Самодельный радиоприёмник, про который я сегодня расскажу, довольно шумный, зато обладает прекрасной чувствительностью и собран по простой схеме.
Это один из тех приёмников, на которых у меня получается слушать китайские радиостанции на средних волнах. (Не путайте с короткими, где китайского вещания больше).
Заодно поговорим про историю частотной модуляции и приблизимся к пониманию того, кого можно по праву назвать её изобретателем.
К страницам истории радиовещания и радиотелефонии с амплитудной модуляцией (АМ) мы уже обращались в материалах про приёмники, передатчики и детекторы. Настала очередь частотной модуляции (ЧМ).
Кто изобрел частотную модуляцию?
Общеизвестно, что первая полностью работающая система связи с ЧМ была построена выдающимся американским радиотехником Эдвином Армстронгом — изобретателем автогенератора незатухающих колебаний, а также регенеративного, сверхрегенеративного и супергетеродинного радиоприёмников.
Эдвин Армстронг демонстрирует регенеративный приёмник участникам Американского радиоклуба. 1922 год
6 ноября 1935 года Армстронг выступил в Институте инженеров электротехники и электроники с докладом под названием «Способ снижения помех в радиопередаче с помощью системы частотной модуляции».
Что интересно, ученый не претендовал на звание первооткрывателя частотной модуляции. В тексте доклада Армстронга упоминаются предложенные разными изобретателями в начале XX века способы изменения частоты передатчика пропорционально амплитуде входного звукового сигнала, а также описан принцип работы детектора наклона на расстроенном резонансном контуре.
Армстронг приводит список специализированной литературы второго десятилетия XX века, рассказывающей о безуспешных попытках радиопередачи звукового сигнала способом частотной модуляции и утверждающей превосходство амплитудной модуляции для радиотелефонии:
- Zenneck, «Lehrbuch der drahtlosen Telegraphie» (1912);
- Goldsmith, «Radio Telephony» (1918);
- Morgan, «Wireless Telegraphy and Telephony» (1920).
Джон Карсон
Причину неудач первых энтузиастов частотной модуляции выяснил американский ученый Джон Реншо Карсон в своей статье «Заметки о теории модуляции» (Notes on the theory of modulation, PROC. I.R.E., vol. 10, pp. 57-82; February, 1922).
Именно Джон Карсон, (а не Никола Тесла, как ошибочно считают многие), стоит на этой знаменитой фотографии справа от Альберта Эйнштейна (восьмого слева). Крайний справа — Гульельмо Маркони. Рядом с ним Ли де Форест — изобретатель электровакуумного триода («аудиона»).
Группа выдающихся учёных на демонстрации трансатлантической связи RCA. Радиостанция Маркони в Нью-Брунсвик, Сомерсет, Нью-Джерси. 23 апреля 1921 года. Википедия
Кузнец молний
Посередине фото в светлом костюме мы видим «Кузнеца молний» и «Волшебника Скенектади», американского пионера электрификации Чарлза Протеуса Штейнмеца, владельца более 200 патентов и автора множества изобретений и открытий.
В числе последних уравнение Штейнмеца, описывающее потери энергии в магнитопроводах трансформаторов, электродвигателей и генераторов, формула объема бицилиндра (тела Штейнмеца) и эквивалентная схема Штейнмеца, которая отображает преобразование электрической энергии в механическую в асинхронной машине переменного тока.
Именно 10-килогерцовый альтернатор Штейнмеца использовался в первых неудачных попытках Реджинальда Обри Фессендена использовать электромашинный генератор для радиотелефонии. Это было в 1903 году.
Через три года проблему решил 50-килогерцовый альтернатор Александерсона, который Фессенден в прямом смысле разогнал до частоты 75 килогерц и мощности 500 ватт. В отличие от искрового передатчика с ударным возбуждением, электромашинный генератор позволял передавать в эфир речь и даже музыку с высоким по тем временам качеством. Потому что он производит незатухающие гармонические колебания с минимумом нежелательных паразитных гармоник, зашумляющих и искажающих передаваемый аудиосигнал.
