Не просто очередная беглая статья о модификации тюнера, а подробный мануал о том, как это делается, как работает, с описанием не только готовой конструкции, но и подводных камней, а так же просто интересных сопутствующих фактов.
Немного истории
Выход в свет микросхемы RTL2832U для приемников цифрового телевидения в формате DVB-T не обещал никаких сенсаций, ведь фирма Realtek и так несколько запоздала с ее выпуском. В 2010 году уже начинал внедряться более прогрессивный стандарт DVB-T2 с более эффективным кодированием информации, поэтому первоначально новинка не привлекла особого внимания. В течение двух лет дешевые USB-тюнеры на ее базе использовались по своему прямому назначению, пока в начале 2012-го года не произошла утечка некоторой технической информации о режимах работы данного чипа. Выяснилось, что для приема аналогового (FM) и цифрового (DAB) радио в диапазоне УКВ, эта микросхема использует принцип программного декодирования предварительно оцифрованной из эфира полосы частот. Т.е. она, грубо говоря, оцифровывает высокочастотный сигнал из антенного входа, а фильтрация конкретной несущей и ее детектирование (выделение полезной информации) из полученного цифрового потока отдается на откуп центральному процессору. Очевидно, что сделано это было из соображений экономии, точно так же, как во времена заката Dial-UP массовое распространение получили экстремально дешевые «софт-модемы», которые тоже представляли собой лишь продвинутую пару ЦАП+АЦП, а весь сигнальный процессинг выполнялся CPU в потоке с наивысшим приоритетом.
Высокий приоритет потока обработки сигнала с полосой частот чуть более 3 кГц приводил к заметному замедлению работы ПК того времени. Сегодняшние системы ведут себя сопоставимым образом, обрабатывая в 1000 раз больше информации.
Именно эта тяга к экономии и предопределила дальнейшую судьбу большинства тюнеров, собранных на основе RTL2832U. Утечка информации о возможностях чипа произвела эффект разорвавшейся бомбы. Еще бы, ведь все радиолюбители мира в одночасье получили мощнейшее средство радио-мониторинга. Приемник, покрывающий диапазон от Low-Band до отдаленного УКВ, не ограниченный ни типом модуляции, ни остротой настройки, с возможностью панорамного просмотра полосы более 3 МГц, и все это за 10 долларов! Ну и пусть, что работа возможна только в паре с компьютером, зато дешево и на вид практически неотличимо от простой флешки. Для сравнения, классический сканирующий приемник с поддержкой такого диапазона частот и типов модуляции (но без панорамного обзора) стоит порядка пятисот долларов и выглядит крайне подозрительно в руках обычного человека.
Рассматриваемый в данной статье приемник на базе RTL2832U является классическим SDR, поэтому и получил в народе название RTL-SDR. Даже китайские интернет-магазины часто продают эти тюнера именно под таким названием, совсем забывая упомянуть, что вообще-то это устройство задумывалось как телевизионный тюнер, а не игрушка для радиолюбителей.
Software Defined Radio – устройство приема и/или передачи радиосигналов, построенное на базе цифровой обработки сигналов процессором компьютера. От классического «аналогового» принципа отличается именно тем, что сигнал на как можно более ранних стадиях (в случае приемника) преобразуется в цифровой вид и в дальнейшем обрабатывается процессором. Это позволяет избавиться от массы аналоговых элементов схемы, часто дорогих и/или требующих тонкой настройки. В случае SDR-передатчика, сигнал до последнего существует в цифровом виде и проходит ЦАП в самом конце своего формирования. Кроме аналогового радио и SDR, существует еще большой класс DSP-радио, которое во многом аналогично SDR, но за цифровую обработку отвечает не просто программа, а специализированный DSP-чип (Digital Signal Processor). Такой цифровой сигнальный процессор реализует все или часть алгоритмов обработки сигналов на уровне логики, а не программного кода, что делает его более экономичным и эффективным, хоть и менее гибким, по сравнению с SDR. На практике часто бывает сложно провести четкую грань между SDR и DSP.
Примечательной особенностью практически любого SDR является его всеядность, ведь даже довольно сложные в «железной» реализации методы кодирования (например, однополосная амплитудная модуляция – SSB) легко обрабатываются программно и на практике для такого приемника вообще нет разницы, что принимать. В качестве демонстрации этой особенности, можно упомянуть курьезную разработку, которая позволяет принимать на такой тюнер аналоговое телевидение. Да-да, эти извращенцы заставили TV-тюнер принимать TV-сигнал! Но необычное тут то, что тюнер, вроде как, только для DVB-T, а сигнал таки аналоговый.
К сожалению, приемник аналогового телесигнала получается не очень полноценным, и поделать с этим ничего нельзя. Проблема в том, что сигнал изображения в системах PAL или SECAM с разложением на 625 строк занимает в эфире полосу до 6.5 МГц, в то время как RTL2832U в SDR-режиме умеет в один момент оцифровывать максимум 3.2 МГц. В итоге из-за ограничений доступной полосы частот, изображение принимается со значительно уменьшенной горизонтальной детализацией, а звуковое сопровождение (для передачи которого используется отдельная несущая в стороне от сигнала изображения) не принимается вовсе.
Также при помощи этого тюнера можно принимать и декодировать сигналы GPS, переговоры абонентов сотовых сетей (когда выключено шифрование), или, скажем, «читать» пейджинговые сообщения (там, где таковые все еще в ходу). Для всего этого существует либо самостоятельно ПО, либо плагины к универсальным «комбайнам» вроде SDRSharp.
Так что с короткими волнами?
