Построение основных каскадов приёмо-передающего тракта трансивера KENWOOD TS-990S.

В недавнем прошлом, RADIOEXPERT.RU стал официальным дистрибьютором всемирно известной фирмы KENWOOD в России. Об этом упоминалось в наших ПРЕДЫДУЩИХ СТАТЬЯХ, посвящённых истории становления компании. Это событие совпало с выводом на рынок абсолютно нового, инновационного трансивера HI - END класса KENWOOD TS-990S . В связи с этим событием, у нас появилась уникальная возможность – одними из первых в России увидеть это чудо японской инженерной мысли и услышать качество его работы в эфире. В комплекте с трансивером оказался и альбом схем, куда, оказалось, весьма любопытно заглянуть, прежде чем трансивер включился.

Естественно, мы не могли пропустить такую уникальную возможность и не написать статью. Статья будет состоять из нескольких частей, где мы постараемся наиболее подробно рассмотреть все функции самого совершенного трансивера на сегодняшний день. Покажем работу трансивера в живом эфире, проведём технический анализ схемотехники построения ключевых каскадов обработки сигналов, возможно, будет сделано несколько «синтетических» тестов.

В этой, второй части описания, мы заглянем в принципиальную схему трансивера и в его внутреннее содержание. Постараемся осмысленно представить себе всю глубину технического прогресса. Для начинающих радиолюбителей будет интересно, и полезно познакомимся с теоретическими основами обработки и прохождения радиосигналов в трактах трансивера, которая кратко описана «меж строк» в каждой главе.

1. Общая структура построения приёмных трактов трансивера KENWOOD TS-990S

Структура построения приёмного тракта основного приёмника трансивера KENWOOD TS-990S выполнена по супергетеродинной схеме с 2-я преобразованиями частоты «вниз». На второй, низкой промежуточной частоте (ПЧ) ПЧ=24кГц происходит оцифровка сигнала, после чего вся обработка сигнала происходит в цифровой форме, посредствам современных мощнейших алгоритмов обработки сигнала в DSP-чипе. Структура основного приёмного тракта трансивера представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Общая структура построения приёмного тракта основного приёмника

Отличительной особенностью основного приёмного тракта трансивера KENWOOD TS-990S является преобразование сигнала и его основная фильтрация на первой ПЧ=8.248 МГц. Последние полтора десятилетия в моде было «преобразование вверх» на промежуточную частоту выше всех КВ диапазонов, после чего сигнал переносился на 2-ю иди 3-ю промежуточные частоты, где осуществлялась основная селекция сигнала и его последующая оцифровка. Такой способ считается наиболее простым и дешёвым с точки зрения экономической эффективности построения приёмо-передающих трактов. Требования к каскадам предварительной селекции сигналов у трактов с «преобразованием вверх» минимальны, но при этом необходимо обеспечить хорошую динамику первого смесителя, усилителя по первой ПЧ, а так же обеспечить правильное распределение усиления по каскадам.

Перенос сигнала на ПЧ=8-9МГц широко начал практиковаться, где то с 1970-х годов и до начала 2000-х. Но, реализация качественного приёмного тракта с очень высокими техническими характеристиками была связанна с рядом трудностей. К наиболее известным трудностям относятся реализация минимальных шумов основного гетеродина, обычно построенного по синтезаторной схеме, обеспечение высокого динамического диапазон всего тракта ПЧ, и особенно, избирательные характеристики входных цепей предварительной селекции, которые отвечают за избирательность по побочным и зеркальным канала.

Прошло больше 20 лет, и, наконец, сегодня, появилась возможность в ТОП-овом трансивере компании KENWOOD реализовать нужную избирательность, минимальные шумы синтезатора и динамические характеристики каскадов обработки сигналов.

Нужно отметить, что когда речь идёт о максимально доступных характеристиках, то максимальные цифры всех параметров трансивера обычно далеко превышают планку 110-120дБ. В течении двух последних десятилетий, экономически целесообразно было создание трансивера с общими цифрами характеристик в районе 96-110дБ. Трансивер получался не очень большой стоимостью, и его параметры удовлетворяли большинство пользователей.

Стремительное развитие технологий и внедрение их в широкий бытовой обиход, повлекло очень сильное изменение состояния радиоэфира и его очень сильное загрязнение шумами промышленного характера. Так, в условиях большого города уровень шумов в среднем ниже 7-9 балов практически не опускается, и услышать слабый сигнал ниже этого уровня шума, не представляется возможным.

В таких тяжелых условиях приёма с обычным трансивером работать в эфире практически не предоставляется возможности! И тут, часто может помочь цифровая обработка сигнала. Конечно, не нужно ждать чудес от применения DSP, но убрать некоторые шумы и помехи особенно импульсного характера DSP-обработка помогает очень эффективно.

Но тут, опять, мы сталкиваемся с ограничениями, которые возникают при реализации классического трансивера с высокой первой ПЧ и последующей цифровой обработкой на низких промежуточных частотах – это в первую очередь динамический диапазон самой цепи DSP. Так, при слабой фильтрации в цепях предварительной селекции и фильтре первой ПЧ – внеполосные сигналы могут попадать на вход DSP и вызывать помехи в работе всей цепочки АРУ, перегрузку входных каскадов DSP (т.н. эффект «забития»), прямое детектирование и множество других искажений.

При правильной реализации супергетеродинного тракта с «преобразование вниз», попадание лишних сигналов в тракт оцифровки минимально, но, требуется применение хороших фильтров основной селекции (ФОС) и диапазонных фильтров предварительной селекции (ДПФ). Раньше, экономический это было не целесообразно, а технологически – намного сложнее, чем построить тракт с «преобразованием вверх».

Тракт дополнительного Sub-приёмника трансивера KENWOOD TS-990S выполнен по гибридной структуре – на одних частотах идёт преобразование сигнала на высокую первую ПЧ, с последующей основной фильтрацией на второй ПЧ=10.695МГц и оцифровкой сигнала на 3-ей низкой ПЧ=24кГц. На других частотах – используется преобразование частоты «вниз» См. Рисунок 2.

