Супергетеродин. Как я собрал коротковолновый радиоприемник на STM32 и Si5351

Происхождение

Ис­тория при­емни­ков прин­ципи­аль­но нового типа началась в 1901 году, ког­да Ред­жинальд Фес­сенден показал воз­можность при­ема сиг­нала на биениях. Суть револю­цион­ного метода зак­лючалась в том, что в при­емник, помимо ради­осиг­нала из антенны, подавал­ся вспо­мога­тель­ный сиг­нал близ­кой час­тоты, в резуль­тате чего на выходе мож­но было обна­ружить биения — сиг­нал с час­тотой, рав­ной раз­ности час­тот при­нима­емо­го сиг­нала и выхода вспо­мога­тель­ного генера­тора. Эти биения были слыш­ны в телефон­ных аппа­ратах, при­чем, как показа­ли нес­коль­ко поз­днее, ампли­туда этих биений ока­залась замет­но выше ампли­туды полез­ного сиг­нала.

Вспо­мога­тель­ный генера­тор иссле­дова­тель наз­вал «гетеро­дином» (от гре­чес­кого ἕτερος — иной или внеш­ний и δύναμις — сила), а сам при­емник «гетеро­дин­ным». На тот момент это был новый спо­соб детек­тирова­ния, который поз­волял при­нимать телег­рафный ради­осиг­нал тоном на слух.

Здесь бук­вой O обоз­начен гетеро­дин, а сам при­емник пред­став­лял собой две индуктив­но свя­зан­ные катуш­ки на общем сер­дечни­ке. При этом сиг­нал биений зас­тавлял колебать­ся метал­личес­кую мем­бра­ну D (надо полагать, диф­фузор). В общем, как ты понима­ешь, все было сурово, впол­не в духе того далеко­го вре­мени. Поз­днее при­емник модер­низиро­вали, повысив чувс­тви­тель­ность.

Вни­матель­ное изу­чение схе­мы поз­воля­ет заметить здесь крис­талли­чес­кий диод — да, пред­ставь себе, эта шту­ка была сде­лана уже в 1913 году! Одна­ко боль­шого успе­ха эта конс­трук­ция не снис­кала, так как в то вре­мя генера­тор вспо­мога­тель­ного сиг­нала был гро­моз­дкой, слож­ной и очень дорогой в изго­тов­лении шту­кой. Тог­да наиболь­шее рас­простра­нение получи­ли механи­чес­кие генера­торы, а до изоб­ретения пер­вой ради­олам­пы оста­валось еще нес­коль­ко лет.

Сле­дующей ите­раци­ей стал ге­теро­дин­ный при­емник Ген­ри Раун­да, соз­данный в том же 1913 году. В этом устрой­стве генера­тор был уже на элек­трон­ной лам­пе, которая выпол­няла сра­зу три фун­кции: уси­лива­ла при­нима­емый сиг­нал, генери­рова­ла вспо­мога­тель­ный, а так­же работа­ла в качес­тве мик­шера, перем­ножая сиг­налы. Из‑за такой обиль­ной фун­кци­ональ­нос­ти автор дал при­емни­ку наз­вание «авто­дин», намекая, что генера­ция вспо­мога­тель­ного сиг­нала здесь про­исхо­дит в при­емно‑уси­литель­ных цепях.

А даль­ше слу­чилась вой­на, которая ярко показа­ла, нас­коль­ко ради­освязь полез­на. Но тре­бова­лись надеж­ные, более чувс­тви­тель­ные и селек­тивные при­емни­ки, ведь к тому вре­мени ради­останций ста­ло замет­но боль­ше. У тог­дашних ради­опри­емни­ков было три серь­езные проб­лемы: недос­таточ­ные чувс­тви­тель­ность, что нап­рямую свя­зано с даль­ностью свя­зи, селек­тивность, то есть спо­соб­ность выделить сиг­нал нуж­ной ради­останции из нес­коль­ких при­нятых, и устой­чивость к атмосфер­ным помехам.

Изу­чая эти проб­лемы, три иссле­дова­теля незави­симо друг от дру­га приш­ли к кон­цепту­аль­но похожим решени­ям. Пер­вым с нез­начитель­ным отры­вом был фран­цуз Люсь­ен Леви, который пред­положил, что если в при­емни­ке пре­обра­зовы­вать сиг­нал при­нима­емой стан­ции не сра­зу в зву­ковую час­тоту, а в некото­рую про­межу­точ­ную час­тоту (выше слы­шимой), то на этой про­межу­точ­ной час­тоте будет про­ще изба­вить­ся от атмосфер­ных помех, пос­ле же ее мож­но пре­обра­зовать в слы­шимую (зву­ковую).

