Давным-давно, когда деревья были зелеными и высокими, радиоприёмники собирали не на интегральных микросхемах, а на дискретных, то есть отдельных транзисторах. Такие решения занимают больше места и потребляют больше энергии, зато очень наглядны для понимания принципов работы.

И если средневолновый транзисторный супергетеродин — вещь обычная, которую многие из нас помнят с детства, а некоторые даже собирали своими руками, то ультракоротковолновые, они же FM-радиоприёмники, чаще строили и продолжают строить на микросхемах. (Если не считать ламповых и транзисторных радиол и многодиапазонных приёмников с УКВ модулем).

Такой УКВ супергетеродин я сегодня соберу. Без микросхем, на 12 транзисторах, 6 из которых задействованы в радиотракте, и ещё 6 в усилителе звуковой частоты. А ещё поговорим о структуре сигнала ЧМ радиостанции и способах его детектирования.

В радиоприёмнике с преобразованием частоты, называемом супергетеродином, сигнал с антенны усиливается, а затем смешивается в смесителе с сигналом локального генератора (гетеродина). Получаются сигналы с частотами, равными сумме и разности исходных.

Промежуточная частота

Один из этих сигналов становится сигналом промежуточной частоты (ПЧ). Чаще всего это сигнал разностной частоты, то есть осуществляется преобразование вниз. Это выгоднее по причине того, что более низкую частоту легче усиливать. Наиболее актуальным преобразование вниз было в эпоху электронных ламп и особенно старых транзисторов, которые катастрофически теряли усиление при повышении частоты.

Частотные полосы

Не следует считать, будто «смеситель супергетеродина вырабатывает сигнал промежуточной частоты», и что на его выходе мы имеем только этот сигнал. На самом деле там присутствует весь спектр сигнала с антенны, за исключением тех частот, которые не прошли через входной фильтр.

Входным фильтром радиоприёмника обычно является колебательный контур, перестраиваемый синхронно с гетеродином.

И это ещё не всё. Также на выходе смесителя присутствуют сумма и разность частоты гетеродина с каждой из частот, прошедших входной фильтр. Задача усилителя промежуточной частоты — выделить и усилить сигнал только на этой частоте, а точнее в узкой полосе частот, которая содержит полезный сигнал.

В отсутствие сигнала передатчик радиостанции вырабатывает сигнал одной частоты, которая называется несущей. При модуляции к несущей частоте добавляются боковые частотные полосы.

При амплитудной модуляции это верхняя и нижняя боковые полосы, частоты которых равны, соответственно, сумме и разности несущей частоты и частоты модулирующего сигнала.


Осциллограммы сигнала с амплитудной и частотной модуляцией. Википедия

А в случае частотной модуляции в такт передаваемому звуковому сигналу изменяется не амплитуда радиопередачи, а сама несущая частота. Глубина или размах этого изменения определяется настройкой передатчика.

Диапазон, в котором колеблется частота передатчика с частотной модуляцией, называется полосой качания, а наибольшее отклонение мгновенной частоты передаваемого сигнала от несущей (центральной) частоты называется девиацией (отклонением) частоты.

Отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала называется индексом частотной модуляции. У разных стандартов радиовещания этот индекс разный.

Стандарты стереофонического радиовещания

На территории РФ в настоящее время используется западноевропейский стандарт УКВ вещания CCIR на участке радиодиапазона ITU R1 с частотами от 87,5 до 108,0 МГц. Его называют диапазоном FM, или иногда УКВ-2, в отличие от более старого диапазона УКВ-1, или просто УКВ (от 65,9 до 74 МГц), где велось радиовещание по восточноевропейскому стандарту OIRT.


Планы наземной радиовещательной службы в диапазоне метровых волн. Википедия

OIRT — это аббревиатура французского словосочетания «Organisation Internationale de Radiodiffusion et de Télévision», что означает «Международная организация радиовещания и телевидения».

CCIR — тоже французская аббревиатура от «Comité consultatif international pour la radio». Это Международный консультативный комитет по радио или МККР. Сегодня данная организация называется Сектором радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ), сокращённо МСЭ-Р или ITU-R.

В мире техники стандарты часто называются именами регулирующих их организаций. Например, DIN (Deutsches Institut für Normung e.V., Немецкий институт по стандартизации), ISO (International Organization for Standardization, Международная организация по стандартизации, ИСО), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Институт инженеров электротехники и электроники), VESA (Video Electronics Standards Association, Ассоциация стандартизации видеоэлектроники) и другие.

