TinySSB
Минитрансивер 80mАнджей Янечек
sp5aht@swiatradio.com.pl
Для чего это нужно?Среди различных видов радиоизлучения на коротких волнах однополосная модуляция (SSB) уже много лет доминирует. Передавая только одну боковую полосу (верхнюю - USB или нижнюю - LSB) с подавлением несущей частоты, достигается значительная экономия мощности и полосы пропускания. Это особая амплитудная модуляция, при которой вся мощность передатчика SSB используется для создания только одной боковой полосы. Передатчик занимает более узкую полосу частот, что позволяет большему количеству станций работать в полосе той же ширины. В свою очередь, сужение полосы, принимаемой приемником, примерно на 50% дает дополнительный выигрыш в виде улучшенного отношения принимаемого сигнала к шуму (примерно 3 дБ на выходе приемника). Однако отсутствие несущей позволяет четко принимать сигналы, которые отстоят на нескольких сотен герц от другого сигнала SSB.
Перечисленные выше преимущества излучения SSB достигаются ценой усложнения передающего и приемного оборудования, т. е. трансивера. Существует два метода получения однополосного сигнала: фильтровый метод и фазовый метод.
В фильтровом методе, который обычно используется, несущая частота ослабляется в балансном модуляторе, в то время как боковая полоса отсекается, а несущая дополнительно ослабляется в соответствующим образом настроенном кварцевом фильтре.
Фазовый метод не использует фильтр, но путем сложения или вычитания соответствующим образом сформированных сигналов из балансных модуляторов получается нижняя или верхняя боковая полоса. Качество сигнала SSB в этом методе формирования из-за трудностей в реализации широкополосного шифтеры, хуже. Вот почему этот метод реже используется на практике. Поскольку SSB сигнал можно формировать непосредственно на рабочей частоте (прямое преобразование частоты), а устройства не слишком сложны и их стоимость производства невысока и это соблазн, особенно для начинающих или экспериментирующих электронщиков - радиолюбителей.
Стоит знать, что прямое преобразование используется и в устройствах SDR, т.е. Software Defined Radio, которые - благодаря программным технологиям - значительно дешевле аппаратных решений. Однако они требуют доступа к компьютеру, и это может быть недостатком во многих случаях. В последнее время прямое преобразование частоты с фазовым методом SSB достигло большого прогресса. Были разработаны цифровые модуляторы/детекторы (например, Talyora), а легкий доступ к компонентам благоприятствует внедрению таких модернизированных систем, например, с использованием генераторов DDS. Хорошим примером здесь является конструкция российского мини-трансивера <и>Пилигрим, широко описанная на веб-сайтах. Мы предлагаем начать с чего-то гораздо более простого – трансивера TinySSB как обновленной версии мини-трансивера, впервые созданного автором в 1980-х годах.
Автор убежден, что даже сегодня такая простая конструкция маломощного мини-трансивера SSB может многому научить.Это может быть практикой перед гораздо более сложной и гораздо более дорогой конструкцией, например, вышеупомянутым Пилигримом, и с хорошей антенной и в благоприятных условиях распространения обеспечить нормальную связь, не только локальную, в популярном диапазоне 80 м.
Как это работает?
Рабочее название устройства TinySSB происходит от того, что система работает с простым фазовым методом, который по сравнению с фильтровым методом - характеризуется прежде всего меньшим затуханием боковой полосы, и, следовательно, немного худшим качеством однополосного сигнала.
Блок-схема представленного мини-трансивера, поясняющая принцип работы и прохождение радиочастотных сигналов при приеме и передаче (RX и TX), показана на рисунке 1.
Устройство использует систему прямого преобразования. В таком приемнике радио, аудио, однополосный SSB или телеграфный сигнал CW, поступающий с антенны, демодулируется в смесителе, который также принимает сигнал от локального генератора. Генератор VFO работает в рабочей полосе, и его частота немного смещена, что позволяет принимать звуковой сигнал.
