Радиоприемные и декодирующие RC-устройства

Радиоволны, излучаемые RC-передатчиком, являются "средством доставки" РРМ-сигнала к модели, которая часто находится достаточно далеко от оператора. Если авто- или судомодель редко удаляется от спортсмена на расстояние больше, чем 50 - 70 метров, то авиамодели порой поднимаются на километровую высоту, превращаясь в еле видимую точку. Особенно это касается кроссовых радиопланеров при выполнении упражнения "продолжительность". Естественно, что радиоаппаратура должна обеспечить уверенную передачу кодированного сигнала от передатчика к приемнику на расстоянии, по крайней мере, не меньшем, чем максимально возможное удаление модели, т.е. порядка 1.0 - 1.5 км.

Известно, что уровень напряженности электромагнитного поля, излучаемого антенной передатчика, обратно пропорционален квадрату расстояния. Это значит, что при увеличении расстояния между передатчиком и приемником в 2 раза, уровень сигнала уменьшится в 4 раза. На расстоянии в 1 км напряженность электромагнитного поля, излучаемого передатчиком мощностью 1 Вт, при самых благоприятных условиях не будет превышать уровень 1-3 мкВ/м. С учетом того, что в RC-ппаратуре применяют неоптимальные антенны, эта величина будет еще меньше. Очевидно, что уверенно принять сигнал такого уровня может только высокочувствительный приемник. Учитывая, что работоспособность всего радиотракта должна сохраняться и в случае, когда приемник находится в непосредственной близости от передатчика, а уровень сигнала превышает минимально возможный почти в 100.000 раз (!), становится понятно, какие непростые требования предъявляются к приемной аппаратуре. Определим эти требования конкретнее.

Рабочий диапазон (широкополосность)

Также как и RC-передатчик, приемник должен работать в диапазоне 35 или 40 МГц. Приемник диапазона 35 МГц должен сохранять работоспособность в полосе частот 35.010 - 35.200 МГц (61 - 80 каналы) или 35.820 - 35.910 МГц (182-191 каналы), а приемник диапазона 40 МГЦ - работать в полосе частот 40.665 - 40.985 МГц (50 - 59, 81 - 92 каналы). Иначе говоря, любой сигнал в этих частотных участках шириной 200 - 320 кГц должен одинаково хорошо приниматься радиоприемником.

Чувствительность и динамический диапазон

Эти два параметра взаимосвязаны. Чувствительность приемника задается минимально возможным реальным сигналом, а это уровень ~ 1 мкВ/м. Лучше, если этот показатель будет еще выше ~ 0.3-0.5 мкВ/м. В то же время приемник должен принимать и сигнал, уровень которого в сто тысяч раз больше, и не "запираться" при этом, т.е. сохранять все остальные рабочие параметры. Отношение уровня максимального сигнала к уровню минимального, выраженное в децибелах, и определяет динамический диапазон приемника. Следует помнить, что при измерении мощности, напряженности поля и вообще почти всего, что касается радиопередающих устройств, децибел равняется 10 десятичным логарифмам отношения. А в тех случаях, когда измеряется напряжение, его величина удваивается и равняется 20 десятичным логарифмам отношения измеряемых величин. В нашем случае динамический диапазон должен иметь величину не менее 60 dB (60 dB = 10lg6 = 100.000).

Избирательность и помехозащищенность

Избирательность - параметр, характеризующий способность радиоприемника принимать и усиливать сигнал рабочей частоты на фоне "мешающих" сигналов других передатчиков, работающих на соседних каналах (частотах). Этот параметр часто путают или смешивают с понятием "помехозащищенность". Помехозащищенность - более широкое, нежели избирательность, понятие. Ведь помехой можно считать как сигнал другого передатчика, который излучает постоянно на соседней частоте, так и кратковременный разряд молнии, при котором излучается очень широкий спектр частот. Но если относительно узкополосный сигнал соседнего передатчика удается нейтрализовать схемотехническими решениями (частотной селекцией или фильтрацией), то широкополосный кратковременный сигнал помехи отфильтровать практически невозможно, и с помехой приходится бороться другими способами, в частности, применяя специальные способы кодирования и последующей обработки информационной составляющей сигнала. Именно на этом принципе построены РСМ-устройства.

