Микрофонный усилитель - ограничитель

Практически обязательным требованием для формирования качественного SSB сигнала для передачи является его компрессирование (ограничение). Обычный НЧ сигнал с микрофона имеет пик-фактор (отношение пикового напряжения к среднему) около 3..3,5. То есть для неискаженной передачи если пик соответствует максимальной мощности передатчика, то средняя мощность будет лишь 10%. Что неинтересно. Кроме того довольно трудно удерживать микрофон на постоянном расстоянии от рта. Даже если это и удаётся (в гарнитуре например), то говорить постоянно с одной громкостью точно мало у кого получится (ну как не заорать в pile-up, если DX упорно не отвечает?). Чтобы при разных уровнях сигнала не было бы ни недогрузки, ни перегрузки передатчика, ограничитель необходим.

В НЧ компрессорах есть только два способа компрессии.

Первый - простой диодный ограничитель. Увы, он совершенно не пригоден для качественного тракта. Даже при небольших степенях ограничения (6...10 dB) вносимые нелинейные искажения чрезвычайно велики - до 30%. Оно и понятно - если из синусоиды просто сделать прямоугольник, то совершенно ясно что кроме первой в спектре появятся и высшие гармоники. В данном случае (при симметричном двустороннем ограничении) - только нечетные: третья, пятая, седьмая, и т.д.). Для частот исходного выше 1,1 kHz это не страшно. Гармоники-то конечно появляются, но они лежат выше 3 kHz, и поэтому успешно вырезаются фильтром формирования SSB сигнала. Но вот все низкие и средние частоты в диапазоне 200...1000 Hz обогащаются гармониками, вырезать которые уже нечем. Причем чем ниже частота, тем большее количество гармоник попадает в полосу до 3 kHz. То есть чем ниже звуковая частота тем больше искажений. Сигналы таких ограничителей в эфире имеют характерное "бубнящее как из бочки" звучание - низкие частоты сильно искажены.

Второй способ - фазовый. Усиленный сигнал подается на несколько фазосдвигающих RC цепи. И после каждой из них на свой, отдельный ограничитель. Сигналы на выходе каждого из ограничителей имеют вполне безобразную, почти прямоугольную форму. Но их несколько, и они сдвинуты по фазе относительно друг друга. Причем этот сдвиг подобран так, чтобы при сложении на сумматоре этих 4 прямоугольников получился бы ступенчатый сигнал несравненно больше похожий на синусоиду, чем прямоугольник. Фаза сдвига RC цепей установлена так, чтобы в выходном сигнале доля гармоник, попадающих в полосу до 3 kHz не превышала бы 2..4%. Это справедливо для диапазона входных частот 300...900 Hz. Выше фазовый сдвиг не оптимален, но как было упомянуто нечетные гармоники частот выше 1 kHz все равно вырезаются. В результате для фазового ограничителя коэффициент гармоник, попадающих в рабочую полосу не превышает 2...4% во всём рабочем диапазоне. Причем уровень гармоник не зависит от степени ограничения.

Один из удачных фазовых ограничителей был использован в трансивере RA3AO.

Мне удалось улучшить и несколько упростить этот узел. Схема приведена на рисунке. В таком виде он используется уже много лет обеспечивая неизменно высокое качество сигнала.

Входные цепи первого каскада усиления выполнены также, как и у RA3AO (лишь значительно уменьшена ёмкость C12). VT1 должен быть предельно малошумящим (например KT3102Д). Дело в том, что уровень ограничения всего описываемого блока достигает 20...23 dB. И как раз настолько (то есть в 10...20 раз) возрастает чувствительность по входу к шумам (и к наводкам и фону, кстати - будьте внимательны ). Это неизбежная плата за ограничение.

Выходные же цепи первого каскада переделаны посущественнее. Во-первых полностью удален подстроечный резистор усиления. Как показала многолетняя практика регулировка степени ограничения не нужна вовсе. Качество сигнала (из-за низких и не зависящих от уровня ограничения коэффициента гармоник) при увеличении степени ограничения никак не меняется. Поэтому, если вы не заинтересованы в экспериментах типа: "Вот это с ограничителем - вот это без ограничителя - какая там разница?", то степень компрессии регулировать просто незачем. Достаточно просто установить в максимум и забыть. А если вас все же интересует какая разница, могу заранее сказать усредненное мнение корреспондентов: "Качество сигнала не меняется, но растёт его сила, как будто крутится ручка выходной мощности передатчика".