Рисунок 2. Общая структура построения приёмного тракта дополнительного приёмника

В структурной схеме построения второго приёмника можно увидеть оригинальное решение компании KENWOOD – это построение перемежающихся смесителей, в зависимости от принимаемой частоты. На одних частотах – это приёмник с «преобразованием вверх» на ПЧ=73.095МГц, на других частотах – с «преобразованием вниз» на ПЧ=11.374МГц. Такой метод построения приёмного тракта позволяет эффективно достичь хороших параметров сразу у 2-х приёмников дополнительного тракта и минимизировать пораженные частоты.

Если хорошо присмотреться к структуре второго приёмного тракта трансивера KENWOOD TS-990S, то мы может видеть практически полную копию структуры основного приёмного тракта трансивера KENWOOD TS-590S. См. Рисунок 3. Этот факт не является секретом, и даже объявлен в первом рекламном ролике на трансивер KENWOOD TS-990S.

Рисунок 3. Общая структура построения основного приёмного тракта трансивера KENWOOD TS-590S

Разобравшись немного с общей структурой приёмного тракта трансивера, перейдём к более детальному рассмотрению и сравнению функциональных блоков трансивера KENWOOD TS-990S.

2.Антенный коммутатор

Признаком «хорошего тона» в трансивере DELUX-класса, является присутствие полноценного антенного коммутатора на четыре антенны и пары разъёмов, для подключения дополнительной приёмной антенны или дополнительного фильтра предварительной селекции. Все коммутации в трансивере выполняются высококачественными высокочастотными реле. Структурную схему антенного коммутатора трансивера KENWOOD TS-990S представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема антенного коммутатора трансивера KENWOOD TS-990S

Для сравнения приводим структуру антенного коммутатора ближайших конкурентов трансиверов ICOM IC-7800, IC-7700 и IC-7600. Наиболее близкая к структуре трансивера KENWOOD, структура построения IC-7800. На фоне практически интеллектуальных коммутаторов «взрослых» трансиверов, антенный коммутатор трансивера IC-7600 выглядит простым переключателем на 2 антенны. См. рисунок 5. Коммутатор же трансивера KENWOOD TS-990S по сравнению со всеми перечисленными коммутаторами обладает явно бОльшими возможностями.

Рисунок 5. Структурные схемы антенных коммутаторов ТОП-овых трансиверов фирмы ICOM

3. Предварительная селекция сигналов

Можно назвать блок предварительной селекции одним из самых важных, т.к. если он не будет выполнен надлежащим способом, то все супер характеристики всех остальных каскадов можно однозначно свести «на нет».

Правильное выполнение блока предварительной селекции позволяет максимально эффективно выделить полосу радиолюбительских частот из всего радио-спектра и ослабить внеполосные излучения. Особенно это касается мощных радиовещательных станций вещающих с территории Китая и восточной Европы. От правильности и качества выполнения блока предварительной селекции, при построении приёмного тракта с «преобразованием вниз», сильно зависят такие параметры как избирательность по зеркальным и другим побочным частотам.

При использовании структуры приёмного тракта с «преобразованием вверх» параметры подавления побочных и зеркальных каналов реализуется достаточно легко, и необходимые параметры обеспечиваются простейшими цепями диапазонных полосовых фильтров (ДПФ) и фильтрами низкой частоты (ФНЧ). Самый «неприятный» побочный канал приёма – зеркальный, лежит далеко за пределами пропускания даже примитивного блока ФНЧ в диапазоне УКВ частот.

Для достижения максимально возможных характеристик при использовании структуры приёмного тракта с «преобразованием вниз» требуется хорошо продуманное и грамотное исполнение блока преселекции. Обычно эти блоки получаются узкополосными и весьма трудоёмкими в настройке, отчего в обычные трансиверы их никто из производителей КВ-трансиверов и не стремиться ставить. По крайней мере, в трансиверы нижнего и среднего ценового диапазона.

В таблице 1, приведённой ниже, дана раскладка частот диапазонных полосовых фильтров применяемых в трансивере KENWOOD TS-990S, а так же принцип работы переключателя того или иного диапазона.

Таблица 1. Полоса частот ДПФ основного приёмного тракта

Общее количество полосовых диапазонных фильтров составляет целых пятнадцать штук. Часть из фильтров переключается реле, часть фильтров коммутируется диодами. Бытует мнение, что pin-диоды, применяемые во всевозможных коммутаторах, имеют недостаточно хорошую развязку и прямое детектирование. Возможно, у кого-то из практикующих самоделкопаяние трансиверов описанные эффекты наблюдались. Но на практике, уже достаточно давно в большинстве промышленных трансиверах практикуется переключение большинства узлов трансивера полупроводниковыми твердотельными коммутаторами, в том числе и ДПФ-ы. Для достижения максимально-возможных характеристик конкретно в любительских диапазонах, инженеры компании KENWOOD решили всё же использовать реле, а за пределами любительских диапазонов оставить полупроводниковую коммутацию.

На рисунке 6, ниже, представлена структурная схема и часть принципиальной электрической схемы построения диапазонных полосовых фильтров основного приёмного тракта трансивера KENWOOD TS-990S.

Рисунок 6. Структура построения ДПФ основного приёмного тракта

Рисунок 7. Схема электрическая принципиальная ДПФ основного приёмного тракта

И вроде бы 15-и диапазонный ДПФ – это всё о чём можно было мечтать в СУПЕР-ТРАНСИВЕРЕ, но нет! Конструкторами компании KENWOOD в трансивер не зря были предусмотрены абсолютно все возможные и невозможные обстоятельства условий приёма.