Термин "избирательность" в характеристике радиоприемного устройства обычно дополняют словами "по соседнему каналу" и характеризуют его при помощи конкретных физических понятий и величин. Обычно это звучит примерно так: "избирательность приемника по соседнему каналу составляет - 20 dB при расстройке +/- 10 кГц". Физический смысл этой неуклюжей фразы таков: если частота "мешающего" сигнала отличается от "рабочей" частоты на 10 кГц (выше или ниже), то при равных уровнях "полезного" и "мешающего" сигналов на входе приемника, уровень "мешающего" сигнала на выходе приемника будет на 20 dB (в 10 раз) меньше уровня "полезного" сигнала. А если этот параметр будет равен -40 dB, то "мешающий" сигнал ослабнет в 100 раз и т.д. Иногда этот многоэтажный параметр заменяют одной из составляющих - шириной полосы пропускания. Ширина пропускания в выше приведенном примере равна 20 кГц, или +/- 10 кГц относительно центральной частоты (которая у нас определяется номером канала). Дальше мы поясним это при помощи спектральной диаграммы. А вот "помехозащищенность" РРМ приемника, к сожалению, однозначно охарактеризовать не удается.

Противоречивость требований

Как мы уже показали, характеристики приемника очень противоречивы. С одной стороны приемник должен быть достаточно широкополосным, чтобы работать на любом из разрешенных каналов диапазона, а с другой стороны - иметь высокую избирательность, чтобы не принимать сигналы от "чужих" передатчиков. С одной стороны - иметь очень высокую чувствительность, с другой - большой динамический диапазон...

Как совместить эти требования? Высокая чувствительность и большой динамический диапазон "уживаются" вместе благодаря системе АРУ - автоматической регулировке усиления. Система АРУ отслеживает сигнал на выходе приемника и в зависимости от его уровня изменяет усиление отдельных каскадов приемника. В хороших приемниках за счет многопетлевой АРУ удается получить динамический диапазон до 100 - 120 dB (отношение сильного входного сигнала к слабому может достигать 1.000.000 раз!) при неизменном уровне на выходе. В принципе, это не очень сложно - обыкновенная регулируемая обратная связь. Гораздо сложнее совместить широкополосность и избирательность.

Самое логичное, на первый взгляд, решение: осуществить селекцию (фильтрацию) сигнала на входе приемника. Но технически решить эту задачу весьма не просто. Можно, конечно, построить очень узкополосный, многозвенный преселектор (входной фильтр) приемника для работы на одной частоте. Но не надо забывать, что число каналов для радиоуправления в диапазонах 35 и 40 МГц более 30, а сетка частот имеет шаг всего 10 кГц. Следовательно, для достижения заданной избирательности нам потребуется более 30 высокодобротных преселекторов с полосой пропускания не шире 10 кГц! Добротность, т.е. отношение центральной частоты к полосе пропускания, - еще один параметр, без которого сложно объяснить работу селектирующего устройства. На наших частотах (F = 40 МГц) и заданной полосе пропускания (f" = 10 кГц = 0.01 МГц) добротность преселектора должна быть: Q = F / f" = 40 / 0.01 = 4000. Построить фильтр с такой добротностью невозможно. Поэтому на практике поступают иначе. Входной (антенный) фильтр-преселектор делают с полосой пропускания ~ 300 кГц (в зависимости от ширины частотного "окна", отведенного для радиоуправления на том или ином диапазоне), а окончательную, узкополосную, селекцию осуществляют на более низких, "промежуточных" частотах.

Блок схема приемника

Современный RC-приемник - это супергетеродин с одним или двумя преобразованиями частоты принимаемого сигнала (с одной или двумя промежуточными частотами). Что это значит? Рассмотрим блок схему приемника с одним преобразованием частоты.