Короче, очень удачная игрушка получилась, но не бывает так, чтобы все сразу было хорошо. Мониторинг местного УКВ-эфира – это, безусловно, очень интересно, но было бы гораздо интереснее, если бы была возможность приема и на более низких частотах. Ведь только на частотах менее 30 МГц можно непосредственно услышать сигналы передатчика, расположенного на другом краю планеты. Тем более что продвинутые возможности детектирования разных видов модуляции оказываются практически невостребованными в диапазоне ультракоротких волн. Служебная аналоговая связь, как правило, ведется с использованием узкополосной частотной (NFM), а в авиа-диапазоне в ходу обычная амплитудная модуляция. Самый энерго-эффективный и сложный в реализации метод модуляции с одной боковой полосой (SSB) на УКВ практически не используется, а вот на коротких волнах без него можно разве что Радио Китая послушать.
Проблема приема коротких волн на RTL-SDR имеет несколько решений. Первое – это подача сигнала с антенны непосредственно на вход микросхемы RTL2832U, минуя радиочастотный модуль (представленный обычно чипом R820T или R820T2). Называется это прямой оцифровкой (Direct Sampling, он же Q-branch или I-branch), и именно такой метод используется в дешевых наборах типа «сделай сам», массово представленных в китайских интернет-магазинах.
В такие наборы входит корпус, TV-тюнер, печатная плата, горсть дискретных деталей, и очень странная антенна. Тюнер предполагается разобрать, отпаять от его платы USB и антенный разъемы, и впаять то, что осталось в соответствующий фигурный вырез большей печатной платы. Туда же устанавливаются дискретные элементы, все это закручивается в корпус и на выходе получается симпатичная коробочка размером не больше пачки сигарет, теоретически способная принимать сигналы в диапазоне от нуля до многих сотен мегагерц.
На практике метод прямой оцифровки хоть и отличается крайней простотой реализации, но имеет слишком много недостатков. Самый главный из них – фактическая оцифровка сигнала только в диапазоне до 14400 кГц. Принимать он может и более высокие частоты, однако это уже побочный канал приема, который мешает основному и которому мешает основной. Второй критический недостаток – довольно низкая чувствительность полученного таким образом коротковолнового приемника. Вход RTL2832U не предназначен для обработки слабых сигналов, которые приходят с антенны. Реальная чувствительность получается хуже нескольких десятков микровольт, чего явно недостаточно для приема дальних SSB-станций, особенно на неэффективную короткую антенну.
Антенны – отдельная очень большая тема, на которую написаны тысячи серьезных работ. В обывательских кругах бытует мнение, что чем длиннее антенна – тем лучше она работает, однако в большинстве случаев это совсем не так. Наилучший результат дает антенна, настроенная в резонанс. А простейший путь добиться резонанса – это выбрать правильный размер. Эффективная проволочная антенна должна иметь длину, примерно равную четверти длины волны принимаемой станции. Например, принимать сигнал на частотах в районе 3.5 МГц (длина волны около 85 метров) лучше всего будет 21-метровый провод. До сантиметров отмерять не стоит, потому что кривая резонанса все равно довольно пологая. Очень пагубно на качество антенны влияет любой параллельный ей электропроводящий предмет, в том числе земля. Поэтому провод должен быть вертикальным или наклонным и не располагаться под острыми углами к близким металлическим или бетонным конструкциям. При невозможности сооружения полноразмерной антенны, допускается свернуть провод в трех-пятиметровую спираль (но его реальная длина все равно примерно должна соответствовать четверти длины волны). Так же не забываем, что в случае использования четвертьволновой антенны, внешний контакт антенного входа приемника обязательно должен быть заземлен или подключен к проволочному противовесу той же длины.
Малую эффективность антенны можно скомпенсировать повышением чувствительности приемника. К примеру, связные коротковолновые приемники обычно имеют чувствительность 0.25 микровольта и лучше, так что многие десятки микровольт «голого» RTL2832U сгодятся разве что для приема мощных радиовещательных станций.
Кстати, антенна из комплекта предназначена для сотового модема, о чем на ней прямо написано. На коротких волнах она работает почти никак, а что заставило китайского производителя вообще положить ее в набор – великая тайна.
Кроме низкой чувствительности и проблем с рабочим диапазоном, схема прямой оцифровки неудобна сложностью подключения дополнительных проводов к выводам микросхемы. Сделать это реально только игольчатым жалом и под сильным увеличением. Твердая рука также жизненно необходима, поэтому очень многие именно на данном этапе запороли тюнер и отправили остаток набора в долгий ящик.
А еще вызывает сильное беспокойство влияние сделанного подключения на работу тюнера в «штатном» режиме, на УКВ. Ведь даже когда прием на КВ не нужен, обмотка согласующего трансформатора остается подключенной ко входу RTL2832U, а значит и к соединенному с ним выходу радиочастотного модуля R820T, создавая для него дополнительную паразитную нагрузку.
И хотя даже этим недостатки не ограничиваются, думаю, сказанного уже достаточно для понимания того, что собирать его в соответствии с задумкой производителя не стоит. Гораздо лучше использовать набор в качестве основы для более достойного устройства аналогичного назначения.
Преобразование частоты
Второй способ научить RTL-SDR принимать КВ заключается в переносе спектра 0-30 МГц в любой другой участок, с которым тюнер умеет работать без всяких модификаций.
Подобный перенос называется преобразованием частоты вверх (Up-converting) и производится при помощи вспомогательного генератора переменного тока и схемы, называемой смесителем. Суть работы смесителя заключается в следующем: при подаче на его входы двух сигналов с разными частотами, на выходе формируется третий сигнал, частота которого равна сумме или разнице входных. При этом выходной сигнал повторяет в себе все амплитудные и частотные колебания входных. Таким образом, если на один вход подать принятый антенной сигнал в диапазоне 0-30 МГц, а на другой – не модулированный переменный ток от вспомогательного генератора (гетеродина) с частотой, скажем, 100 МГц, то на выходе мы получим полную копию сигнала с первого входа, сдвинутую на 100 МГц вверх.
