Разместить здесь вашу рекламу


Проект «Селенит». Часть 3: Диапазонный полосовой фильтр

Моя цель - предложение широкого ассортимента товаров и услуг на постоянно высоком качестве обслуживания по самым выгодным ценам.

На заре зарождения радиотехники безмятежный покой мирового эфира нарушался, разве что, электромагнитными волнами, порождёнными грозовыми разрядами. Современный эфир такой безмятежностью уже не обладает, он наполнен огромным количеством сигналов, как естественного, как и искусственного происхождения.

Радиоприёму на любительских КВ-диапазонах мешает буквально вся городская среда: базовые станции сотовой связи, мощные лампы уличного освещения, соседние компьютеры, гаджеты и т.д. Ослабить влияние внеполосных помех на полезный сигнал помогает применение в радиоаппаратуре связи диапазонных полосовых фильтров.

Все части цикла статей о создании любительской радиостанции:
  • Проект «Селенит». Часть 1: Побуждение к действию
  • Проект «Селенит». Часть 2: Квадратурный смеситель
  • Проект «Селенит». Часть 3: Диапазонный полосовой фильтр ← Вы здесь

▍ Блок диапазонных полосовых фильтров трансивера


Схема блока диапазонных полосовых фильтров (ДПФ) трансивера Selenite Lite приведена на рисунке ниже:


Правая часть схемы содержит четыре полосовых октавных фильтра Баттерворта третьего порядка с полосами пропускания 1.5…4, 4…8, 8…16 и 16…32 МГц. «Октавными» они называются по причине того, что «перекрывают» диапазон в «одну октаву», т.к. нижняя частота среза у них в два раза меньше верхней. Переключатель диапазонных фильтров в левой части схемы собран на двух половинках мультиплексора-демультиплексора SN74CBTLV3253PW. Для обеспечения работы микросхемы с аналоговыми сигналами на «общие» выводы переключателей 1A и 2A подано напряжение смещения, равное половине напряжения питания.

Правильно собранный из рекомендованных компонентов ДПФ не требует настройки и имеет АЧХ как на рисунке ниже с вариациями в пределах допуска компонентов:


Отметим, что на рисунке выше заметно ослабление сигнала в полосе пропускания фильтров на 3 дБ.

▍ Блок ДПФ приёмника Softrock Ensemble II RX


За основу блока ДПФ разработанного в рамках проекта трансивера взята схема полосового фильтра «высокочастотной» версии приёмника Softrock Ensemble II RX, приведённая на рисунке ниже.


Схема «прототипа» тоже содержит четыре полосовых октавных фильтра Баттерворта третьего порядка с полосами пропускания 1.5…4, 4…8, 8…16 и 16…32 МГц, но выглядит несколько сложней. Блок ДПФ приёмника гальванически развязан от антенны, «половинки» FST3253 в переключателе диапазонных фильтров включены «в параллель» для снижения переходного сопротивления открытых каналов, напряжение смещения подаётся через обмотки трансформаторов, а на входах двух «низкочастотных» фильтров включены аттенюаторы.

Аттенюаторы нужны для комфортной работы на «шумных» низкочастотных диапазонах без снижения чувствительности приёмника. В трансивере Selenite Lite эта задача решена по-другому: если в приёмнике Softrock Ensemble II RX предусилитель в схеме Тэйло имеет коэффициент передачи k = 50, то в трансивере Selenite Lite коэффициент передачи этой схемы k = 10, а «недостающие децибелы» можно компенсировать настройками усиления входных цепей кодека.

▍ Конструкция блока ДПФ трансивера Selenite Lite


Принципиальное отличие блока ДПФ разработанного трансивера от аналогичных решений заключается в том, что он полностью собран на SMD-компонентах и не содержит моточных изделий. На фото ниже представлены фрагменты лежащих рядом плат трансивера Selenite Lite (слева) и SDR-приёмника Softrock Ensemble II RX (справа):


Зоны размещения ДПФ на платах обведены красным. Любой, кто мотал катушки индуктивности на «тороидах», особенно, на Т25 и мельче, согласится, что потеря 3 дБ для фильтра на SMD-компонентах – ничто, по сравнению с трудоёмкостью изготовления и монтажа «намотанных» катушек.

Подытожим: трансивер Selenite Lite работает в диапазоне частот от 1500 кГц до 30 МГц и «перекрывает» без разрывов девять любительских (десять, если считать неразрешённый в РФ диапазон 60 м), 14 вещательных КВ-диапазонов и диапазон СиБи (CB), но имеет в составе только четыре диапазонных полосовых фильтра.

▍ Сам себе полосовой фильтр


Применение четырёх «октавных» фильтров вместо гораздо большего количества «диапазонных» стало возможным исключительно из-за особенностей применённого в трансивере смесителя.