Во время передачи смеситель работает как модулятор, и сигнал также формируется на рабочей частоте. Сигнал с микрофона после усиления подается на однополосный смеситель, в котором несущая частота и вторая боковая полоса ослабляются. Выходная частота равна разнице частот генератора и низкочастотного сигнала. Однополосный смеситель как при приеме, так и при передаче пропускает нижнюю боковую полосу и ослабляет верхнюю боковую полосу и несущую частоту.
Эта система работает в двух направлениях, без необходимости переключения с передачи на прием - меняются направления передачи высокочастотного и низкочастотного сигналов. Благодаря этому, помимо экономичности конструкции, устранено явление двухсигнального приема, которое встречается практически во всех ранее описанных приемниках с прямым преобразованием частоты.
Схема сведена к необходимому минимуму, а при проектировании устройства автор исходил из того, что в схеме должны быть элементы бытовой электроники, в том числе популярные транзисторы, а не интегральные схемы, с использованием дешевого мультимедийного комплекта с наушниками, снабженными регулятором громкости, совмещенным с микрофоном, и переключением с приема на передачу простейшим способом — изменением напряжения переключателем на передней панели.
Основные параметры минитрансивера:
- рабочая частота: 3500...3800 кГц (может быть ограничена),
- излучение: SSB (LSB),
- чувствительность приемника: около 3 мкВ при 10 дБ S+N/N,
- выходная мощность передатчика: 0,3–0,5 Вт,
- нежелательное затухание боковой полосы: 20...30 дБ,
- затухание несущей частоты: >30 дБ
- напряжение питания: 12 В (13,8 В),
- примерные размеры печатной платы: 115 x 115 мм.
Принципиальная схема трансивера представлена на рисунке 2. Сигнал с антенны подается на ВЧ-регулятор через диодный ключ D2, диод поляризован в проходном направлении. После предварительной фильтрации в последовательном LC-контуре (10 мкГн + 180 пФ) он направляется на усилитель в схеме ОЭ с транзистором Т4. Эта схема и диод, питаются только во время приема.
Основную фильтрацию ВЧ сигнала из диапазона 80 м обеспечивает резонансный контур L2C9, настроенный на середину SSB диапазона. ВЧ фазовращатель в простейшем варианте, т. е. в виде двухвыводного R6-C10, подключен к выходу этого контура через обмотку связи. Номиналы этих элементов подобраны таким образом, чтобы в середине SSB диапазона фазовый сдвиг сигнала достигал 90° (+45 и -45), и, следовательно, подавлялась верхняя боковая полоса, так как в диапазоне 80 м используется нижняя боковая полоса (LSB). Эти сигналы затем подаются на два балансных смесителя на диодах D4-D5 и D6-D7, где смешиваются с сигналом перестраиваемого генератора VFO. В один полупериод этого напряжения манипуляции проводит одна пара диодов, а в другой - другая пара. В результате образуются две составляющие низкочастотного сигнала, которые через дроссели DL4 и DL5 направляются на простейшие низкочастотные фазовращатели с элементами C27, R17 и R18, C28, а C25, C26 вырезают остатки высокочастотного сигнала, а затем они суммируются с помощью бифилярной обмотки L6 и через фильтр низких частот демодулированный сигнал подается на звуковой усилитель. Благодаря такому соединению RC-элементов по сути получается один низкочастотный сигнал.
Вторая полоса после симметрично установленного относительно несущей частоты смешения в значительной степени подавляется.Основная селективность приема зависит от фильтра нижних частот, который состоит из катушки L7 и конденсаторов C33 и C35. Его задача — подавить сигналы за пределами полосы 3 кГц. Отфильтрованный низкочастотный сигнал затем усиливается в двухкаскадной схеме с ОЭ на транзисторах Т9 и Т8. Окончательный низкочастотный сигнал подается через эмиттерный повторитель Т7 через конденсатор С31 на гнездо для наушников. Усиление этого каскада и мощность оптимальна для питания мультимедийных наушников, обмотки которых соединены параллельно. Частота принимаемого и передаваемого сигнала определяется рабочей частотой генератора VFO. Ее значение в основном определяется резонансным контуром с катушкой L4 и результирующим значением емкости конденсатора, в основном C19.