Все эти аббревиатуры хорошо знакомы специалистам мира информационных технологий и ассоциируются с интерфейсами передачи данных и видеоадаптерами. А для олдскульного плёночного фотографа DIN — это, конечно же, прежде всего единица светочувствительности киноплёнки. Ведь 35-миллиметровая узкоформатная фотоплёнка — на самом деле полноформатная киноплёнка, в отличие от полупрофессиональной 16 мм и любительской 8 мм. Хотя и 16 мм плёнка тоже использовалась в некоторых фотоаппаратах.


16 мм чёрно-белая негативная киноплёнка производства шосткинского ПО «Свема», расфасованная для использования в качестве фотоплёнки. Предназначалась для миниатюрных фотоаппаратов «Киев-Вега», «Вега-2», «Киев-30», «Киев-303». Википедия

Структура сигнала CCIR

В распоряжение радиостанции стандарта CCIR выделяется полоса частот шириной 100 килогерц, иногда 50. При этом собственно монофонический аудиосигнал, передаваемый посредством частотной модуляции, занимает всего 15 кГц.


Спектр радиосигнала стандарта CCIR. Википедия

Далее на шкале частот располагается пилот-тон, или пилотный сигнал, который отстоит от начала координат ровно на 19 килогерц и подавлен на 20 децибел по сравнению с монофоническим ЧМ сигналом.

Этот монофонический сигнал является полусуммой сигналов двух каналов стерео. А разность между сигналами правого и левого каналов передаётся амплитудной модуляцией с подавленной несущей частотой, отстоящей от начала координат на удвоенные 19 килогерц, то есть 38 кГц.

Таким образом, простой монофонический радиоприемник будет воспроизводить сумму левого и правого сигналов, то есть стерео, сведённое в моно, а стереофонический радиоприемник по наличию пилот-тона определит, что передача стереофоническая, и по второй гармонике пилот-тона настроится на разностный сигнал стерео.

Цифровые сигналы FM-радиостанции

Третья гармоника пилот-тона может являться несущей для сигнала RBDS (Radio Broadcast Data System) — системы радиовещательной передачи цифровых данных, которые передаются с битрейтом 1187.5 бит в секунду (bps). Это очень медленно, однако почти вчетверо быстрее, чем первые проводные модемы. И в отличие от модемной связи, только в одну сторону — от радиостанции к радиоприёмнику.


Micromodem II фирмы Hayes для персонального компьютера Apple II состоял из встраиваемой платы расширения и внешнего блока «microcoupler», соединяемого с ней шлейфом и подключаемого к телефонной линии. 1979 год. Википедия

Сигнал RBDS может содержать названия радиостанции и текущей радиопередачи, точное время, значение рабочей частоты радиостанции и список альтернативных частот. Умный приёмник может автоматически переключиться на частоту с более высоким качеством приёма.

С учётом того, что значительная часть радиослушателей является автомобилистами за рулём, предусмотрена информация о порядке организации движения на дороге и текущей дорожной обстановки. Также могут передаваться дифференциальные поправки для коррекции GPS, значительно повышающие точность GPS-навигации.

В чрезвычайных ситуациях, а также случаях, предусмотренных договоренностями между радиостанциями, сигнал RBDS способен скомандовать радиоприёмникам перестроиться на другую волну.

Также может передаваться идентификация одного из 32 вариантов типов радиопередач: умный приёмник предоставляет возможность настроить его на поиск программ интересующего Вас типа.

А ещё предусмотрена передача в эфир данных переключателя «музыка/речь» для автоматического управления громкостью и эквализацией, типа передаваемого сигнала для автоматического выбора режима декодера, и другие типы данных.

Как видим, RBDS — это передача не только названия радиостанции и сигналов точного времени, но и множества другой полезной и важной информации, предназначенной, прежде всего, для автомобильных радиоприёмников, интегрированных с бортовым компьютером.

Коль скоро мы вспомнили проводные модемы, не помешает упомянуть ещё один артефакт тех времён. В эпоху домашнего Интернета через телефонную линию мобильные телефоны были уже распространёнными, но слишком дорогими для большинства пользователей. Зато существовали пейджеры — приборы персонального радиовызова, покупку и оплату обслуживания которых могли позволить себе даже студенты.


Пейджер Jupiter Pro P2000. Википедия

Продвинутые пейджеры принимали и запоминали не только персональные сообщения для абонента, но и широковещательные короткие тексты, распределявшиеся по подкатегориям: объявления, погода, астрологические прогнозы, анекдоты, спортивные и прочие новости, и так далее. Интересующие категории можно было выбрать в меню пейджера.

Почему бы не попробовать устроить широковещательную сеть коротких сообщений, используя аппаратные мощности УКВ ЧМ радиостанций? Воплотила эту гениальную идею корпорация Microsoft, и их детище успешно проработало в США и Канаде до 2012 года. Сеть называлась DirectBand, а сервис носил название MSN Direct.