Для максимально жестких условий приёма, например в условиях, сверх перегруженного радио спектра большого города или при работе трансивера на коллективной радиостанции, в трансивере KENWOOD TS-990S помимо широкополосных диапазонных входных фильтров, предусмотрен дополнительный блок узкополосной фильтрации – узкополосный ПРЕСЕЛЕКТОР.

В таблице 2, ниже, представлена раскладка частот узкополосного преселектора, а на рисунке 8 структурная схема построения узкополосного преселектора.

Таблица 2. Полоса частот дополнительного узкополосного преселектора

Количество блоков преселекции соответствует количеству основных любительских диапазонов.

Рисунок 8. Структурная схема построения узкополосного преселектора

Помимо блоков преселекции, традиционно, во входном тракте трансивера для обеспечения максимально возможной чувствительности, имеется пара предварительных усилителей. Для достижения высокого динамического диапазона и соблюдения линейности, предварительный усилитель 1 выполнен по парафазной схеме на транзисторах 2SC5551 и запитан усилитель от высокого напряжения питания – 14 Вольт. От второго предварительного усилителя не требуется сверхвысоких динамических характеристик, т.к. он применяется в основном на относительно чистых ВЧ-диапазонах выше 10МГц, но, нужен достаточно высокий коэффициент усиления. По этой причине выполнен предварительный усилитель 2 по обычной классической широкополосной схеме на таком же транзисторе, как и предварительный усилитель 1. Коэффициент усиления предварительного усилителя 1 составляет 9дБ, и на 22дБ усиливает предварительный усилитель 2. Схемы предварительных усилителей представлены ниже, на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9. Схема электрическая принципиальная предварительного усилителя 1

Рисунок 10. Схема электрическая принципиальная предварительного усилителя 2

Структура входного блока второго Sub-приёмника трансивера KENWOOD TS-990S соответственно повторят практически один в один структуру и схему входного блока трансивера KENWOOD TS-590S. Все переключения ДПФ Sub-приёмника выполнены на полупроводниковых коммутаторах. Количество их тоже не малое – 12 диапазонных полосовых фильтров. Структурная схема и раскладка частот ДПФ представлены ниже, в таблице 3 и на рисунке 11.

Таблица 3. Полоса частот ДПФ второго (Sub) приёмного тракта

Рисунок 10. Структура построения ДПФ второго (Sub) приёмного тракта

Для сравнения на рисунке 12, приведены схемы ДПФ трансиверов ICOM IC-7700, IC-7800. О том, насколько они по сравнению с ДПФ трансивера KENWOOD эффективны, нет смысла рассуждать, т.к. у всех трансиверов ICOM используется преобразование промежуточной частоты «вверх», соответственно и требования к параметрам ДПФ несколько иные. Здесь мы приводим схемы просто для сравнения.

Рисунок 12. Схемы электрические принципиальные ДПФ трансиверов ICOM IC-7700 и IC-7800

4. Смесители

Тема смесителей – вероятно главная тема обсуждений о параметрах трансиверах, когда-либо обсуждаемых сообществом на форумах. Максимально достижимые параметры всего приёмного тракта строятся из комплексной суммы всех компонентов. Будь то ДПФ, смеситель, УПЧ и другие узлы. Стоит одному каскаду прохождения сигнала дать искажения или войти в насыщение – как все попытки вытянуть максимальные параметры из остальных каскадов теряют всякий смысл. И чем ближе нелинейный (активный) каскад расположен к антенному входу и цепям основной селекции сигнала – тем выше важность параметра его линейности и динамики. Таким образом, наибольший вклад по параметру качество приёмного тракта, имеют все каскады от антенного разъёма до фильтра основной селекции.

Кроме высокой динамики, на качество приёма влияет также правильный выбор промежуточной частоты и соответственно частоты синтезатора. От правильности раскладки частот влияет проникновение побочных каналов приёма в тракт промежуточной частоты, а так же наличие т.н. поражённых частот. В канале основного приёмника трансивера KENWOOD TS-990S применяется промежуточная частота 8.248МГц. Давно рассчитаны оптимальные промежуточные частот, диапазон от 8 до 9МГц оказался минимально наполнен поражёнными частотами. Для минимизации побочных каналов приёма в основном приёмном тракте трансивера KENWOOD TS-590S и в дополнительном Sub-приёмнике трансивера KENWOOD TS-990S применены усложнённые гибридные схемы с двумя смесителями и соответственно двумя фильтрами основной селекции. В зависимости от диапазона принимаемых частот и вида модуляции, в работе учувствует то один, то второй смеситель. Структуры смесителей приёмных трактов первого и второго приёмников приведены на рисунке 13 и 14. На таблицах 3, 4 и 5 показы расклады частот ПЧ в зависимости от типа модуляции и диапазона принимаемых частот.

Рисунок 13. Структура построения смесителя основного приёмного тракта

Таблица 3. Расклад частот ПЧ основного приёмного тракта в зависимости от типа модуляции

Рисунок 14. Структура построения смесителя дополнительного приёмного тракта

Таблица 4. Расклад частот ПЧ дополнительного приёмного тракта в зависимости от типа модуляции

Таблица 5. Расклад частот ПЧ дополнительного приёмного тракта в зависимости от диапазона принимаемых частот.

Линейность работы смесителя в широком диапазоне уровней сигналов является одним из наиболее важных параметров определяющих качество приёма. Смеситель приёмника в идеале должен преобразовать одинаково как минимально возможный сигнал с уровнями меньше долей микровольта, так и максимально возможные уровни сигнала, приходящие с блока ДПФ. В условиях большого города или при применении большой антенны, уровни сигналов с антенны могут достигать долей вольта. Существенно бОльшие уровни сигналов наводятся на вход трансивера в условиях работы коллективных радиостанций. Обычно на коллективной радиостанции применяется сразу несколько трансиверов, не говоря уже о применении усилителей мощности. Потому входной сигнал на антенном разъёме трансивера во время соревнований может достигать нескольких вольт.

