Синхронный подавитель помех электрической сети
О шуме электрической сети:
Одним из проклятий при прослушивании диапазона СДВ/ДВ/СВ является шум от линий электропередач. На этих низких частотах (от нескольких мегагерц и ниже) распространяются помехи от различных электронных переключающих устройств (такие как регуляторы освещения, контроллеры электродвигателей, флюоресцентные лампы и др.), и помехи эти очень мощные. Для этого есть несколько причин. Гармонические составляющие помех уменьшаются с возрастанием частоты, а на этих низких частотах энергия помех слабо распространяется в пространстве вокруг источника. Другая причина состоит в том, что фильтры встроенные в такие устройства как регуляторы освещения не эффективны на частотах ниже нескольких сотен килогерц из-за малого реактивного сопротивления емкостей и индуктивностей на этих частотах (некоторые дешевые устройства не вовсе не имеют фильтров - прим. пер.). В результате эти устройства установленные в домах на линиях электропередач излучают помехи во всех направлениях по электрическим проводам.
Попытки избавить себя от этого вида шума представляют собой "тяжелые" сражения в диапазонах низких частот. Фильтры, которые эффективно работают на низких частотах вероятно слишком громоздкие и требуют тщательной настройки своих параметров под конкретные виды источников помех.
Существует несколько путей для уменьшения воздействия мощных помех распространяющихся по проводам:
- Слушать НЧ диапазоны когда нет источников помех. (это очень редкие случаи для нас ...)
- Слушать НЧ диапазоы вдали от линий электропередач. (Не удобно в большинстве наших домов)
- Тщательно выбирать место для приемной антенны. Антенна должна быть расположена возможно дальше от устройств - источников помех, от линий электропередач и домов для минимизации таких шумов.
- Использовать защищенную петлевую или магнитную антенну. Эти типы антенн в меньшей степени воспринимают ближнее электрическое поле помех, которое часто является главной компонентой принимаемого шума. Эти типы антенн можно вращать в пространстве частично подавляя помехи за счет выраженной их направленности. Правда существует мнение, что часто помехи приходят с того же направления, что и желательный радиосигнал!
При условии, что вы пробовали в борьбе с помехами все описанные выше способы, но не добились успеха, тогда может быть подавитель помех то что вам нужно!
Большинство выпускающихся сегодня приемников содержат узлы "шумопонижения". Эти устройства уменьшают шумы, но также известно, что они имеют ограниченную эффективность по отношению к помехам распространяющимся по сетям электропередачи (далее сетевые помехи) и многие из них при работе создают значительные интермодуляционные искажения сигнала, что нежелательно при приеме очень слабых сигналов. Малое число шумоподавителей (в таких приемниках, как Drake TR-7/R-7 или линейке R-4) работают хорошо, но эффективны они при приеме сильных сигналов. Кроме того они срабатывают с задержкой не позволяя компенсировать начальную фазу шумовой помехи.
Краткий анализ шума электрической сети:
Шум сети типично возникает в обоих концах линии электропередачи - что приводит к продуцированию пульсовых волн дважды за период сетевой частоты, (в данной статье полагается, что частота переменного напряжения в электрической сети равна 60 Гц - для США), то есть 120 Гц. Причем эта помеха часто мощнее компонента с частотой 60 Гц. В результате этого в электрической сети генерируется связанный с ней шум с основной частотой 60 Гц и расширяющимся спектром. Появляется 3-х фазное распределение энергии в линии электропередачи со смещением в 120 градусов. Это можно представить, как умножение количества шумовых импульсов возникающих в течение каждого цикла синусоиды сетевого напряжения. Шумы производимые устройствами с быстрым переключением (тринисторные регуляторы освещения) производят помехи с большим количеством гармоник сигнала. Время начала пульсаций совпадает с началом синусоиды (можно сказать, что это время перехода через нуль отрицательной полуволны в положительную), также может изменяться в зависимости от частоты переключения триггеров устройства. Время начала импульсной помехи может смещаться, если устройство работает с другим фазовым соотношением, например в трехфазных системах регулирования мощности. Быстрые переключения мощного устройства генерируют очень узкополосные импульсы (с длительностью несколько десятков микросекунд или менее сравнимой с временем реакции вашей антенны). Что дают фильтры? Пока используется узкополосный фильтр с правильно подобранными параметрами энергия помехи мала, но проявляется другой ее эффект. Сильно узкополосный фильтр растягивает шумовые пульсации - увеличивает длительность. Три изображения справа показывают это. Три изображения справа получены от линейно-синхронизированного осциллографа соединенного со звуковым выходом приемника Drake TR-7. Использованы три фильтра (начиная сверху) - первый с полосой 12 кГц (использован только первый ПЧ фильтр), затем следующий SSB на 2,2 кГц в центре и телеграфный фильтр 300 Гц нижнее изображение. При использовании фильтра с полосой 12 кГц (на фото сверху) видны обширные и множественные шумовые пульсации обогащенные гармоническими составляющими 1/8 основного импульса (длительность около 250 мксек), видны составляющие с длительностью 1 мсек. Заметно отличие изображения в центре при использовании фильтра с полосой 2,2 кГц. Здесь видны импульсы помехи с длительностью длиннее 1 мсек, которые на 4-5 временных интервала длиннее предыдущих. Нижнее изображение иллюстрирует поведение телеграфного фильтра. Видны растянутые по времени импульсы с большой длительностью. Все показанные импульсы фактически начинаются в одно время. Верно так же то, что в большинстве приемников устройства понижения шума располагаются в приемном тракте до фильтров основной селекции сигналов, но даже в приемниках с широкополосными фильтрами длительность импульсов помех имеют тенденцию к некоторому удлинению. | Рисуток 1: |
Но это еще не все. В случае с шумом возникающим в электрической сети мы имеем преимущество перед случайным (белым) шумом, так как мы определенно знаем с чем он связан и период его повторения - частота 60 - 120 Гц (для США, в России 50 - 100 Гц). К тому же источники шума по электрической сети часто имеют "регулярное" расположение в пространстве как бы образуя энергетическую сеть вокруг вашего оборудования (фазы шумовых сигналов часто не совпадают) и таким образом вы можете проанализировать частоты шумовых импульсов. Что мы не можем знать, так это точное возникновение во времени и продолжительность шумовых импульсов.