Dan Tayloe в своей статье [2] отмечал, что одним из достоинств его схемы является возможность создания высокодобротного полосового фильтра, полоса пропускания которого определяется ёмкостью применённых в схеме конденсаторов и сопротивлением цепи между этими конденсаторами и источником сигнала.

Эквивалентная схема одного канала коммутации схемы Тэйло приведена в [2] на рисунке 4. Сопротивление цепи между источником сигнала и конденсатором C1 складывается из эквивалентного сопротивления выхода диапазонного полосового фильтра Rsys, сопротивления резистора между ДПФ и смесителем R и переходного сопротивления канала микросхемы мультиплексора-демультиплексора Rs.


В «классической» схеме Тэйло каждый из конденсаторов подключается к источнику сигнала на протяжении четверти цикла. В «двойной» схеме с балансным трансформатором на входе каждый конденсатор подключается к источнику сигнала на протяжении половины цикла, и в этом случае частоту среза такого «переключаемого интегратора» можно вычислить по формуле:

$F_s = \frac {1}{2\pi (R_{sys} + R + R_s) C1}$


Недостатком схемы Тэйло являются ярко выраженные на АЧХ смесителя резонансы на нечётных гармониках принимаемого сигнала, о чём также упоминает в своей публикации и Г.П. Петин. Для фильтрации нечётных гармоник вполне достаточно и «октавного» фильтра, что мы и имеем в рассматриваемой конструкции.

Возможность применения совместно со смесителями по схеме Тэйло простых полосовых октавных фильтров определяется высокой стойкостью этих смесителей к внеполосным помехам, обусловленной их фильтрующими свойствами. Простой блок ДПФ – это, несомненно, второй «плюс» применения в трансивере схемы Тэйло.

▍ Идеальных фильтров не бывает…


Теперь о недостатках совместного использования рассматриваемого блока ДПФ и смесителя по схеме Тэйло. Они неочевидны, но они есть, и нивелировать влияние этих недостатков на работу трансивера, как раз и призваны «лишние» компоненты в схеме смесителя: R19, R20, C41, C42, R27, R28, C43, C44.


Сначала обратимся к фильтрующим свойствам смесителя. Частоту среза фильтра НЧ в этой схеме при Rs = 4 Ом можно высчитать по формуле:

$ F_s = \frac {1}{2\pi (R_{sys} + R19 + 4) C37} $


В своей публикации Dan Tayloe при расчёте полосы пропускания по эквивалентной схеме полагает сопротивление цепи между ДПФ и конденсатором, равным нулю, а выходное сопротивление ДПФ Rsys равным 50 Ом. И это в нашем случае неверно.

Применённые в разработке «октавные» фильтры имеют достаточно большую полосу пропускания, и их входное и выходное сопротивление в этой полосе не всегда равно расчётному. Измерить реальное значение выходного сопротивления фильтра можно, например, с помощью радиолюбительского векторного анализатора nanoVNA, что и было сделано на испытаниях всех четырёх плат установочной партии трансивера.


Результаты испытаний показали, что АЧХ фильтров на всех платах практически идентичны, а «разбег» значений выходного сопротивления фильтров на частотах любительских диапазонов достаточно значительный: от 32 до 110 Ом. Особенно не «повезло» в этом плане диапазонам 80 и 160 м, на которых сужение полосы пропускания за счёт высокого выходного сопротивления фильтра было заметно на панорамном индикаторе невооружённым глазом.

▍ …проверено на практике


В результате длительных экспериментов было принято решение уменьшить сопротивление резисторов R19 и R20 до 10 Ом, расширив полосу пропускания смесителя до значения 92 кГц на диапазонах 80 и 160 м. При этом, естественно, полосу пропускания на других диапазонах потребовалось каким-то образом «сузить».

Самым простым путём решения этой задачи, как раз и является расширение функциональности разностного усилителя интегрирующим звеном первого порядка, с помощью подключения параллельно резисторам R25, R26 конденсаторов C41, C42 ёмкостью 560…680 пФ. RC-цепочка на выходе разностного усилителя служит для увеличения наклона характеристики. Номиналы R27, R28 аналогичны R25, R26; номиналы C43, C44 равны номиналам C41, C42. Все значения номиналов компонентов фильтров подобраны опытным путём. АЧХ схемы смесителя приведена на рисунке ниже:


В принципе, из-за наличия в кодеке TLV320AIC3104 встроенного антиалиасного фильтра этот раздел можно было бы в публикацию и не включать, но всегда полезно разобрать принцип действия «классического» схемного решения, обозначить проблемные места в его работе и указать способы решения этих проблем.

Если полагаться только на встроенный в кодек антиалиасный фильтр, схемное решение квадратурного смесителя можно упростить до вида на рисунке ниже, и оно будет работать. При этом не надо забывать, что убрать компонент с предназначенного для него места на печатной плате или заменить его чип-резистором 0  Ом намного проще, чем добавить на плату новый компонент «вторым этажом».