Как правило, смеситель производит одновременно и сложение и вычитание частот. Поэтому при подаче на его входы полезного сигнала с частотой 3.5 МГц и сигнала гетеродина 100 МГц, на выходе будем иметь два зеркальных сигнала с частотами 103.5 и 96.5 МГц. В обычных аналоговых схемах от ненужной частоты избавляются фильтрами, однако в нашем случае это не обязательно. Достаточно просто не настраивать тюнер на частоты ниже 100 МГц и можно считать, что их не существует. Более того, программное обеспечение RTL-SDR, настроенное на работу с таким переносом, просто не позволит настроиться на паразитный продукт преобразования.
Разновидностей преобразователей частоты существует великое множество, все со своими преимуществами и недостатками. В качестве смесителя может использоваться практически любая нелинейная цепь: от обычного диода до сложных симметричных многотранзисторных схем. Но в наш век массовой микроэлектроники вряд ли имеет смысл городить сложный смеситель для простого «свистка», достаточно воспользоваться готовой микросхемой, к тому же совмещающей в себе сразу и гетеродин и смеситель.
В большинстве подобных преобразователей предлагается использование микросхемы SA602, которая отлично зарекомендовала себя в связной аппаратуре практически всех диапазонов волн. Она довольно распространенная, требует минимум «обвязки», а ее возможности с лихвой покрывают наши потребности.
Совершенно аналогичный чип может скрываться и в корпусе с маркировкой NE602. Так же существуют более дешевые микросхемы SA612 и NE612, которые немного отличаются по характеристикам, но тоже вполне пригодны для преобразователя частот. Цоколевка и рабочие напряжения всех четырех микросхем совпадают, поэтому они полностью взаимозаменяемы.
Единственное теоретически заметное в данном случае отличие микросхем SA612/NE612 от SA602/NE602 – это их меньший коэффициент усиления, 14 dB против 18. Однако на практике в приведенной ниже схеме мне не удалось обнаружить на слух какую-либо разницу между ними, поэтому смело можно использовать ту, которая первой попадется под руку.
Что еще, кроме гетеродина и смесителя нужно для преобразователя частоты? Последним жизненно необходимым элементом схемы является фильтр низких частот (ФНЧ, он же Low-pass Filter). Его важность проистекает из самого принципа работы преобразователя частоты. Мы помним, что смеситель в преобразователе производит сложение и вычитание частот, поступающих на его входы. И если с частотой гетеродина 100 МГц на второй вход подать сигнал 3.5 МГц, то мы сможем принять его тюнером при настройке на 103.5 МГц. Однако если подать на второй вход сигнал с частотой 203.5 МГц, то смеситель услужливо вычтет из него частоту гетеродина и снова выдаст нам те же 103.5 МГц.
В итоге мы получим двойную селекцию, и при настройке тюнера на 103.5 МГц реально прием будет вестись сразу на двух частотах: 3.5 и 203.5 МГц. Паразитный канал приема на частоте 203.5 МГц называется зеркальным и именно от него нужно избавляться предварительной фильтрацией входного сигнала.
Приведенный пример является самым простейшим и относительно «безобидным» случаем. На практике паразитных каналов приема всегда оказывается гораздо больше, потому что из-за несовершенства реальных элементов смесителя и перекрестного влияния разных частей схемы, частоты, полученные в результате преобразования, снова могут попадать на вход смесителя. В результате вместо двух зеркальных каналов приемник принимает уже целый спектр частот. Конечно, чувствительность его на таких паразитных каналах высокого порядка оказывается значительно ниже, чем на двух «фундаментальных», но, тем не менее, если на одном из них присутствует мощный сигнал или помеха, это может причинить массу проблем.
Для подавления нежелательных каналов приема, сигнал с антенны перед подачей на вход смесителя должен быть очищен от всех частот, лежащих за пределами интересующего нас диапазона. Действительно, если разница между основным и зеркальным каналами равна удвоенной частоте гетеродина, то отсечение всего, что имеет частоту выше 30 МГц (условной границы между короткими и ультракороткими волнами), дает нам возможность отсечь зеркальный канал с большим запасом.
Этим отсечением и занимается фильтр низких частот. Подробно на принципе его действия останавливаться не будем, тем более что он очевиден любому, кто знает, что такое индуктивное и емкостное сопротивление. Для нас главное, что он очень прост в реализации и, не смотря на свою аналогово-высокочастотную сущность, при правильном изготовлении не нуждается в какой-либо настройке. Схема ФНЧ седьмого порядка с частотой среза 30 МГц выглядит так:
Существует некоторая путаница в именовании фильтров нижних и верхних частот в русскоязычной литературе. Одни авторы руководствуются такой логикой: «фильтр должен называться фильтром низких частот, если он отфильтровывает (т.е. подавляет) низкие частоты». Другие же, напротив, думают так: «если фильтр очищает (т.е. наоборот оставляет) низкие частоты, то именно его и нужно называть фильтром низких частот». В результате в разных источниках под ФНЧ (или ФВЧ) подразумеваются совершенно противоположные понятия. Для устранения путаницы предлагаю вспомнить английские термины, которые не допускают двусмысленности. Фильтр, пропускающий низкие (т.е. подавляющий высокие) частоты, называют Low-pass Filter. Обратный ему, соответственно, – High-pass Filter. Все однозначно и никакой путаницы. И если перевести ключевое слово английского и наложить его на русский термин, то получается, что Low-pass Filter – это фильтр низких частот, т.е. ФНЧ. В то же время High-pass Filter – это фильтр высоких частот, ФВЧ.
В принципе, с тремя жизненно необходимыми элементами определились, и если сделать преобразователь частоты по стандартной схеме из datasheet, то он уже будет работать. Однако у такой схемы есть еще один неочевидный недостаток, который значительно ухудшит характеристики устройства.