А в 1922 году Джон Карсон теоретически обосновал необходимость использования высокой несущей частоты для передачи аудиосигнала. Если при амплитудной модуляции ширина спектра равна удвоенной модулирующей частоте, то для частотной модуляции это значение является минимально возможной шириной занимаемой полосы.
Итоговое заключение Карсона насчёт перспектив частотной модуляции было неутешительным, так как в те времена интересовались прежде всего способами экономии частотного диапазона и предотвращения несанкционированного прослушивания, и уже потом повышением качества звучания. Если ЧМ требует по крайней мере не меньшую полосу, чем АМ, то какой смысл инвестировать в развитие этого направления?
Виктор Эндрю
В 1932 году американский радиоинженер Виктор Эндрю сравнил эффективность приемников амплитудно и частотно модулированных сигналов и пришел к выводу, что мощность ЧМ сигнала после детектора в десять раз ниже, чем у АМ сигнала.
Виктор Эндрю за телеграфным ключом. CommScope
Это неудивительно, так как дискриминатор Фостера-Сили будет изобретён только четыре года спустя, а его усовершенствованный вариант — детектор отношений — еще позже.
Рабочая точка примитивного детектора наклона на расстроенном резонансном контуре, который использовался до первой половины 1930-х годов и продолжает использоваться в простейших любительских ЧМ радиоприёмниках, находится посередине линейного участка спада резонансной кривой. Потому очевидно, что мощность сигнала на выходе такого детектора будет на порядок ниже, чем у демодулируемого радиосигнала.
Принцип действия детектора наклона на расстроенном резонансном контуре. Википедия
И если сегодня добавить лишний каскад усиления не составляет никакой проблемы, то в «тёплые ламповые» времена это означало заметный рост массы, габаритов, энергопотребления и цены радиоприёмного устройства, либо антенны, которая часто была крупногабаритным сооружением.
Именно антеннами Виктор Эндрю занимался особенно интенсивно. В 1937 году в подвале своего дома в Чикаго он основал Andrew Corporation, производившую телекоммуникационное оборудование, в том числе микроволновое и оптоволоконное. Кабели Andrew Corporation используются в Петербургском метрополитене.
Спустя 6 лет после смерти Виктора Эндрю, в 1977 году в Тинли Парк, штат Иллинойс, была основана старшая школа, носящая его имя.
Старшая школа имени Виктора Дж. Эндрю. Обложка видео с официального Ютуб-канала школы
Сегодня правопреемником Andrew Corporation является компания CommScope. А дети и внуки Виктора Эндрю продолжают поддерживать благотворительный фонд ASAF (The Aileen S. Andrew Foundation), основанный в 1946 году. Фонд предоставляет образовательные гранты и финансирует художественные и гуманитарные проекты.
Незаслуженно забытый гений
Упоминая детектор наклона на расстроенном резонансном контуре, стоит вспомнить его первоначального изобретателя Корнелиуса Д. Эрета. К сожалению, мне не удалось найти его портрета. Нашлось только фото надгробного камня в Эри, штат Пенсильвания.
Find a Grave, database and images (https://www.findagrave.com/memorial/55578809/cornelius-d-ehret: accessed 10 September 2023).
Первым запатентованным изобретением, заявку на которое Корнелиус Эрет подал 3 июня 1902 года, была система радиопередачи и радиоприёма с изменяемой несущей частотой. Но предназначалась она не для трансляции аудиосигнала, а для шифрования радиотелеграфных сообщений.
Патент US717978A описывал искровые передатчики с роторными переключателями индуктивностей и ёмкостей колебательного контура. Каждое нажатие телеграфного ключа приводило к повороту ротора и смене частоты передачи, что крайне затрудняло настройку для несанкционированного приёма.
