В настоящее время английский термин «Roofing-filter» часто употребляется в описаниях современных трансиверов на любительские диапазоны. Но что он означает?
Так вот, речь идет о первом кварцевом фильтре приемного тракта. Параметры этого фильтра имеют решающее влияние на динамические параметры приемника, поэтому Roofing-фильтр должен быть расположен как можно ближе к первому смесителю в тракте первой промежуточной частоты приемника. Только тогда этот фильтр может правильно выполнять свою функцию — за счет высокой селективности предохранять приемный тракт от попадания нежелательных сигналов, находящихся за полосой используемого радиоканала.
К сожалению, не всегда конструкторы трансиверов на любительские диапазоны придерживаются этого постулата. Исключая немногочисленные уникальные решения, можно утверждать, что обычно встречается два типа любительских трансиверов. Первый — это аппараты, рассчитанные только на любительские КВ-диапазоны. Первая промежуточная частота в них обычно составляет от 4 до 10 МГц. Второй тип характеризуется тем, что первая промежуточная частота выбирается в области частот выше 30 МГц. Это так называемое «преобразование вверх» (по-английски — Up Conversion).
Из промышленных устройств представителями первого типа трансиверов являются выпускаемые двумя американскими производителями Elecraft (К1 и К2) и Ten-Tec (Orion и Omni). Японские производители (Icom, Kenwood и Yaesu) в выпускаемых трансиверах используют «преобразование вверх». Увы, наш мир несовершенен, и каждый из указанных способов построения приемного тракта имеет определенные преимущества и недостатки.
Для трансиверов первого типа технология изготовления кварцевых фильтров в диапазоне от 4 до 10 МГц очень хорошо отработана, что обеспечивает очень высокую селективность приемника при использовании первого кварцевого фильтра. Для основных видов излучения, применяемых коротковолновиками (CW и SSB), можно использовать многокварцевые фильтры, полоса пропускания которых адаптирована для обоих видов излучения. Эти фильтры имеют «гладкую» частотную характеристику в полосе пропускания фильтра и высокое подавление сигналов, лежащих вне полосы пропускания. Производители оснащают выпускаемые трансиверы кварцевыми фильтрами с параметрами, которые удовлетворяют потребности среднего пользователя. Коротковолновики, предпочитающие работу в контестах, а также «охотники за DX», чтобы удовлетворить высокие запросы к селективности приемника, используют значительно лучшие кварцевые фильтры, приобретенные, например, в американской фирме INRAD, основанной коротковолновиками и ориентированной на потребности коротковолновиков. Эти специальные кварцевые фильтры обеспечивают значительно лучшие параметры, если речь идет о селективности, а это основное преимущество трансиверов, сконструированных только на любительские диапазоны.
Второй тип трансиверов имеет первую промежуточную частоту от 45 до 75 МГц. В приемном тракте на этой ПЧ используются очень простые кварцевые фильтры в дискретном или монолитном исполнении. Параметры этих фильтров далеко не адекватны потребностям коротковолновиков, «охотящихся за DX» или предпочитающих работу в контестах. До недавнего времени (до выпуска трансивера IC-7800) ширина полосы пропускания этих фильтров составляла от 10 до 20 кГц. Это слишком широкая полоса для двух наиболее популярных видов излучения (SSB и CW), используемых коротковолновиками. В такой широкой полосе умещается не только сигнал радиостанции, которую хотелось бы в данный момент принимать, но и несколько других SSB-сиг- налов и, разумеется, несколько десятков CW-сигналов. Это известные недостатки трансиверов с большим перекрытием по частоте (от длинных волн до верхних границ KB).
Практически все приемники имеют на входе какие-либо селективные LC-фильтры. В приемниках первого типа это, как правило, полосовые фильтры на любительские диапазоны, подавляющие сигналы, находящиеся вне этих диапазонов. В приемниках второго типа реализован принцип непрерывного перекрытия по частоте — от длинных до коротких волн. Для этого вместо полосовых фильтров используются широкополосные фильтры с полосой пропускания в несколько мегагерц. Через такие фильтры проходят не только сигналы, находящиеся в любительских диапазонах, но и очень сильные сигналы из радиовещательных и коммерческих диапазонов (совсем нежелательные во время работы на любительских диапазонах). Иногда новые модели трансиверов снабжаются узкополосным преселектором, который устанавливается на входе приемника.