(Между прочим устройство понижения помех описанное в статье снижает шум "регулятора яркости освещения" более чем на 35 дб)
Несколько замечаний по снижению шума с помощью DSP:
На первый взгляд, мощные технологии основанные на современных DSP процессорах прошли долгий путь становления по части цифровой фильтрации шума электрической сети, но это еще не все что нужно в данном случае.
Возьмем к примеру DSP используемому в тракте низкой частоты. Здесь используется типичный DSP процессор с низким потреблением мощности и с умеренной ценой. Его работа не лишена недостатков. Как иллюстрируется в примере, шумовые импульсы часто приобретают "уродливую и перекошенную" форму проходя через фильтры основной селекции приемника, при этом DSP процессор располагается уже после фильтров в тракте низкой частоты. В этих обстоятельствах чрезвычайно трудно избавиться от мешающего шума.
Возьмем другой типичный случай применения DSP в тракте промежуточной частоты. Это лучше, чем использовать DSP в тракте низкой частоты. Большинство DSP предназначенных для применения в тракте промежуточной частоты фактически имеют рабочие частоты лежащие в звуковом диапазоне, например 10 - 20 кГц. Размещаются они в последних каскадах преобразования частоты, а низкие рабочие частоты позволяют уменьшить требуемую вычислительную мощность DSP по обработке сигналов. Но несмотря на достаточную полосу частот проходящими через DSP фильтр, все равно остро стоит проблема предотвращения искажения шумовых импульсов. При правильном проектировании этих типов систем можно получить очень эффективное подавление шумов электрической сети - но необходим очень серьезный подход в выборе динамических показателей используемого DSP и качественного написания программного обеспечения.
В заключении хочу заметить, что наряду с использованием DSP фильтра по низкой частоте - вы получите более "тихий" эфир при использовании подавителя шума основанного на антенных эффектах. То же самое относится и для случая использования в вашем приемнике DSP фильтра по промежуточной частоте.
Удаление раздражающих импульсных помех...
Как вы могли видеть выше, простое уменьшение нежелательных шумовых импульсов не очень хорошее решение, так как при прохождении через приемный фильтр длительность воздействия помехи увеличивается. Этот факт имеет не очень большое значение по сравнению с проблемой работы системы АРУ приемника, которая снижает полезный сигнал при воздействии помехи. Система АРУ срабатывает по наиболее сильному принимаемому сигналу (срабатывая и на шумовой сигнал). Например если уровень желательного сигнала на 15 дб ниже пикового уровня шумовых импульсов, то АРУ стремиться снизить его звуковой уровень на те же 15 дб, при этом увеличивается длительность воздействия импульсной помехи. Поэтому нам необходимо добиваться снижения уровня импульсных помех в тракте высокой частоты до цепей основной фильтрации сигналов. Обычно импульсная помеха очень короткая по длительности и не требуется ее блокировать на длительное время. Очевидное место для блокировки помех - место соединения антенны с приемником и это можно сделать несколькими способами. Один из них - это использование PIN диодов в управляемом аттенюаторе, обладающие хорошей линейностью по сравнению с обычными диодами, что положительно сказывается на линейности приемного тракта и снижения интермодуляционных искажений. В качестве примера мы намеренно приводим тип PIN диода MPN3404: в то время как схема удовлетворительно будет работать с обычными диодами типов 1N914/1N4148, конечно с некоторым ухудшением линейности схемы. Как упоминается ниже, другой тип устройства для блокирования импульсных помех на высоких частотах - использует кольцевой диодный смеситель и по сообщениям радиолюбителей работает несколько лучше. Более важно устранение интермодуляционных искажений и удобство контроля за подавлением импульсных помех. Если мы будем просто быстро отключать антенну на период действия импульсной помехи, а затем снова ее подключать, то само по себе это будет служить источником существенных гармоник и устройство подавления импульсных помех будет излучать сигналы подобные сетевым помехам. Если производить подавление помех с относительно медленным переключением в течение периода подавления помехи, мы получим значительное подавление интермодуляционных искажений, уменьшение полосы пропускания и интенсивности "звучания диапазона", что непременно будет порождаться в течение периода подавления помехи (мы получим амплитудную модуляцию наших принимаемых сигналов с частотой подавления импульсной помехи, запомните это ...) | Рисунок 2: |
Возвращаясь назад можно подчеркнуть, один типичный мощный импульс помехи является причиной значительного гула, но часто мы имеем комбинацию импульсов помех возникающие в различное время - что происходит: начиная подавлять одну серию мешающих импульсных помех, другая может пройти через приемный тракт и проявиться при слуховом приеме ухудшая качество полезного сигнала. Поэтому нам необходимо иметь возможность устанавливать индивидуальную частоту подавления импульсных помех для различных "слоев" шумовых помех.