Согласование сопротивлений
Вход смесителя выбранной микросхемы имеет сопротивление около 1500 Ом, а описанная выше четвертьволновая антенна – всего 50 Ом или меньше. На первый взгляд кажется, что ничего страшного, ведь с «силовой» точки зрения важно, чтобы потребитель (вход микросхемы) имел более высокое внутреннее сопротивление, чем источник (антенна), и в данном случае это условие соблюдено. Вот только с «сигнальной» точки зрения такое соотношение обозначает, что потребитель не берет всю мощность от источника. А там, где потребитель не берет все, что ему предлагается, сигнал всегда проходит с потерями.
Многие начинающие конструкторы вообще не уделяют внимания согласованию сопротивлений именно потому, что руководствуются «силовым» подходом. Ведь сопротивление лампочки на многие порядки выше выходного сопротивления ближайшей трансформаторной подстанции, и ничего, лампочка светится, подстанция не взрывается. Ошибка тут в том, что пред лампочкой не стоит задача «высосать» всю энергию из подстанции, ее функция состоит в том, чтобы взять ровно столько, сколько ей нужно. В то же время в сигнальных цепях любой недобор и перебор приводят к тому, что часть энергии просто не доходит от источника к потребителю и в результате сигнал ослабляется.
Для лучшего понимания смысла согласования сопротивлений, на мой взгляд, больше всего подходит аналогия из мира механики. Подключать высокоомную нагрузку к низкоомному источнику – это как поднимать спичечный коробок на большую высоту медленным многотонным краном. Да, коробок будет поднят без проблем, но на это будет потрачено в тысячи раз больше энергии и времени, чем нужно. Если преобразовать мощность крана таким образом, чтобы крутящий момент лебедки снизился до минимально необходимого для подъема коробка, а скорость ее вращения пропорционально увеличилась, то коробок за пару секунд взлетел бы в стратосферу. Вот и в электрических цепях происходят аналогичные явления, только вместо частоты вращения – напряжение, вместо крутящего момента – ток, а роль редуктора играет согласующая цепь.
Самым правильным решением проблемы согласования низкого выходного сопротивления антенны с высоким входным сопротивлением смесителя является трансформатор. Он может точно согласовать сопротивления, попутно подняв напряжение входного сигнала в несколько раз, не потребив при этом ни миллиампера тока. Однако трансформатор, работающий в диапазоне от долей до 30 МГц, не отягощенный массой паразитных резонансов, и не вносящий в сигнал больших потерь, довольно сложен в изготовлении. Это не значит, что он невозможен, но в рамках описываемого устройства не факт, что усилия, затраченные на его изготовление, будут оправданы. Поэтому вместо трансформатора было решено использовать согласующую LC-цепь, являющуюся частью входного ФНЧ. Такое согласование, безусловно, хуже, чем качественно изготовленный трансформатор сопротивлений, но зато «бесплатно» в рамках выбранной схемы, потому что реализуется исключительно путем изменения номиналов уже существующих в схеме элементов.
Второй точкой схемы, где требуется согласование сопротивлений, является выход смесителя. Тут ситуация даже хуже чем на входе, потому что высокоомный (те же 1.5 кОм) источник нужно подключить к низкоомному потребителю (вход тюнера имеет стандартный «телевизионный» импеданс 75 Ом).
Снова пример из механики. Представим себе электродвигатель с номинальной частотой вращения, скажем, 3000 оборотов в минуту, и лифт. Предположим, что мощность двигателя как раз соответствует мощности, необходимой для поднятия кабины. Однако если мы непосредственно соединим вал такого двигателя и лебедку лифта, ничего хорошего у нас не выйдет. Вал двигателя стремится крутиться слишком быстро, но при этом обеспечивает слишком малый крутящий момент для того, чтобы кабина лифта могла двигаться в нормальном режиме. Да, вероятно такой лифт все-таки сможет работать. С сильнейшим перегрузом двигателя и/или «космической» скоростью движения кабины после разгона. Для того, чтобы наш лифт заработал нормально, двигателю тоже необходим редуктор, который уменьшит частоту вращения и при этом увеличит крутящий момент. А хуже предыдущей эта ситуация потому, что тут не только не оптимально используются энергия источника, но и нарушается режим его работы из-за непомерной нагрузки.
В принципе, здесь тоже самое место трансформатору или, в крайнем случае, согласующему LC-фильтру. Но изготовление трансформатора, как уже говорилось выше, не стоит затраченных усилий, а согласующий фильтр, во-первых, имеет слишком «горбатую» амплитудно-частотную характеристику, а во-вторых, является избыточным с точки зрения самой необходимости что-то фильтровать в данной точке схемы. В общем, я решил использовать активный согласующий каскад. Он хоть и требует некоторой энергии для своей работы, но зато позволяет получить почти идеальное понижение сопротивления в любых разумных пределах.
В этой схеме нагрузка транзистора включена не в коллекторную цепь, как это делается в обычном усилительном каскаде, а в эмиттерную. В результате коллектор с точки зрения входного сигнала заземлен (через источник питания), а схема получила название каскада с общим коллектором. Такой каскад не дает усиления напряжения, но зато позволяет как бы добавить «токовой мощности» высокоомному источнику сигнала, или, другими словами, снизить его выходное сопротивление.
