Ограничитель речевого сигнала для SSB-трансивера

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Разное; Опубликовано: 16.03.2017 15:52; Просмотров: 6074

Понравилась статья - поделись с друзьями

Николай ХЛЮПИН (RA4NAL), г. Киров
Известно, что подаваемый на микрофонный вход трансивера речевой сигнал имеет большой пик-фактор — отношение максимальной амплитуды к средней. Поскольку трансивер должен передавать пики сигнала без искажений, его средняя выходная мощность в режиме SSB получается значительно меньше пиковой, что уменьшает дальность связи. Чтобы увеличить её без превышения допустимой пиковой излучаемой мощности, нередко прибегают к искусственному снижению пик-фактора речевого сигнала — сжатию его динамического диапазона.

Разработанное автором устройство, выполняющее эту функцию, можно включить между микрофоном и соответствующим входом любого SSB-трансивера.
Сжать динамический диапазон речевого сигнала можно и в микрофонном усилителе, оснастив его системой АРУ. Однако такое решение не нашло распространения. Это объясняется инерционностью системы АРУ, подавляющей слабые звуковые колебания, которые следуют непосредственно за сильными. Более эффективно ограничение сигнала по амплитуде, однако
тогда спектр сигнала засоряется гармониками и другими продуктами нелинейной операции — ограничения. Те из них, частота которых выше 3 кГц, можно устранить с помощью ФНЧ, но оставшиеся продукты меньшей частоты неизбежно искажают форму сигнала и ухудшают его разборчивость.
Попытки избавиться от этого недостатка привели к разработке фазовых низкочастотных ограничителей, в которых происходит частичная компенсация паразитных составляющих. Однако наилучшее качество и натуральность звучания обеспечивают ограничители, где спектр речевого сигнала сначала
переносят на высокую частоту (формируют SSB-сигнал), затем этот сигнал ограничивают по амплитуде. Поскольку гармоники его спектральных составляющих в этом случае отнесены по частоте далеко от полезного сигнала, их легко подавляет полосовой фильтр. Тем не менее фильтр должен иметь полосу пропускания не шире 3 кГц и крутые скаты АЧХ, так как при ограничении сложного сигнала возникают комбинационные составляющие и на частотах, лежащих очень близко к его исходному спектру.
В самодельных KB трансиверах высокочастотный ограничитель обычно встраивают в тракт формирования SSB-сигнала. Но, к сожалению, таким ограничителем оснащены далеко не все трансиверы промышленного производства, а такого рода вмешательство в их конструкцию обычно нежелательно или невозможно. В этом случае можно собрать высокочастотный ограничитель как отдельное устройство, добавив к нему преобразователь частоты, возвращающий ограниченный и отфильтрованный высокочастотный сигнал на исходную звуковую частоту. Выход этого преобразователя можно соединить с микрофонным входом любого SSB-трансивера.
Именно по такому принципу и работает предлагаемый ограничитель. От существующих устройств аналогичного назначения он отличается низким напряжением питания (5 В) и малым потребляемым током — всего 4 мА. Коэффициент сжатия динамического диапазона речевого сигнала может достигать 20 дБ.
Хотя ограничитель разрабатывался для работы с трансивером Yaesu FT817ND, его можно использовать и с другими моделями, на микрофонный разъём которых выведено постоянное напряжение 5...8 В. Максимально допустимое напряжение питания — 9В.
Схема ограничителя показана на рис. 1.

Входной речевой сигнал через подстроечный резистор R3, от положения движка которого зависит уровень начала ограничения, поступает на балансный модулятор — микросхему К174ПС1 (DA1). На второй вход модулятора подано напряжение частотой 500 кГц от генератора на транзисторе VT2. Из сигнала с подавленной несущей электромеханический фильтр Z2 выделяет одну боковую полосу. Полученный SSB-сигнал, усиленный и ограниченный ступенью на транзисторе VT1 и диодах VD1, VD2, поступает на фильтр Z1.
Отфильтрованный сигнал подаётся на микросхему К174ПС1 (DA2), служащую в данном случае синхронным детектором. Опорным для него является тот же сигнал частотой 500 кГц, который подан и на балансный модулятор DA1. С выхода детектора возвращённый в область звуковых частот ограниченный сигнал через регулятор уровня (подстроечный резистор R8) можно подавать на микрофонный вход трансивера.
Ограничитель соединяют с трансивером по схеме, показанной на рис. 2.

