На столе стоит старый приёмник, на шкале вдруг обнаруживается передача там, где по расписанию никто не вещает, любимая станция звучит глухо, а стереоиндикатор перестал загораться. Владелец меняет антенну и питание, и только потом приходит простая мысль. Тракт промежуточной частоты расстроен, а подавление зеркального канала в этом корпусе никогда хорошим не было. Настройка контуров на 10.7 МГц возвращает приёмнику и звук, и избирательность, однако движение отвёртки наугад меняет сразу полосу, усиление и форму детектора. Работать нужно по методике и с приборами, тем более что зеркальный канал прячется не там, где его ищут владельцы. Дальше разобран весь путь, от арифметики смесителя до измерения подавления в децибелах.
Зеркальный канал в FM-приёмнике и арифметика разности 21.4 МГц
В супергетеродине всё начинается со смесителя. Он перемножает сигнал антенны и напряжение гетеродина, а в FM-аппаратах гетеродин ставят выше принимаемой частоты ровно на 10.7 МГц. Приёмник стоит на 98.0 МГц, значит гетеродин вырабатывает 108.7 МГц, и на выходе остаётся разность 10.7 МГц. Хитрость в том, что смеситель перемножает всё, что добралось до него с антенны. Если на 119.4 МГц работает сильный передатчик, его разность с тем же гетеродином тоже даст 10.7 МГц, и тракт ПЧ честно усилит чужака, не заметив подмены. Эта частота-двойник называется зеркальным каналом, потому что сидит по другую сторону гетеродина, симметрично полезному сигналу.
Арифметика зеркала проста. Зеркальная частота равна принимаемой плюс 21.4 МГц, то есть плюс удвоенная промежуточная. Для нижнего края FM-диапазона картина получается неприятная: приёмник настроен на 88.0 МГц, зеркало уезжает на 109.4 МГц, а там уже начинается служебный эфир с авиационной связью в полосе 118–137 МГц и маяками VOR на 108–117.975 МГц. Возле аэропорта приёмник вместо музыки собирает переговоры диспетчеров, и хозяин винит антенный усилитель, хотя виновата математика смесителя. Второй классический случай относится к отечественному диапазону УКВ 65.9–74 МГц. Станция на 66.6 МГц отражается в точку 88.0 МГц, прямо в начало европейского FM-диапазона, поэтому в старых приёмниках вроде "Океана" или "ВЭФ" одна и та же передача звучит в двух местах шкалы. Промежуточная частота 10.7 МГц выбрана удачно, она вне вещательного диапазона. Избирательность по зеркальному каналу определяется тем, что стоит до смесителя, ведь после перемешивания обе частоты неотличимы. Выход из положения существует, и он неожиданно практичный, но сначала полезно разобраться, на что вообще способен тракт ПЧ.
Что способен и чего не способен сделать тракт промежуточной частоты
Тракт ПЧ это сердце приёмника. Здесь набирается основное усиление, обычно 70–90 дБ от выхода смесителя до ограничителя, и здесь формируется полоса, в которой живёт ЧМ-сигнал. Девиация достигает ±75 кГц, пилотный тон занимает 19 кГц, стереоподнесущая работает на 38 кГц, RDS сидит на 57 кГц, и всё вместе требует полосы порядка 200–250 кГц. Поэтому стандартные керамические фильтры на 10.7 МГц выпускаются шириной 230–280 кГц, например фильтр SFE10.7MA с полосой 280 кГц и вносимым затуханием 4–6 дБ. Узкие фильтры на 110–150 кГц ставить можно, но они срезают боковые полосы стереосигнала, и разделение каналов падает на глазах.
У керамики есть коварная особенность: фильтр рассчитан на сопротивление источника и нагрузки, обычно 330–470 Ом, и в схеме его окружают резисторами этих номиналов. Поставить фильтр без согласующих резисторов, и вершина характеристики уезжает вбок, полоса расползается, подавление соседнего канала падает с паспортных десятков децибел до случайных чисел. Контуры на катушках с ферритовыми сердечниками поддаются настройке, их нагруженная добротность обычно 40–80, и именно они позволяют выставить вершину колокола точно по центру.
А теперь главная оговорка, которую пропускают чаще всего. После смесителя полезный сигнал и его зеркало превращаются в одну и ту же частоту 10.7 МГц, и тракт ПЧ не может отличить их друг от друга. Его настройка борется с помехами соседних станций, с прямым прорывом 10.7 МГц мимо смесителя и за качество детектирования, а зеркальный канал живёт до смесителя и закрывается только входными цепями. Это разделение обязанностей полезно держать в голове с первой минуты, иначе отвёртка будет ходить кругами.