Рис.1. Блок схема приемника с одним преобразованием частоты

Сигналы, принятые антенной, подаются на колебательный контур, настроенный на середину частотного диапазона, в котором работает приемник. Этот контур выполняет роль антенного преселектора (полосового фильтра). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого простейшего полосового фильтра имеет колоколообразную форму. Одной из важных характеристик любого фильтрующего устройства является прямоугольность АЧХ. Идеальный полосовой фильтр без потерь пропускает все частоты, лежащие внутри прямоугольной полосы пропускания, и подавляет все частоты, находящиеся вне этой полосы. Любое реальное устройство имеет неравномерную и непрямоугольную АЧХ, в связи с чем различные частоты пропускаются (или подавляются) по-разному.

Рис. 2. АЧХ колебательного контура и идеального полосового фильтра

Еще одной характеристикой любого полосового фильтра является "коэффициент прямоугольности" его АЧХ. Ширину полосы пропускания реального фильтра принято измерять по точкам характеристики, в которых амплитуда сигнала на 3 dB (в 0.7 раза) меньше амплитуды сигнала центральной частоты fo. Чем сильнее затухание сигнала за пределами полосы пропускания, тем лучше. Это хорошо понятно из приведенных сравнительных АЧХ колебательного контура и идеального полосового фильтра.

Сигнал, отфильтрованный по высокой частоте входным преселектором, усиливается каскадом усилителя высокой частоты и затем подается на смеситель. На второй вход смесителя подается сигнал с высокочастотного генератора, который называется гетеродином. Частота этого генератора стабилизируется кварцевым резонатором и отличается от частоты, излучаемой передатчиком на строго определенную величину, обычно равную 455 кГц (0.455 МГц). В смесителе происходит алгебраическое сложение сигналов УВЧ и гетеродина. Допустим, антенна приемника уловила сигналы от трех передатчиков, работающих на 52, 81 и 83 каналах (это частоты 40.685 МГц, 40.815 МГц и 40.835 МГц). "Наш" передатчик работает на 81 канале. Для того, чтобы приемник выделил "свой" сигнал на фоне "чужих", частота гетеродина должна быть равна 40.815 - 0.455 = 40.360 МГц. После суммирования/вычитания в смесителе сигналов, поступивших на его разные входы (этот процесс иногда называют "переносом спектра"), на его выходе будут присутствовать следующие "промежуточные" частоты:

40.685 + 40.360 = 81.045 МГц; 40.815 + 40.360 = 81.175 МГц и 40.835 + 40.360 = 81.195 МГц,

а также

40.685 - 40.360 = 0.325 МГц = 325 кГц; 40.815 - 40.360 = 455 кГц и 40.835 - 40.360 = 475 кГц.

Первые три частоты (в диапазоне 81 МГц) явно лежат за пределами рабочих частот нашей аппаратуры и отфильтруются уже на выходе смесителя, мы не будем обращать на них внимание. А вот частоты 325 кГц, 455 кГц и 475 кГц близки между собой, и фильтр ПЧ (промежуточной частоты), на который эти сигналы попадают с выхода смесителя, должен "выбрать" из них "свою" частоту. В качестве ФПЧ обычно используют пьезоэлектрические полосовые фильтры, состоящие из нескольких последовательно соединенных пластин-кристаллов. Эти серийно выпускаемые устройства обладают прекрасными электрическими параметрами и очень малыми габаритами. Обычно они выпускаются на частоту 455 кГц, имеют нормированную полосу пропускания, близкую к прямоугольной АЧХ и коэффициент затухания за пределами полосы пропускания порядка 50 dB (100.000). Ширина полосы пропускания указывается на корпусе прибора (это последняя буква в маркировке).