Конденсаторы C22 и C23 обеспечивают положительную обратную связь, необходимую для работы схемы генератора с транзистором T5. Затем сигнал VFO усиливается в контуре с транзистором T6 и подается на однополосные смесители через трансформатор L5. Для сдвига фаз сигнала обмотки катушек намотаны трифилярно, т. е. тремя проводами одновременно.
Частота VFO настраивается с помощью варикапа D3 (BB130) путем изменения напряжения потенциометром P1. В модели трансивера при установке ползунка потенциометра в крайние положения (минимальное и максимальное напряжение на диоде) была получена перстройка около 300 кГц, примерно от 3,5...3,8 МГц. Поскольку от этого потенциометра зависит комфорт настройки приемника, желательно использовать многооборотный потенциометр.
В зависимости от номинала LC-контура и используемого диода можно получить разный диапазон рабочей полосы. Автор провел испытания с легкодоступными диодами BB105, получив диапазон настройки около 50 кГц, что может удовлетворить многих конструкторов, желающих ограничить свою работу только наиболее активным участком SSB-диапазона.
При использовании керамических конденсаторов с черной полосой, а также конденсаторов из стирофлекса с черной точкой или буквой J стабильность генератора была очень высокой, поэтому не было необходимости использовать дополнительные компенсирующие цепи, особенно ФАПЧ, не говоря уже о DDS, которые сами по себе сложнее и дороже предлагаемого устройства.
Дальнейшей модернизацие VFO можно предположить использование недорогого синтезатора частоты на популярной микросхеме Si5351 c небольшим дисплеем.
Питание всего устройства может осуществляться от 12 В (13,8 В) от хорошо стабилизированного источника питания или аккумулятора 12 В. Система US1-7808 стабилизирует напряжение питания на уровне 8 В и используется для питания VFO.
Переключение устройства с приема на передачу (RX/TX) осуществляется изменением напряжения питания соответствующих цепей, что достигается с помощью переключателя PZ, установленного на передней панели мини-трансивера.
Конечно, можно использовать реле, катушка которого будет включаться кнопкой PTT.При передаче низкочастотный сигнал с электретного микрофона Me усиливается в схеме OE с транзистором T10, а затем подается на узел однополосного смесителя, который теперь используется в противоположном направлении, чем при приеме. Сначала этот сигнал ограничивается диапазоном 3 кГц с помощью фильтра нижних частот, а затем он разделяется в L6 на два сигнала в противофазе и подается на узел низкочастотного фазовращателя, откуда поступает на узел балансного смесителя D4, D5 и D6, D7. Благодаря дополнительным потенциометрам P3 и P4 удается точно сбалансировать модуляторы и получить оптимальное затухание несущей волны. Автор использовал многооборотные потенциометры.
Окончательный сигнал передатчика после прохождения высокочастотного фазовращателя получается на выходе отвода катушки L2 и уже лишен не только несущей частоты, но и значительного затухания боковой полосы. Подробное объяснение того, как работает такой однополосный смеситель, который в нашем случае пропускает нижнюю боковую полосу и подавляет верхнюю боковую полосу и несущую волну, можно продемонстрировать на векторной диаграмме — необходимо было бы показать, как векторы сигналов в одной фазе складываются и вычитаются в противофазе, но из-за ограниченного пространства эти иллюстрации были опущены.
Дальнейшее усиление сигнала SSB происходит в схеме с OE на транзисторе T3. Затем сигнал через эмиттерный повторитель с T2 попадает на вход оконечного усилителя с транзистором BD135. Рабочая точка этого транзистора обеспечивается проходным смещенным выпрямительным диодом D1, на котором подается напряжение около 0,6 В. Эмиттерный резистор служит для термостабилизации каскада и улучшает линейность каскада. При таких выбранных значениях эмиттерный ток транзистора составляет около 15 мА.
Нагрузкой каскада является катушка L1, намотанная бифилярно (трансформация импеданса 1:4).Выходной сигнал передатчика направляется через разделительный конденсатор C4 на антенное гнездо. Катушка L1 не только согласует выходное сопротивление каскада, но и совместно с конденсатором C1 создает резонансный контур для диапазона 80 м, который дополнительно фильтрует не только выходной сигнал, но и входной сигнал при приеме. В моделе системы выходная мощность составила около 300 мВт, а при громком свисте в микрофон даже превысила 500 мВт.