Иллюстрация из патента US717978A «Беспроводная избирательная система передачи сигналов». 6 января 1903 года
Ведь для приёма радиотелеграммы было необходимо своевременно переключаться между частотами в правильной последовательности, а перед этим ещё и настроиться на каждую из них, причём эта частота находится в эфире очень короткое время, пока передаётся одна точка или тире. А крутить ручки настройки приходилось долго, особенно если их несколько, что для господствовавших в те годы многоконтурных приёмников прямого усиления не было редкостью.
Настройка трёхконтурного приёмника Grebe Synchrophase, 1925. Википедия
До «Энигмы», параметры которой тоже переключаются с каждым следующим символом передаваемого сообщения, дебютному изобретению Корнелиуса Эрета было ещё далеко, но по состоянию на первые годы XX века он разработал прекрасно защищённую систему беспроводной связи.
Передняя коммутационная панель шифровальной машины «Энигма». Википедия
В числе приоритетов Корнелиуса Эрета можно назвать компактность, экономичность и многофункциональность разрабатываемого оборудования. 10 января 1924 года он подал патентную заявку на «радиофонограф». Изобретение не было радиограммофоном в нашем понимании, то есть проигрывателем грампластинок с электромеханическим звукоснимателем и ламповым усилителем. (Транзисторные проигрыватели винила назывались уже электрофонами).
Иллюстрация из патента US1840772A «Радиограммофон». 12 января 1932 года
Как мы помним из истории аудиотехники, громкоговорители тех лет состояли из рупора и компрессионного драйвера, дешёвый вариант которого изображён на эскизе Эрета и устроен по принципу электромагнитного телефонного капсюля. Тогда как премиум-варианты драйверов были снабжены «арматурной» системой с уравновешенным якорем.
Устройство громкоговорителя Newcombe Hawley Concert Grand 1927 года выпуска. Ebay
Рупор являлся громоздким и довольно дорогостоящим изделием, потому Эрет придумал использовать воздушную заслонку для его переключения между граммофоном и радиоприёмником с одновременным включением накальной батареи последнего. Отключать анодную батарею было необязательно, так как питаемая ею цепь разрывается вакуумом в баллонах ламп.
Прошло целое столетие, а в английском языке вместе со словом «loudspeaker» — «громкоговоритель» до сих пор употребляется его синоним «horn» — «рог». Потому что первые громкоговорители были с раструбами в виде рога.
Ещё одним интересным изобретением Корнелиуса Эрета является электронный умножитель, работа которого основана на динатронном эффекте вторичной электронной эмиссии. Патентная заявка подана 12 ноября 1918 года, за 11 лет до «Каскадного вторично-электронного прибора» Леонида Александровича Кубецкого, который мы теперь называем фотоэлектронным умножителем.
Иллюстрация из патента US1419547A «Электронный прибор». 13 июня 1922 года
И всё-таки кто первым осуществил ЧМ радиосвязь?
Первые успешные радиопередачи с частотной модуляцией, подробно описанные в докладе Армстронга, были произведены в 1935 году с экспериментальной радиостанции Национальной радиовещательной компании, располагавшейся на знаменитом небоскрёбе Эмпайр Стейт Билдинг. Радиоприёмные станции находились в Вестгемптоне, Лонг Айлэнд, и Хэддонфилде, Нью Джерси.
Однако за 11 лет до американских экспериментов в разделе «Радиохроника» шестого номера журнала «Радиолюбитель» за 1924 год была опубликована заметка под названием «Новая система радиофона».
Там засвидетельствовано, что 5 октября 1924 года в ходе научно-технической беседы в Нижегородской радиолаборатории профессор М.А. Бонч-Бруевич продемонстрировал действующую модель изобретённого им новом способа беспроводной передачи аудиосигнала, основанном на изменении частоты, а не амплитуды электромагнитных колебаний.