Чаще всего в RC-аппаратуре используются пьезофильтры фирмы muRata (пишется именно так) типа CFWM455* (последняя буква заменена звездочкой, т.к. может быть разной в зависимости от ширины полосы пропускания). Допустимо использовать фильтры типа CFUM455*, CFUS455*, а также пьезофильтры других производителей с аналогичными параметрами. На корпусе прибора чаще всего маркировку сокращают и выглядит она так: М455* или 455*. Последняя буква может быть такая: F (полоса +/- 6 кГц, это худший, но вполне приемлемый вариант); G (полоса +/- 4.5 кГц); H (полоса +/- 3 кГц, буквы G и H - оптимальные варианты) и I (полоса +/- 2 кГц, это самый дорогой фильтр). В недорогой аппаратуре некоторых фирм попадаются фильтры с буквой Е (полоса +/- 7.5 кГц). На наш взгляд, такой фильтр применять нежелательно, т.к. в этом случае ухудшается общая избирательность приемника. Но в этом случае появляется возможность использовать не очень качественные кварцевые резонаторы, имеющие значительный "выбег" частоты. О кварцах более подробно рассказано в моей статье "Кое-что о кварцевых резонаторах".

Итак, на вход ФПЧ поступили сигналы с частотами 325, 455 и 475 кГц. Очевидно, что пройти через фильтр с полосой пропускания 6 - 9 кГц и средней частотой 455 кГц сможет только сигнал "своего" передатчика, имеющий частоту 455 кГц, оба других сигнала будут "подавлены" фильтром. Таким образом осуществляется окончательная селекция полезного сигнала. Далее отфильтрованный ЧМ сигнал частотой 455 кГц усиливается УПЧ и поступает на устройство, которое называется демодулятор-дискриминатор. Мы не будем рассматривать принцип работы демодулятора (это достаточно сложно сделать в короткой обзорной статье), скажем только, что в нем происходит процесс, обратный процессу модуляции, т.е. высокочастотный ЧМ-сигнал преобразуется в низкочастотный сигнал, несущий информацию о текущем положении ручек управления на передатчике, который дальше поступает на триггер Шмидта, формирующий необходимую крутизну фронтов и амплитуду РРМ-сигнала и уже затем подается на декодер.

Завершая экскурс в принципы работы "супергетеродинов" скажем несколько слов о приемниках с двойным преобразованием частоты. Они работают также, как и "одинарные", только имеют два гетеродина, два смесителя и, соответственно, два ФПЧ и два УПЧ. Первая ПЧ обычно равна 10.7 МГц, а вторая, как и в рассмотренном выше примере, 455 кГц. В первой ПЧ в качестве селектирующего элемента используются пьезофильтры с полосой пропускания ~ 300-400 кГц и рабочей частотой 10.7 МГц. Двойное преобразование позволяет добиться еще более высокой избирательности приемника. Наличие дополнительных каскадов ПЧ "перераспределяет" необходимый коэффициент усиления по дополнительным каскадам усиления, в результате чего улучшается и динамический диапазон радиоприемного тракта.

Декодеры

Единственная задача декодирующего устройства состоит в том, чтобы "раздать" канальные импульсы, содержащиеся в общей "пачке" РРМ-сигнала, соответствующим рулевым машинкам. Никаких других преобразований сигнала в декодере не осуществляется. Схемотехнически декодер, пожалуй, самый простой элемент RC-аппаратуры. Он состоит всего из одной микросхемы типа CD4017 (пятикаскадный счетчик Джонсона с декодером на 10 выходов). Это микросхема (или любой ее аналог, в том числе отечественный - К1561ИЕ8) может "обслужить" до 9 каналов управления. Рассмотрим алгоритм работы семиканального РРМ-декодера, построенного на этой микросхеме.

Рис. 3. Декодер на микросхеме CD4017

Предположим, что РРМ-сигнал на входе декодера является "положительным", т.е. уровень канальных импульсов и синхроимпульса соответствует "логической 1", а уровень разделительных междуканальных пауз соответствует "логическому 0" (смотри статьи "Передатчик RC-аппаратуры" и "РРМ-кодер для RC-аппаратуры"). При включении питания на выходах микросхемы Q1 - Q9 могут установиться произвольные уровни, и какое-то время (не более 20 мс) работа декодера будет хаотичной. Первый же импульс междуканальной паузы откроет диод D1, и конденсатор С1 быстро зарядится до напряжения питания (логичнее сказать, что потенциал нижней обкладки С1 сравняется с потенциалом "общей" шины питания). На выводе 15 микросхемы (это вход RST) установится низкий уровень "логического 0". В момент поступления на вход декодера первого после включения питания синхроимпульса (это, как мы установили, соответствует "логической 1") диод D1 запирается и конденсатор С1 начинает медленно разряжаться через резистор R1, "подтягивая" вход RST микросхемы к потенциалу "плюсовой" шины источника питания. В момент, когда напряжение на нижнем выводе С1 достигает уровня срабатывания микросхемы по входу RST (15 вывод микросхемы), все счетчики "обнуляются": на выходах Q1 - Q9 устанавливается уровень "логического 0". Декодер готов к работе.