Наилучших результатов автор добился, используя транзистор 2SC3420.Сборка и запуск
Вся система описанного мини-трансивера может быть собрана с использованием универсальной печатной платы размером примерно 115x115 мм. Плата (рисунок 3) может быть получена путем травления или фрезерования припойных островков, в то время как оставшийся слой представляет собой массу.
Эта технология была использована в решении специально, потому что она позволяет вносить изменения, легко проводить тестирование и тестировать различные варианты схемы, которые будет сложно выполнить с «закрытой» печатной платой. Также возможно использование старых, более крупных компонентов (без ущерба для качества сигнала или целевых параметров устройства). Печатная плата, показанная на первой фотографии, взята из книги автора «Konstrukcje walki dla dzieci» (WKiL 1994) и немного преувеличена, поскольку она немного больше и содержит несколько дополнительных островков, так что в усилителе микрофона, а также в конечном усилителе передатчика можно добавить один транзистор.
Сама схема собирается быстро и качественно, но с предварительной подготовкой платы — очисткой медного слоя, покрытием его канифолью и подготовкой и проверкой LC-цепей.
Понимая, что больше всего проблем у начинающих конструкторов может вызвать правильное выполнение обмоток, этой теме нужно уделить немного больше места. В качестве катушек DL1–DL5 можно использовать коаксиальные заводские дроссели, напоминающие резисторы, причем необходимо следить за тем, чтобы первый из них DL1, был рассчитан на больший ток нагрузки, например, 1 А, а значения индуктивности не имеют решающего значения. Лучше всего использовать заводской дроссель 22 мкГн/1 А. Также можно намотать обмотку на ферритовом сердечнике F-200 с 6 отверстиями. DL3 должен создать резонансный контур с конденсатором C14 на частоте около 3,7 МГц (конденсатор емкостью 180 пФ нетипичен при значении 10 мкГн). Если используется дроссель емкостью 4,7 мкГн, значение конденсатора будет выше и должно составлять 420 пФ. Катушки фильтра длиной 80 м можно намотать на тороидальных сердечниках, например, Amidon T37-2 (красный; 9,53 x 5,21 x 3,25 мм, Al. = 4).
Катушка L2 должна содержать 36 витков провода DNE 0,4 (отвод после 6-го витка со стороны земли), а катушка связи L3, намотанная на нее – 10 витков того же провода или телефонного кроссовера. Катушка контура VFO, т. е. L4, должна содержать 26 витков провода DNE 0,4 на том же сердечнике. В случае фильтра L1 обмотка содержит 36 витков, но намотана она должна быть бифилярно, т. е. двумя проводами одновременно, по 18 витков провода DNE 0,4.
Если у вас сердечник, отличный от T37-2, следует пересчитать витки, учитывая другое число AL текущего сердечника (AL – число витков на 1 нГн). Широкополосный трансформатор, подающий сигнал VFO на смеситель, обозначенный как L5, должен содержать три одновременно намотанных обмотки по 10 витков DNE 0,4 на сердечнике FT37-43 или RP10x6x3.
Этот сердечник и T37-2 можно приобрести в магазинах. Остальные фильтры низких частот должны быть намотаны на чашечных сердечниках (два элемента М-образной формы и пластиковая бобина для намотки посередине), но при некоторой удаче можно найти готовые обмотки, соответствующие нашему решению. Индуктивности могут немного отличаться от приведенных, и тогда емкость должна быть скорректирована.
Низкочастотный автотрансформатор, сумматор, обозначенный как L6, можно намотать бифилярно примерно 400 витками провода DNE 0,1 на сердечнике диаметром 14 мм из материала F1001 и AL=400. Вы также можете попробовать использовать трансформатор от старого транзисторного радиоприемника с двумя симметричными обмотками.
Катушка L7 изготовлена из заводского дросселя с индуктивностью около 100 мГн, который можно получить, намотав 500 витков провода DNE 0,1 на сердечнике диаметром 14 мм из материала F 1001 и Al = 400; 250 витков при AL = 1600. Однако стоит поискать предложение с такими дросселями в Интернете, потому что иногда их можно недорого купить.