Более-менее облегчают условия работы смесителя полосовые фильтры, которые ослабляют внеполосные сигналы. И чем грамотнее выполнены ДПФ – тем бОльше уровни внеполосных сигналов они способны задержать. В трансивере KENWOOD TS-990S предусмотрены ДПФ для самых тяжелых условий приёма! Помимо диапазонных полосовых фильтров, обладающих относительно широкой полосой пропускания, есть возможность включать дополнительные узкополосные фильтры. После таких ДПФ уровень внеполосных помех редко превышает 1 вольт. Но даже сильный сигнал, в случае попадания в полосу пропускания ДПФ, может вызвать перегрузку смесителя. Для устранения возможных перегрузок в трансивере KENWOOD TS-990S, применено оригинальное схемное решение, постепенно входящее в популярность у других производителей связной аппаратуры.

Известно, что идеальный смеситель должен математически перемножать 2 сигнала, не детектировать их, вносить минимальное ослабление и по возможности не вносить собственных шумов. В течении многих лет смесители делались на диодах. Существовало несколько высокодинамичных схем на диодах. Потом стали применять полевые транзисторы. До недавнего времени смесители на основе полевых транзисторов оставались самыми популярными и самыми высоко динамичными. Но, с бурным развитием цифровой схемотехники, в последние несколько лет, в качестве смесителей стали использоваться микросхемы высокоскоростных цифровых коммутаторов – т.н. аналоговые мультиплексоры. По сути это те же самые ключи на полевых транзисторах, только выполнены по несколько штук на одной кремниевой подложке в одном корпусе и с элементами управления, привязанными к ТТЛ\КМОП уровням. Их главное достоинство – практически идеально-одинаковые проходные характеристики, что может дать очень высокую степень балансировки смесителя, а соответственно и очень высокие параметры.

Соответственно, это схемное решение применяется в смесителе трансивера KENWOOD TS-990S. В качестве смесителя используется микросхема аналогового высокоскоростного мультиплексора SN74CBT3125. На сегодняшний день, можно сказать, что это одно из наилучших и совершенных схемных решений. На рисунке 15 и 16 представлена структурная схема смесителя и схема электрическая принципиальная смесителя первого приёмного тракта трансивера KENWOOD TS-990S.

Рисунок 15. Структура построения смесителя основного приёмного тракта

Рисунок 16. Схема электрическая принципиальная смесителя основного приёмного тракта

Как в трансивере KENWOOD TS-590S, во втором приёмном тракте Sub-приёмника трансивера KENWOOD TS-990S применён смеситель на четырёх отдельных полевых транзисторах. Схема достаточно известна и популярна, применяется чуть ли не во всех трансиверах других производителей с разными вариациями цепей коррекции. Смотрим схемы на рисунках 17 и 18.

Рисунок 17. Схема электрическая принципиальная смесителя 1 дополнительного приёмного тракта

Рисунок 18. Схема электрическая принципиальная смесителя 2 дополнительного приёмного тракта

Как было сказано выше, для минимизации побочных каналов приёма с схему было введено два смесителя. В зависимости от диапазона принимаемых частот используется или «преобразование вверх» или «преобразование вниз».

5. Фильтры промежуточной частоты

А теперь коснёмся темы, суть которой во многом определяет качество и линейность работы следующих за этим каскадом узлов трансивера, качество звучания трансивера и параметры АЧХ приёмного тракта, качество звука, реально слышимое ушами. Хотим отметить, что множество красивых слов типа «руффинг-фильтр» крутится вокруг этой темы в рекламных слоганах разных производителей трансиверов, хотя не всегда эти слова соответствуют сути.

Фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) отвечает за селекцию сигналов после смесителя. В трансиверах с одной ПЧ (например, в главном приёмном тракте трансивера KENWOOD TS-990S) ФПЧ является фильтром основной селекции (ФОС). Т.е. выделение основного принимаемого сигнала происходит единственным фильтром. От качества и количества этих фильтров зависят такие параметры приёмного тракта как избирательность по соседнему каналу, часто АЧХ приёмного и передающего тракта ( передающего, если единственный ФОС используется ещё и на передачу). От качества ФОС зависит подавление внеполосных сигналов и соответственно качество работы DSP и тракта АРУ, если он включен в общую цепь с DSP. Кстати, слово «руффинг», так любимое многими, к такому построению тракта никакого отношения не имеет. Слово «руффинг-фильтр» применимо к структурам приёмных трактов, где промежуточных частот больше одного.

Для работы в разных видах модуляции желательно применять несколько разных ФОС со своими полосами фильтрации. В трансивере KENWOOD TS-990S, применены целых 5 ФОС, рассчитанные на все виды модуляции и под разные задачи. См. рисунок 19.

Рисунок 19. Структура построения фильтров ПЧ основного приёмного тракта

Для режима ЧМ используется стандартная схема построения приёмного тракта с двумя преобразованиями частоты. Для дополнительного удобства, в зависимости от загруженности эфирной обстановки, в режиме ЧМ можно выбрать две полосы фильтрации 8 и 12кГц. Обычно в бюджетных трансиверах и среднего класса, вид модуляции ЧМ идёт как не основной, и качественной обработкой сигнала в тракте ПЧ внимания практически не уделяется. Структура построения тракта ПЧ для режима ЧМ приведена на рисунке 20. Точно такая же структура построения ЧМ тракта применяется во втором Sub-приёмнике по частоте 10.695МГц.

Рисунок 20. Структура построения приёмного тракта в режиме приёма ЧМ-модуляции

На рисунке 21, рисунке 22 и таблице 6, показана принципиальная схема включения и согласования фильтров основной селекции, приведены характеристики применяемых фильтров. Из схемы электрической принципиальной можно видеть, что настройке АЧХ ФОС уделено отдельное и пристальное внимание, в отличии от других трансиверов, где схема включения ФОС «жесткая» и не содержит элементов согласования.