Философия разработки:
Существует несколько мнений касающихся разработке подавителей шумов: "Нормальный" подавитель шума (такой как используемый в профессиональных приемниках) имеет быстродействующее запирание ВЧ тракта на период действия помехи - используется для подавления типичных "асинхронных" импульсных помех, срабатывающий на первом детектированном крутом подъеме фронта импульса помехи. Ясно, что при таком подходе скорость реакции системы шумоподавления должна быть высокой.
С синхронным шумоподавлением, таким как описанный здесь, вы имеете определенные знания о характере импульсных помех, когда они появляются и что служит причиной их возникновения. Вы можете использовать быстродействующее или относительно медленное запирание ВЧ тракта на период действия помехи. В чем тогда разница в подходе к проектированию? Какой способ лучше?
Ответы на эти вопросы не обязательно простые и в каждом случае приходиться находить компромиссное решение. О быстродействующем запирании приемного тракта:
- Поскольку "атака" и "угасание" подавляемого импульса помехи происходит очень быстро, требуется малая часть времени для запирающего импульса. Если общий запирающий импульс по времени совпадает с серединой импульса помехи, длина завершенного "запирающего окна" приходящегося на "быстрое" возрастание/падение фронта импульса запирающего генератора будет уже, чем "запирающее окно" создаваемое генератором блокирующего импульса с определенной формой. Это может уменьшить размер "дыры" пробитой в общем сигнале.
- Действие по блокированию сигнала просто регулировать по принимаемому сигналу с блокирующим импульсом. Спектральная компонента этого импульса будет смешана с принимаемым сигналом. В этом случае быстродействующий генератор запирающего импульса выделяет спектральные компоненты с шириной сотни килогерц (и даже мегагерц.) окружающей полезные сигналы в очень широкой полосе частот. Эффект этого может быть генерация шумов или искажений по всему принимаемому частотному спектру.
Об имеющем "определенную форму импульсе" для запирания приемного тракта:
- "Атака" и "угасание" запирающего импульса имеет определенную форму и длина его всецело зависит от продолжительности времени импульса помехи. Это означает, что длительность завершенного запирающего окна может быть значительно дольше чем продолжительность самого импульса. В этом случае нам будет необходимо центрировать запирающий импульс (промежуток времени в котором подавление максимально) прямо в то мгновение, когда случается импульс помехи.
- "Форма" запирающего импульса синусоидальная для минимизации спектральных составляющих запирающего импульса. Когда запирающий импульс "смешивается" с полным частотным спектром принимаемых сигналов, происходит модуляция диапазона частот запирающим импульсом в ограниченной области близкой к каждому блокируемому сигналу, но это лучше, чем размазывание "грязного" спектра в широком диапазоне частот. Этот эффект снижает генерацию побочных шумов и интермодуляционных искажений.
В любой из используемых схем, блокирование приемного тракта очень важная функция. Какая бы схема не применялась необходима "быстрая реакция" или "правильная форма" блокирования, устройства которые реально применяются на высоких частотах обычно обладают высокой интермодуляционной устойчивостью. Это возможно более важно когда используется "правильный блокирующий импульс", в этот важный период действия запирающего импульса желательно в некоторой степени "управлять величиной подавления" нежелательной помехи - точка в течение которой PIN диоды (в этой разработке) склонны к генерации интермодуляционных помех (IMD) в присутствии сильных сигналов.
Использование двойного балансного диодного смесителя (используется как регулируемый аттенюатор) может смягчать эти проблемы, уменьшая вероятность возникновения интермодуляционных помех. Проблема с использованием диодного кольцевого смесителя вместо PIN диодов в том, что его стоимость выше, и он имеют очень четкую нижнюю рабочую частоту, поэтому мало подходит для использования на низких и очень низких принимаемых частотах. Если вы только намереваетесь использовать этот подавитель помех скажем на диапазоне 160 метров и/или вещательных АМ диапазонах, вы можете рассмотреть использование двойного балансного смесителя (DBM) - см. схему ниже.
