-B i A+B) będące kombinacjami obu sygnałów wejściowych co może spowodować problemy:
można znaleźć taką wartość częstotliwości sygnału wejściowego w.cz., że któryś z wyników jego
mieszania z aktualną częstotliwością heterodyny. Jeżeli przez 'P' oznaczymy wartość częstotliwości
pośredniej, to przy wybranym wyjściowym prążku sygnału wyjściowego jego częstotliwość jest
opisana równaniem B - A = P. Istnieje jednak taka częstotliwość wejściowa C, dla której prawdziwe
będzie takie równanie: B - C = P, a więc dla niej i aktualnej częstotliwości lokalnej otrzymamy tą
samą częstotliwość pośrednią. Proste przekształcenie tych równań da następujące rozwiązanie: C =
2*P. Oznacza to, że oprócz żądanej stacji odbierana jest stacja o częstotliwości leżącej w odległości
podwójnej częstotliwości pośredniej od stacji odbieranej. Sygnał ten jest nazywany sygnałem
lustrzanym albo krótko 'lustrem', bo jest jakby lustrzanym odbiciem właściwego sygnału odbieranego.
Ponieważ jedynym miejscem gdzie można się pozbyć sygnału lustrzanego jest wejście odbiornika, a
ściślej mówiąc jego filtry wejściowe, to sygnał ten nie może leżeć zbyt blisko sygnału odbieranego,
gdyż inaczej filtry muszą być bardzo skomplikowane albo filtracja nie będzie wystarczająco
skuteczna. Oznacza to po prostu, że częstotliwość pośrednia nie może być zbyt niska. W praktyce
stosowane są dwie wartości: około 128kHz i 460kHz. Ta pierwsza jest zdecydowanie zbyt niska już
pod koniec zakresu fal średnich - różnica pomiędzy częstotliwością właściwą i lustrzaną dla fali
średniej o częstotliwości 1MHz to tylko około 25%, wtedy filtracja jest już niezbyt skuteczna, i silne
stacje mogą być w dwóch miejscach skali: w miejscu właściwym i drugi raz jako lustro dla innej
częstotliwości. Jeszcze gorzej jest dla fal krótkich, np. dla częstotliwości 20MHz różnica między
odbieranym sygnałem a lustrem to tylko 1%, czyli lustro jest praktycznie nietłumione, nawet dla
wyższej częstotliwości pośredniej (460MHz) - stacje krótkofalowe zawsze występują w dwóch
miejscach na skali.
Istnienie lustra jest dużą i podstawową wadą odbioru superheterodynowego. Można sobie z nią
poradzić na dwa sposoby: albo zbudować odpowiednio skuteczne filtry wejściowe (bardzo często w
superheterodynach stosowane są na wejściu FILTRY PASMOWE sprzężone podkrytycznie), co i tak
nie jest w zasadzie praktycznie realizowalne dla fal krótkich. Drugą metodą jest odpowiednie
zwiększenie częstotliwości pośredniej, tak aby lustro leżało odpowiednio daleko. Niestety
częstotliwość pośrednia nie może być zbyt duża i to z dwóch powodów: zacznie spadać wzmocnienia
stopnia p.cz. i będą trudności w uzyskaniu odpowiedniej selektywności - 9kHz dla 128kHz to 7% i nie
ma problemu w zbudowaniu filtra o takiej szerokości pasma. Jednak dla 1MHz będzie to już 0.9% i
uzyskanie filtra o tak wąskim paśmie robi się trudniejsze. Jak więc widać nie ma dobrej metody
likwidacji lustra.
Dobrym rozwiązaniem jest dopiero podwójna przemiana częstotliwości, spotykana w najbardziej
luksusowych odbiornikach (np. Elektrit Oceanic) i to tylko dla zakresu fal krótkich. Schemat blokowy
odbiornika z podwójną przemianą widoczny jest obok.
Podwójna przemiana polega na tym, że sygnał wyjściowy z pierwszego mieszacza jest filtrowany,
żeby wydzielić interesujący nas prążek, poczym trafia jako sygnał wejściowy drugiego mieszacza
(drugi mieszacz jest oczywiście napędzany drugim generatorem lokalnym) i dopiero druga
częstotliwość pośrednia otrzymana na wyjściu drugiego mieszacza jest właściwą częstotliwością
pośrednią. W tym układzie pierwsza częstotliwość pośrednia jest w miarę możliwości wysoka, gdyż
służy ona do likwidacji lustra. Dobiera się ją w ten sposób, że lustro może zostać silnie stłumione w
zwykłym, prostym filtrze wejściowym. Nie musi być ona dokładnie filtrowana, gdyż nie od niej
zależy selektywność odbiornika, filtr pierwszej pośredniej może mieć szerokie pasmo, dużo szersze
niż szerokość pasma sygnału (9kHz), nie może on po prostu przepuścić innego prążka sygnału
wyjściowego, a prążki te będą leżeć dosyć daleko. Dopiero druga częstotliwość pośrednia może być
niska, tak aby dało się łatwo uzyskać założone wzmocnienie i selektywność.
Odbiornik z podwójną przemianą to zwykły odbiornik z pojedynczą przemianą jakby z dołożonym
na wejście dodatkowym mieszaczem likwidującym lustro. Niestety, powoduje to znaczną komplikację
odbiornika i było stosowane tylko w najlepszych i najdroższych modelach.
Dławik - w oryginale jest mowa o rdzeniu ferrytowym o średnicy 4mm i długości
około 12mm. Ja znalazłem u siebie jedynie taki o grubości 3mm i długości 20mm.
Nawinąłem na nim zgodnie z opisem 30 zwojów drutem w emalii 0,1mm. Co
prawda nie wyszło idealnie, zwój przy zwoju (a paru miejscach powstała szpara)
ale jedna osoba z tego forum stwierdziła, że dławik nie jest krytyczny i nie muszę
poprawiać (zarówno co do innego rdzenia jak i uzwojenia) więc tak zostawiłem.
Cewka obwodu rezonansowego. Powietrzna - nawinąłem ją korzystając ze
śrubokręta o średnicy 6mm, jako wzorca. W opisie była mowa o sześciu zwojach.