Та­кое решение тре­бует вве­дения в конс­трук­цию при­емни­ка допол­нитель­ного гетеро­дина. В резуль­тате получил­ся при­бор, говоря сов­ремен­ным язы­ком, с двой­ным пре­обра­зова­нием час­тоты. Леви наз­вал свой при­емник «супер­гетеро­дин­ным», то есть содер­жащим допол­нитель­ный гетеро­дин. Веро­ятно, имен­но это и объ­ясня­ет про­исхожде­ние столь замыс­ловато­го наз­вания.

Впро­чем, сущес­тву­ет и дру­гая вер­сия, которая пред­полага­ет, что прис­тавка «супер» переко­чева­ла от про­межу­точ­ной час­тоты, которая была выше слы­шимой, или, как было при­нято писать в то вре­мя, supersonic (уль­траз­вук). В любом слу­чае надо понимать, что супер­гетеро­дин­ный при­ем под­разуме­вает наличие про­межу­точ­ной час­тоты.

Здесь H1 и H2 — точ­ки под­клю­чения пер­вого и вто­рого гетеро­дина. Нес­коль­ко с дру­гой сто­роны к проб­леме под­сту­пились незави­симо друг от дру­га Эд­вин Армстронг и Валь­тер Шот­тки. Их боль­ше занима­ла идея уве­личе­ния чувс­тви­тель­нос­ти, для чего тре­бовал­ся уси­литель на ради­олам­пах. Одна­ко надо понимать, что ради­олам­пы в 1918 году были несовер­шенны­ми и кап­ризны­ми устрой­ства­ми и пос­тро­ить уси­литель с боль­шим коэф­фици­ентом, спо­соб­ный работать на час­тотах КВ‑диапа­зона (2–30 МГц), было прос­то невоз­можно.

Для решения этой проб­лемы иссле­дова­тели пред­ложили пре­обра­зовать полез­ный сиг­нал высокой час­тоты в про­межу­точ­ную (на которой лам­пы мог­ли эффектив­но работать) и уже на этой час­тоте уси­лить сиг­нал, что тех­нологии того вре­мени впол­не поз­воляли. Более того, авто­ры ука­зыва­ли, что такое пре­обра­зова­ние мож­но выпол­нять в нес­коль­ко эта­пов, что повысит устой­чивость работы уси­лите­ля.

И если изыс­кания нем­ца Шот­тки носили теоре­тичес­кий харак­тер, то инже­нер Армстронг в Аме­рике уже в 1918 году пос­тро­ил работа­ющий про­тотип сво­его супер­гетеро­дина на вось­ми лам­пах (на самом деле безум­ное количес­тво для того вре­мени). Выг­лядело это как‑то так.

Тем не менее тог­да супер­гетеро­дины не наш­ли широко­го при­мене­ния, и при­чиной тому была в пер­вую оче­редь высокая цена. В то вре­мя как раз появи­лись ре­гене­ратив­ные при­емни­ки, которые хоть и усту­пали супер­гетеро­динам по сво­им харак­терис­тикам, но зато поз­воляли пос­тро­ить при­емле­мого качес­тва при­емник, исполь­зуя все­го одну или две лам­пы. Любопыт­но, что регене­ратив­ный при­емник был изоб­ретен так­же Армстрон­гом и, что харак­терно, при­нес ему гораз­до боль­ший доход и извес­тность.

По‑нас­тояще­му эпо­ха су­пер­гетеро­дин­ных при­емни­ков началась лишь в 1930-х годах, ког­да лам­пы ста­ли гораз­до дос­тупнее и истек срок соот­ветс­тву­ющих патен­тов. В ито­ге к кон­цу Вто­рой мировой вой­ны супер­гетеро­дины прак­тичес­ки вытес­нили все осталь­ные типы при­емни­ков. В нас­тоящее вре­мя супер­гетеро­дин­ные при­емни­ки счи­тают­ся стан­дартом. Основное же пре­иму­щес­тво супер­гетеро­дина зак­люча­ется в том, что выб­рать при­нима­емый сиг­нал мож­но перес­трой­кой самого гетеро­дина.

При этом про­межу­точ­ная час­тота оста­ется пос­тоян­ной, так что мож­но при­менить высоко­эффектив­ные квар­цевые филь­тры в уси­лите­ле про­межу­точ­ной час­тоты. Это поз­воля­ет лег­ко получить жела­емую изби­ратель­ность по сосед­нему каналу.

В чем профит?

Ко­неч­но, сей­час сбор­ка собс­твен­ного ради­опри­емни­ка лишена эко­номи­чес­кой целесо­образнос­ти. Более того, с раз­вити­ем интерне­та ради­ове­щание сегод­ня уже потеря­ло былую акту­аль­ность. Даже FM-диапа­зон замет­но поредел, не говоря уже о корот­ких вол­нах. И все же ради­опри­ем на корот­ких вол­нах, как сей­час при­нято выражать­ся, дает ощу­щение «теп­лой лам­повос­ти». Более того, сама идея «сво­бод­но» переда­вать информа­цию, минуя гра­ницы и пос­редни­ков, до сих пор выг­лядит весь­ма зло­бод­невно.