Рис.4. Диаграмма работы декодера

С поступлением на вход декодера (вывод микросхемы 14, вход CLK) первого после синхропаузы отрицательного фронта (это начало первого канального импульса), на выходе Q1 установится высокий уровень ("логическая 1"), а конденсатор С1 снова зарядится через диод D1 до напряжения питания. В момент поступления на вход второго отрицательного фронта (этот момент соответствует окончанию длительности первого канального импульса и началу второго канального импульса), на выходе Q1 установится низкий уровень, а на входе Q2 - высокий. Последующие отрицательные фронты будут "сдвигать" высокий уровень с одного выхода Q* на другой. Независимо от количества канальных импульсов в РРМ-пачке, процесс будет продолжаться до поступления на вход декодера синхроимпульса. После этого снова на всех выходах Q* установятся низкие уровни, и затем цикл будет повторяться. Постоянная времени цепочки R1С1 выбрана такой, что конденсатор С1 успевает разрядиться до уровня срабатывания микросхемы по входу RST только за время синхроимпульса (не менее 4 мсек), а длительности канального импульса для этого не хватает. При необходимости число выходных каналов декодера может быть сокращено до 3 или увеличено до 9 без изменения схемы. Приведенная выше диаграмма поясняет этот процесс (на диаграмме показан семиканальный декодер).

FM приемник с РРМ-декодером на микросхемах

Рассмотрим схему РРМ-приемника на двух микросхемах. Несмотря на предельную простоту, параметры приемника отвечают самым высоким требованиям. Декодер приемника позволяет обработать сигнал от 9-канального кодирующего устройства. В приведенной схеме число каналов сокращено до семи, в соответствии с максимальным числом каналов самодельного передатчика. Реальная чувствительность приемника ~ 1.0-3.0 мкВ/м.

Высокочастотная часть приемника построена на микросхеме U1 МС3372 (фирмы Motorolla), ее цена, в зависимости от типа корпуса (DIP, SOJ), 120 - 140 рублей. Микросхема МС3372 - это однокристальный FM приемник с одним преобразованием частоты, предназначенный для приема как аналоговых, так и цифровых сигналов, - одним из его выходных каскадов является триггер Шмидта и транзистор с "открытым" коллектором. Это позволяет очень просто согласовать уровень выходного РРМ-сигнала с входными цепями декодера, построенного на КМОП микросхеме U2 CD4017. В схеме всего один (!) высокочастотный подстроечный элемент - антенный контур (преселектор). Все остальные селективные элементы - пьезоэлектрические.

Рис.5. FM приемник на микросхеме МС3372

Сигнал с антенны через "удлиняющую" катушку L1 поступает на ВЧ преселектор L2С1С2 и далее - непосредственно на смеситель (вывод 16 микросхемы U1). Усилитель ВЧ в схеме отсутствует, т.к. параметры смесителя позволяют реализовать чувствительность по ВЧ до 1.0 мкВ. Сигнал гетеродина (выводы микросхемы 1, 2), стабилизированный кварцем Y1, по внутренним связям микросхемы также поступает на смеситель. С выхода смесителя (вывод 3) сигнал ПЧ 455 кГц поступает на полосовой пьезофильтр Y2 типа CFUM455Н, производства фирмы muRata. Отфильтрованный сигнал ПЧ поступает на вход усилителя-ограничителя ПЧ (вывод 5). Основное усиление приемника осуществляется именно в этом каскаде. С выхода усилителя ПЧ (вывод 7) через конденсатор С8 сигнал ПЧ поступает на дискриминатор Y3 - керамический резонатор CDB455C16, также производства фирмы muRata и вход демодулятора (вывод 8). С выхода демодулятора по внутренним связям микросхемы НЧ сигнал поступает на двухкаскадный усилитель НЧ (выводы 9, 10, 11) и на вход триггера Шмидта (вывод 12). Выходной каскад триггера Шмидта построен на транзисторе с "открытым" коллектором, питание на который подается непосредственно от источника бортового питания. Напряжение питания на саму микросхему МС3372 подается через простейший стабилизатор напряжения на стабилитроне D2 и резисторе R9. С выхода триггера Шмидта (вывод 14) сформированный РРМ-сигнал поступает на декодер, собранный на микросхеме U2. Работа этой части схемы рассмотрена выше и не требует особых пояснений.