При самостоятельной намотке в этом и вышеприведенном случае лучше выбрать сердечник с большим значением AL, потому что тогда количество витков уменьшится, и обмотки можно будет намотать более толстым проводом. Как вы можете видеть на вступительной фотографии, автор использовал немного большие сердечники диаметром около 26 мм, потому что именно такие оказались в ящике.
Еще несколько практических замечаний относительно намоток на ферритовых сердечниках. Хорошо иметь что-то для измерения индуктивности катушек: сначала омметром, чтобы проверить отсутствие обрывов, а затем измерителем индуктивности; высокочастотные катушки, например, с помощью насадки, входящей в комплект мультиметра. Желательно защитить все обмотки, покрыв их лаком или проклеив водостойким клеем. После высыхания следует снова проверить индуктивность, чтобы увидеть, нужно ли менять значение конденсатора, взаимодействующего с обмоткой. Катушки на чашечных сердечниках могут менять индуктивность в зависимости от изменения зазора.
Здесь стоит попробовать изменить зазор, например, вставив тонкую пластиковую фольгу или тонкую бумагу, так как таким образом можно настроиться на необходимую индуктивность.
Также слишком сильное сжатие сердечника крепежным винтом изменяет индуктивность, не говоря уже о том, что сам факт размещения его в отверстии также может иметь большое влияние. Автор использовал латунные винты М2,5, которые вызывали лишь минимальную расстройку катушек, в отличие от стальных.Запуск системы зависит от имеющихся у вас измерительных возможностей.
Здесь представлены самые простые методы с минимальным оборудованием: после того, как компоненты будут припаяны к плате, следует использовать вольтметр постоянного тока для проверки значений напряжения питания на электродах транзистора, поскольку может оказаться, что при значительных колебаниях коэффициента усиления транзистора - необходимо скорректировать значения резисторов в базах. Лучше всего запускать электронную часть после монтажа платы в выбранный металлический корпус или в корпус, изготовленный самостоятельно. В простейшем случае корпусом могут служить два куска алюминиевого листа, согнутые в форме буквы П.
Передняя панель должна быть оснащена потенциометрами P1 и P2 и переключателем Pz, а также гнездами для подключения гарнитуры и микрофона. Переднюю панель желательно оснастить электронной шкалой. В этом случае это может быть любой цифровой частотомер, даже работающий только до 4 МГц. Задняя панель должна содержать гнезда питания и антенны. Корпус транзистора BD135 также можно прикрутить к задней панели, но через слюдяную прокладку, если коллектор открыт.
Лучше всего начать с VFO, т. е. с проверки напряжения на эмиттере T5, которое должно быть около 4 В и эмиттере T6, которое может быть в диапазоне 200-500 мВ. При установке Pz в положение приема напряжения на коллекторах T4, T9 и T8 должны быть близки к половине напряжения питания, т. е. около 6 В, одинаково при передаче на T3 и T10. Также около половины напряжения питания должно приходиться на эмиттеры T7 (при приеме) и T2 (при передаче). Ток транзистора T1 также можно проверить, измерив падение напряжения на резисторе эмиттера.
В состоянии покоя напряжение на резисторе T1 может находиться в диапазоне 15–25 мВ. На его величину влияют диод D1 и резистор R2 (при необходимости их номиналы можно изменить).
Следующий необходимый шаг — проверить частоту VFO с помощью частотомера или дополнительного приемника для диапазона 80 м, расположенного близко к выходу системы.
Автор в своем макете, хотя и предназначенном в основном для экспериментов, использовал микропроцессорную цифровую шкалу AVT-5112, которую он сконструировал сам, подключенную к коллектору Т6 через конденсатор емкостью 3,9 пФ, тогда как ранее подключение к излучателю через большую емкость вызывало незначительные помехи приему.
Такая шкала является весьма полезным аксессуаром не только для этого трансивера.