Фотопортрет профессора Михаила Александровича Бонч-Бруевича. С официального сайта ГК «Ростех»
Также Михаил Александрович рассказал о преимуществах данного способа радиосвязи. В их числе — невозможность радиоприёма на АМ приёмники, (который на самом деле возможен, если слегка расстроить приёмный контур относительно несущей частоты), значительное снижение помех и повышение дальности связи.
Итак, первым догадался изменять частоту радиопередатчика Корнелиус Эрет. Через 22 года Михаил Александрович Бонч-Бруевич осуществил первый успешный опыт качественной ЧМ радиотелефонии в Нижегородской лаборатории. Прошло ещё 11 лет, и Эдвин Армстронг разработал и испытал систему частотной модуляции на уровне практического применения в технике, с исчерпывающим теоретическим обоснованием.
Собираем радиоприёмник
Наш предыдущий УКВ ЧМ супергетеродин был без микросхем, и ему понадобилось 6 транзисторов в радиотракте и 6 в усилителе звуковой частоты. А сегодняшний радиоприёмник двухдиапазонный, и обошёлся всего-навсего одной микросхемой!
Набор для сборки приёмника называется ZX251 и продаётся на Aliexpress.
Принципиальная схема радиоприёмника ZX251
Здесь применяется микросхема CXA1691BM. Подобную многоцелевую АМ/ЧМ микросхему LA1800 от Sanyo мы уже встречали в радиоконструкторе «детская рация». Только LA1800 не имеет усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) для громкоговорителя, а в составе CXA1691BM он имеется.
Причём вход УМЗЧ выведен на отдельную ножку микросхемы. Это нужно не только для регулятора громкости, но и потому что CXA1691BM разработана компанией Sony для применения в кассетных магнитолах. В них на этот вход можно подать сигнал не только с выхода детектора радиоприёмного тракта, но и с усилителя воспроизведения магнитофона.
Структура микросхемы CXA1691BM
Достоинством схемы приёмника ZX251 является применение трёх пьезокерамических фильтров, предоставляющих замечательную избирательность и компактность. Два из них, а именно CF1 и СF3, настроены на промежуточную частоту 10.7 МГц и используются в ЧМ тракте ультракоротких волн. А третий — CF2 — на 455 кГц, что является промежуточной частотой средневолнового АМ тракта.
Электролитические конденсаторы C12 и С13 задают постоянную времени системы автоматической регулировки усиления (АРУ).
Светодиод LED — это не индикатор включения, а сигнализатор точной настройки на волну радиостанции. Вместо светодиода при желании можно подключить стрелочную измерительную головку, столбчатый индикатор постоянного напряжения или ещё что-нибудь красивое на свой вкус.
Если подключить варикап анодом к выводу 6 и катодом к выводу 8 микросхемы, у приёмника появится автоматическая подстройка частоты (АПЧ).
Послушать работу приёмника в помещении и посмотреть процесс его сборки можно на видео.
Впечатления и выводы
Собирать радиоприёмники приятно и интересно. У ZX2051 мне понравилось всё, кроме корпуса из тонкого хрупкого пластика, задняя стенка которого плохо защёлкивается, и корпус самопроизвольно раскрывается. Также отваливается двусторонний скотч, который крепит шкалу.
Зато набор укомплектован хорошим громкоговорителем, а корпус для своего проекта можно изготовить любой, например, из дерева или фанеры, либо способом 3Д-печати.
Этот приёмник хорош в деревне или в саду и будет хорош для отдыха на природе, если решить проблему разваливающегося корпуса. А в квартире многоэтажного дома слишком много шумов, которые портят впечатление от прослушивания радиопередач.
Чувствительность при этом порадовала. В здании на штатную телескопическую антенну можно слушать ЧМ-станции, сигналы которых другие приёмники не принимают. Можно услышать и Китай на средних волнах, при условии их хорошего прохождения.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