Описание схемы:
В устройстве подавления импульсных помех нам необходимы два настраиваемых параметра: расположение и продолжительность запирающего импульса. Позиция запирающего импульса примерно совпадает с точкой нулевого перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну переменного напряжения сети частотой 60 Гц (50 Гц) с удвоенной частотой следования 120/100 Гц, а ширина его ... ? | Рисунок 3: |
Версии схемы:
- Версия 1.00 - Исходная схема
- Версия 1.01 - Добавлена нумерация выводов микросхем, устранены незначительные ошибки - 4/2000
- Версия 1.02 - Скорректирована нумерация выводов U1B (выводы 9 и 11 были перепутаны местами) - 1/2001
- Версия 1.03 - Добавлены обозначения диодов в генераторе запирающих импульсов, исправлена схема и уменьшен - размер файла схемы - 11/2001
- Версия 1.04 - Добавлены некоторые виды переключателей, изменен их перечень - 12/2001
- Версия 1.05 - Добавлены "точки" соединений различных частей схемы - 4/2002
- Версия 1.06 - Добавлена возможность использования кольцевого диодного смесителя как ключевого устройства для запирания ВЧ тракта - 2/2004
- Версия 1.07 - Номера выводов 12 и 13 U2D были перепутаны - исправлено 12/2004
- Версия 1.08 - номера выводов 1 и 9 U1 должны быть заземлены - но были присоединены к шине +5В
Рисунок 4: | Подавитель шума питается от переменного напряжения 18 В через фильтр (не пропускающие ВЧ частоты) с катушкой намотанной бифилярно (двойным проводом) - использован фильтр от неисправного импульсного блока питания компьютера. Эта катушка имеет собственную индуктивность в несколько миллигенри (мГн) и предотвращает проникновение помех через понижающий сетевой трансформатор к приемнику и сам блок подавителя шумов. Выпрямленное напряжение сети (положительные полуволны) фильтруются, стабилизируются по напряжению регулятором 7818 для получения стабильного постоянного напряжения +18 Вольт. Дополнительно регулятором 7805 формируется стабильное напряжение +5 Вольт для питания цифровых элементов. Последовательно соединенные конденсатор и резистор параллельно выпрямительному диоду используются для уменьшения "выбросов" сетевого напряжения и предотвращения нелинейных искажений. |
Часть переменного сетевого напряжения до выпрямителя отводится к компаратору на ОУ U2C который формирует положительные прямоугольные импульсы сетевого напряжения с частотой 60(50)Гц и амплитудой 18 Вольт. Импульсы прямоугольной формы поступают на резистивный делитель напряжения и сниженные по амплитуде с напряжением около 5 Вольт поступают на буферный элемент U3B (74HC86), прямоугольные импульсы с которого подаются на детектор перепада напряжения U3A. Комбинация резистор/конденсатор на входе элемента U3A формирует короткие импульсы на каждом восходящем/нисходящем фронте прямоугольных импульсов с частотой 60 Гц, таким образом генерируются короткие прямоугольные импульсы положительной полярности с частотой 120(100) Гц. Элемент U3D буферный и одновременно инвертирует поступающие на него импульсы, используется в генераторе запирающих импульсов. Элемент U3C не используется и просто соединен с элементом U3D.
Импульсы с частотой 120(100) Гц поступают на элемент U1B (74HC123), являющийся одновибратором и время запуска которого регулируется переменным резистором в интервале нескольких микросекунд в течение действия импульсов с частотой 120 Гц, позволяя запирать ВЧ тракт в любой точке периода импульса (регулировка позиции запирающего импульса). Далее сигнал поступает на вторую секцию одновибратора U1A.
Одновибратор на U1A реагирует только на восходящий фронт импульса приходящего от элемента U1B - в конце определенного временного периода. Работает эта секция аналогично, исключая из временного диапазона и ограничивая длительность интервала 1/3 частью от импульса с частотой 120 Гц. Функция этой секции - регулировка "ширины" блокирующего импульса генератора.
Окончательные запирающие импульсы формируются на выводе 4 секции U1A, совместно с секцией U1B образует генератор запирающих импульсов. К этой точке через диод также может подключаться генератор запирающих импульсов аналогичный первому для запирания помех по второму каналу (две помехи с разными параметрами действуют одновременно). Генератор запирающих импульсов может отключаться переключателем подсоединенным к выводу 3 секции U1A или при наличии нескольких секций генераторов запирающих импульсов они могут включаться простой подачей напряжения питания +5 Вольт и отключаться снятием этого напряжения.
U2D, секция ОУ, используется как компаратор напряжения от генератора запирающих импульсов (использую подтягивающий резистор номиналом 10к) и генерирует инвертированные запирающие импульсы амплитудой 18 Вольт. Импульсы с этого блока поступают на секцию U2A, являющейся фильтром нижних частот 3-го порядка. Здесь прямоугольные импульсы преобразуются в колебания близкие к гармоническим с плавным возрастанием и спаданием фронтов импульсов. Резистор номиналом 100к ограничивает амплитуду выходного сигнала предотвращая ограничение импульсов на выходе усилителя и возникновение искажений (и соответственно гармоник выходных импульсов) от запирающих импульсов. Переключаемый конденсатор с емкостью 0,018 мкф в этой части схемы необходим при низкой скорости следования запирающих импульсов при использовании на очень низких принимаемых частотах (больше об этом ниже по тексту).
Отфильтрованные и сглаженные импульсы от генератора запирающих импульсов поступают на переключатель на PIN диодах через резистор (для ограничения тока) и катушку индуктивности с параллельной емкостью (разделение ВЧ токов). Когда поступает высокое напряжение, то через два PIN диода течет ток, открывая их. Когда напряжение равно нулю, диоды закрыты и их сопротивление велико - получается блокирование приемного тракта на уровне антенна-приемник.
Ближайшее окружение PIN диодов - другие катушки индуктивности и конденсаторы позволяют внешнему напряжению +18 Вольт через фильтр нижних частот включать или отключать активную антенну приемника, включать или отключать работу подавителя помех когда это необходимо. (часть этих узлов схемы не обязательна - примечание авт. пер.).