Также с коллектора VT1 удалена цепь детектора VOX (на операционном усилителе OP3). К сожалению, в исходной схем RA3AO подключение входа детектора VOX было сделано крайне неудачно и портило сигнал. Дело вот в чём. Мы все привыкли, что входы операционного усилителя потребляют пренебрежимо малый ток. Это верно почти всегда. Почти - потому что когда цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя не замкнута, то ток входов может быть во много раз больше. В активном детекторе на OP3 в моменты, соответствующие переключению диода D2 цепь ООС размыкается, и происходит бросок входного тока ОУ. Этот бросок тока в через резистор R14 прикладывается ко входу активного детектора. Если источник сигнала для детектора низкоомный, то на этом все и кончается. Но в оригинале у RA3AO он высокомный - нагрузочный резистор 15 k первого каскада. В результате броски тока переключения OP3 попадают во входной сигнал. Выглядит это как "ступенька" при очень малых уровнях сигнала и на слух воспринимается как очень неприятный, "скребущий" шум в сигнале. Не очень большой, но вполне хорошо слышимый и портящий сигнал. Эти искажения на слух напоминают малое напряжение смещения в выходном каскаде. Поэтому в данной конструкции вход детектора VOX (резистор PR1) убран подальше. В результате упомянутый шум полностью исчез.

Через конденсатор C13 сигнал подаётся на вход усилителя на микросхемах OP1 OP2, "разгоняющего" максимальную амплитуду сигнала до 20..22 В. Я понимаю, что напряжение питания всего-то 24 V (точнее +12 и -12 V), а по привычке кажется, что для амплитуда не может быть больше половины напряжения питания, но указанная цифра амплитуды верна. Дело том, что усилитель дифференциальный. То что усилено OP1 повторяется с инверсией OP2. В результате амплитуда выходного (то есть между выходами OP1 и OP2) может достигать удвоенного значения.

Каскад на OP1, обеспечивающий основное усиление, изменен. В исходной схеме он был включен как усилитель постоянного тока, что при некоторых типах ОУ приводило к заметной постоянной составляющей на выходе, и к последующему небольшому открыванию диодов ограничителя (что приводило к асимметрии ограничения и, соответственно, к появлению на выходе еще и четных гармоник). Конденсатор С3 решил эту проблему и заодно дал лишнюю степень свободы при настройке сквозной АЧХ. О которой мы сейчас и поговорим.

...Многие пытаются подбирать тип и марку микрофона. Материально заинтересованные производители всячески поддерживают этот процесс как обширной рекламой так и ценами. Это создает впечатление невероятной важности типа микрофона, и что только ну очень дорогие и очень фирменные способны обеспечить приемлемое качество сигнала.

Хотя при небольшом размышлении становится понятно, что для передачи полосы 200...4000 Гц (а больше ну совершенно уж незачем - это и так шире спектра излучаемого ВЧ сигнала) подойдет практически любой микрофон (ну кроме может быть уж совсем гадких, и не микрофонов даже, всякие телефонные капсюли и т.д.). Практически любой современный микрофон с большим запасом перекрывает указанную полосу, имея очень низкие нелинейные искажения в ней.

Уже слышу возмущенные крики счастливых обладателей "фирменных" микрофонов: "А АЧХ?!" Да, АЧХ бывают разные. И крайне важно иметь для модуляции четкий, сигнал, с грамотно сформированным спектром. Удобным для чтения сигнала в помехах.

Но ведь вид АЧХ не в последнюю очередь зависит от особенностей конкретного голоса оператора. АЧХ ведь не только у микрофона - речь идет о сквозной АЧХ всего НЧ тракта: спектр голоса конкретного оператора - АЧХ микрофона - АЧХ микрофонного усилителя. Достаточно ясно, что из этой троицы проще (и что немаловажно - дешевле) всего не микрофоны менять, а грамотно построить АЧХ микрофонного усилителя. Под имеющиеся в наличии голос и микрофон. А подгонять сквозную АЧХ сменой микрофона, это примерно то же самое, что настраивать антенну сменой типа кабеля. Конечно, в принципе можно, но зачем? То же самое проще делается настройкой антенны...