Полоса частот от 58.65 до 76.65 кГц в спектре CCIR сигнала позволяла передавать данные со скоростью 12 килобит в секунду. Наслаждаться таким обилием информации могли владельцы GPS-навигаторов, оснащённых поддержкой DirectBand. Это были модные приборы с цветным экраном и распознаванием речи.


Обложка инструкции по эксплуатации спутникового навигатора Garmin nüvi 885

Также сервис поддерживался и более скромными абонентскими устройствами: погодными станциями, умными часами и приёмниками сигнала GPS, предназначавшимися для подключения к персональному компьютеру.


Погодная станция Oregon Scientific WMS801

Таким приёмником комплектовалось роскошное издание Microsoft Streets & Trips 2008.


Коробка с аппаратно-программным комплексом Microsoft Streets & Trips 2008

Скрытые радиопередачи

И наконец, последняя поднесущая частота в точке 92 кГц от начала координат транслирует аудиокниги для слепых. Здесь применяется обычная амплитудная модуляция, а частотный и динамический диапазоны оптимизированы для речи, то есть урезаны.

Не пустует и частотная полоса, которую ранее занимала сеть DirectBand. На поднесущей 67 кГц транслируют музыку для лифтов, врачебных кабинетов, супермаркетов и ресторанов, которую при наличии соответствующей подписки на сервис их владельцы имеют право транслировать в публичных местах. (Использование в таких ситуациях обычного радиоприёмника не только неуместно вследствие присутствия в сетке вещания новостей и рекламы, но и было бы нарушением авторских прав.) Частотная полоса для музыки соответственно шире, чем предназначенная только для речи.

Итак, сигнал современной УКВ радиостанции — это не только высококачественный стереозвук, который можно без проблем принимать простейшими средствами в монофоническом варианте, но и масса полезных цифровых данных, а также одна или две скрытые радиопередачи, служащие благотворительности или бизнесу. Стандарт CCIR позволяет использовать такой дорогостоящий комплекс, как FM радиостанцию, с максимально возможной пользой.

Переходим к практике

Наш сегодняшний радиоприёмник не оснащён модулями декодирования цифровых сигналов и воспроизведения дополнительных полос аудиосигнала (которые на евразийском континенте и не используются).

Нет в нём и детектора стереосигнала, заслуживающего отдельной статьи. Зато есть частотный (или фазовый, как его иногда называют, далее увидим, почему) дискриминатор Фостера-Сили.

Детектор наклона

Простейшие любительские ЧМ радиоприёмники, построенные на паре транзисторов или ламп, оснащены детектором наклона на расстроенном резонансном контуре.

Его принцип действия предельно прост: амплитуда сигнала в контуре будет тем выше, чем частота входного сигнала ближе до резонансной частоты, и тем ниже, чем она дальше. То есть, при определённом характере настройки резонансного контура он способен превратить частотную модуляцию в амплитудную, которую можно детектировать простым детектором огибающей.


Принцип действия детектора наклона на расстроенном резонансном контуре. Википедия

Иными словами, обычный АМ радиоприёмник прямого усиления может принимать ЧМ сигналы, если настроить входной контур так, чтобы несущая частота оказалась посередине линейного участка спада амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Преимущество такого детектора одно — простота. А недостатков много. Во-первых, этот самый линейный участок АЧХ не идеально линейный, то есть, мы получаем нелинейные искажения звука.

Во-вторых, расположение сигнала на спаде АЧХ фильтра означает, что мы не получаем максимальной силы сигнала.

В-третьих, демодулируются изменения не только частоты, но и амплитуды сигнала, потому такой детектор шумный и чувствительный к помехам.

В 1936 году американский радиоинженер Стюарт Вильгельм Сили совместно со своим коллегой по компании RCA Дадли Е. Фостером изобрели революционную схему частотного детектора, благодаря которой стоимость ЧМ радиоприёмников снизилась настолько, что почти сравнялась с традиционными АМ.


Фотопортреты Стюарта Сили и Дадли Фостера. Википедия

Предложенная изобретателями схема, запатентованная Стюартом Сили в 1950 году (патент США US2497840), основана на применении двух колебательных контуров, между которыми имеется индуктивная (трансформаторная) связь, а также ёмкостная связь через конденсатор C3.


Схема дискриминатора Фостера-Сили. Википедия

Оба контура настроены на несущую частоту входного сигнала детектора, то есть на промежуточную частоту супергетеродина. Если модуляция отсутствует, сигнала на выходе детектора не будет, так как сигналы на выходе каждой из вторичных полуобмоток равны нулю и находятся в противофазе.

Чтобы понять, каким образом детектор Фостера-Сили реагирует на модуляцию, то есть изменение частоты сигнала, нужно вспомнить характеристики состояния резонанса в колебательном контуре.