Способность приемника эффективно работать в условиях очень сильных сигналов зависит в основном от типа используемого первого смесителя и от селективности, обеспечиваемой первым кварцевым фильтром (Roofing-фильтром) в тракте первой промежуточной частоты. Применяемые в настоящее время схемотехнические решения имеют свои ограничения, и при превышении некоторого граничного уровня входных сигналов на антенном входе в любом приемнике возникает интермодуляция, которая выражается в том, что на выходе приемника появляются сигналы, которые возникли в нем самом из-за нелинейных процессов. Интермодуляция начинает ощущаться, когда уровень интермодуляционных продуктов превышает уровень собственных шумов приемного тракт.
Наиболее неприятны эффект блокирование приемника очень сильным одиночным сигналом, лежащим вне принимаемого канала (BDR), и интермодуляция третьего порядка, вызванная соседством двух сильных сигналов, разнесенных по частоте в полосе прослушиваемого радиоканала (IMD DR3).
При возникновении интермодуляции третьего порядка в приемных трактах различаются две ситуации:
— когда два сигнала, вызывающих интермодуляцию, находятся в пределах полосы пропускания первого кварцевого фильтра;
— когда разница частот между двумя сигналами, вызывающими интермодуляцию, так велика, что они не умещаются одновременно в полосе пропускания первого кварцевого фильтра.
Для лучших приемников с «широким» Roofing-фильтром (12…20 кГц) IMD DR3 достигает 95 — 105 дБ при разносе сигналов, вызывающих интермодуляцию, 20 кГц и более. Приемники среднего и низшего класса имеют более низкую селективность по интермодуляции. Если разница по частоте между сигналами, вызывающими интермодуляцию третьего порядка, мала, и оба сигнала находятся в полосе пропускания первого кварцевого фильтра, то интермодуляционные процессы будут происходить не только в первом смесителе, но и во втором. В этом случае IMDDR3 для приемного тракта может снизиться до 60 — 70 дБ. Как быстро это произойдет, в большой мере зависит от ширины полосы пропускания первого кварцевого фильтра.
Поскольку эти общие рассуждения очень приблизительны, приведем численный пример. Предположим, что имеется приемник с IMD DR3 =100 дБ и уровнем собственных шумов -135 дБм. Если один сигнал, вызывающий интермодуляцию, отстоит на 20 кГц от прослушиваемого канала, а второй удален на 40 кГц, то интермодуляционный продукт третьего порядка появляется тогда, когда оба сигнала, приводящие к интермодуляции в этом приемнике, будут иметь уровень 100 -135 = -35 дБм. В соответствии с принятыми в КВ-радиолю- бительстве нормами, величина показаний S-метра, равная 9 баллам (S9), соответствует уровню сигнала на антенном входе -73 дБм. Следовательно. интермодуляционный продукт в таком приемнике будет прослушиваться только для сигналов с уровнем на 38 дБ выше S9: (73 — 35 = 38 дБ). Более слабые сигналы не вызывают заметного проявления интермодуляции третьего порядка.
А сейчас рассмотрим более приземленный пример, имея в виду популярный трансивер FT-1000MP. Предположим, что при ширине полосы пропускания первого кварцевого фильтра 12 кГц IMD DR3 составляет 70 дБ. Предположим далее, что имеются два сигнала, отстоящие только на 3 кГц, и с уровнями, которые могут вызвать интермодуляцию. При каком уровне явление интермодуляции будет заметно в этом приемнике? Итак, 70-135= -65 дБм, т.е. для сигналов с уровнями от S9+8 дБ и больше. Очевидно, что во время работы в контестах и «охоты за DX-ами» существует очень большая вероятность того, что два сигнала такой силы, либо еще сильнее, отстоящие на 3 кГц, могут появиться в полосе пропускания первого кварцевого фильтра тракта.
Из приведенных выше рассуждений можно сделать два очевидных вывода:
— при большом частотном разносе сигналов, которые могут вызвать интермодуляцию, устойчивость приемника к интермодуляции зависит только от схемотехнического решения приемного тракта, начиная от антенного входа и до первого смесителя;
— при использовании фильтра с шириной полосы пропускания 12 кГц и малом частотном разносе сигналов максимальный разнос по частоте сигналов, которые могут вызвать интермодуляцию третьего порядка, составляет 3 кГц.