Использование двойного балансного кольцевого диодного смесителя ("DBM") вместо переключателя на PIN диодах:
Если вы не намерены использовать подавитель помех на очень низких частотах, то можно заменить переключатель на PIN диодах двойным балансным кольцевым диодным смесителем в конструкции как домашнего так и коммерческого производства. Например если вы желаете использовать использовать этот подавитель помех исключительно на диапазоне 160 метров Существует много удобных для применения кольцевых диодных смесителей и их выбор зависит от необходимого диапазона рабочих частот. Можно предложить недорогие кольцевые смесители типа SBL-1 фирмы MiniCircuits. Этот смеситель работает в диапазоне от 1 до 500 Мгц (позволяя работать на вещательном средневолновом - АМ диапазоне), типичная цена 10$ США, элемент достаточно распространенный. | Рисунок 5: |
В качестве альтернативы можно предложить изготовить кольцевой диодный смеситель самостоятельно из дискретных элементов - кольцевого сердечника, диодов, намотки провода. Описание этого узла можно найти в RRL Radio Amateur's Handbook или других источниках через поиск в Интернет. Единственный недостаток - уменьшение миниатюризации конструкции, однако надо учесть:
- PIN диодам в кольцевом смесителе надо отдавать предпочтение, но совершенно допустимо использовать подобранные диоды типа 1N4148. Для подбора диодов обычно используется цифровой вольтметр или "диодный тестер" и конечно дюжина или больше однотипных диодов. Подбор производится по максимально близким значениям сопротивления диодов в прямом смещении. Подбор диодов важен для улучшения устойчивости к интермодуляционным искажениям и увеличения динамического диапазона. Подсоединение дополнительных звеньев из резисторов не поможет, если предварительно не были отобраны пары идентичных диодов.
- Половина обмотки намотанной трифилярно (в 3 провода) имеет реактивное сопротивление в 10 раз меньшее чем входное/выходное сопротивление на рабочей частоте - или 500 ом, если вы используете 50-ом антенну и приемник. (Если вы не думаете о малой величине дополнительных потерь на низких частотах, вы можете уменьшить входное сопротивление смесителя еще в 3 раза или до 150 ом)
- Если вы все же решили использовать переключатель на кольцевом смесителе, то этот тип необходимо оптимизировать для использования именно как переключатель для минимизации искажений.
- Если вы готовы потратить деньги - или вы склонны добиться своего любой ценой - то возможно вам удастся заставить работать кольцевой смеситель на очень низких частотах. Затраты и времени и средств будут велики, хотя можно сделать узел работающий даже на звуковых частотах.
- Существуют также устройства (как продаваемые фирмой Mini-Circuits) называемые "аттенюаторы/переключатели". Это модифицированные кольцевые балансные смесители только оптимизированные для работы в качестве переключателей, но их частотный диапазон также ограничен на уровне 1-2 МГц.
Как это работает:
Когда на порт "IF" DBM смесителя не подается ток (внутри он соединен по постоянному току с четырьмя диодами) все диоды закрыты. Как только ток через этот порт увеличивается, проводимость диодов тоже увеличивается позволяя протекать ВЧ токам от порта "RF" к порту "LO". Заложенная в смеситель симметрия схемы компенсирует значительную нелинейность диодов ослабляя потенциальные интермодуляционные искажения.
Сигнал необходимый для запирания переключателя составляет около 0 Вольт. Резистор номиналом 3,3 к ограничивает проходящий через смеситель ток 5 мА, а резистор номиналом 51 ом (можно использовать 47 ом) совместно с конденсатором 0,01 мкф устанавливает предельное входное сопротивление "IF" порта (для ВЧ частоты) на уровне 51 ом.
Комментарии:
- Кольцевой диодный смеситель очень чувствительный и хрупкий - гораздо в большей степени, чем например PIN диоды MPN3404. Если рядом с вами будет работать мощная АМ вещательная станция, то возможно что переключатель на кольцевом смесителе будет перегружаться этим сигналом, что вызовет появление интермодуляционных продуктов преобразования в течение периода запирания приемного ВЧ тракта. В этом случае необходимо будет применять простой полосовой фильтр на входе схемы подавителя помех. Такой фильтр предпочтительнее фильтра низких или верхних частот, так как значительно лучше подавляет внеполосные сигналы.
- Достойная рекомендация - защита входа кольцевого смесителя от статических помех. Если вы используете полосовой фильтр, то это разумная защита от различных быстрых энергетических перепадов в атмосфере происходящих при ударах молний (например при грозе).
- Если ваш приемник также и трансивер, необходимо остерегаться прохождения через смеситель мощной энергии передатчика, вероятно что смеситель выйдет из строя.
- Индуктивность используемых катушек 27 мГн не является критической величиной. Более важно входное и выходное сопротивление смесителя, оптимальный его уровень лежит около 150 ом. Кроме того от этих катушек индуктивности и цепей подачи напряжения +18 Вольт можно отказаться, как и в случае применения переключателя на PIN диодах.
Замечания по конструкции:
В прототипе блока (показан на рисунке) используется трехканальный синхронизированный подавитель помех. Хотя двух каналов обычно достаточно, здесь редкий пример использования всех трех каналов.