Второе название такого каскада – эмиттерный повторитель, которое он получил от своей чрезвычайной линейности. Такое включение нагрузки, по сути, вводит в каскад отрицательную обратную связь глубиной в 100%. Ведь любое приоткрытие транзистора входным сигналом приводит к увеличению тока через нагрузку, а значит и повышению напряжения на эмиттере транзистора. В результате любое увеличение напряжения на базе относительно эмиттера приводит к синхронному увеличению напряжения на эмиттере на такую же величину. Или, другими словами, напряжение на нагрузке просто повторяет напряжение на входе каскада. Но, не смотря на кажущееся отсутствие усиления, ток, текущий через нагрузку, в идеальном случае ограничен только ее сопротивлением, и при этом почти весь он берется из цепи питания, очень слабо нагружая источник входного сигнала.
В нашем случае каскад нагружен резистором на 75 Ом, что обеспечивает идеальное согласование со входом тюнера, а высокая линейность повторителя дает нам возможность легко перекрыть весь диапазон 0-30 МГц, не потеряв ни децибела. Единственное «но»: транзистор для этого каскада желательно подобрать с большим коэффициентом передачи тока, лучше, если он будет 200 единиц или выше. Большинство экземпляров транзистора 2N2222A удовлетворяют этому условию (если не отбраковка, конечно), но все-таки лучше перепроверить хотя бы простым китайским мультиметром.
Не путайте транзистор 2N2222A с его близким родственником P2N2222A, который имеет очень похожие параметры, но отличается цоколевкой. У обоих транзисторов база выведена на центральную ножку, а вот коллектор и эмиттер располагаются в зеркальном отражении, поэтому на приведенную ниже печатную плату P2N2222A должен устанавливаться с разворотом на 180 градусов.
Еще одним крайне желательным элементом конструкции является реле, позволяющее использовать тюнер и в его «родном» диапазоне частот. Согласитесь, было бы обидно получить чисто коротковолновый приемник, если буквально одной деталью можно сделать его универсальным. Принцип действия реле известен всем, и в данном случае один переключающий контакт просто должен коммутировать вход тюнера между выходом преобразователя частоты и гнездом УКВ-антенны.
В качестве такого коммутатора крайне желательно использовать не что попало, а именно высокочастотное сигнальное реле. Обычные силовые «релюшки» зачастую имеют слишком высокую паразитную емкость между разомкнутыми контактами и непредсказуемую индуктивность замкнутых.
Очень важным в данном случае параметром оказывается то, что не часто встретишь в даташите на реле – минимальные напряжение и ток коммутации. Именно минимальные! Проблема в том, что даже замкнутые контакты обычного реле могут оказаться не соединенными друг с другом в строгом смысле. Из-за окислов и эрозии между ними может получиться тончайший непроводящий зазор, который мгновенно пробивается напряжением даже в доли вольта и спекается от тока в десяток микроампер. Однако при коммутации приемной антенны у нас далеко не всегда есть сотни милливольт и десятки микроампер. Поэтому слаботочные реле имеют специальную конструкцию и особое покрытие токопроводящих элементов (вплоть до «мокрого» ртутного контакта), которые обеспечивают надежную коммутацию цепей с субмикронными напряжениями и токами.
Как оказалось, слаботочные высокочастотные реле довольно редкие и дорогие, поэтому пришлось искать замену. Наиболее доступным и подходящим вариантом оказалось герконовое реле. В его основе лежит геркон (герметичный контакт), представляющий собой герметичную стеклянную трубку с впаянными в ее торцы упругими позолоченными или родированными стальными пластинами. Трубка заполнена инертным газом, исключающим образование окислов. Управление осуществляется током в катушке, которая намотана на геркон: под действием магнитного поля стальные пластины изгибаются и замыкают или размыкают цепь.
К сожалению, все доступные в местной продаже импортные герконовые реле оказались с одним замыкающим контактом, не позволяющим переключать источники сигнала. Городить два отдельных реле не хотелось, поэтому пришлось выпаять из старой советской платы от какого-то измерительного прибора реле РЭС55А. Это герконовое реле с одним переключающим контактом, вполне пригодное для коммутации приемной антенны в диапазоне коротких волн.
Маркировка реле производства СССР определяла в основном его форм-фактор, а не электрические характеристики. Такие параметры, как сопротивление обмотки, напряжение и/или ток срабатывания, а иногда даже используемый материал контактов, определялись так называемым «паспортом», или «исполнением». При этом тип паспорта на корпусе почему-то присутствовал далеко не всегда. В результате определение конкретных характеристик иногда превращалось в своеобразный квест. Например, напряжение срабатывания можно было косвенно определить по оммическому сопротивлению обмотки. Измеренное значение нужно было найти в таблице паспортов данного типа реле и по нему определить конкретный тип и остальные характеристики. Особой пикантности процессу прибавляло то, что сопротивление обмотки могло совпадать не только для реле с, например, разным материалом контактов (что как раз понятно), но и у реле с разными напряжениями срабатывания.
На напряжение 5 вольт рассчитаны реле РЭС55А с паспортами 03xx, 08xx, 11xx, 16xx (они же РС4.569.600-03, РС4.569.600-08, РС4.569.600-11 и РС4.569.600-16 соответственно). Также можно использовать 6-вольтовые модификации 02xx, 07xx, 15xx (РС4.569.600-02, РС4.569.600-07, РС4.569.600-15). Сопротивление обмотки у всех подходящих исполнений от 57 до 110 ом.
В принципе, можно использовать любое малогабаритное герконовое реле, правда, нужно будет переработать под него чертеж печатной платы под его распиновку. Желательно также, чтобы реле было новым, или хотя бы не использовалось ранее в цепях с напряжением выше десятка вольт и током более единиц мА.
Схема
Практическая схема конвертера имеет такой вид:
В ней мы видим уже знакомый ФНЧ, собственно микросхему преобразователя частоты с обвязкой, выходной согласующий каскад на транзисторе, и коммутирующее реле. Коммутация входа тюнера ANT на выход преобразования производится автоматически одновременно с подачей питания на схему.