Приборы и мелочи, без которых настройка превращается в гадание
Минимальный набор скромный. Нужен генератор высокой частоты с шагом хотя бы 5–10 кГц в районе 10.7 МГц, подойдёт лабораторный Г4-102 или самодельный DDS-генератор на модуле AD9850, выдающем синусоиду до 40 МГц при тактовой частоте 125 МГц. Нужен индикатор уровня на выходе детектора, милливольтметр вроде В3-38 или осциллограф. Нужна отвёртка из фторопласта или другого немагнитного диэлектрика, потому что стальной наконечник вносит расстройку на десятки килогерц прямо в момент вращения. Понадобятся конденсатор связи 100 пФ и короткий экранированный провод, чтобы генератор не раздавал сигнал по всему столу.
Согласование генератора с контуром заслуживает отдельного абзаца. Конденсатор 100 пФ на частоте 10.7 МГц имеет сопротивление около 150 Ом, он ослабляет связь до разумной величины и одновременно отрывает ёмкость кабеля от катушки. Подключить генератор напрямую коаксиалом значит добавить к контуру лишние десятки пикофарад и свести всю работу к расстройке. Уровень сигнала тоже не мелочь. На входе смесителя достаточно десятков микровольт, при больших уровнях включаются ограничитель и АРУ, разница между настроенным и расстроенным контуром замывается, и отвёртка крутится впустую.
Порядок настройки контуров тракта ПЧ от смесителя до дискриминатора
Схема у большинства аппаратов однотипная: смеситель, дальше два-три контура или керамических фильтра, каскады усиления ПЧ, ограничитель и частотный детектор. Настройку ведут от конца тракта к началу, первым под отвёртку попадает контур дискриминатора, потому что без нуля на 10.7 МГц остальное теряет смысл. Порядок работы, выверенный на десятках приёмников, выглядит так:
- Подать с генератора немодулированный сигнал 10.700 МГц через конденсатор 100 пФ на вход смесителя и выставить уровень 10–50 мкВ, чтобы стрелка милливольтметра на выходе детектора шевелилась, но ограничитель ещё не зажимал сигнал;
- Настроить контур дискриминатора до нуля постоянного напряжения на выходе детектора, снимая показания вольтметром постоянного тока;
- Пройти контуры и фильтры самой ПЧ от последнего к первому, добиваясь максимума показаний и снижая уровень генератора вдвое после каждого каскада;
- Повторить весь проход после прогрева приёмника минут десять, поскольку индуктивности и ёмкости от нагрева уползают на десятки килогерц;
- Проверить вершину колокола точками 10.6 и 10.8 МГц и убедиться, что показания симметричны.
Керамические фильтры в этом проходе не трогают, проверяют только согласующие резисторы и симметрию горба. Контуры с катушками подстраивают плавно, половина оборота ферритового сердечника на 10.7 МГц меняет настройку на 50–100 кГц. После финального прохода сердечники фиксируют воском или каплей лака, иначе через месяц приёмник сам собой съедет с настроенных частот.
S-образная кривая детектора и её симметрия вокруг 10.7 МГц
ЧМ-детектор бывает дискриминатором с двумя связанными контурами или квадратурным внутри микросхем вроде К174УР4, CA3089 и LA1235, где за форму кривой отвечает внешняя катушка. Любой из них выдаёт напряжение, зависящее от отклонения частоты от 10.7 МГц, и зависимость рисует букву S. Ниже центра кривая уходит в плюс, выше в минус, в середине стоит ноль, и именно эта S-образная характеристика превращает качания частоты в звук.
Проверка делается точечным методом. Генератор перестраивают шагами по 25 кГц от 10.55 до 10.85 МГц, снимая вольтметром постоянного тока напряжение на выходе дискриминатора. Должен получиться симметричный рисунок с нулём точно на 10.700 МГц и линейным участком не уже ±150 кГц, ведь полезная девиация достигает 75 кГц и запас обязателен. Если ноль уполз на 10.660 МГц, приёмник звучит с искажениями даже при идеальных контурах ПЧ, а стереодекодер перестаёт уверенно держать пилотный тон 19 кГц, поскольку фаза поднесущей 38 кГц уплывает вместе с ним. Подстройка квадратурной катушки на несколько градусов возвращает ноль на место.
Контроль завершают модуляцией. Сигнал с синусоидой 1 кГц и девиацией 22.5 кГц, треть от номинала, должен звучать чисто, потому что расстроенный детектор вносит искажения незаметно, и ухо привыкает к каше раньше руки. После настройки детектора остаётся последнее препятствие, которое не берётся никакой подстройкой ПЧ.
