Последна редакция 3.12.2008

 

Предусилвател и лентов филтър 1.8 – 18 MHz за софтуерно радио

 

Софтуерният приемник е с директно преобразуване на честотата, чиито изход се подава на входа на звуковата карта на компютъра – виж (Софтуерно радио). Входът на такъв приемник е обикновено ключов смесител.

Има няколко проблема при използването на този прост приемник:

  1. Чувствителността, която се постига  е от порядъка на -125 dBm  (@500 Hz)  и това е напълно достатъчно за  обикновени случаи, но при много тихи условия на приемане и подходящо състояние на йононсферата понякога се налага да се увеличи чувствителността  над -130 dBm.
  2. Липсата на какъвто и да е входен филтър  води до приемане на фантомни радиостанции, които не се намират на приеманата честота. Ключовият смесител  е чувствителен и към сигнали на нечетните хармонични на хетеродина. Например сигнали в обхвата на третата хармонична на осцилатора ще се приемат само с около 10 dB по-слабо от тези на основната честота.
  3. При много силни входни сигнали се проявяват нелинейни ефекти – например директна детекция на силни АМ коцертни станции. Необходим е филтър и атенюатор за да се намали общото ниво на сигналите на входа.
  4. Ключовият смесител работи добре когато вътрешното съпротивление на източника на сигнал на входа е малко, има чисто резистивен характер  и  не зависи съществено от честотата. Поставянето на случайна антена поставя смесителя в лош режим, влошават се всички негови параметри и се намалява потискането на огледалния канал.
  5. Хетеродинът прониква на входа на трансивера, когато се използува една и съща антена за софтуерното радио и трансивър.

 

 

Схема и принцип на работа

Предлаганата схема  (Фиг.1) решава до известна степен тези проблеми, като основно качество е нейната простота. 

Фиг.1

Представлява един висококачествен резонансен кръг настройван с променлив кондензатор в обхвата от 3.5 до 18 MHz. Сигналът от антената се подава трансформаторно на кръга чрез една намотка L2, като коефициента на трансформация е 1:12. Сигналът се снема от кръга чрез повторител с FET като изходът е вече нискоомен и може да се попаде на входа на смесителя.  Усилването се осъществява благодарение на трансформаторното повишение на напрежението на антената. То може да се регулира стъпално чрез превключване на изводите на бобината.  Допълнително последователно на входа е свързан резистор намаляващ още входния сигнал и увеличаващ работния Q-фактор на кръга при работа с нискооми антени (напр. дипол).

 

Конструкция и елементи

За променлив кондензатор се използва пластмасов от транзисторно радио, като двете секции се свързват в паралел. Бобината е навита на тороидален феритен пръстен от високочестотен ферит с индуктивност 4.7 uH. При използуваният от мен ферит L1 има 12 навивики, L2 има 1 навивка. Бобината е добре да е на тороид за да се получи силна връзка между L1 и L2.  Q-факторът на бобината трябва да е голям -  над 150.

За  FET може да се използува и друг тип – J310, КП303Е и други подобни.  Изводите са на ½,   ¼,   1/8  от намотките спрямо земя, като по-този начин се постига намаляване  на усилването през 6 dB.  Атенюаторния резистор може да се дава на късо за да се получи максимално усилване.

На Фиг. 2 е показан експерименталния прототип.

 

Фиг.2

 

Настройка

Нищо в тази схема не е критично. Със С1 се покрива обхват от 3.5  до 18 MHz стига бобината да има 4.7 uH индуктивност. Допълнително се включв C2 1400 pF за 1.8 MHz.

Токът през транзистора е около 9 мА – той може да варира при различните екземпляри от 5 -15 мА.  Забележете, че при включен атенюатор R1 настройката става по-остра.

 

Резултати

Схемата е изследвана предварително с  CAD LTspice  http://www.linear.com/designtools/software/ltspice.jsp  . Това е безплатна CAD система за анализ на електронни схеми. С нея са изчислени усилването и честотните характеристики.  В Табл.1 са дадени изчислените резултати за отделните обхвати.  При моделирането Q-факторът на бобината беше приет за 200.  Колоната “Attenuation” показва затихването на филтъра за честотата на третата хармоника на хетеродина. Дадено е усилването (Gain)  и работния Q-­фактор за случаи на включен и изключен атенюатор.

 

Таблица 1

 

 

 

R atten. = 0 ohms

 

R atten. = 150 ohms

F MHz

C1 pF

Gain dB

Effective Q

Attenuation @ 3F dB

Gain dB

Effective Q

Attenuation @ 3F dB

1.8

1600

8.8

86

-49

0

138

-51

3.5

420

10

63

-46

5.5

125

-50

7

105

12.6

35

-42

8.7

95

-48

10.1

50

13

27

-39

9.7

78

-46

14

25

13

19

< -35

11

64

< -40

18

14

13.3

16

< -35

11

50

< -40

 

Честотите характеристики например на 7 MHz са дадени на Фиг.3  при вътрешно съпротивление на генератора 50 ома.  За тези, които имат интерес давам и работния файл RF_preamp.asc

 

Фиг. 3

 

Честотната характеристика не се променя при превключване на усилването чрез отводите на бобината.

Измервания с уреди бяха направени само на 14 MHz. Усилването при реалната схема беше 11 dB (R1=0).  При максимално усилване и аттенюатор R1=0  измерената чувствителност на целия приемник е -135dBm. Чувствителността само на смесителят беше -126 dBm. Динамичният диапазон не е измерван.

 

Коментар

Усилвателят има малко по-голямо усилване от колкото е необходимо, но това е така да се каже естественото му усилване.  Спадът на усилването за нискочестотните обхвати изобщо няма значение, защото там нивата на входните сигнали са високи и обикновено се работи с минимално усилване  (-12 dB ) и включен аттенюатор R1.

Дали филтърът е достатъчно добър?  Опасните обхвати са 1.8 и 3.5 MHz, тъй като там вероятността да има силни сигнали на 3 пъти по-висока честота е голяма. Филтърът ще затихва 50dB, от смесването ще има още 10 dB,  и от разсъгласуване с антената още поне 10 dB. Общото затихване ще е около 70 dB, което е съвсем задоволително.  За сравнение лентов 50 омов Чебишов филтър от 2 ред, който има 2 индуктивности и 2 кондензатора ще има затихване за трета хармонична около 55 dB.

Динамичният диапазон вероятно е добър – транзисторът работи при сравнително голям постоянен ток и схемата е с силна отрицателна обратна връзка. При работа не се забелязват претоварвания при силни сигнали.

 При превключване на усилването особено на по-високите обхвати се налага да се донастрои кръга с С1, защото се променя приведения входен капацитет на FET, но това обикновено не  проблем.

С такъв предусилвател могат да се използуван случайни антени за софтуерното радио. Независимо от използуваната антена, ключовият смесител ще работи с нискоомен и постоянен източник на сигнал.

Тази усилвател-филтър решава до известна степен поставените в началото проблеми, което не е лошо за такава проста конструкция.

 

Септември 2008

73 Чавдар. LZ1AQ