Не очень понятным может показаться назначение резистора R1 и конденсатора C1, но если вспомнить то, что хорошая коротковолновая антенна может достигать длины нескольких десятков метров, то возникает мысль и об атмосферном электричестве. Нет, от прямого удара молнии в антенну ничего не спасет, а вот от статики и наведенного далеким разрядом импульса вполне можно обезопаситься. Резистор R1 (желательно мощностью 1 Ватт) просто открывает пусть статическому электричеству на землю, а конденсатор C1 (это должен быть высоковольтный керамический конденсатор на напряжение не менее 1 кВ) препятствует попаданию этого электричества на вход микросхемы. В прочем, если прием планируется только на укороченную антенну, то резистор можно вообще не устанавливать, а конденсатор заменить перемычкой (или обычным, не высоковольтным керамическим конденсатором той же емкости).
Диод D1, включенный параллельно обмотке реле, гасит индукционный выброс, возникающий в момент отключения питания схемы. Обмотка реле имеет значительную индуктивность и накапливает в своем магнитном поле немало энергии. При прекращении протекания постоянного тока, эта энергия высвобождается в виде импульса напряжения обратной полярности, который в нашем случае поступает прямо на шину питания всего устройства, включая тюнер. На этом месте можно использовать любой малогабаритный диод с максимальным обратным напряжением 10 вольт или больше.
Включение микросхемы в основном соответствует референсу из даташита. Для переноса входного сигнала в рабочий диапазон тюнера нужен генератор на частоту 40 МГц или выше. При этом нужно учитывать такие факторы:
- Радиочастотный модуль R820T рассчитан на работу в диапазоне от 42 МГц, поэтому на более низких частотах его чувствительность и даже работоспособность не гарантирована.
- В полученном диапазоне переноса нежелательно наличие мощных передающих станций, потому что их сигнал может попасть на вход тюнера минуя преобразователь частоты и все испортить.
- Частота гетеродина должна быть предельно стабильной, ведь любое ее изменение сбивает настройку на передатчик.
Для максимальной стабилизации частоты, гетеродин выполнен с использованием кварцевого резонатора.
Кварцевый резонатор (или просто «кварц») – это тонкая пластина кварца, на разные стороны которой нанесено проводящее напыление. Пластина вырезана из монокристалла чистого диоксида кремния, который имеет свойство механически колебаться под действием электрического поля, приложенного вдоль некоторых осей. Как и любая механическая колебательная система, пластина имеет собственную частоту резонанса, которая определяется ее формой и толщиной. Если к металлическому напылению подвести переменное напряжение, то пластина начнет колебаться в такт с изменениями электрического поля, а оказываемое ею электрическое сопротивление, будет зависеть от частоты этих колебаний. На частоте резонанса сопротивление резко изменяется в сотни и тысячи раз, что позволяет использовать такую пластину как частотозадающий элемент генератора. Преимуществом кварца является его высокая стабильность и удобство использования в генераторах колебаний. Именно поэтому его можно найти практически в любом электронном устройстве.
Идеальной для переноса была бы частота гетеродина 120-125 МГц. При таком ее значении весь участок 0-30 МГц переносится в относительно «тихий» диапазон волн, где нет вещательных передатчиков.
Используемая во многих китайских конвертерах частота гетеродина 100 МГц является крайне неудачной. Ведь в этом случае самый интересный диапазон 0-8 МГц после переноса вверх попадает в область УКВ-радиовещания. Мощный сигнал вещательной FM-станции часто может быть принят даже резистором на плате, после чего он наложится на перенесенный сюда же слабый сигнал КВ-передатчика и сделает его прием невозможным.
Однако создать надежный и стабильный кварцевый генератор на частоту за сотню МГц достаточно сложно. Для этого пластина кварца должна иметь такую малую толщину, что получить ее механической обработкой уже невозможно. Такие кварцы делаются путем химического травления и крайне труднодоставаемы.
Другой путь достижения высоких частот – это генерация не на основной частоте пластины, а на одной из механических гармоник. Подобно гитарной струне, пластина кварца может колебаться не только на своей «фундаментальной» частоте, но и на нечетных обертонах. Если внедрить в схему генератора другой частотозадающий элемент, подавляющий генерацию на основной частоте, то некоторые кварцы начинают колебаться с частотой третьего обертона. А еще более некоторые пластины при должном упорстве можно заставить генерировать на пятом или седьмом обертоне.
Эксперименты с кварцами 14-25 МГц, выпаянными из старого компьютерного хлама и купленными в Китае, показали, что большинство из них непригодно для работы даже на третьем обертоне. Видимо их пластины вырезаны таким образом, что их активность на гармониках оказывается крайне низкой, и генератор либо вообще не возбуждается, либо скатывается на фундаментальную частоту не глядя на подавляющий элемент. Конечно, при должном упорстве можно найти кварц, который заработает на седьмой гармонике и даст частоту более 100 МГц, но это оказалось не так просто, да и трудоемкость настройки такого генератора уже выходит за рамки простейшей конструкции. Поэтому было решено пойти на компромисс и использовать перенос на частоту около 50 МГц. Полученный при этом рабочий участок 50-80 МГц тоже накладывается на старый вещательный УКВ-диапазон 66-74 МГц, однако сегодня в большинстве мест он фактически заброшен по причине малой распространенности поддерживающих его радиоприемников.
Отдельной проблемой являются первые три канала телевизионного вещания, которые тоже попадают в этот диапазон и часто могут стать причиной помех. Но в городах вещание на этих каналах сегодня ведется довольно редко, а в сельской местности расстояние до передатчика обычно позволяет не беспокоиться о помехах.
В любом случае при наличии помех на КВ, стоит попробовать отключить от устройства УКВ-антенну, которая через емкость реле и монтажа всегда имеет некоторую связь со входом тюнера.
