|
Любительский приемник эталонной частоты Почти на всей европейской части территории России доступен для радиоприема сигнал ГСВЧ (Государственный стандарт времени и частоты) радиостанции РБУ на частоте 66,6(6) кГц. Несущая частота данной радиостанции стабилизирована с высокой точностью (до 10 в -12 степени). Благодаря стабильным характеристикам распространения радиоволн этого диапазона сигнал радиостанции можно использовать для настройки и тестирования различного любительского и профессионального радиопередающего оборудования и синхронизации местных гетеродинов, синтезаторов частоты в целях увеличения их частотной стабильности. При приеме точность частоты снижается на порядок. Передатчик РБУ расположен в Московской области и имеет излучаемую мощность 10 кВт. Традиционно возникает несколько проблем при приеме сигналов на ДВ диапазоне и сигналов этой станции в частности. 1. Высокий уровень индустриальных и природных помех в городских условиях 2. Плотная застройка в городах железобетонными конструкциями 3. Низкая напряженность поля на большом удалении от радиостанции 4. Необходимость в больших размерах эффективных антенн для ведения радиоприема 5. Модуляция несущей частоты сложным АМ сигналом В промышленных приемниках вышеуказанные проблемы решаются за счет использования кварцевого фильтра с очень узкой полосой пропускания. Этот фильтр является ключевым элементом приемника и его полоса пропускания колеблется от долей до единиц герц. С его использованием решаются задачи подавления мешающих сигналов, повышения соотношения сигнал/шум, «вырезание» несущей частоты из широкого спектра принимаемых частот, повышение чувствительности приемника для работы от малогабаритных рамочных и даже ферритовых антенн. По полосе пропускания приемники условно можно разделить на группы. Приемник первой группы имеет полосу пропускания 1 - 10 Гц, предназначен для приема сигналов до 1000 км от радиостанции РБУ. Приемник второй группы имеет полосу пропускания 0,1 - 1 Гц, предназначен для приема сигналов вышеуказанной радиостанции на расстоянии 1000 - 2000 км. Приемник третьей группы с полосой пропускания 0,01 - 0,001 Гц может принимать сигнал на расстоянии 5000 - 12000 км от передатчика. Кроме того в состав специализированного промышленного приемника входит местный синхронизируемый гетеродин с высокой собственной стабильностью (использование рубидиевого стандарта частоты или высокостабильного кварцевого). Чем выше стабильность этого гетеродина или синтезатора частоты, тем более узкая полоса пропускания может быть реализована в приемнике. В любительском приемнике точной частоты использовать такой гетеродин дорого, а в ближней зоне приема (1 группа) необязательно и вместо него можно использовать обычный кварцевый генератор управляемый напряжением (КГУН) для синхронизации с сигналом радиостанции ГСВЧ. Отсюда можно сформировать общие требования к достаточно простому любительскому приемнику точной частоты. Его полоса пропускания должна составлять менее, чем 10 Гц без использования цифровой обработки сигнала во входных цепях. В качестве синхронизируемого генератора использовать обычный кварцевый генератор. В качестве антенны использовать ферритовую антенну на дальности до 400 км от передатчика. Главным элементом приемника будет узкополосный кварцевый фильтр на не очень дефицитных кварцевых резонаторах. Поэтому в любительских условиях можно реализовать требования для 1 группы промышленных приемников точной частоты. В разное время промышленностью СССР выпускались приемники различного назначения, а некоторые усовершенствованные модели выпускаются и сейчас. Уделим внимание тем приемникам, которые предназначались для применения в синхронных сетях радиовещания. Например отечественная промышленность для синхронизации радиостанций выпускала приемники точных частот «Руслан», «ПТЧ-66», «Синхронизатор», возбудители «Ангара», «ДСВ-100». Приемник точной частоты «Руслан» имеет полосу пропускания около 0,5 Гц и обеспечивает прием точных частот в радиусе 1500 – 3500 км. Узкая полоса пропускания получается вследствие применения в приемнике двойного преобразования частоты с фильтрацией сигнала по промежуточной частоте. Приемник «ПТЧ-66» имеет полосу пропускания около 10 Гц и собран по схеме приемника прямого усиления. Иллюстрация работы приемника
В основе настоящей радиолюбительской разработки лежит функциональная схема приемника «Руслан». Из-за особенностей реализации двойного преобразования частоты при единственном гетеродине на выходе аналогового блока приемника восстанавливается точное значение частоты сигнала радиостанции РБУ – 66,6(6) кГц.