Рисунок 21. Схема включения фильтров ПЧ основного приёмного тракта

Рисунок 21. Схема электрическая принципиальная ФОС основного приёмного тракта

Таблица 7. Подробные характеристики ФОС основного приёмного тракта

Таблица 7 (продолжение). Подробные характеристики ФОС основного приёмного тракта

В зависимости от вида применяемой модуляции, автоматически выбирается нужный фильтр. На некоторых режимах полосу фильтра можно выбрать вручную. См. таблицу 8

Таблица 8. Выбор полосы ФОС основного приёмного тракта в зависимости от вида модуляции

При активном использовании DSP-обработки звука, удобно ориентироваться по таблице 9, на которой показано, фильтр какой полосы выбирается блоком управления, какие сдвиги ПЧ можно установить и какие дополнительные предустановки можно сделать для улучшения качества звучания. Такие же установки справедливы и в случае настроек второго Sub-приёмника.

Таблица 9. Выбор полосы ФОС основного приёмного тракта в зависимости от полосы DSP

Структура построения второго Sub-приёмника имеет несколько замысловатый вид, и как было описано выше, полностью повторяет структуру приёмо-передающего тракта трансивера KENWOOD TS-590S. См. рисунок 22.

На одних диапазонах и видах модуляции используется преобразование частоты на две ПЧ – 11.374МГц, 24кГц , на других диапазонах используется три ПЧ – 73.095МГц, 10.695МГц, (455 кгц для ЧМ ), 24кГц. Раскладка выбираемых частот ПЧ в зависимости от вида модуляции приведена в таблице 10.

Рисунок 22. Структура построения тракта ПЧ дополнительного приёмного тракта

Таблица 10. Выбор полосы ФОС дополнительного приёмного тракта в зависимости от вида модуляции

Из рисунка 23 и рисунка 24 видно, что пара фильтров второго приёмника используется для тракта передачи.

Рисунок 23. Структура построения тракта фильтров ПЧ дополнительного приёмного тракта

Рисунок 24. Структура построения тракта ПЧ для режима передачи

Практически все фильтры второго приёмного тракта также содержат все элементы настройки. Для интересующихся, на рисунке 25, 26, 27 и таблице 11 приведена принципиальная схема включения фильтров основной селекции и таблица их характеристик.

Рисунок 25. Схема электрическая ФОС-1 дополнительного приёмного тракта

Рисунок 26. Схема электрическая ФОС-2 дополнительного приёмного тракта

Рисунок 27. Схема электрическая принципиальная ФОС дополнительного приёмного тракта

Таблица 11. Подробные характеристики ФОС дополнительного приёмного тракта

6. Гетеродин

Гетеродин трансивера – ещё один блок, от которого во многом зависят характеристики не только приёмного тракта, но и передающего.

Какие самые известные характеристики гетеродина известны среднему радиолюбителю? В основном, это параметр стабильность частоты. Кроме стабильности, мЕньшему количеству радиолюбителей известен параметр «чистота спектра», от которого очень сильно зависит ряд параметров трансивера и в ТОП-моделях в особенности.

В эпоху прошлого века гетеродины были построены в основном на основе генератора, в котором частота плавно перестраивалась конденсатором переменной ёмкости. Стабильность частоты таких гетеродинов в основном зависела от стабильности механических и температурных параметров частотозадающих цепей. Чистота спектра была очень хорошей, но тогда этот параметр не играл очень большого значения.

С развитием цифровой техники, в конце 80-х годов прошлого века, гетеродины стали делать на основе цифровых синтезаторов частоты с фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ). Стабильность частоты таких гетеродинов сразу выросла многократно, а вот чистота спектра таких гетеродинов по сей день остаётся «камнем преткновения». Для того, что бы сделать по настоящему «чистым» сигнал гетеродина в цифровом синтезаторе с ФАПЧ, приходилось очень сильно потрудиться. Другой проблемой при проектировании цифрового синтезатора стал большой шаг сетки частот, который был обратно пропорционален времени стабилизации частоты и прямо пропорционален чистоте спектра. Сразу несколько противоречивых параметров приходилось сводить в единое решение, что очень сильно удорожало производство.

С появлением синтезаторов на основе микросхем прямого цифрового синтеза (DDS) в начале 2000-ых годов, часть проблем присущих синтезаторам с ФАПЧ автоматически решилось, но проблема чистоты спектра всё равно осталась не решена. К настоящему времени удалось найти ряд компромиссов, применяя гибридные схемы построения гетеродинов на основе ФАПЧ и DDS синтезаторов. В результате чистота спектра гетеродина получается приемлемой даже для трансиверов ТОП-класса, но стоимость таких гетеродинов всё ещё остаётся дорогой.

На какие параметры трансивера так сильно влияет это частота спектра, может спросить дотошный читатель? Прежде всего, на сквозную АЧХ приёмного и передающего трактов, а так же на чувствительность приёмного тракта. Если спектр принимаемого сигнала в ближней зоне (50-100 Гц) от несущей сигнала гетеродина будет существенно выше уровня собственных шумов приёмного тракта, т.е. выше чувствительности приёмника – то слабый сигнал просто «потонет» в этих шумах. Особенно это актуально для узкополосных режимов модуляции CW и PSK. Это, так называемый параметр «чувствительность приёмного тракта, ограниченная шумом гетеродина», на практике встречающийся сплошь и рядом. Уже давным-давно чувствительность трансиверов можно было бы довести до уровня теплового шума электроннов в вакууме – т.е. гораздо лучше 0.1мкВ. Шумы синтезатора не позволяют этого сделать.