К разъёму XS1 подключают микрофонную гарнитуру МН-31 трансивера FT817ND. Разъём XS2 соединяют кабелем с предназначенным для этой гарнитуры разъёмом трансивера. Поскольку уровень сигнала, поступающего с динамического микрофона гарнитуры, для нормальной работы ограничителя недостаточен, предусмотрен дополнительный микрофонный усилитель на транзисторе VT1. Фильтр L1C1R1C3 защищает вход этого усилителя от высокочастотных наводок на микрофонный кабель. Дроссель L1 — ферритовая трубка, надетая на провод вблизи контакта 4 разъёма XS1.
На транзисторе VT2 собран генератор звукового сигнала частотой 1000 Гц. Он необходим для настройки трансивера в режиме передачи одночастотного немодулированного сигнала. Почти во всех трансиверах промышленного производства формирование на антенном выходе такого сигнала полной мощности в режиме SSB почему-то не предусмотрено. А он требуется для настройки антенного тюнера или подключённого к антенному выходу трансивера усилителя мощности. Приходится для настройки переводить трансивер в режим AM или ЧМ, что очень неудобно.
Режим настройки включают переводом переключателя SA1 в нижнее по схеме положение. При этом напряжение питания 5 В отключается от микрофонного усилителя и подаётся на генератор сигнала частотой 1000 Гц. Вторая контактная группа переключателя SA1, параллельная кнопке РТТ гарнитуры, переводит трансивер в режим передачи.
Собственно ограничитель собран на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита размерами 107x48 мм, показанной на рис. 3.

На этой плате предусмотрено по два посадочных места для каждого из тех конденсаторов, которые при налаживании ограничителя приходится подбирать. Это облегчает получение нужной их суммарной ёмкости. Кварцевый резонатор ZQ1 — на частоту 500 кГц с отклонением не более чем на 50 Гц в любую сторону.
Плата рассчитана на установку фильтров Z1 и72типаЭМФДП-500Н-3,1 в прямоугольном корпусе. При использовании других фильтров потребуется небольшая коррекция печатных проводников. Оба фильтра должны иметь ширину полосы пропускания около 3 кГц и могут быть настроены на пропускание нижней или верхней боковой полосы сигнала, но обязательно должны быть одинаковыми. Предпочтительны фильтры на нижнюю боковую полосу от промышленных радиостанций выпуска 60—80-х годов прошлого века. Они проходили отбор по допустимому значению и неравномерности коэффициента передачи в полосе пропускания, чего нельзя сказать о фильтрах, продаваемых сегодня.
Перед монтажом электромеханических фильтров желательно проверить их работоспособность и снять частотные характеристики. Особенно, если они были выпущены много лет назад и хранились в неизвестных условиях. Ведь для того, чтобы полностью вывести электромеханический фильтр из строя, достаточно уронить его со стола на пол.
Микрофонный усилитель и генератор частоты 1000 Гц собраны на отдельной плате размерами 40x20 мм, изображённой на рис. 4.

Такое решение позволяет легко вносить в конструкцию изменения, приспосабливая её к нуждам конкретного радиолюбителя. Можно, например, смонтировать микрофонный усилитель в корпусе гарнитуры или изменить его схему для работы с электретным микрофоном. Если в режиме настройки нет необходимости, генератор на транзисторе VT1 и переключатель SA1 можно исключить.
Платы рассчитаны на установку постоянных резисторов (кроме R7 на дополнительной плате) и конденсаторов (за исключением оксидного 010 в ограничителе) типоразмеров 1206 или 0805 для поверхностного монтажа. Для удобства подборки упомянутый выше резистор R7 применён типа 02-23 (или подобный) и смонтирован на штырьках.
К сожалению, об описываемом устройстве нельзя сказать, что оно не требует налаживания. После монтажа на плату ограничителя всех элементов, кроме кварцевого резонатора ZQ1, нужно подборкой резисторов R2 и R4 установить на коллекторах транзисторов VT1 и VT2 напряжение в пределах 2,5...3 В. После этого подключают кварцевый резонатор и измеряют частоту генерируемого сигнала, подключив частотомер к коллектору транзистора VT2. Если её отличие от 500 кГц превышает 50 Гц, придётся искать другой резонатор.
Устойчивого запуска генератора и нужной амплитуды сигнала на коллекторе транзистора VT2 (0,3...0,5 В)добиваются подборкой конденсаторов С1 и С2. Их ёмкость может лежать в интервале 1000...5000 пФ. Амплитуду контролируют простым ВЧ пробником из германиевого диода, подключённого к мультиметру Устанавливать её больше указанного выше значения не следует, это вызовет перегрузку микросхем DA1 иDА2.
Можно порекомендовать предварительно собрать кварцевый генератор отдельно на макетной плате навесным монтажом и убедиться, что он устойчиво возбуждается на нужной частоте. Подобрав резистор R4 и конденсаторы С1 и С2, можно перенести все элементы генератора на печатную плату ограничителя.
Если используется малоактивный кварцевый резонатор, можно по схеме, показанной на рис. 5, собрать генератор не на биполярном, а на полевом транзисторе.

Здесь сохранена имеющаяся на рис. 1 нумерация элементов генератора, хотя соединены они иначе. Полевой транзистор КПЗ0ЗБ можно заменить на КПЗ0ЗА, КПЗ0ЗВ, КПЗ0ЗЖ или КПЗ0ЗИ. Подбирая ёмкость конденсаторов С1 и С2, амплитуду напряжения на истоке транзистора также устанавливают равной 0,3... 0,5 В. На рис. 6 приведён чертёж печатной платы ограничителя с генератором на полевом транзисторе.