Функциональная схема приведена на рис.1 Сигнал с ферритовой магнитной антенны через истоковый повторитель на транзисторе VT1 поступает на смеситель. На этот же смеситель поступает опорная частота от гетеродина номиналом около 166,666 кГц. Далее принятый сигнал проходит через полосовой кварцевый фильтр (полоса пропускания порядка 6 - 7 Гц, частота 99 999 Гц), усиливается в блоке усилителя промежуточной частоты (УПЧ) с глубокой АРУ на микросхеме К174ХА2. Узкополосный кварцевый фильтр работает на частоте 100 кГц - однокристальный. Усиленный сигнал через истоковый повторитель на транзисторе VT6 подается на второй смеситель. Второй смеситель ключевого типа на микросхеме К561КТ3Одновременно на него подается опорная частота 166,666 кГц (один номинал частоты для обоих смесителей). На выходе второго смесителя выделяется разностный сигнал исходной частоты 66,6(6) кГц, который через истоковый повторитель на транзисторе VT7 подвергается дальнейшим преобразованиям в блоке синхронизации (на схеме не показан). Задающий гетеродин с кварцевой стабилизацией работает на частоте 10 МГц и его в некоторых пределах можно перестраивать по частоте. Далее сигнал генератора проходит через цепочку делителей (общее N=60) до частоты равной 166,666 кГц. Главное преимущество схемы – это то, что не надо точно подгонять АЧХ кварцевого фильтра и частоту гетеродина. Подстройкой частоты в пределах +/- 5 Гц после деления добиваются соответствия образцовой частоты заданной точке АЧХ кварцевого фильтра. В реальной работе приемника это проявляется изменением амплитуды сигнала эталонной частоты на выходе при изменении частоты местного кварцевого гетеродина от некоторой «центральной частоты». Функциональная схема любительского приемника точной частоты соответствует таковой промышленного приемника «Руслан», правда с несколько худшими реализованными техническими параметрами. Это связано с тем, что у меня нет сведений о конкретной схемотехнике промышленного приемника, использованных кварцевых фильтрах и т.д. К тому же самыми доступными оказались кварцевые резонаторы на частоту 100 кГц в малогабаритных корпусах. Для простого фильтра используется один кварц, для фильтра с улучшенными параметрами достаточно 2-х кварцевых резонаторов. К тому же значение ПЧ=100 кГц удобно для выбора частоты гетеродина в 166,666 кГц кратной частоте кварцевого гетеродина в 10 Мгц.
Схема приемника приведена на рис.2 Работа аналоговой части приемника: Сигнал радиостанции РБУ с частотой 66,6(6) кГц выделяется контуром L1C1С2 ферритовой магнитной антенны и через истоковый повторитель с высоким входным сопротивлением на полевом транзисторе VT1 поступает на смеситель. Смеситель ключевого типа собран на полевом транзисторе VT2, сигнал с его выхода через фильтр L2C7 поступает полосовой фильтр ПЧ. Полосовой активный кварцевый фильтр собран на транзисторах VT3, VT4, одном кварцевом резонаторе ZQ1. Конденсатор C8 служит для компенсации собственной емкости кварцевого резонатора. С выхода эмиттерного повторителя на VT4 отфильтрованный сигнал подается на усилитель промежуточной частоты (ПЧ). УПЧ с АРУ собран на одной микросхеме К174ХА2 используемой обычно в тракте ПЧ радиовещательных приемников. Глубина регулировки АРУ достигает 60 дб. На диоде VD1 собран детектор для системы АРУ, диод использован германиевый для увеличения глубины регулировки усиления. Интегральный УПЧ нагружен на контур L4,C22 выделяющий частоту 100 кГц. Непосредственно с выходного контура сигнал ПЧ через истоковый повторитель с высоким входным сопротивлением на транзисторе VT6 поступает на активный ключевой смеситель на микросхеме К561КТ3 (небалансный). На управляющий вход смесителя подается сигнал гетеродина с частотой 166,666 кГц. Разностная частота 66,6(6) кГц на выходе смесителя выделяется контуром L5,C27 и через истоковый повторитель с высоким входным сопротивлением на транзисторе VT7 поступает в блок синхронизации частот. Гетеродин с частотой 166,666 кГц общий для обоих смесителей приемника и необходим для реализации двойного преобразования частоты и восстановления на выходе сигнала точной частоты. Он образуется путем последовательного цифрового деления из опорной частоты 10 МГц. Задающий генератор собран по схеме емкостной трехточки на транзисторе VT5. В базовую цепь включен кварцевый резонатор и элементы подстройки частоты гетеродина на варикапе CD1. На м/с IC2 собран делитель с N=2, на м/с IC1 делитель с N=10, на D триггерах – делитель частоты с N=3. Общий коэффициент деления N=60. Блок синхронизации частоты не описывается в рамках этой публикации, и в общем виде представляет собой приемник с ФАПЧ, или генератор с прямой синхронизацией входным сигналом. Общими элементами являются умножители и делители на основе ФАПЧ. Задача аналогового блока – прием, фильтрация и усиление сигнала точной частоты.