Почти все современные кварцы с маркировкой выше “40.000”, являются гармониковыми, т.е. изначально предназначены для работы на третьем (или более высоком) обертоне. Если поставить такой кварц в схему без подавления «фундаментальной» частоты, он, скорее всего, будет генерировать или на трети от заявленной, или сразу на двух частотах. Например, из купленного в китайском интернет-магазине набора кварцев на 1-48 МГц, последний оказался гармониковым. Но запросто можно встретить такой кварц и на 40 МГц, а среди старых изделий 20-и и более летней давности гармониковыми является большинство кварцев с частотами от 25 МГц.
Можно, конечно, использовать отдельную микросхему генератора нужной частоты, но это дополнительный корпус на плате, дополнительный потребитель тока, да и придется решать проблему согласования выходного напряжения этого генератора и гетеродинного входа смесителя.
В общем, окончательный вариант преобразователя использует гармониковый кварц с маркировкой “49.475”, выпаянный из старого аналогового радиотелефона. А для подавления фундаментальной частоты в схему генератора добавлен контур L4/C8, настроенный частоту третьего обертона. Именно благодаря этому контуру генерация на 16.5 МГц оказывается невозможной и у кварца просто не остается других вариантов.
В схеме с указанными номиналами L4 и C8 без проблем заработают все кварцы с маркировкой примерно от “45.000” до “55.000”, а также некоторые “15.000”-“18.500”. Если цифра на корпусе выходит за эти пределы, то индуктивность L4 и/или емкость C8 придется изменить, чтобы частота полученного контура примерно соответствовала нужной частоте генератора (формула расчета частоты LC-контура ищется в интернетах за 30 секунд). При использовании «фундаментального» кварца, например, на частоту 40 МГц, катушку L4 нужно просто удалить из схемы, ничем ее не заменяя.
Узнать, заработал ли кварц, очень просто. Достаточно в уже собранной схеме настроить тюнер на его частоту. При наличии генерации, в спектре будет виден пик сигнала гетеродина, который бесследно исчезает при переключении конвертера в режим УКВ. Этим же способом определяется точное значение частоты гетеродина, которое нужно внести в настройки ПО.
Нет необходимости специально искать кварц с «круглым» номиналом. Во-первых, на коротких волнах в режиме SSB актуальна настройка с точностью не хуже 100 Гц, что все равно превышает погрешность калибровки большинства кварцев. А во-вторых, программное обеспечение для RTL-SDR позволяет установить произвольную частоту сдвига, и после этого шкала настройки будет показывать уже откорректированную частоту вне зависимости от номинала кварца.
Монтаж
Разводка печатной платы показана на рисунках:
архив с файлами схемы и печатной платы
Плата двусторонняя, но это обусловлено в первую очередь монтажом разъемов, вся схема преобразователя частоты разведена на нижнем слое, а верхний, раз он все равно есть, используется в качестве экрана.
В абсолютном большинстве высокочастотных схем имеет смысл использовать верхний слой металлизации в качестве экрана, даже если в этом нет очевидной необходимости. Такое решение позволяет уменьшить паразитное влияние разных цепей схемы друг на друга, и в ряде случаев устраняет паразитную генерацию усилительных каскадов, у которых из-за такого влияния выходная цепь передает часть своей энергии обратно на вход. Соединять верхний слой нужно с общим проводником, и чем больше будет точек соединения, тем лучше. Также иногда удобно использовать его в качестве питающей шины, добавив в схему побольше керамических конденсаторов между ним и общим проводом в нижнем слое, чтобы и в этом случае он выполнял функцию экрана.
Если присмотреться, то можно заметить, что разводка не совсем точно соответствует схеме. Во-первых, конденсаторы C4 и C5 соединены одним выводом не с «землей», как на принципиальной схеме, а с шиной питания. Сделано это для упрощения разводки, но такое включение никак не влияет на работу фильтра, потому как шина питания по переменному току имеет множественные контакты с общим проводником через блокировочные конденсаторы. Количество блокировочных конденсаторов, дублирующих C14, тоже увеличено по сравнению со схемой. Фактически они установлены везде, где для них было пространство и подведенные шины. Большое их количество также способствует увеличению стабильности работы любого высокочастотного электронного устройства.
Еще одним отсутствующим на схеме элементом является жестяной экран вокруг всех дискретных деталей, образующих кварцевый генератор. По той причине, что выход смесителя подключен к довольно чувствительному устройству в виде ТВ-тюнера, необходимо минимизировать утечку сигнала гетеродина, к которому тюнер так же чувствителен, как и к полезному сигналу. Контактные площадки для монтажа экрана окружают кварц Q1, катушку L4, конденсаторы C7-C9, и все они соединены с «землей». Металлический корпус кварца также заземляется на этот экран в своей верхней части при помощи проволочной перемычки.
Если нет медной жести, то экран можно сделать из консервной банки, или из баллончика от пены для бриться, лака для волос и т.п. И консервные банки, и флаконы бывают сделаны как из алюминиевого проката, так и из луженного стального листа. Алюминиевые не притягиваются к магниту и не паяются, поэтому использовать нужно стальные. Такая жесть легко режется обычными ножницами, она уже залужена, поэтому паять ее – одно удовольствие.
Припаять экран можно или на проволочные стойки, или продев в отверстия платы тонкие жестяные «язычки», оставленные при его вырезании.
Катушки фильтра L1, L2 и L3 являются бескаркасными, мотаются изолированным обмоточным проводом около 0.5 мм (входит в набор) на болванке диаметром 7 мм. Содержат они 7, 9 и 13 витков соответственно. В принципе, в этом месте можно использовать и готовые выводные индуктивности нужных номиналов, но я настоятельно рекомендую намотать их самостоятельно. Это совсем не сложно, а итоговое качество работы фильтра будет на порядок выше благодаря меньшей паразитной емкости и более высокой добротности самодельных катушек.