Входные цепи приёмника и расчёт подавления зеркального канала в децибелах
Здесь и живёт решение зеркальной проблемы. Всё, что стоит перед смесителем, обязаны ослабить частоту, отстоящую от настройки на 21.4 МГц. Прикидка делается через обобщённую расстройку одиночного контура. Частота настройки 88.0 МГц, нагруженная добротность 60. Обобщённая расстройка получается 2×60×21.4/88 = 29.2. Ослабление в разах равно единица плюс квадрат расстройки, то есть 853, а в децибелах 10lg(853) = 29.3 дБ, почти тридцатикратное ослабление по напряжению. Один контур, меньше тридцати децибел.
Катушка для такого контура элементарна. Индуктивность 0.1 мкГн вместе с ёмкостью около 25 пФ настраивается на частоту около 100 МГц, индуктивное сопротивление на этой частоте составляет 63 Ом, и при потерях порядка 1 Ом добротность выходит около 63. Второй контур в усилителе радиочастоты добавит ещё около 29 дБ, итого теоретические 58 дБ, на практике 40–50 дБ из-за потерь в переключателе диапазонов и монтаже. Фирменные аппараты декларируют подавление зеркального канала 50–70 дБ, в старых отечественных паспортах значились скромные 26–36 дБ. Разница между приёмником, который ловит дальние станции, и тем, кто собирает городской эфир, часто именно в этих цифрах.
Есть и грубый, но очень действенный приём. При высоком гетеродине все зеркала диапазона 87.5–108 МГц лежат выше 108.9 МГц, значит на входе достаточно фильтра нижних частот с срезом около 105–108 МГц, и весь служебный эфир за этим рубежом уходит в минус на 10–40 дБ. Фильтр Чебышёва седьмого порядка с неравномерностью 0.1 дБ собирается из катушек 0.1–0.2 мкГн и конденсаторов 10–30 пФ за один вечер. Для приёмников с диапазоном УКВ 65.9–74 МГц нужен отдельный полосовой фильтр, потому что его зеркала, 87.3–95.4 МГц, сидят прямо в FM-диапазоне и фильтром нижних частот не вырезаются.
Прямой прорыв частоты 10.7 МГц лечится контуром-пробкой. Последовательный контур, настроенный на 10.7 МГц, ставится с входа смесителя на корпус и замыкает эту частоту, почти не трогая полезные 88–108 МГц. Он же глушит собственный гетеродин, просачивающийся к антенне, из-за которого приёмник мешает соседним аппаратам. Согласование с антенной 75 Ом делают отводом катушки или ёмкостным делителем, иначе низкое сопротивление антенны задушит контур, и вместе с добротностью рухнет подавление зеркала.
Проверка результата цифрами и ошибки, которые обманывают настройщика
Финальная проверка измеряется, а не слушается. Приёмник настраивают на чистую частоту, например 98.0 МГц. Генератор с частотной модуляцией синусом 1 кГц и девиацией 22.5 кГц подключают к антенному входу, поднимают уровень до 20 мкВ и фиксируют напряжение на выходе, допустим 0.3 В. Затем генератор переставляют на 119.4 МГц, на зеркальную частоту, и поднимают уровень до тех же 0.3 В. Пусть получилось 6.3 мВ. Подавление считается в одну строку, A = 20lg(6300/20) = 20lg315 ≈ 50 дБ. Цифра перестаёт быть ощущением и становится характеристикой. Измерение повторяют в трёх точках, например на 87.9, 98.0 и 107.9 МГц, потому что у краёв диапазона контуры дают худшее подавление.
Ошибки, искажающие результат, узнаваемы до банальности. Измерение на частоте, где реально вещает мощная станция, подмешивает прямой сигнал и завышает подавление. Слишком высокий уровень от генератора перегружает смеситель, оба сигнала компрессируются, и разница между ними выглядит меньше, чем есть. Одна точка вместо трёх скрывает провалы на краях. Забытая АРУ выравнивает сигнал так старательно, что измерение превращается в фикцию. Каждая из этих ловушек способна показать 60 дБ там, где на деле 30.
Когда всё сделано, приёмник ведёт себя иначе. Между станциями слышна чистая тишина без свистов и осколков чужих передач, дальняя станция на 20 мкВ открывается там, где раньше стоял только шум. Загадочная передача на неположенном месте шкалы исчезает, потому что её вход закрыт. Настройка контуров ПЧ и грамотные входные цепи дают приёмник, который слушают, а не терпят.