Если уменьшить ширину полосы пропускания Roofing-фильтра с 12 кГц (как в FT-1000MP) до 4 кГц, то сигналы, отстоящие всего на 1 кГц от прослушиваемой частоты, уже не вызвали бы явление интермодуляции. Этот факт известен уже много лет, и в конце XX века некоторые научные институты в странах бывшего СССР и некоторые фирмы на Западе производили кварцевые фильтры на частоты от 45 до 75 МГц с полосой пропускания 3…4 кГц, но это была единичная, очень дорогая продукция. Лишь начало XXI принесло решение по приемлемым ценам.
Roofing-фильтр с полосой пропускания 4 кГц хорош для SSB. А для CW? Если бы удалось построить Roofing- фильтр с полосой пропускания 250 Гц, то сигналы, отстоящие всего на 62 Гц от прослушиваемой частоты, не вызывали бы интермодуляцию Это было бы очень хорошее решение для «охотников за DX», но для контестменов такой фильтр слишком узок. По предложению специалистов фирмы INRAD, компромиссом для обеих вышеупомянутых групп коротковолновиков должен быть фильтр с полосой пропускания около 400 Гц. Более широкая полоса пропускания первого фильтра предполагает также меньшие потери сигнала, проходящего через кварцевый фильтр (эти потери быстро растут с уменьшением полосы пропускания фильтра). Из двух конфигураций кварцевых фильтров фирма INRAD остановилась на 4-кварцевой версии, имеющей меньшие вносимые потери в полосе пропускания фильтра. 8-квар- цевые фильтры для CW потребовали бы дополнительного усилителя, что ухудшило бы динамические свойства приемного тракта.
Начиная с 2004 г., американская фирма INIRAD предлагает модернизацию трансиверов серии FT-1000 по ценам, доступным для широкого круга коротковолновиков. Фирма выпускает качественные кварцевые фильтры с центральной частотой 70,455 МГц, а также на первую промежуточную частоту, используемую в других трансиверах.
Как показали лабораторные измерения, отмечено значительное улучшение динамических параметров приемного тракта модернизированного трансивера FT-1000MP. Из сравнительных данных видно, что оба основных динамических параметра для близко расположенных мешающих сигналов (разнесенных на 5 кГц) значительно улучшились после установки узкого Roofing-фильтра. Безусловно, более наглядна графическая иллюстрация улучшения селективности приемного тракта первой промежуточной частоты FT-1000MP до и после установки Roofing-фильтра. АЧХ с широкой полосой пропускания характеризует приемный тракт по первой промежуточной частоте перед установкой узкого Roofing-фильтра, а «узкая» АЧХ — после модернизации установки фильтра INRAD. Из графика видно, что модернизация трансивера приведет к значительному уменьшению интермодуляционных помех для сигналов, отстоящих на 2… 10 кГц от рабочей частоты. Модернизация полезна для приемного тракта в перегруженных любительских КВ-диапазонах. Правда, 4-килогерцевый Roofing-фильтр несколько ухудшил качество приема радиовещательных АМ-станций на основной приемник трансивера FT-1000MP. Однако для приема «нетипичных» для коротковолновиков сигналов можно использовать второй (вспомогательный) приемник в FT-1000MP, который не модернизируется при установке узко- полосного Roofing-фильра.
Итак, установка узкополосного Roofing-фильтра приближает параметры приемника трансиверов серии FT-1000 к параметрам приемной части трансиверов высшего класса — Orion и IC-7800, приводя к значительному снижению уровня интермодуляционных продуктов 3-го порядка. Такая модернизация значительно дешевле, чем, например, замена трансивера FT-1000MP на рекламируемый в последнее время IC-7800, который оснащен узким Roofing-фильтром с полосой пропускания 6 кГц.
И последнее замечание. Из вышеизложенного следует очевидное преимущество концепции приемника с первой промежуточной частотой в пределах 4… 10 МГц над концепцией «преобразования вверх». То, что амбициозный коротковолновик хочет улучшить в трансивере с преобразованием вверх, в приемниках первого типа реализовано изначально.
«Swiat Radio», октябрь 2005