Задача приемника состоит в том, чтобы «вырезать» из всего многообразия частот интервал, соответствующий спектру принимаемого сигнала и подавлять все, что находится за его пределами. Качество выполнения этой операции характеризуется так называемой избирательностью.
Для ясного понимания проблем, связанных с решением третьей задачи, следует иметь представление о том, что с физической точки зрения звук человеческой речи представляет собой акустические колебания воздуха, частота которых не превышает нескольких килогерц. Передавать их на большие расстояния невозможно, поэтому с помощью микрофонов эти колебания преобразуют в электрические, после чего применяют так называемую модуляцию. При осуществлении процесса модуляции сигнал звуковой частоты как бы совмещают с высокочастотным радиосигналом, и последний переносит полезную информацию в точку приема. Отсюда и название несущая для высокочастотного излучения. «Слияние» двух типов колебаний осуществляется за счет того, что по закону, диктуемому низкочастотным сигналом, меняется какой-нибудь параметр высокочастотного. Когда изменяется амплитуда, то модуляция называется амплитудной (AM), когда частота — частотной (FM) и т. д.
Указанное изменение (модуляция) приводит к тому, что передатчик излучает не одну частоту fо своего генератора, а целый набор, который включает в себя не только несущую, но и все частоты звукового сигнала, расположенные справа и слева от несущей в полосе fсп. Радисты обычно называют их боковыми составляющими. Общий вид спектра амплитудно-модулированного сигнала представлен на рис. 2.3.7, а.
Именно эти боковые составляющие и содержат полезную информацию. В радиоприемном устройстве избавляются от несущей, а полезный сигнал снова преобразуют в низкочастотный — его демодулируют с помощью детектора, соответствующего типу использованной модуляции. Для демодуляции АМ-сигнала, в принципе, достаточно иметь только одну боковую полосу, поэтому с целью уменьшения ширины спектра fсп излучения передатчика иногда применяют однополосную модуляцию (SSB). В этом случае «отрезается» правая или левая боковая составляющая (рис. 2.3.7, б). Справедливости ради надо отметить, что в ряде случаев и несущая, не обладающая никакой полезной информацией, ослабляется или просто подавляется (рис. 2.3.7, в).
При частотной модуляции процесс формирования спектра немного сложнее, а его вид зависит от индекса модуляции mf — соотношения между величиной изменения частоты несущего колебания fо и максимальным значением модулирующей частоты Fmax(mf=fo/Fmax). Если индекс mf меньше единицы (mf<1), то спектр практически не отличается от спектра АМ-сигнала (рис. 2.3.7, а). При больших индексах модуляции (mf>>1) отличия становятся более существенными, но общая структура (наличие двух боковых полос) остается неизменной (см. рис. 2.3.8, а).
Весьма характерным является и вид спектра радиозакладных устройств, в которых применено цифровое кодирование передаваемой информации. Огибающая спектра такого высокочастотного излучения описывается функциональной зависимостью, известной как sin х/х. Вид его на экране анализатора спектра показан на рис. 2.3.8, б.
Рис. 2.3.7. Типовой спектр АМ-сигнала:
а — общий вид; б — однополосный сигнал; в — однополосный сигнал с ослабленной несущей
Рис. 2.3.8. Спектры сигналов со сложными видами модуляции:
а — частотно-модулированного сигнала при большом индексе модуляции (mf>> 1); б — сигнала с цифровым кодированием передаваемой информации
Как было отмечено выше, полоса пропускания приемника должна соответствовать ширине спектра сигнала, однако она, в свою очередь, зависит от добротности системы и значения несущей частоты. На высоких частотах (100 МГц и выше) требуемую полосу сформировать практически невозможно и, поэтому применяют так называемое преобразование (уменьшение) частоты принятого сигнала с помощью специального генератора (гетеродина). Эта операция выполняется в специальном каскаде-смесителе, а уменьшенная частота называется промежуточной, ее значение, как правило, лежит в диапазоне 200...500 кГц.
Перестройка приемника в пределах заданной области частот осуществляется путем одновременного изменения параметров гетеродина и входных высокочастотных (ВЧ) фильтров. Такое техническое решение обеспечивает постоянную разность между частотами гетеродина и принимаемого сигнала, равную значению промежуточной частоты. Если диапазон перестройки невелик, то сделать такую систему не представляет особой трудности, но в панорамных приемниках — это очень сложная проблема.