В основе восстановления точной частоты на выходе приемника лежит простой принцип. При использовании двойного преобразования частоты с одним гетеродином, любое случайное изменение частоты гетеродина или ее дрейф при изменении температуры при первом преобразовании входной частоты компенсируется с обратным знаком при втором преобразовании той же самой частоты. Например, при первом преобразовании частоты: Fпч = Fс + Fг, а при втором Fс = Fпч – Fг, где Fпч – значение промежуточной частоты, Fс – сигнал точной частоты, Fг – частота гетеродина.
Настройка: Для настройки необходима следующая измерительная техника. А именно обязательно наличие ВЧ генератора шума, измерительного ДВ приемника на частоты 100 и 66 кГц, персональный компьютер с установленной программой WinRad, осциллограф до 10 МГц, частотомер, НЧ генератор до 200 кГц. Генератор шума и простейший ДВ приемник прямого преобразования можно собрать на макетной плате.
Порядок настройки: 1. Вначале грубо настраивается ферритовая антенна на частоту 66 кГц с использованием НЧ генератора и запоминается положение ротора переменного конденсатора настройки антенны. 2. Настройка кварцевого фильтра на 100 кГц производится с помощью генератора шума и измерительного ДВ приемника. Гетеродин приемника отключается. Генератор шума подключается на вход КФ, измерительный ДВ приемник на выход усилителя ПЧ, а его низкочастотный выход на линейный вход звуковой платы персонального компьютера. На самом ПК «загружается» программа WinRad и она соответственно настраивается для работы как с SDR (программным) ДВ приемником на частоты в районе 100 кГц. Режим работы – телеграфный. При нормально работающих узлах получившейся приемной системы в районе частоты 99,999 кГц на дисплее программы WinRad можно будет заметить отклик кварцевого фильтра в виде небольшого пика высотой 10-15 дб от уровня шума. Далее подстройкой конденсатора С8 добиваются снижения шумовой линии на экране и значительного увеличения высоты пика отклика кварцевого фильтра. Полоса пропускания должна составить не более 5 Гц по уровню – 3 дб. В случае использования «старого» кварцевого резонатора в стеклянном корпусе ширина пика составит около 20 Гц по уровню – 3 дб и подавление внеполосных сигналов уменьшиться. Повысить резонансную частоту кварцевого фильтра на 10 – 15 Гц можно последовательным включением подстроечного конденсатора 4 – 20 пф и кварцевого резонатора. Но в этом случае коэффициент передачи кварцевого фильтра снижается, а компенсация собственной емкости производится после предварительной установки центральной частоты полосы пропускания. 3. Выходной контур усилителя ПЧ и второго смесителя настраиваются на частоты 100 и 66 кГц соответственно с использованием НЧ генератора. 4. Подается питание на кварцевый гетеродин и проверяется наличие генерации на частоте 10 МГц, уровень выходного сигнала по осциллографу (около 2-х Вольт) и наличие сигналов (типа меандр) на выходах всех цифровых делителей частоты. Частотомером контролируются выходные частоты. Необходимо получить точную выходную частоту в 10 МГц в среднем положении ручки переменного резистора R19 подстройки частоты кварцевого генератора и подстройки конденсатора C17. Более точная настройка будет производится по принимаемому сигналу. 5. После окончании отдельной настройки всех узлов необходима точная подстройка всего приемника по принимаемому сигналу (если расстояние до передатчика ГСВЧ небольшое) или по сигналу измерительного генератора (если Вы доверяете его показаниям). На выход приемника эталонной частоты подключается измерительный ДВ приемник и персональный компьютер с SDR программой WinRad. Подстраивать можно все вышеуказанные элементы, кроме конденсатора С8 до получения максимального значения пика несущей частоты радиостанции РБУ на дисплее WinRad. Если отмечается неустойчивая работа второго смесителя, то можно зашунтировать его выходной контур резистором 1,5 – 2 кОм для уменьшения коэффициента передачи. Подстройкой конденсатора С17 в кварцевом генераторе 10 МГц добиваются изменения выходной частоты на +/– 5 Гц на выходе всех делителей (166,666 кГц) при полном обороте ручки переменного резистора R19. Изменение частоты кварцевого генератора в небольших пределах приводит лишь к изменению уровня сигнала эталонной частоты на выходе приемника.