Другой, гораздо менее известный большинству радиолюбителей параметр, но очень хорошо видимый на экране спектроскопа SDR-приёмника – это уровень шума передатчика. Мощность этого шума напрямую зависит шума всех гетеродинов передающего тракта. Проявляется он в очень сильном расширении передаваемого трансивером спектра сигнала в пределах рабочего диапазона. Хорошая крутизна передающих фильтров и цифровое качество формирования SSB-сигнала может быть идеально, но, все эти преимущества сводятся «на нет» если гетеродин грязный. Полоса шумового спектра передатчика при выходной мощности 100 и больше Ватт может составлять от 1 до 10 Ватт (зависит напрямую от выходной мощности). И если ваш сосед работает на таком «грязном» трансивере, да ещё и с хорошим помощником, на спектроскопе вашего приёмника это будет видно как повышение уровня шумовой дорожки во всём рабочем диапазоне до 9 и выше баллов. При отсутствии спектроскопа – это будет проявляться как «слышу соседа по всему диапазону» или «приёмник потерял чувствительность» или «местный QRM не позволяет принять дальнего корреспондента».

Каким образом инженеры компании KENWOOD решают эту проблему? В трансивере KENWOOD TS-990S заложен комплексный подход по очистке спектра. В тракте гетеродина главного приёмного тракта применены все возможные на сегодня методы очистки сигнала. Во-первых - это применение синтезатора на основе петли ФАПЧ с максимально возможной частотой основного генератора и выполнение схемы на 4-х отдельных генераторах, переключаемых, в зависимости от принимаемой частоты. Во вторых – последующее деление частоты генератора. Как известно, шум генератора, также пропорционально делится при делении частоты. В-третьих – применена подиапазонная фильтрация, окончательно сформированного сигнала гетеродина. В-четвёртых – применён большой шаг сетки основной петли ФАПЧ. Маленький шаг гетеродина обеспечен DDS-синтезатором, включённым в окно большого шага петли ФАПЧ. См рисунок 28.

Рисунок 28. Структура построения гетеродина главного приёмного тракта

Гетеродин второго Sub-приёмника выполнен по похожей схеме, но в ней отсутствует каскад очистки конечного сигнала гетеродина. В нём же осуществляется модуляция сигнала при работе трансивера в режиме FM. См. рисунок 29

Рисунок 29. Структура построения гетеродина дополнительного приёмного тракта

Для обеспечения максимальной стабильности частоты трансивера применены высокоточные термостатированные генераторы опорных частот. Для особо требовательных пользователей предусмотрено подключение единого сверхвысоко-точного опорного рубидиевого стандарта частоты 10МГц.

7. Оконечный усилитель

Структура построения оконечных каскадов трансиверов на транзисторах, за последние 40 лет практически ничем не отличается. В основе своей - это двухтактные схемы (пуш-пулл) и два или три каскада драйверов в раскачке. Мощные схемы оконечных каскадов делают или по схемам гибридного сложения, в случае низковольтных схем или применяются высоковольтные транзисторы в оконечном каскаде усилителя с напряжением питания 50 Вольт и выше.

В последние годы, в трансиверах ТОП-класса, блоки питания делают встроенными в один корпус с трансивером, и применяется схема высоковольтного питания оконечного каскада. Этот принцип построения оконечных каскадов усилителей применяет в трансиверах ТОП-класса фирма ICOM и Yaesu. Компания KENWOOD тоже не стала исключением.

В оконечном каскаде усилителя мощности применяются два транзистора VRF150MP фирмы Microsemi и питаются они напряжением 50 Вольт.

Высокое напряжение питания позволяет добиться отдачи большой мощности в нагрузку, применяя всего два транзистора, а так же обеспечить низкий уровень интермодуляционных искажения (2-tone IMD) См. рисунок 30.

Рисунок 29. 2-tone IMD выходного каскада трансивера KENWOOD TS-990S

Единственное различие, которое может некоторым пользователям, хорошо разбирающихся в схемотехнике усилителей показаться подозрительным – это низкое напряжение питания драйвера усилителя. Для сравнения, драйвер оконечного каскада ТОП-трансиверов компании ICOM IC-7700 и IC-7800 имеет единую цепь питания с оконечными транзисторами – 50 Вольт. Мы не стали бы заострять на этом внимание читателя, но некоторым дотошным аматерам, такой принцип питания оказался явно не по душе, в чём они узрели явный минус данного трансивера. См. схему электрическую принципиальную на рисунке 31. Мы не согласены с тем, что низкое напряжение питания драйвера оконечного каскада может накладывать большое ограничение на общую линейность схемы, при условии, что её правильно спроектировали и настроили на заводе изготовителе трансивера.

Рисунок 31. Схема электрическая принципиальная выходного каскада трансивера KENWOOD TS-990S

8.Автоматический тюнер

Что действительно заслуживает внимания – так это наличие в цепи автоматического тюнера векторного анализатора импеданса. Если во многих трансиверах среднего класса используется стандартный датчик КСВ на основе схем направленного ответвления падающего и отраженного от антенны сигнала, то в трансивере KENWOOD TS-990S стоит векторный анализатор импеданса. К чему такие сложности? Ответ очень прост – используя обычный анализатор КСВ, подбор элементов согласования может осуществляться не совсем оптимально. В результате имеем низкий КПД согласующего устройства, а как следствие – потери выходной мощности. В случае анализа вектора фазы отраженного от нагрузки сигнала, подстройка реактивных элементов согласования осуществляется максимально точно, из-за чего КПД согласующего устройства получается максимальным. См. ниже рисунок 32. Но, если мы используем провод случайной длинны, в качестве антенны, не понимаем принципов её работы, то никакой тюнер не спасёт трансивер от повреждения.

Рисунок 32. Структурная схема автоматического тюнера

9. Тракт модуля управления

Управление трансивером разведено на несколько процессорных блоков, каждый из которых отвечает за определённые модули трансивера. См. Рисунок 33 и 34 . Главный процессорный модуль приложений отвечает за работу основного дисплея трансивера, взаимодействие со всей периферией и взаимодействие с остальными модулями. На втором процессорном модуле находится процессор, отвечающий за работу дополнительного экрана.