Обе примененные в конструкции микросхемы выпускаются в двух типах корпусов: DIP, предназначенный для обычного монтажа, и SOJ - для планарного монтажа, позволяющего очень сильно уменьшить размеры устройства.

В обычном варианте можно использовать резисторы типа МЛТ-0.125 (монтируются вертикально), миниатюрные керамические конденсаторы КМ и электролитические К50-35. В высокочастотных цепях желательно применять конденсаторы с малым ТКЕ. Удлиняющая и корректирующая индуктивности L1, L3 - миниатюрные, промышленного производства (например - аксиальные индуктивности фирмы Coilcraft, диаметром 3 мм). Для планарного монтажа используются детали в ЧИП-корпусах. Пьезоэлектрические элементы одинаковы для обоих типов монтажа. При обычном монтаже следует использовать контурную катушку L2 типа 150-07J08 или 160-11А06 фирмы Coilcraft. Также можно применить самодельную, намотанную на полистироловом каркасе диаметром 5 мм с ферритовым подстроечником (для диапазона 40 МГц катушка должна иметь 7,5 витков провода ПЭЛ-0.2). Самодельная катушка по конструкции аналогична контурным катушкам передатчика, описанного в статье "Передатчик RC-аппаратуры". Для варианта планарного монтажа можно применить промышленную контурную катушку типа 160-11А06 фирмы Coilcraft размером 5,8 х 5,8 х 6 мм, но лучше - типа МС152 фирмы Toko (номер по каталогу E558CNA-100037, цветовой код "BLUE"). Последний тип катушки имеет размер 5 х 5 х 5 мм и не требует сверления под выводы, это чисто "планарный" контур. Правда, учитывая, что максимальная индуктивность серийных катушек Toko E558CNA всего 0.094 mkH, номиналы конденсаторов С1 и С2 придется несколько увеличить (примерно до 150 и 300 pF).

Дальше следует избитая фраза: "правильно и аккуратно собранный приемник начинает работать сразу". И это действительно так: так как нами использована типовая схема включения микросхемы, настройка приемника сводится к настройке единственного антенного контура на среднюю частоту диапазона (для 40 МГц - это 82 канал или частота 40.825 МГц). Это можно сделать, принимая сигнал передатчика, работающего на этом канале. Уровень сигнала ПЧ при этом контролируется осциллографом или ламповым вольтметром на 3-м выводе микросхемы. Входная емкость измерительной цепи не должна превышать 10 - 15 pF. Расстояние от передатчика до приемника при настройке должно быть 30 - 50 метров, желательно также уменьшить уровень излучаемого сигнала за счет "складывания" телескопической антенны. Уровень сигнала на 3-й ножке микросхемы при этом должен быть не менее 20 - 40 мВ.

Конструкция приемника может быть самая разная. Простейший вариант - обычный монтаж на односторонней печатной плате. Используя стандартные детали, можно "уместиться" в размер примерно 50 х 70 мм. Вполне прилично для самодельного приемника! Расчеты показывают, что вариант планарного монтажа на 3-х миниатюрных двухсторонних платах позволяет собрать 8-канальный приемник в корпусе размером всего 13 х 22 х 28 мм.

Внимание! Мы ограничились только макетированием приемника и проверкой его работоспособности, а печатные платы не разрабатывали и не планируем этого делать.

И.В. Карпунин (aka Glider)

Обсудить на форуме