Судите сами, изменение частоты настройки производится путем изменения параметров элементов, входящих в состав фильтра или контура гетеродина. Эти детали так и называют — переменные, обычно это конденсаторы или их аналоги. Однако в природе нет таких радиоэлементов, которые могли бы плавно менять свою величину в очень больших пределах: теоретически можно получить отличие максимального значения от минимального в 3 или 3,5 раза, а на практике и того меньше. Поэтому наибольшая частота, на которую настроена избирательная система, тоже отличается от наименьшей не так сильно, как нам бы хотелось. Это отношение называется коэффициентом перекрытия и не превышает 2—2,5. Благодаря последнему обстоятельству весь диапазон рабочих частот приемника приходится разбивать на поддиапазоны, то есть участки, в пределах которых можно плавно изменять частоту настройки. Переход с одного поддиапазона на другой осуществляется заменой ВЧ-фильтра. В принципе, эту операцию вы многократно проделывали, переключая свой бытовой приемник, например, с СВ на УКВ, но в панорамных системах таких поддиапазонов приходиться делать более десятка и, конечно, нужны специальные алгоритмы, по которым должен вестись поиск сигнала. Мы намеренно так детально описали проблемы, возникающие при создании аппаратуры контроля, чтобы подвести вас к простому выводу — более менее гарантированное обнаружение радиозакладок можно осуществить только при использовании специальной техники.
Принципы построения специальных приемников
Возможности панорамных приемников в значительной степени определяются методом анализа частотного диапазона. От него полностью зависит и вид структурной схемы. Различают методы параллельного и последовательного анализа.
При параллельном анализе все сигналы, находящиеся в определенной полосе частот, называемой полосой обзора, обнаруживаются одновременно. Структурная схема такого приемника приведена на рис. 2.3.9.
Здесь ВЧ-фильтр 1 формирует требуемую полосу обзора, в которой ведется обнаружение сигналов; смеситель 2 выполняет линейный перенос спектра принятого излучения в низкочастотную область радиодиапазона;
полосовые фильтры 3 — осуществляют частотное разделение сигналов. Выходной усилитель 4 обеспечивает требуемый уровень сигнала, достаточный для нормальной работы анализирующего устройства 5.
Такая структура делает возможным практически мгновенное обнаружение сигналов в полосе обзора при условии, что их уровень превышает пороговую чувствительность приемника. Однако не сложно посчитать, что если контролируемый диапазон частот простирается хотя бы от 20 до 1500 МГц, то при ширине спектра модулированного речью сигнала 5...10 кГц потребуется от 2000 до 300 000 каналов. Ясно, что сделать такую систему, способной «брать» любую радиозакладку, практически нереально из-за ее колоссальной сложности, а значит и стоимости.
В радиоприемнике последовательного анализа, соответственно, осуществляется последовательная перестройка в полосе обзора и обнаружение сигнала. Упрощенная структурная схема устройства подобного типа показана на рис. 2.3.10.
Здесь ВЧ-фильтр 1 имеет полосу пропускания, равную полосе обзора, а гетеродин 3 обеспечивает перестройку приемника в заданной полосе. Про-
Рис. 2.3.9. Структурная схема панорамного приемного устройства с параллельным анализом сигналов
Рис. 2.3.10. Структурная схема панорамного радиоприемного устройства с последовательным анализом
межуточная частота — фиксированная. После селекции фильтром 4 и усиления усилителем 5 обнаруженный сигнал поступает в анализирующее устройство 6. При автоматической перестройке приемник как бы «прощупывает» (сканирует) частотный диапазон, отсюда и его обиходное название — сканер. Термин не совсем точный, но весьма распространенный.
Основные виды панорамных приемников
Панорамные приемники последовательного анализа в своем развитии прошли несколько этапов.
У нас в стране аппаратура первого поколения представляла собой ламповые устройства типа Р-113, Р-250 или Р-375, обеспечивающие прием сигнала в определенных частотных диапазонах. В свою очередь, каждый из них имел 8...12 поддиапазонов. Проверка на наличие несанкционированных излучений сводилась к тому, что последовательно прослушивались все проверяемые частотные интервалы. Переключение с поддиапазона на поддиапазон и перестройка гетеродина осуществлялись оператором вручную. В качестве индикатора обнаружения сигнала использовались обычные наушники. Эта аппаратура имела прекрасные технические параметры (например, чувствительность не хуже 0,2...0,3 мкВ, возможность регулировки полосы пропускания и др.), но требовала высочайшей квалификации персонала и очень большого времени, необходимого для проведения полноценной проверки. Некоторые типы подобных устройств из-за их высокой надежности, а часто просто по инерции все еще используют профессионалы, но для любителей данная аппаратура не может быть рекомендована, ибо она имеет неудовлетворительные массогабаритные характеристики.
Ко второму поколению приборов следует отнести популярные в 80-е годы в СССР селективные микровольтметры типа SMV-6,5, SMV-8,5, STV-301, STV-401, поставляемые ранее из ГДР. Название не должно никого вводить в заблуждение, ибо по сути они представляют собой полноценные супергетеродинные приемники с собственным генератором развертки, обеспечивающим визуальное представление зависимости уровня принимаемого сигнала от частоты в широком динамическом диапазоне. Значительное количество подобной аппаратуры на рынке и приемлемая цена (100...1000 $) делает подобные приемники весьма привлекательными. Особенно если учесть, что высокая чувствительность (не хуже 2 мкВ) обеспечивается в широком частотном диапазоне (26... 1000 МГц для SMV-8,5). Небольшие габариты