Обмотки электромеханических фильтров необходимо настроить в резонанс с сигналом кварцевого генератора (500 кГц). Эта настройка наиболее критична для фильтра Z2. Для её выполнения на вход ограничителя нужно подать от звукового генератора синусоидальный сигнал частотой около 1000 Гц и амплитудой в несколько милливольт. Подключив ВЧ пробник к коллектору транзистора VT1, следует убедиться, что амплитуда сигнала в этой точке близка к 0,5 В, но не достигает уровня ограничения. Изменяя ёмкость конденсатора С18, а затем С24, добиваются её максимума. По мере настройки амплитуду входного сигнала следует уменьшать.
Вместо подбираемого постоянного конденсатора удобно временно подключить переменный максимальной ёмкостью 150...200 пФ. Измерив его ёмкость, соответствующую резонансу, заменяют переменный конденсатор постоянным найденной ёмкости и переходят к подборке следующего.
Аналогично настраивают и обмотки фильтра Z1, только добиваются максимальной амплитуды низкочастотного сигнала на движке подстроечного резистора R8. Настройка здесь менее острая, так как обмотки этого фильтра зашунтированы низким выходным сопротивлением транзистора VT1 и входным сопротивлением смесителя DA2. Низкочастотный сигнал лучше наблюдать на экране осциллографа, временно зашунтировав резистор R9 другим резистором номиналом около 1 кОм и установив движок подстроечного резистора R8 в верхнее по схеме положение, чтобы увеличить амплитуду выходного сигнала.
После настройки можно оценить полосу пропускания, неравномерность частотной характеристики и динамический диапазон ограничителя. Для оценки полосы пропускания и неравномерности частотной характеристики частоту сигнала на входе изменяют от 100 Гц до 5 кГц, наблюдая сигнал на выходе. При этом амплитуда входного сигнала должна быть ниже порога ограничения.
Затем устанавливаем частоту входного синусоидального сигнала равной 350...400 Гц и плавно увеличиваем его амплитуду от нуля до порога ограничения. Запоминаем соответствующее началу ограничения значение амплитуды и продолжаем её увеличивать, пока не появятся видимые искажения синусоиды на выходе. Это — максимально допустимый входной сигнал, ограничение начинается уже в балансном модуляторе DA1 до фильтра Z2. Значение его амплитуды тоже запоминаем. Отношение двух найденных значений должно быть около 10 (20 дБ)
Если из-за больших потерь в фильтре Z2 такого динамического диапазона достичь не удаётся, можно попробовать увеличить номинал резистора R6 до 10 кОм и заменить транзистор КТ315Б (VT2) на КТ3102Б, КТ3102В, КТ3102Д, КТ3102И или КТ3102К.
Налаживание микрофонного усилителя заключается в установке на коллекторе его транзистора VT1 напряжения 2.5...3 В подборкой резистора R3.
В заключение к входу микрофонного усилителя подключают тот микрофон, с которым предполагается работать в дальнейшем, а сигнал с выхода ограничителя подают на вход звуковой карты компьютера. Произнося фразы в микрофон, делают несколько аудиозаписей при различных положениях движка подстроечного резистора R3 (см. рис. 1). Прослушивая их, выбирают запись, наилучшую по критерию качество звука — степень сжатия, и устанавливают движок подстроечного резистора R3 в соответствующее положение
После этого платы необходимо поместить в экранированный корпус и подключить ограничитель к трансиверу. Снаружи корпус должен быть изолирован, его электрический контакт с чем-либо, кроме корпуса трансивера, недопустим. Удобно спаять корпус из пластин фольгированного с одной стороны изоляционного материала. Длина кабеля от ограничителя до микрофонного входа трансивера должна быть минимальной, а на оба его конца нужно на-
деть подавляющие высокочастотные помехи ферритовые кольца. Провод, по которому сигнал с выхода ограничителя поступает на микрофонный вход трансивера, должен быть экранированным
Резистор, ранее припаянный параллельно резистору R9, теперь следует удалить. Подстроечным резистором R8 устанавливают на микрофонном входе трансивера такую же амплитуду сигнала, как и при непосредственном (без ограничителя) подключении микрофона. Ориентироваться можно по индикатору ALC трансивера. Лучше это делать при работе на эквивалент антенны. При необходимости изменяют номинал резистора R9.
Ну и, наконец, также ориентируясь по индикатору ALC трансивера, устанавливают уровень сигнала в режиме настройки подборкой резистора R7 (см. рис. 2). Особой точности здесь не требуется, потому что амплитуда сигнала на микрофонном входе трансивера в любом случае не превысит уровень ограничения.
Теперь можно выйти в эфир и по отзывам корреспондентов уточнить положение подстроечного резистора R3, которое определяет уровень ограничения. Получаемый за счёт использования ограничителя выигрыш в оценке силы сигнала может достигать 1—2 балла. По субъективному впечатлению, если без ограничителя корреспондент с трудом разбирает отдельные слова на фоне шума, то с ним он уверенно принимает всю информацию.