На передней панели расположены 6 потенциометров: Один из них определяет положение, другой ширину для каждого из трех каналов. Каналы 2 и 3 (один в центре, другой справа) имеют выключатели смонтированные на задней стенке, в нормальном положении эти каналы выключены и используются при необходимости. Каждая пара потенциометров связана с соответствующим генератором запирающих импульсов. При вращении регуляторов против часовой стрелки укорачивается временной интервал ассоциированного с ним таймера (более ранняя генерация запирающего импульса) и уменьшается ширина запирающего импульса). При вращении регуляторов по часовой стрелки указанные параметры изменяются в противоположную сторону. | Рисунок 6: |
Рисунок 7: | Переключатель на PIN диодах конструктивно максимально близко расположен от антенных соединителей (типа RCA). Необходимо хорошее заземление, механическая жесткость и короткие проводники по ВЧ цепям. Емкости 1,5 и 2,2 мкф керамических конденсаторов (точное значение не критично) используемые как развязывающие в цепях постоянного тока минимальны для использования на очень низких частотах. Большей емкостью обладают электролитические конденсаторы. Их можно использовать на частотах ниже 10 кГц если возникает в этом необходимость. Рекомендуется параллельно электролитическим конденсаторам подсоединять несколько керамических с небольшой емкостью 0,1 мкф для уменьшения потерь на более высоких частотах. |
Рекомендуется металлические корпуса потенциометров заземлять для снижения "эффекта от рук" и защиты КМОП схемы от статического электричества. Строго рекомендуется в блоках U1A и U1B использовать конденсаторы с высокой температурной стабильностью, от которых зависят параметры генераторов (емкости 0,068 и 0.022 мкф), например майларовые или полиэстровые. Керамические дисковые конденсаторы не обладают температурной стабильностью и соответственно будут изменяться параметры подавления помех с течением даже короткого периода времени. В этом случае будет необходима частая подстройка потенциометров. В заключение необходимо уделить внимание выбору используемых операционных усилителей (ОУ) способных работать при питании однополярным напряжением. ОУ LM324 используемый в этой схеме подходит для этого - но многие типы ОУ нет. Поэтому при замене надо тщательно изучать спецификации того или иного прибора. | Рисунок 8: |
Порядок управления блоком:
Большую часть времени может блокироваться только один канал помехи или шума. Даже если есть необходимость в блокировании двух или трех каналов помех, начинаете работу вы всегда с одного. Последовательность работы будет такой:
1. Выключить в приемнике собственный подавитель помех.
2. Включить блокирование синхронных помех электрической сети по одному каналу.
3. Установить полосу пропускания приемника максимально широкой (SSB или АМ фильтр). Прослушать эфир на предмет наличия помех. Приемник можно плавно подстраивать (лучше в АМ режиме) для поиска помех в виде "гудения, жужжания).
4. АРУ приемника установить на малый уровень реакции или выключить совсем (ручкой усиления по ВЧ установить удобный для прослушивания уровень сигнала), с небольшим превышением внешних шумов над внутренними шумами приемника.
5. В блоке подавления помех потенциометр "ширина полосы подавления" установить в среднее положение.
6. Медленно и внимательно поворачивайте ручку потенциометра "положение точки подавления". Определив точку наибольшего подавления сетевой помехи (гудение) - оставить регулятор в этом положении. Если появится аналогичная помеха то необходимо будет включить второй канал подавления помехи в том же порядке выполняя действия. Наблюдайте за показаниями S-метра так же как и за работой системы АРУ, так как в своей работе она привязана к наиболее сильному сигналу и может снижать не только уровень помехи, но и полезных сигналов!
7. Настраивайте "ширину полосы подавления" в небольших пределах. Изменяйте "положение точки подавления" до полного исчезновения помехи. Повторите предыдущие шаги. Если при настройке не достигается полное подавление помех как в положении минимальной полосы подавления, так и максимальной, то скорее всего в полезном сигнале имеется паразитная амплитудная модуляция - но помните, что импульсные помехи от некоторых мощных сетевых устройств могут быть очень широкополосные.
8. Аналогично первым работает третий канал подавления сетевых помех, но он является скорее дополнением. Так как обычно достаточно для работы двух каналов подавления помех. Помните, что при установке ширины полосы подавления на минимальное значение добиваются лучшего блокирования помех.
9. Если вы попробуете прослушать диапазон очень низких частот (ниже 30 кГц), то возможно, что переключатель на PIN диодах будет являться причиной возникновения некоторых гармоник следующих с частотой переключения. На таких низких частотах необходимо будет переключатель "slew rate" перевести в положение "slow". При этом положение ручек потенциометров "ширина полосы подавления" и "положение точки подавления" будет другим и их надо заново настраивать на всех используемых каналах.
10. Состояние настроек значений АРУ, используемого фильтра, модуляции и установки параметров подавителя импульсных помех приемника можно вернуть к их нормальному значению
Комментарии к управлению:
Здесь описаны несколько замечаний по поводу синхронного подавителя помех - когда его использовать, а когда нет:
- Подавитель помех описанный здесь работает только с импульсными помехами возникающими от устройств электрической сети переменного тока. Оно совершенно бесполезно при наличие атмосферных электрических разрядов или "белого" шума.
