Как простыми средствами повысить качество принимаемых стереофонических программ звукового радиовещания, интересует многих радиолюбителей. Автор статьи анализирует способ формирования частотных и фазовых характеристик радиотракта и определяет звенья, в которых с небольшими затратами возможно введение корректирующих элементов, позволяющих улучшить выделение сигнала на выходе стереодекодера.
Качество стереофонического радиоприема зависит не только от реального соотношения сигнал/шум на антенном входе приемника, но и от работы декодирующего устройства. Как известно, в стереодекодере (СД) комплексный стереосигнал (КСС) преобразуется в полярно-модулированные колебания (ПМК), а затем в выходные низкочастотные сигналы левого и правого каналов. Происходящие при этом преобразования определяют, в частности, столь важный параметр, как переходное затухание между каналами. Наилучшего разделения каналов позволяет достичь временной способ декодирования, при котором исключается восстановление поднесущей и связанные с этим нелинейные и фазовые искажения. На этом принципе работают большинство современных интегральных СД.
На качество декодирования также существенное влияние оказывает спектр входного КСС. Верхняя модулированная частота, необходимая для передачи звуковой частоты в 15 кГц, при системе стереовещания с полярной модуляцией (ПМ) и поднесущей 31,25 кГц составляет 46,25 кГц, а при системе с пилот-тоном (ПТ) и поднесущей 38 кГц - 53 кГц. Обязательным условием отсутствия искажений и хорошего разделения каналов является горизонтальная (без завала) АЧХ и линейная ФЧХ в надтональной области частот, вплоть до указанных.
В то же время наиболее типичным является радиоприемный тракт, имеющий спад АЧХ на верхних частотах КСС.
Этот спад образуется из-за ограниченной полосы пропускания тракта ПЧ и ЧМ детектора. Если частоту среза КСС по уровню - 3 дБ обозначить Fcp, а частоту поднесущей - Fпод, то переходное затухание между каналами можно рассчитать по приближенной формуле р=20 log (2 Fcp/Fпод).
Нетрудно подсчитать, что для получения разделения стереоканалов в 30 дБ необходима полоса сигналов с ПМ до 88 кГц, а сигналов с ПТ - до 107 кГц. Разумеется, эти данные являются приблизительными и не учитывают особенностей того или иного способа декодирования. Для коррекции АЧХ КСС в моделях декодеров применяют те или иные корректирующие цепи, как правило, простейшего RC-типа.
С другой стороны, чрезмерное расширение спектра КСС приводит к резкому возрастанию шумов и помех от преобразования внеполосных сигналов. Если полоса КСС ничем не ограничена, то ухудшение соотношения сигнал/шум при приеме удаленных станций может составить 20 дБ и более по сравнению с монофоническим режимом. И напротив: сужение полосы КСС является эффективным шумопонижающим приемом.
Противоречивым требованиям к КСС в наилучшей степени удовлетворяет АЧХ максимально плоская до частоты 70...80 кГц с дальнейшим резким спадом, организуемым фильтрами высоких порядков. Такая характеристика позволяет приблизиться к предельно достижимым параметрам конкретного СД по шумам и переходному затуханию между каналами.
Указанные положения нашли полное подтверждение при испытаниях двустандарного стереодекодера на микросхеме КР174ХА51. В типовой схеме включения [1] на его входе применен простейший ФНЧ первого порядка с частотой среза около 10 кГц. Спад 6 дБ/окт на частотах выше 10 кГц обеспечивает приемлемые шумовые характеристики, но уменьшает переходное затухание между каналами с 43 дБ (типовое значение без входного фильтра) до 24 дБ для сигналов с ПМ и 20 дБ для сигналов с ПТ. Кроме того, фильтром срезается верхняя часть тонального сигнала в области 10...15 кГц, что делает звучание "глухим".
В целом, несмотря на прогрессивные конструкторские решения - временной способ разделения каналов с двойной дискретизацией, дополнительное подавление пилот-тона и т. д. -упомянутый СД работал хуже, чем декодер на устаревшей микросхеме ВА1320. Еще один недостаток КР174ХА51 - неприятные щелчки в звуковом тракте при включении индикатора стереорежима. Замена микросхемы на другой экземпляр принципиальных изменений не принесла.