На ядре главного процессорного модуля крутиться вся программа трансивера. Частота ядра составляет 600МГц. Это примерно соответствует скорости работы среднего современного планшетного компьютера. Однако, скорость загрузки программы трансивера KENWOOD TS-990S составляет целых 35 секунд. Для сравнения трансивер ICOM IC-7700 грузится всего 7 секунд. Этот факт наводит на некоторые размышления. Весьма вероятно, что работа трансивера KENWOOD TS-990S построена на базе какой-нибудь операционной системы, возможно даже, на базе специально заточенного под трансивер ядра Linux-а. В настоящий момент это только предположение, т.к. точных данных по этому вопросу пока ни у кого нет. Но мы постараемся этот вопрос выяснить.

Рисунок 33. Общая структурная схема блока управления трансивером

Рисунок 34. Структурная схема блока управления дисплеями и органами управления трансивера

Отрисовку панорамы спектроскопа и «водопада» осуществляет отдельный процессорный модуль, который взаимодействует с DSP-процессором по шине SPI. Приблизительная скорость обмена данными между ними 1.5Mbit

Рисунок 35. Структурная схема блока управления спектроскопом

10. Тракт DSP-обработки сигналов и спектроскопа

Самую интересную и очень неоднозначную тему, мы решили оставить «на закуску», ибо вокруг работы DSP стОлько много всяких мифов и дОмыслов наверчено да накручено, из-за чего на форумах копья ломаются в пух-и-прах.

Первое, на что обычно обращается внимание при сравнении чипов DSP – это тактовая частота работы ядра процессора. Хотим особо отметить, что цифра тактовой частоты DSP, которой пытаются оперировать дилетанты в спорах о производительности DSP, уже давно не является определяющим фактором. Точно так же, как о сравнение производительности процессоров применяемых в домашних компьютерах по частоте его работы, давно никто не судит. Надо отходить от этой практики и при сравнении производительности DSP-чипов. В наше время частоты ядер DSP могут отличаться в два раза и больше, но это ни как не является качественным показателем работы DSP-чипа. Во многом, определяющим фактором производительности, сегодня является алгоритм заложенной в DSP-чип программы и поколение применяемого чипа.

Если об алгоритме программе мы даже приблизительно не можем судить, ибо это является технической и коммерческой тайной, то единственное, что мы можем оценить - это поколение DSP процессора и его архитектура. Подробные данные о работе DSP-чипах не являются тайной, и легко находятся на сайтах производителя чипов DSP.

Тут мы сталкиваемся с ещё одной маленькой, но весьма существенной проблемой. Что бы оценить качественно и количественно работу DSP-чипа – надо как минимум быть в курсе темы, или быть разработчиком программ. А теперь, внимание, вопрос – сколько людей могут похвастать глубокими знаниями в данной области? Именно по этой причине, мы считаем всякие рассуждения о качестве работы DSP на всяких радиолюбительских форумах чистой профанацией и инсинуациями.

Единственным способом, которым можно показать качество работы DSP в приложении к радиолюбительской тематике – это реальная работа трансивера в живом эфире. Но тут вступает в силу такой параметр как субъективность. Некоторые особо консервативные радиолюбители «цифрУ» ощущают не то что на приём, а даже в сигнале передачи трансивера. Такие заявления кроме улыбки ничего не вызывают, т.к. 16-битный звук отличить по качеству в полосе 3-4кГц от аналога практически не возможно ухом , а о 24-х битном кодировании сигнала и подавно говорить нечего. Такие самоуверенные высказывания о «цифрЕ», скорее говорят о предвзятом отношении человека к современному высокотехнологичному трансиверу, который заявляющий, скорее всего, купить не может. Очень напоминает басню Крылова про лисицу и виноград. «Трансивер плох, потому что он ещё не созрел».

Объективно, думается, что новые алгоритмы, заложенные в DSP-чип трансивера KENWOOD TS-990S должны быть как минимум не хуже чем алгоритмы, применяемые в ТОП-моделях трансиверах фирмы ICOM прошлых лет. А как максимум – новые чипы должны быть совершеннее тех, что выпускались 5-10 лет назад. Да и программирование за прошедшие годы не стояло на месте и должно быть совершенствовалось тоже. Соответственно, качество обработки сигнала и качество звучания в самом совершенном на сегодняшний день трансивере должно быть по настоящему на высоте. Так ли это на самом деле, мы узнаем через несколько месяцев, когда от людей, купивших трансивер, будут появляться отзывы.

Но всё же, для примера, посмотрим, какие DSP-чипы применяются в новом трансивере. В качестве обработчика сигнала и в модуле обработки панорамы в главном приёмном тракте трансивера KENWOOD TS-990S применена микросхема DSP фирмы Analog Devices ADSP-21363

DSP – обработчик сигнала второго приёмника построен на микросхеме DSP фирмы Analog Devices ADSP-21369.

Вот что пишет* производить про чип ADSP-21363:

*(Вольный перевод)

И вот что пишется* про чип ADSP-21369:

*(Вольный перевод)

Что мы видим из приведённого выше текста? Если начать мерять производительность по частоте, получается, что в Sub-приёмнике стоит более мощный чип, чем в тракте основного приёмного тракта. Нелогично как то, правда? Или логично? Узнаем ниже…

Зато, глаз зацепился за цену. При максимальной стоимости чипа ADSP-21369 38 долларов, разница с чипом ADSP-21363 составляет целых 10 долларов. Что можно предположить? Что всё же, чип DSP с максимальной производительностью поставили в тракт, где заранее характеристики всего тракта второго приёмника чуть-чуть, но хуже, чем у главного приёмного тракта. Тем самым вроде как перестраховались. А дальше – всё качество определяется алгоритмами обработки сигналов. Тем более, что оба DSP-чипа работают не на максимально заявленных частота, а немного меньших и работают в тандеме с главным процессором управления.