Возвращаясь к ограничителю. Любой ограничитель при повышении степени компрессии подчеркивает подчеркивает сильные спектральные составляющие, и ослабляет слабые (математическое свойство ограничения). 

Поэтому требуемая сквозная АЧХ (голос - микрофон - линейный усилитель) должна быть получена до ограничения. Исправить что-то потом будет уже невозможно. Если например сквозная АЧХ такова , что максимум спектра сигнала сосредоточен в области средних частот, а высокие и низкие ослаблены, то после ограничителя останутся одни средние, а высокие и низкие ослабятся дополнительно.

Настройка сквозной АЧХ производится подбором конденсаторов C12, C13, C3. Цель - прослушивая сигнала на выходе OP1 добиться максимально четкого, разборчивого сигнала с примерно равным уровнем низких и средних частот и немного (не увлекаясь, а то после ограничения останется один визг) повышенным уровнем верхних. Проблема только в том, что одновременно говорить и слушать сложно. Проще попросить кого-то одев наушники слушать, что творится на выходе OP1. Или записать сигнал на магнитофон и после самому послушать. Указанные на схеме номиналы конденсаторов C12, C13, C3 соответствуют обычному динамическому микрофону (например, МД200) и моему глухому голосу, высоких частот в котором кот наплакал. На выходе же OP1 тот же голос звучит четко и звонко. 

После завершения этого процесса надо установить потенциометром R7 правильное усиление каскада на OP1. Для этого, подключив осциллограф к выходу OP1надо с минимально расстояния поговорить в микрофон максимально громким планируемым голосом. При этом пики напряжения на выходе OP1 должны достигать 9...11 V (в зависимости от типа ОУ) и достигать самого начала ограничения по напряжению питания.

С выхода OP1 сигнал подается на вход детектора VOX. Поскольку выходное сопротивление OP1 очень мало (единицы Ом), то никакого влияния, шумов и искажений ток переключения входов детектора VOX при данном построении схемы не вносит и полезный сигнал не портит.

С противофазных выходов OP1 и OP2 сигнал подаётся на 4 фазосдвигающих цепи, и четыре же диодных ограничителя. Степень компрессии вычисляется как отношение удвоенной амплитуды сигнала на выходе OP1 к 0,7 V (порог ограничения). Типично при средней громкости степень компрессии составляет 15...18 dB. В диодных ограничителях (куда подходят абсолютно любые кремниевые диоды, например KD522) в отличие от исходной схемы в наиболее высокочастотной ветви (C8 R18) ограничитель D7...D10 сделан с удвоенным порогом. Как показала практика это повышает разборчивость сигнала.

Прямоугольные сигналы с выходов ограничителей складываются в сумматоре-усилителе на OP4. Где и приобретают ступенчатую форму, близкую к синусоиде. На следующем рисунке показан сигнал на выходе OP4 (при отсутствии фильтрующего C14). Частота 600 Hz.

Согласитесь, он значительно больше похож на синусоиду, чем прямоугольный.

АЧХ выходного усилителя "подрезана" сверху (с частот 4..5 кГц) конденсатом C14. Это позволяет еще более сгладить форму ограниченного сигнала и получить следующее:

Амплитуда выходного сигнала при указанном на схеме номинале R28 составляет 4...5 В. Если вам нужно иное значение - соответственно измените R28 (только не забудьте изменить и C28, чтобы завал АЧХ каскада на OP4 начинался бы с 4..5 kHz.

В качестве OP1...OP4 подходят многие типы ОУ общего применения (например К140УД6, К157УД2) с соответствующими цепями коррекции.

Вид сигнала на выходе ограничителя достаточно непривычен - напоминает непрерывный частотно модулированный сигнал с редкими провалами амплитуды.Но тем не менее на слух он воспринимается как неискаженный (разве что непривычно плотный) и легко разбираемый при любых уровнях громкости. При работе SSB ток анода при нормальном разговоре составляет около 60% от максимального (в режиме несущей).



Bonn, 17.12.2004

На главную - Main page