- Когда генерируется запирающий импульс, то приемник на короткое время "выключается". Возникает приблизительно такой же эффект как амплитудная модуляция принимаемого сигнала с частотой следования запирающих импульсов, поэтому даже прием телеграфных сигналов будет сопровождаться "гудением" с частотой следования импульсной помехи. Интенсивность и длительность этих добавочных внеполосных сигналов будет изменяться в зависимости от установленной "ширины полосы подавления" и скорости следования запирающих импульсов, так же как и от количества блокируемых каналов помех. Но обычно "гудение" возникающее в результате блокирования помех доставляет меньше неприятностей, чем сами помехи, которые мы подавляем
- Имеющийся в приемнике штатный подавитель импульсных помех можно использовать с максимальной эффективностью при подобранных параметрах его работы. Особенно часто его эффективность проявляется по отношению к случайным импульсным помехам (такие как атмосферные электрические разряды) приводящие к длительному запиранию ВЧ тракта приемника при работающей системе АРУ, оглушению оператора - из-за чего может нарушится прием позывных сигналов корреспондента.
- "Включение-выключение" работы синхронного подавителя помех. Вы можете не выключать подавитель помех в повседневной работе, но тогда лучше использовать его переключатель на PIN диодах постоянно включенным в положении минимального ослабления сигнала. Тот же эффект достигается при выключении генераторов запирающих импульсов. Также можно использовать варианты с релейным переключением полосовых диапазонных фильтров на ВЧ входе подавителя помех или полностью его отключать с помощью высокочастотных реле (необходимо при использовании с трансивером).
- Большинство активных антенн требуют для своей работы питание по коаксиальному кабелю. В описанном устройстве реализована подача питания +18 Вольт на антенный кабель как с внешнего источника питания, так и от антенного разъема приемника (если такая возможность реализована в самом приемнике). В последнем случае внешний источник питания антенного усилителя или активной антенны не нужен.
- Если описанный подавитель помех будет использоваться с проволочной антенной большой длины, то очень сильные сигналы (такие как от местных АМ вещательных станций) могут вызвать интермодуляционные искажения в диодном переключателе. Это можно предотвратить если использовать оптимально настроенную антенную систему с внешним полосовым фильтром или даже с фильтром низших частот. Обычно не возникает проблем при использовании активных антенн, так как обычно имеют характеристики предотвращающие такие перегрузки.
- Результативность синхронного подавителя помех (и более традиционных типов подавителей помех) зависит от использования на определенных частотах КВ диапазона. Так как импульсные шумовые "вспышки" имеют тенденцию к "размыванию" формы начальных шумовых импульсов - возможно в результате побочной фазовой модуляции и/или изменения происходящие при распространении шумовых импульсов быстро угасают с ростом частоты. По этой причине описанный подавитель помех оптимально использовать на частотах ниже нескольких мегагерц (НЧ КВ диапазоны ниже 7 МГц).
- Даже несмотря на то, что в базовом описании он используется для устройств распространенных в США (частота электрической сети 60 Гц), это не является причиной того, что подавитель помех будет хуже работать там, где частота электрической сети составляет 50 Гц. Будут только несколько отличаться номиналы некоторых конденсаторов и резисторов отвечающих за "начальное положение" импульсов от таймера U1B (вместо номинала 0,022 мкф между выводами 6 и 7 указанной секции емкость необходимо увеличить до 0,033 - 0,039 мкф).
- Вам может показаться что оптимальные настройки для подавления одних и тех же помех изменяются для различных принимаемых частот. Например вы оптимально настроили подавитель помех для частоты 20 кГц, но для частоты 200 кГц настройки будут другими. Почему? Это зависит от различий источников помех на разных частотах, а так же как ваша антенна работает на различных частотах, имеются ли задержки сигнала в активной антенне зависящие от принимаемой частоты, от изменения формы импульсных помех с изменением частоты. На высоких частотах можно по разному воспринимать на слух помехи от различных источников, что также зависит от восприятия информации мозгом человека.
- Даже если блок подавления помех выключен, то происходит общее снижение уровня принимаемых сигналов на 4-6 дб. Эти потери происходят потому, что с ВЧ входом и выходом соединены резисторы номиналом 470 ом. Это небольшая величина потерь и в основном не доставляет больших проблем. Влияние этого снижения зависит от уровня чувствительности приемника по шумам и уровня атмосферных шумов в различное время суток - например ночью на определенных диапазонах может быть очень тихо. При использовании пассивной антенны или приемника с невысокой чувствительностью на этих частотах эффект от этих потерь может быть нежелательным. Тогда возможно придется отключать устройство подавления помех от приемника или предусмотреть обход с помощью реле.
- Можно немного улучшить работу устройства на крайне низких частотах (ниже 10 кГц). В этом случае наиболее просто увеличить емкость конденсатора соединенного последовательно с переключателем "Slew rate" от которого зависит частота следования запирающих импульсов. Возможно придется подобрать параметры фильтра низких частот для придания более правильной (синусоидальной) формы запирающих импульсов. Лучше сделать второй переключаемый фильтр рассчитанный на работу с такими низкими частотами для уменьшения гармонических "выбросов" от запирающих импульсов.
- Об использовании разделительных конденсаторов в ВЧ цепях по постоянному току (здесь керамические конденсаторы емкостью 1,5 и 2,2 мкф). Используемые значения емкостей не критичны и пропускают широкий спектр частот без ослабления. Например на частоте скажем 150 кГц необходимым будет конденсатор с емкостью 0,47 мкф, на диапазонах 160 и 80 метров достаточен номинал 0,1 мкф. Электролитические конденсаторы на высоких частотах не используются в качестве разделительных. Выбор номинала разделительного конденсатора 1,5 мкф обусловлен некоторым снижением помех от работающего диодного переключателя особенно в диапазоне средних волн, хотя значение в 0,1 мкф будет адекватным.