Отрисовкой панорамы спектра диапазонов, а так же «водопада», занимается такой же чип DSP, что и чип обработчика основного приёмного тракта – ADSP-21363. Он же занимается декодированием RTTY и PSK сигналов.

Взглянув на схему построения DSP блока, см. рисунок 36, становится понятно, почему в трансивере применены DSP-чипы разной мощности. DSP-чип главного приёмного тракта занимается только обработкой поступившего сигнала. В это же время, DSP-чип второго приёмного тракта несёт на себе помимо функций обработки сигнала Sub-приёмника, ещё и функции интерфейса со всеми внешними и внутренними устройствами. Таким образом, оба чипа DSP работают в паре.

Рисунок 36. Общая схема блока DSP

Общая цепочка АРУ выполняется совместно аналогово-цифровым методом и выполнена всё на тех же DSP-чипах. См рисунок 34.

Рисунок 37. Структурная схема блока АРУ и взаимодействие его с DSP.

Вторым, и на этот раз объективным параметром качества работы всего цифрового DSP-блока, является частота оцифровки сигнала и разрядность микросхем АЦП, применяемых в цифровом блоке. Разрядность АЦП будет определять динамический диапазон сигналов, которые сможет обработать DSP-блок. В последние 10-15 лет, практически во всех трансиверах всех фирм в основном применяются 24-битные АЦП. В трансивере KENWOOD TS-990S оцифровывается последняя промежуточная частота 24кГц.

Для сравнения, это не самая высокая цифра последней ПЧ. У трансивера ICOM IC-7800 и IC-7700 она составляет 36кГц. И в этом месте обычно возникают споры между фанатами ICOM-а и противниками KENWOOD-а. В народе считается, что чем выше цифра последней ПЧ – тем лучше.

В этом месте мы сразу бы задали обоим сторонам вопрос: «А чем же, собственно, лучше?» Думается, объективно, вопрос может остаться без ответа, т.е. риторическим, по причине того, что людей программирующих DSP-чипы на программном уровне среди радиолюбительской братии по пальцам можно пересчитать и те, себя не особо афишируют, ибо заняты.

Но, нам удалось найти настоящих специалистов со светлыми головами, которые пишут программы под DSP-чипы и проконсультироваться с ними по этому, весьма щекотливому вопросу. Для того, что бы окончательно, раз и навсегда расставить все точки над i, приводим в этой статье пояснения программистов DSP по вопросу, какая ПЧ всё же лучше - высокая или низкая.

*(Умышленно не названы имена фирм, т. К. В контексте статьи это не имеет значение)

Что мы можем вынести для себя из этого пояснения? Что все споры на тему лучше или хуже высокая последняя ПЧ у трансиверов ICOM или низкая ПЧ у трансиверов KENWOOD являются пустыми. И что объективно, чем выше класс трансивера, будь то трансивер компании ICOM или KENWOOD – у более дорогих трансиверов DSP-тракт обработки сигнала АПРИОРИ будет более совершенным, чем в более дешевых моделях.

Потому, перейдём к следующему блоку – блоку АЦП и ЦАП.

В модуле АЦП последней ПЧ применяются микросхемы AK5385. На сегодняшний день – это одна из самых популярных микросхем у производителей звуковой аппаратуры. С её параметрами вы можете ознакомиться, перейдя по ссылке, нажав на название микросхемы мышкой. Если кратко, то это микросхема АЦП имеет максимальную полосу оцифровки сигнала 192кГц, с разрядностью 24 бита. Динамический диапазон и соотношение сигнал\шум составляют 114дБ.

Оцифровкой сигнала с микрофона осуществляется отдельной микросхемой кодеком - WM8782.

Обратное преобразование сигнала из цифры в звук и формирование сигнал передачи осуществляется с помощью не менее известных микросхем-кодеков ЦАП – AK4387ET и AK4396VF.

На рисунке 38 и 39, ниже, показан путь прохождения сигнала обоих приёмников трансивера KENWOOD TS-990S от тракта последней ПЧ, до динамиков или наушников.

Рисунок 38. Структурная схема сквозного тракта DSP трансивера KENWOOD TS-990S

Рисунок 39. Структурная схема микрофонного тракта DSP трансивера KENWOOD TS-990S

Помимо звуковых каналов, непосредственно функционирующих с пользователем, таких как выходы на динамики, наушники или микрофон, в трансивере KENWOOD TS-990S предусмотрены несколько дополнительных аудио портов, взаимодействующих с внешним миром, посредствам USB – интерфейса, оптического интерфейса, линейных входа и выхода. Так же присутствует внутренний канал взаимодействия обоих приёмных трактов с магнитофоном. Все эти интерфейсы взаимодействуют между собою через свои чипы АЦП\ЦАП, которые в свою очередь висят на самом мощном DSP-чипе. См. Рисунок 40.

Рисунок 40. Структурная схема внутреннего и внешнего взаимодействия аналогового тракта DSP трансивера KENWOOD TS-990S

11. И в завершении...

После наброски основного текста стать мы долго думали, стоит ли сопоставлять в техническом плане трансивер KENWOOD TS-990S с его ближайшими конкурентами ICOM IC-7700 и ICOM IC-7800. В результате долгих обсуждений, мы решили всё же не сопоставлять их в силу того, что новый трансивер KENWOOD TS-990S имеет структуру построения главного приёмного тракта отличающуюся от того, что делали все производители трансиверов последние 15-20 лет. Плюс к этому, ещё ни одна из известных и авторитетных лабораторий не сделала достоверных обмеров параметров трансивера. А первые пользователи только-только осваивают новый трансивер и радуются новым возможностям…

Потому в этой статье мы ограничились обычным рассмотрением структурных блоков, из чего и как сделаны те или иные узлы трансивера KENWOOD TS-990S. Для особо интересующихся схемами, полный сервис-мануал на трансивер можно найти на просторах интернета. Он находится в свободном доступе. Для полноты картины, в конце статьи лежит полная структурная схема трансивера.

Radioexpert.ru