Для улучшения качества работы предлагаемый декодер дополнен входным фильтром КСС, формирующим необходимый вид АЧХ с возможностями ручной и автоматической корректировки. К преимуществам нового СД относится также раздельная индикация системы стереовещания, работающая бесшумно.
Основные технические характеристики
- Переходное затухание между каналами, дБ, не хуже.....34
- Соотношение сигнал/шум в режиме "Стерео", дБ .....50...70
- Уровень входного сигнала, мВ......до 150
- Коэффициент передачи......1,2
- Потребляемый ток, мА......7
Функционально устройство состоит из трех блоков (рис. 1): входного фильтpa KCC, коммутатора на микросхеме DD1 и собственно декодера на микросхеме DA1.
(нажмите для увеличения)
Фильтр КСС представляет собой дальнейшую модернизацию устройства [2]. Его параметры улучшены компьютерным моделированием - уменьшена неравномерность АЧХ в тональной области и увеличена крутизна среза в надтональной. Фильтр состоит из регулируемого звена R1,R2,C1,C2 и ФНЧ 3-го порядка C3, L1, С4 с переключаемой в зависимости от системы стереовещания частотой среза. АЧХ фильтра - в режиме приема с ПТ (показаны на рис. 2).
Звено R1 ,R2, C1 ,C2 - мостовой регулятор верхних частот КСС. В нем с помощью переменного резистора R2 можно увеличивать или уменьшать уровень надтональных (и частично тональных) составляющих, что приводит к пропорциональному расширению или сужению стереобазы за счет изменения переходного затухания между каналами [2]. В среднем положении регулятора R2 АЧХ фильтра горизонтальна вплоть до частоты среза (см. рис.2, кривая 1), в двух крайних положениях - неравномерность ее в звуковом диапазоне не превышает 2 дБ. Регулировка захватывает лишь верхнюю часть звукового спектра - выше 10 кГц, что позволяет при уверенном приеме подчеркнуть высшие частоты и тем самым улучшить качество звучания.
Одновременно изменяется и уровень шума, он минимален в нижнем положении движка резистора R2, когда надтональная часть КСС фактически срезается и звучание близко к монофоническому. Таким образом, регулируемое звено фильтра позволяет получать адаптивное качество выходного сигнала в зависимости от входного - от расширенного "Стерео" для мощных сигналов РЧ до "Моно" - для зашумленных и искаженных, в частности, многолучевым приемом.
П-образный ФНЧ 3-го порядка собран на элементах C3, L1, С4. Этот фильтр предназначен для эффективного подавления шумов и помех от преобразования сигналов, лежащих за основной информационной полосой КСС. ФНЧ синтезирован приложением Design программы MicroCap6.0. Его параметры: частота среза в системе с ПТ - 75 кГц, в системе с ПМ - 60 кГц, крутизна спада за полосой прозрачности - 15...17 дБ/окт, характеристическое сопротивление - 4,7 кОм. Частота среза конструктивно изменяется переключением числа витков катушки L1 электронным коммутатором DD1. Благодаря компьютерному моделированию фильтр имеет гладкую АЧХ (см. рис.2) и достаточно линейную ФЧХ (рис. 3).
Фильтр КСС подключен к стереодекодеру (микросхема DA1) вместо удаленной входной цепи R1C1 [1]. Затухание, вносимое им (12 дБ), компенсируется большим запасом усиления микросхемы DA1 (до 14 дБ). При приеме сигналов с ПМ на выводе 8 микросхемы DA1 устанавливается низкий логический уровень, близкий к нулю. На управляющих входах 5 и 6 коммутатора DD1 имеется высокий логический уровень, подаваемый со средней точки делителя R4, R5. При этом ключ К2 по выводам 4 и 3 замкнут, вывод 3 катушки L1 соединен с конденсатором С4. Фильтр настроен на частоту среза 60 кГц. Одновременно открыт ключ КЗ и через его выводы 8 и 9 напряжение индикации с вывода 7 микросхемы DA1 подается на светодиод HL1, индицирующий режим "ПМ".