Стоит знать, что в случае слишком широкого диапазона настройки генератора его можно ограничить с помощью дополнительных резисторов, подключенных к крайним выводам потенциометра. Для коррекции частоты VFO предусмотрен дополнительный конденсатор C20, и на первых порах это может быть подстроечный конденсатор номиналом 30-50 пФ.Если генератор работает в своем диапазоне, а катушки проверялись, например, с помощью ГДО (TDO), то после подключения антенны в наушниках можно будет принимать местные станции, работающие немного выше 3,7 МГц.
Проверку и тонкую настройку приемника лучше всего производить с помощью ВЧ-генератора. с регулируемым уровнем выходного сигнала, но стоит подкорректировать качество приема при хорошем прохождении на соревнованиях, потому что тогда мы наверняка услышим много станций и можно будет улучшить систему. Вы, конечно, можете тогда проверить работу аттенюатора P2 или улучшить чувствительность, подкорректировав номинал конденсатора C9. Вы также можете выбрать полосу пропускания низкочастотного тракта, подкорректировав номиналы конденсаторов усилителя низкой частоты. Например, очень простым способом можно сузить полосу пропускания низкочастотного тракта, немного увеличив емкость C33 или C35, а также подключив дополнительные конденсаторы с подобранными номиналами из диапазона 330пФ...1нФ к резисторам R21 и R23. Такая отрицательная обратная связь также вызовет определенное ограничение полосы сверху.
Также заметного улучшения приема, включая частичное устранение внеполосных помех, можно добиться, добавив к катушке L7 выбранный конденсатор с номиналом в диапазоне 10...22 нФ — будет создан параллельный резонансный контур, который улучшит затухание выше 3 кГц.
Поэтому стоит поэкспериментировать, чтобы настроить звук в соответствии с собственными предпочтениями.Выходной сигнал передатчика после переключения Pz на передачу можно проверить с помощью дополнительного приемника, расположенного рядом с выходом антенны, нагруженного резистором 50 Ом/1 Вт и осциллографом, или, возможно, диодным щупом. В простейшем случае это может быть велосипедная лампочка 6 В/0,6 Вт, которая, загораясь в такт модуляции, обеспечит правильную работу усилителя передатчика.
Одним из необходимых шагов при запуске передатчика является балансировка модулятора путем установки ползунков потенциометров P3 и P4 таким образом, чтобы получить на выходе минимально возможный уровень несущей волны. Лучше всего использовать внешний приемник для этой операции, хотя настройка ВЧ-зонда на самый низкий уровень ВЧ-сигнала будет правильной. Следует добавить, что диоды для модулятора не обязательно должны быть согласованным "квартетом", но они должны быть из одной серии.
Стоит выбрать те, у которых схожие параметры из большего числа, например, с помощью мультиметра, измерив падение напряжения на разъеме. После переключения боковой полосы на USB во внешнем приемнике можно попробовать сопоставить элементы вышеупомянутых фазовращателей HF и LF до минимально возможного уровня сигнала нежелательной боковой полосы, однако, эта операция требует многих экспериментов и опыта. Для того, чтобы изаменить боковую полосу в нашей системе, необходимо перекрестить выводы сигналов фазовращателя.
На рисунке 4 показан эскиз частотной характеристики минитрансивера. Легко видеть, что фазовращатель LF дает фазовый сдвиг 90° только на частотах около 700 Гц и 1,5 кГц, поскольку в точках A и B затухание второй боковой полосы составляет около 30 дБ (лучшие характеристики могут быть достигнуты в методе фильтрации с простым кварцевым фильтром).
Несмотря на вышеупомянутые недостатки и низкую мощность передатчика, с хорошей антенной (например диполь 2x19,5 м) вы можете — при хороших условиях распространения — установить не только местные связи в диапазоне 80 м на этом минитрансивере TinySSB.
Автор призывает более опытных разработчиков модернизировать устройство, например, заменив диодный модулятор на набор ключей на цифровой схеме (74HC4066, 74HC4053 и т.п.) и транзисторные усилители на популярные операционные усилители с низкочастотной характеристикой формирования, а также поделиться любыми комментариями по работе устройства.
Список детаей:
Источник: "Elektronika dla Wszystkich". Июль 2009
Перевод и HTML верстка Николая Большакова (RA3TOX)
[ На главную ] [ В раздел ]