Синхронный подавитель помех в работе:
- Blanking at 100 kHz - Приемник настроен на частоту 100 кГц, в режиме АМ с широким основным фильтром полосой 10 кГц. В АМ режиме представляли проблему короткие и остроконечные шумовые импульсы, такие как показанные на рисунке 1. Перед началом подавления помех вы можете слышать "гудение" раздражающих импульсных помех (в этом случае от тринисторного регулятора освещения). В дальнейшем была произведена настройка подавителя помех, в результате чего стало возможным более чисто прослушать сигналы навигационной станции Loran-C. Конечно не возможно заблокировать сами сигналы этой радиостанции!
- Beacon YCD-251 - На примере используется прим сигнала маяка на частоте 250 кГц, приемник работает с однополосной модуляцией (USB). В начале вы можете прослушать "гудение" нежелательной помехи. Постепенно можно более отчетливо слышать сигналы маяка. В данном случае он передает фразу "YCD", маяк расположен в местечке Нанаимо, около Ванкувера в Канаде.
- Noise on WWVB - Этот пример дает представление о наихудших условиях приема, в которых может помочь использование синхронного подавителя импульсных помех!
- В первом тесте я включаю два осветительных прибора с регуляторами яркости на тринисторах - это два потенциальных источника импульсных помех. Причем оба источника питаются от инверторов (преобразователей) напряжения.
- Частота работы преобразователей напряжения этих приборов около 30 кГц, таким образом вторая гармоника перекрывает полезный сигнал станции WWVB (стандарт времени и частоты) работающей на частоте 60 кГц.
- Что можно услышать в результате комбинации коротких импульсов регуляторов освещения (помните, что даже если преобразователи регуляторов освещения имеют защитные фильтры, то все равно мощность помех будет очень высока на таких низких частотах), кроме того импульсный шум от этих источников модулирован по амплитуде и фазе. Помехи от преобразователей очень плохие, потому что подобно коротким импульсам от тринисторных регуляторов, в инверторах еще быстро изменяется частота и амплитуда, создавая таким образом относительно короткие "шумовые вырезки" вместо коротких импульсов
- В первые 8-10 секунд с начала настройки ничего не происходит, но в последующие моменты времени можно услышать некоторые изменения в звучании первого шумового канала, который подвергается подавлению. Начиная с 30-й секунды активируется подавление второго шумового канала и максимальное его подавление происходит около 34-й секунды. В последующем начинается точная подстройка параметров подавления помехи. На 40-й секунде активируется подавление третьего шумового канала, а на 45-й секунде вы даже можете услышать большее уменьшение помех от регулятора света включенных ламп. Далее снова производится точная подстройка "позиции" и "ширины" подавления в трех каналах направленные для получения минимального значения этих двух параметров. В итоге на 1:23-1:29 минуты достигается окончательное подавление помех.
- В этом случае в установках конечно используется положение переключателя "Slew rate" в положение "slow" (медленно) для уменьшения гармоник от запирающих импульсов на принимаемую частоту 60 кГц.
- Используя в установках включение режима "slow", который фактически был активирован для трех подавляемых шумовых каналов, плюс для одного или двух подавляемых шумовых каналов потребовались очень широкие значения запирающих импульсов, что привело к наличию множества "разрывов" в принимаемом сигнале. И даже несмотря на большое количество помех можно было уверенно принимать телеграфную манипуляцию WWVB станции модулированную некоторым гудением - но по крайней мере вы можете слышать эти сигналы и даже звучание атмосферного шума в паузах передачи сигналов.
И снова, запомните, что не все источники шумов поддаются запиранию(блокированию). Даже когда вы блокируете некоторые помехи, то в результате работы подавителя помех вы получите "новые" ложные помехи на принимаемом сигнале. Также необходимо помнить, что на различных частотах вы можете слышать различные источники импульсных помех, что вызывает необходимость оптимизировать настройку подавителя помех. Завершая скажу, что данный подавитель помех был сконструирован первоначально для работы на частотах длинных и средних волн, на которых источники импульсных помех часто расположены поблизости от точки радиоприема. Подобные характеристики имеют импульсные помехи в КВ диапазонах (160 и 80 метров), но часто их частотный спектр более "размазан" и трудно выявить их отдельные части. В связи с чем здесь намного труднее избавляться от таких помех путем их блокирования!
Ссылки на другие страницы:
The CT MedFER Beacon page - Страница описывающая средневолновый маяк с режимом передачи сигнала PSK31
The CT LowFER Beacon Archive - Несколько рисунков с информацией по средневолновым маякам работающим после 1980 года. (Включая QSLs и примеры звучания сигналов различных маяков)
"QRSS and you..." - Использовние крайне низкоскоростной передачи телеграфных сигналов для целей коммуникации
Using your computer to ambush unsuspecting NDBs - Короткое описание о том, как использовать Spectran для приема сигналов маяков NDB
Перевод:
А. Н. Анкудинов (UA3VVM)
07.08.2010
Источник публикации:
http://www.ka7oei.com/syn_blank.htm