В качестве примера приведу, что в условиях г. Владимира (расстояние до передатчика 200 км) на ферритовую антенну приемник на выходе формирует довольно высокий уровень сигнала эталонной частоты и подавляет даже его боковые полосы отстоящие от него на 10 Гц. Индустриальные помехи оказывают малое влияние на работу приемника. Все же полезно убедиться, что ведется прием именно несущей частоты радиостанции РБУ. Для этого временно шунтируют кварцевый резонатор в кварцевом фильтре конденсатором 200 – 300 пф и тогда становится возможен прием всего спектра частот в районе 66 кГц (полоса 2 – 3 кГц). Спектр сигнала РБУ специфичен при просмотре на спектральном дисплее и звучании.
Используемые детали: Для ферритовой антенны использован стержень 200х10 мм 600НН. Контурная катушка имеет 400 витков литцендрата 0,15х11, намотка внавал. Контурная катушка L4 намотана на стандартном броневом сердечнике от контура ПЧ 465 кГц от отечественных радиовещательных приемников. Содержат 150 витков провода ПЭВ 0,1 и распределены по 3-х секционному каркасу. Индуктивность катушки составляет около 450 мкГн. Контурная катушка L5 использована готовая (имеет высокую добротность и намотана литцендратом в броневом сердечнике диаметром 20 мм), конденсатор в контуре подбирался при настройке. L2, L3 – стандартные дроссели индуктивностью 100 мкГн. Конденсатор С2 – 2-х секционный от радиовещательного приемника.
Конструкция: Печатная плата для приемника не разрабатывалась, монтаж производился на макетной плате. Почти все узлы приемника – цифровые делители частоты, входные узлы и активный кварцевый фильтр, УПЧ и другие питаются от отдельного стабилизатора напряжения +5В, только задающий кварцевый генератор на 10 МГц питается от стабилизированного источника +12В. Это связано с необходимостью получения достаточной по ширине подстройки гетеродина Узлы приемника не экранировались. При «чистовой» сборке необходимо экранировать ферритовую антенну от остальных элементов схемы и располагать ее на удалении (лучше внешний вариант расположения) и экранировать кварцевый генератор на 10 МГц и линейку делителей частоты. Контурные катушки L4, L5 заключать в штатные алюминиевые экраны. Не допускать возникновения связей между входной и выходной частью приемника, так как принимаемая и выходная частоты точно равны между собой и легко может появиться самовозбуждение при приеме сильного сигнала точной частоты.
Список литературы: 1. А.В. Выходец и др. «Справочник по радиовещанию»; Киев: Техника, 1981 г. 2. Бюллетень № В11/2004 «Эталонные сигналы частоты и времени» 3. Атаев Д.И., Болотников В.А. «Аналоговые микросхемы для бытовой радиоаппаратуры» справочник. МЭИ, 1991 г.
Комментарии автора: Точных данных об использовании подобной аппаратуры в настоящее время у меня нет. Все же большее распространение получили системы на базе GPS, Glonas с целью формирования эталонных сигналов частоты и времени. Но и по общей стоимости такие системы в несколько раз дороже приемника описанного в публикации. Представляется сомнительным получить при непосредственном приеме с эфира «отличное» качество сигнала эталонной частоты, так как только в этом случае можно надеяться на получения низкого уровня фазового шума в результате случайных флуктуаций фазы сигнала. Исключение может составлять случаи приема вблизи от передающей станции или в местности с отсутствием индустриальных шумов (сельская местность). Несмотря на очевидные недостатки приемник можно использовать для калибровки частотомеров и другой радиотехнической аппаратуры при условии оснащения его блоком синтезатора частоты на основе ФАПЧ. Очень важное значение приобретает его правильная настройка перед работой (ориентация магнитной антенны, подключение качественной внешней магнитной антенны, подстройка частоты гетеродина, оптимальное расположение приемника в помещении). Для всех желающих повторить и испытать приемник дается схема и описание. Буду признателен за сообщения о повторении и проверке приемника отправляемые на электронный почтовый ящик: ua3vvm@mail.ru
Дополнительные файлы:
А. Анкудинов (ua3vvm) |