В моей плате тюнер устанавливается не горизонтально, как в оригинале, а вертикально для экономии места. Вырез фигурной формы позволяет припаять его общим проводником к «земле» главной платы с обеих сторон, а питание и линии данных от USB-разъема к нему нужно подвести короткими гибкими проводниками. Положение всех разъемов и светодиода сохранено для того, чтобы оригинальный корпус можно было использовать с минимальными доработками. Единственное отличие заключается в использовании сдвоенного двухцветного светодиода с общим катодом, который позволяет отображать оба режима работы устройства. Отверстие для переключателя режимов работы нужно просверлить самостоятельно в той же боковой планке, которая имеет вырез для USB и светодиода.
Переключатель режимов работы – обычный миниатюрный тумблер или фиксирующаяся кнопка с одним переключающим контактом, который в одном положении подает питающее напряжение на всю схему, а в другом – только на одну половину индикаторного светодиода. Все соединения переключателя с платой выполнены гибким изолированным проводом.
Устройство после сборки (см. КДПВ) внешне мало отличается от того, что получилось бы при монтаже исходного набора, однако это уже девайс совсем иного класса.
Настройка ПО
В качестве примера буду использовать популярный продукт SDRSharp, который умеет работать с переносом частоты. Точную частоту кварцевого генератора нужно ввести в поле Shift с отрицательным знаком. Подробно останавливаться на тонкостях настройки программы для работы в диапазоне коротких волн не буду, потому что этого добра в сети и так навалом. Но не могу умолчать об одной особенности, о которой не все знают.
Методику определения частоты кварца я описывал выше, но нужно учитывать тот факт, что каждый экземпляр тюнера имеет некоторую индивидуальную погрешность настройки. При работе с широкополосными сигналами TV- и FM-трансляций такая погрешность никак не влияет на работоспособность, однако при приеме узкополосных видов модуляции (особенно SSB и CW) она часто превышает ширину канала. Поэтому перед измерением точной частоты кварца нужно откалибровать сам тюнер.
Для калибровки нужно принять тюнером любой сигнал, частота которого точно известна. Вещательные передатчики обычно стабилизированы очень тщательно, поэтому в качестве эталона вполне можно использовать любую FM-станцию. Но сигнал вещательного УКВ-передатчика достаточно широкополосный, в то время как для калибровки тюнера из всего спектра нужно выделить несущую частоту. Проще всего это сделать в тот момент, когда нет модуляции, т.е. при передаче тишины. В этот момент спектр излучения стереофонического передатчика принимает вид тризубца или более сложной фигуры с несколькими узкими пиками, центральный из которых соответствует несущей частоте.
Поймать момент тишины бывает непросто, но в этом деле хорошо помогает функция SDRSharp, позволяющая записать на диск «сырой» сигнал из эфира, а затем циклически воспроизводить его точно так, как если бы работал реальный тюнер. Если в запись попадет хотя бы один момент тишины, то возвращаясь к нему вновь и вновь, можно зафиксировать точную частоту несущей.
Реальная частота передатчика может быть определена по ближайшему значению, кратному 100 кГц. На скриншоте тюнер принимает сигнал 95 998 350 Гц, хотя очевидно, что вещательная станция работает на 96 000 000 Гц. Для калибровки нужно изменить параметр «ppm» настроек так, чтобы центральный пик располагался симметрично вокруг отметки шкалы, соответствующей действительной частоте сигнала.
Примерное значение PPM можно вычислить по формуле:
где: f – реальная частота передатчика; F – частота настройки тюнера. Вычисленное значение (в моем случае оно равно 17) можно использовать в качестве отправной точки, а точная величина, полученная при просмотре более узкополосных спектров, скорее всего, будет немного отличаться.
В качестве эталона можно использовать и другие сигналы, если есть уверенность, что они имеют достаточную точность установки частоты. Не стоит сильно доверять передатчикам связных УКВ-радиостанций (особенно дешевых китайских «побрякушек»), т.к. для них погрешность в несколько сотен Гц является вполне допустимой и совершенно незаметной при работе. Передатчики «серьезных» служб, например, диспетчерской вышки ближайшего аэропорта, скорее всего, достаточно точны, а вот частотам «бортов» уже слепо верить не стоит.
Можно попробовать использовать в качестве эталона сигналы передатчиков базовых станций сотовой связи в диапазоне 850 или 900 МГц. Существует даже специальная утилита “Kalibrate-RTL”, которая позволяет автоматизировать этот процесс. Частоты каждого канала жестко определены стандартом и выдерживаются с высокой точностью, поэтому методом сравнения того, что поймал тюнер, и того, что должно быть вблизи текущей настройки, можно вычислить погрешность. В моем случае программа выдала совершенно неадекватное значение PPM, хотя отклонение частоты от номинала было определено правильно, и при помощи вышеприведенной формулы я получил то же самое значение, что и от вещательного передатчика.
Также на погрешность настройки немного влияет температура тюнера, поэтому начинать калибровку желательно после 10-15-минутного прогрева в рабочем режиме.
После запуска конвертера калибровку можно будет уточнить по сигналам коротковолновых радиовещательных станций, чей спектр гораздо больше подходит для этого. Однако по той причине, что на КВ-настройку может влиять как калибровка самого тюнера, так и точность ввода частоты гетеродина, определить, что из них корректировать, будет сложнее. Например, если путем коррекции значения частоты гетеродина в поле Shift удалось совместить настройку с реальной частотой передатчика в одном диапазоне, но соответствие нарушается на других диапазонах, значит дело в калибровке тюнера. Если же все станции смещены на одинаковую величину, то корректировать нужно именно поле Shift.
Собственно, все. Удачных вам прохождений, 73!
Автор: quwy