При распознавании сигналов с ПТ уровень напряжения на выводе 8 микросхемы DA1 изменяется на высокий, фактически равный напряжению питания. Этот сигнал поступает на управляющие входы 12 и 13 ключей К1 и К4 коммутатора DD1. Ключ К4, открываясь, уменьшает напряжение на средней точке делителя R4R5 до низкого уровня. Ключи К2 и КЗ при этом переключаются в непроводящее состояние, вследствие чего вывод 3 катушки отсоединяется от конденсатора С4, а светодиод HL1 гаснет. Одновременно открывается ключ К1, который соединяет вывод 2 катушки L1 с конденсатором С4. Индуктивность катушки уменьшается, что приводит к перестройке частоты среза ФНЧ до 75 кГц. Кроме того, катод светодиода HL2 оказывается соединенным с общим проводом через открытый по выводам 11 и 10 ключ К4, а на аноде его имеется напряжение, поступающее с вывода 7 микросхемы DA1. При этом светодиод HL2 индицирует режим "ПТ". Переключателем SA1 можно принудительно включить режим "Моно". В этом случае оба светодиода погашены, так как напряжение на выводе 7 микросхемы DA1 будет отсутствовать.
Допустимое напряжение питания микросхемы КР174ХА51 - 2,7...7 В. Экспериментально установлено, что характерные щелчки при включении индикатора стереорежима возникают только при напряжении питания свыше 4 В. В данном случае напряжение по выводу 15 микросхемы DA1 ограничено стабилитроном VD1 на уровне 3,9 В. При этом индикаторы HL1, HL2 включаются практически бесшумно, параметры микросхемы остаются высокими.
В стереодекодере использованы постоянные резисторы МЛТ-0,125, керамические конденсаторы - типа КМ, электролитические - импортные. Переключатель SA1 - кнопка П2К. Переменный резистор R2 - любой малогабаритный, например, СПЗ-4б, с характеристикой типа А. В связи с пониженным напряжением питания микросхемы DA1 излучатели HL1, HL2 должны иметь высокую светоотдачу при малом токе. Светодиоды КИПД05А удовлетворяют этому условию, но можно подобрать и другие с максимальной яркостью свечения, в том числе и импортные. Катушка L1 выполнена на ферритовом кольце К20х10х5 мм из феррита марки 2000НМ. Обмотка 1 - 2 содержит 110 витков, обмотка 2-3 - 30 витков провода ПЭВ 2-0,2. Добротность катушки велика, поэтому параметры ФНЧ практически не ухудшают сопротивления открытого канала микросхемы DD1 (около 270 Ом), включенного последовательно с катушкой L1.
Такие узлы устройства, как фильтр КСС и коммутатор DD1, настройки не требуют. В стереодекодере DA1 следует только подстроечным резистором R8 добиться устойчивого распознавания режима стерео "ПМ" или "ПТ" по включению соответствующего свето-диода HL1 или HL2. После этого проверяют работу регулируемого звена фильтра вращением рукоятки резистоpa R2: звучание должно изменяться oт расширенного "Стерео" до "Моно". Субъективный эффект этой регулировки хорошо описан в [2]. Рекомендуется отметить среднее положение регулятора R2, которому соответствует горизонтальная АЧХ КСС (см. рис.2] и обычный режим "Стерео".
Эффективность ФНЧ 3-го порядка легко проверить, временно включив переключатель П2К (фиксируемая кнопка) для его коммутации. При нажатии кнопки одна группа контактов П2К должна закорачивать выводы 1 - 3 катушки L1, а другая - отключать выводы конденсаторов C3, С4 от общего провода. Отключение фильтра нажатием кнопки сопровождается резким возрастанием шумов и помех даже при приеме не очень слабых сигналов. Прием удаленных и слабых сигналов в стереорежиме становится невозможным вообще. Включение ФНЧ, напротив, очищает сигнал от шумов, интерференционных свистов и т. п., при этом разделение каналов остается высоким.
В целом качество работы предлагаемого СД оказалось значительно выше, чем исходного [1]. Фильтр КСС, разумеется, может быть применен и в других декодерах. Благодаря относительно низкому характеристическому сопротивлению ФНЧ, его выход хорошо согласуется с входом практически любого СД. Для одностандартных СД коммутатор DD1 не нужен и схема значительно упрощается (рис. 4).
Число витков катушки L1 выбирают равным 110 - для системы стереовещания с ПТ или 140 - для ПМ. Однако для конкретного СД его лучше уточнить экспериментально. При этом катушку L1 выполняют с несколькими отводами (через 10-15 витков) и при настройке переключают их, добиваясь минимума шумов и хорошего разделения стероканалов. Эту работу лучше проводить при прослушивании звука стереотелефонами.
Литература
Автор: А.Пахомов, г.Зерноград Ростовской обл.