▍ Диапазонный полосовой фильтр «по Реду»


В части ДПФ у радиолюбителей принято апеллировать к изданному в 1990 году издательством «Мир» переводу книги Э. Реда (Eric Tart Red) «Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике».


На рисунке выше приведён «классический» образец восьмидиапазонного ДПФ «по Реду» с коммутацией диапазонных фильтров высококачественными «радиочастотными» реле.

Помимо этого, блок содержит максимальную комплектацию для подобных устройств: два аттенюатора, широкополосный УВЧ, а также предварительный усилитель мощности. Катушки индуктивности в самых лучших традициях намотаны на тороидальных сердечниках производства Amidon (ныне Micrometals).

Устройство такого блока ДПФ намного сложнее, чем в трансивере Selenite Lite. Сложность обуславливается тем, что эти блоки ДПФ предназначены для работы с супергетеродинными схемами. Они должны отфильтровывать не только гармоники, но и «зеркальный канал».



Что такое «зеркальный канал» хорошо видно на паре рисунков выше: при промежуточной частоте (ПЧ, IF) 500 кГц и частоте гетеродина 2400 кГц трансивер «Радио-76» в этом примере формирует на передачу два равных по мощности сигнала, один на частоте (2400 – 500) = 1900 кГц, второй – на частоте (2400 + 500) = 2900 кГц.

Фильтра Баттерворта третьего порядка с «наклоном характеристики» 30 дБ на октаву, как в трансивере Selenite Lite, для подавления гармоник тут хватит, но для подавления «зеркального канала» уже явно недостаточно.

Кстати, приведённый на рисунке выше блок ДПФ «по Реду» с задачей выше тоже бы справился неважно: очень мало расстояние между «зеркальными каналами». Поэтому в книге Реда и рассматриваются супергетеродины с промежуточной частотой 30 – 40 МГц. И если бы ПЧ в рассматриваемом примере была, хотя бы, 5000 кГц, то гетеродин был бы настроен на частоту 6900 кГц, а сигналы формировались бы на частотах 1900 и 11900 кГц. Подавить такой «зеркальный канал» полосовым диапазонным фильтром гораздо проще.

Справедливости ради надо заметить, что в аппаратуре прямого преобразования «зеркальный канал» тоже есть. Он располагается на другой боковой полосе, и подавляют его не ДПФ, что нереально, а «фазовым» методом, т.е. исключительно «математикой».

▍ От автора


В данной части публикации мы подробно рассмотрели работу смесителя по схеме Тэйло с диапазонными полосовыми фильтрами.

Возможность создания на основе «переключаемого интегратора» высокодобротного полосового фильтра значительно снижает требования к характеристикам ДПФ в составе аппаратуры SDR. При этом из-за характерных для схемы Тэйло резонансов на нечётных гармониках гетеродина совсем исключить ДПФ из состава трансивера без потери качества работы не представляется возможным.

Также следует отметить простоту решений аппаратуры SDR и прямого преобразования по сравнению с супергетеродинами.

В следующей части публикации мы рассмотрим частотозадающие цепи трансивера Selenite Lite.

Схема электрическая принципиальная, перечень элементов и рисунок печатной платы SDR-трансивера Selenite Lite содержатся в документе «Selenite Lite User Manual», расположенном в репозитории проекта «Selenite Lite».

Больше информации о проекте можно найти в некоммерческом telegram-канале «Проект «Селенит».

72/73! de RD9F

Источники:


1. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. – М.: Мир. 1990
2. Dan Tayloe. Ultra Low Noise, High Performance, Zero IF Quadrature Product Detector and Preamplifier
3. Петин Г.П. Ключевой синхронный детектор. Схемотехника, № 3,2003, с. 14-15
4. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования – М.: Патриот, 1990

Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала
Источник: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/772206/


Интересные статьи

Интересные статьи

В современных компаниях генерируемые и собираемые объемы данных растут с поразительной скоростью, создавая необходимость в их систематизации и управлении. Каталоги данных становятся частью информацион...
За время карьеры, чаще всего сталкивался с ситуацией, когда получаешь проект в котором непонятно где “вход”, где “выход” и один только вопрос - "куда ткнуть?!". Товарищи, давшие проект, говорят, что ...
Всем привет) Это мой первый пост на хабре, и сегодня я расскажу про небольшой pet project (git-trigger) , который я недавно написал для сборки своих проектов на сервере. На данный момент я использую е...
Несколько лет назад небольшой командой сделали тестовый прототип PvP-шутера, который внезапно выстрелил. Тогда ни разработчики, ни процессы не были готовы к такой популярности, мы развивали проект зде...
Миллиарды устройств интернета вещей, которые будут окружать нас в ближайшие годы, требуют возможностей проектирования радиочастотных трактов, поддерживающих сверхбыструю скорость переда...