Так, фак­тичес­ки не вста­вая со сту­ла, мож­но про­бежать­ся если не по все­му миру, то как минимум по сво­ему матери­ку: тысячи километ­ров для корот­ких волн совер­шенно не проб­лема, даже в круп­ных городах, где ради­оэфир силь­но зашум­лен. Находясь в Мос­кве, мож­но без тру­да услы­шать Китай, Индию, Катар и дру­гие стра­ны. Сущес­тву­ет даже такое явле­ние, как DXing — «охо­та» на даль­ние ради­останции, сво­его рода сос­тязание. При­няв ради­останцию и отпра­вив соот­ветс­тву­ющий ответ, мож­но получить кар­точку QSL с эмбле­мой ради­останции.

В интерне­те на некото­рых форумах есть отдель­ные те­мы, пос­вящен­ные таким кар­точкам. Как пишут учас­тни­ки, китай­цы охот­но отправ­ляют кар­точки. Впро­чем, лич­но меня боль­ше инте­ресу­ет само соз­дание и нас­трой­ка при­емни­ка. Даль­ше я рас­ска­жу об отно­ситель­но нес­ложном при­емни­ке с циф­ровой шка­лой и квар­цевой ста­били­заци­ей час­тоты, впол­не при­год­ном для при­ема сиг­нала с даль­них стан­ций.

Почему именно супергетеродин

Ра­зуме­ется, для при­ема на корот­ких вол­нах мож­но исполь­зовать гораз­до более прос­тые решения. Нап­ример, регене­ратив­ные при­емни­ки, наибо­лее известен из которых, пожалуй, «Могика­нин» MFJ-8100. Его мож­но при­обрести готовым (дол­ларов за сто на популяр­ных онлай­новых пло­щад­ках) или в виде набора для сбор­ки, а мож­но и вов­се соб­рать самому — бла­го схе­ма откры­та. Но регене­ратор — это ско­рее «для баловс­тва», так как, прос­лушивая стан­цию, пос­тоян­но при­дет­ся подс­тра­ивать регене­рацию и атте­нюатор. Это про­исхо­дит из‑за того, что КВ‑сиг­нал прак­тичес­ки пос­тоян­но меня­ет свою интенсив­ность в широких пре­делах. Свя­зано это с атмосфер­ными явле­ниями, вли­яющи­ми на про­хож­дение. И это­го как раз регене­ратор очень не любит.

Практика

Итак, суть работы гетеро­динов в таком при­емни­ке зак­люча­ется в том, что вход­ной «высоко­час­тотный» сиг­нал пре­обра­зует­ся в про­межу­точ­ную час­тоту (мы будем исполь­зовать 455 кГц), на которой будет выпол­нять­ся основная селек­ция и уси­ление сиг­нала. Далее сле­дует детек­тор, выделя­ющий сиг­нал зву­ковой час­тоты, и уси­литель, необ­ходимый для гром­когово­ряще­го при­ема. Рас­смот­рим струк­турную схе­му супер­гетеро­дина.

Синтезатор

За осно­ву была взя­та конс­трук­ция, которую я уже исполь­зовал в SDR-при­емни­ке, одна­ко в дан­ном слу­чае я пос­читал, что исполь­зование мик­рокон­трол­лера STM32F103 избы­точ­но, и пор­тировал некото­рые кус­ки кода на STM32F030. Пос­ледний сла­бее по харак­терис­тикам, но нес­коль­ко дешев­ле и, кро­ме того, дос­тупен в более удоб­ном для самоде­лок кор­пусе LQFP32. Это один из нем­ногих МК c ядром Cortex-M и шагом меж­ду кон­такта­ми 0,8 мм. Впро­чем, у SI5351 шаг все рав­но 0,5 мм, поэто­му пол­ностью изба­вить­ся от мелочов­ки в про­екте не вый­дет.

Я добавил в схе­му ста­били­затор питания и опе­раци­онный уси­литель для отоб­ражения уров­ня при­нима­емо­го сиг­нала. ОУ работа­ет в режиме пов­торите­ля, а на его выходе сто­ит делитель нап­ряжения, что поз­воля­ет изме­рять нап­ряжение управля­юще­го сиг­нала АРУ (изме­няет­ся в диапа­зоне от 0,5 до 4,7 В). Так как управля­ющее нап­ряжение АРУ близ­ко к нап­ряжению питания, то при­менен rail-to-rail опе­раци­онный уси­литель MV358. Его здесь мож­но заменить на более рас­простра­нен­ный LM358, но тог­да вер­хний пре­дел изме­ряемо­го нап­ряжения сни­зит­ся до 4 В (при питании 5 В).

Так­же в схе­ме заложе­на воз­можность управлять варика­пами для авто­нас­трой­ки вход­ных цепей, одна­ко под­ходящих варика­пов я не нашел, поэто­му такую фун­кцию не реали­зовал. Схе­ма син­тезато­ра пред­став­лена на рисун­ке.