Резонанс в колебательном контуре характеризуется отсутствием сдвига фаз между напряжением и током.

Соответственно, при наличии расстройки между резонансной частотой колебательного контура и частотой электрических колебаний в нём возникает сдвиг фаз между током и напряжением.

Благодаря этому, модули мгновенных значений напряжения на концах вторичных полуобмоток, то есть на катодах диодов D1 и D2 будут разными, и на выходе детектора появляется напряжение, пропорциональное сдвигу фаз, то есть расстройке контуров относительно частоты сигнала.

Недостатком дискриминатора Фостера-Сили является его чувствительность к изменениям амплитуды входного сигнала. Потому перед таким детектором обязательно включают ограничитель сигнала, чтобы поддерживать его амплитуду постоянной.

Детектор отношений

Такого недостатка лишён детектор отношений, или дробный детектор (ratio detector), являющийся видоизменённым вариантом дискриминатора Фостера-Сили. Как раз он использован в радиоконструкторе, который я сегодня собираю. Здесь диоды D2 и D3 в правом верхнем квадранте схемы включены в противоположных направлениях, а также используется два трансформатора T4 и Т5 вместо одного.


Принципиальная схема транзисторного УКВ ЧМ супергетеродина

RC-фильтр нижних частот, образованный конденсатором C15 и резисторами R7 и R14, подавляет паразитные колебания амплитуды входного сигнала и таким образом защищает детектор от помех.

В остальном схема радиоприёмника мало чем отличается от уже знакомого нам АМ супергетеродина, которому посвящена отдельная статья. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) четырёхкаскадный, на транзисторах Q1 — Q4.

Контурные конденсаторы C5, C6 и С11 смонтированы в корпусах трансформаторов фильтра ПЧ T1-T3, потому на принципиальной схеме они изображены как «NC» (not connected, не подсоединены), а на печатной плате посадочные места для них отсутствуют.

На транзисторе Q6 собран гетеродин, а на Q5 — усилитель радиочастоты и смеситель.

Чтобы защитить УПЧ и тракт радиочастоты от помех и самовозбуждения, предусмотрен трёхступенчатый LC-фильтр питания на дросселях L1-L3 и конденсаторах С1-С4.

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ) класса АВ собран по двухтактной бестрансформаторной схеме на транзисторах Q7-Q12. Режим входного транзистора Q9 по постоянному току настраивается подстроечным резистором R39.

Над диодом D4 на схеме изображён резистор подстройки тока покоя выходного каскада сопротивлением 2 кОм. На плате вместо него имеется посадочное место под третий диод 1N4148.

Параллельная громкоговорителю RC-цепь R37C46 называется цепочкой Цобеля (Zobel network или Zobel circuit), а также ячейкой Бушеро (Boucherot cell) и служит для компенсации реактивной составляющей комплексного сопротивления громкоговорителя.


Доктор Отто Цобель в своей лаборатории. Из коллекции музея The Ripon Historical Societу, riponhistory.org

Американский инженер Отто Юлиус Цобель (1887–1970) работал в Bell Labs и AT&T и внёс огромный вклад в развитие проводной телефонии и теории электронных фильтров. А француз Поль Бушеро (1869–1943) — пионер электрификации переменным током, разработчик асинхронных электродвигателей и приборов для телеграфной связи.


Фотопортрет Поля Бушеро. Библиотека Высшей школы промышленной физики и химии города Париж (ESPCI)

Чаще всего мы вспоминаем имена этих великих людей в связи со скромной RC-цепочкой параллельно громкоговорителю. На самом деле их научное и изобретательское наследие гораздо шире и глубже.

Видео и выводы

Существует и другой, гораздо более симпатичный вариант конструктивного исполнения радиоприёмника по той же самой принципиальной схеме на красивой квадратной плате с металлизированными отверстиями и зелёной паяльной маской. Его можно приобрести здесь. К сожалению, эта ссылка попалась мне уже позже приобретения собранного сегодня комплекта.


Транзисторный УКВ ЧМ супергетеродин в процессе сборки. Фото со страницы товара на Aliexpress

Качество звучания и чувствительность в целом неплохие, но приёмник получился шумный, и конденсатору переменной ёмкости не помешал бы верньер. Огорчает отсутствие АПЧ — автоматической подстройки частоты, которая есть в радиоконструкторе Superhet 108 AM/FM от фирмы Elenco, основанном на очень похожей схеме.


Схема из инструкции по сборке радиоконструктора Elenco Superhet 108 AM/FM

Тем не менее сборка и настройка приёмника принесли радость. И в него ещё можно будет внести усовершенствования, вплоть до установки стереодекодера. Главное — найти на это время.


НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS