Практически на всех форумах, посвященных радио, периодически возникает вопрос - можно ли запеленговать работающий радиоприемник. Наиболее «продвинутые», кто еще помнит азы физики, отвечают, что можно т.к. в приемнике есть гетеродин, который излучает, другие говорят, что нельзя. Вопрос был актуален лет 30 назад, когда люди тайком слушали «голоса», но и сейчас можно услышать страшилки о том, что если настроить приемник на «милицейскую волну», то за владельцем тут же приедут.
Так можно или нельзя? Попробуем разобраться и проведем эксперимент.
Подробности под катом.
Чтобы понять, можно ли запеленговать приемник, обратимся к их истории создания.
Регенеративный приемник
В 30-50е годы, первые годы появления массового радио, самым простым и популярным тогда был регенеративный приемник:Этот приемник работает за счет положительной обратной связи в антенном контуре, за счет чего контур вводится в режим генерации. Благодаря положительной обратной связи повышается качество приема (подробности можно прочитать в Википедии). Приемник имеет простую конструкцию всего лишь из одной лампы, при этом обеспечивает весьма качественный прием (некоторые радиолюбители собирают их до сих пор), однако контур, подключенный к антенне, действительно излучает. Эти приемники действительно излучали настолько сильно, что их пользователи мешали друг другу, и в городах это становилось проблемой. По некоторым источникам, во время ВОВ это позволяло немцам пеленговать и ловить владельцев приемников на оккупированных территориях.
Приемник прямого усиления
Приемники этого типа не имеют внутренних генераторов, поэтому ничего не излучают. За счет простоты конструкции были популярны у пионеров в радиокружках. Однако их параметры оставляют желать лучшего, и со временем их заменили более совершенные супергетеродинные.
Супергетеродинный приемник
Приемники этого типа обладают хорошими характеристиками, они используются и сейчас.
Много или нет 300мВт для радиосвязи? Для старых коротковолновых приемников часто делали большие уличные антенны. Предположим, что до антенны дойдет лишь 1% от излучаемой гетеродином мощности. Сигнал мощностью 3мВт с уличной антенной действительно может быть принят на расстоянии 50-100 метров. Однако уже для транзисторных приемников мощность гетеродина меньше в 10 раз, и прием сигнала мощностью в доли милливатта уже не может рассматриваться всерьез. В лучшем случае его было бы слышно на расстоянии в несколько метров.
В общем, теоретически уже все ясно. Можно ли запеленговать работающий радиоприемник? Проблема действительно была с регенеративными приемниками (и их, по отзывам, в войну действительно пеленговали), могла быть со старыми ламповыми радиолами (но доказательств этому найти не удалось), а в дальнейшем с уменьшением габаритов и элементной базы излучаемая мощность стала настолько малой, что ею уже можно было пренебречь. Более того, неизвестно даже, существовали ли вообще во времена СССР попытки такой пеленгации, никаких достоверных упоминаний нет. Возможно, опыты в каких-то НИИ и проводились, но дальше этого дело вероятно не пошло. Да и, как известно, никакой уголовной ответственности в СССР за прослушивание «голосов запада» не было, и, по отзывам, слушали их практически все, кто хотел.
Эксперимент
Напоследок, обещанный опыт. К сожалению, старой «Ригонды» или чего-то похожего у меня нет (а было бы интересно проверить), так что проверим этот миф в современном варианте. Испытуемый - широкополосный приемник Icom IC-R6 (в быту часто называемый «сканер») с частотами приема от 0 до 1.3ГГц (куплен он был совершенно легально в московском магазине, с чеком и гарантией).
Если верить страшилкам, то сразу после включения за мной должны приехать. Проверим, что же этот «сканер» излучает в эфир. Задачи будет две - поймать сигнал гетеродина, и узнать, что за станцию слушает пользователь.
Первым делом найдем в сети сервис-мануал и посмотрим схему радиочасти:
Как можно видеть, входной сигнал должен «попасть» в полосовой фильтр, центральная частота которого 266.7МГц. VFO (Variable Frequency Oscillator), он же гетеродин, которым и перестраивается частота, способен работать в диапазоне 266-1100МГц.
Отсюда понятно, что надо искать. Для примера, настроим приемник на FM-радиостанцию на частоте 89МГц. Сигнал станции должен попасть в полосовой фильтр на частоте 266МГц, для этого гетеродин должен быть на частоте 89+266 = 355МГц. Для поиска используем контрольный SDR-приемник, способный показать широкую полосу в несколько МГц.
Сначала ищем сигнал гетеродина, настраиваемся на 355МГц. Видим кучу всего:
Где здесь искомый сигнал?
Ответ под спойлером
Как можно видеть, сигнал гетеродина ниже по уровню других сторонних помех, и, не зная это, отличить его невозможно. Я специально перестраивал приемник, чтобы линия «двигалась», иначе было бы вообще непонятно где ее искать. Максимальная дальность приема составила 5 метров , дальше сигнал полностью пропадал ниже уровня шумов.
Теперь попробуем «поймать» станцию, которую слушает пользователь. Настраиваемся на входную частоту фильтра 266МГц. Включаем… и ничего. Никакого присутствия звука. Переходим к плану «б»: обматываем приемник проводом, подключаем его вместо антенны, чтобы излучаемый им сигнал гарантированно был принят. Есть контакт: достаточно слабо на спектре виден сигнал нашей FM-станции на частоте 266.8МГц.
Сигнал даже можно послушать и убедиться, что это та самая радиостанция.
Выводы
Кратко можно ответить на поставленные вопросы темы.- Можно ли с большого расстояния запеленговать гетеродин работающего приемника? Можно, если разместить его в чистом поле, где нет помех, и нацелить на него антенну дальней космической связи. Во всех остальных случаях милливольты сигнала гетеродина потонут в общем шуме городских помех.
- Можно ли незаметно узнать, какую станцию слушает пользователь? Можно, если незаметно обмотать приемник проводом, и подключить провод к другому приемнику.
- Можно ли незаметно узнать по сигналу гетеродина, на какую частоту настроен приемник пользователя? Нет, т.к. единого стандарта для преобразований в современных супергетеродинах нет, нужно искать описание конкретной модели в сервис-мануале.
Надеюсь, данный ликбез был кому-то полезен.
Subcategory body:
ГЕТЕРОДИННЫЕ ПРИЕМНИКИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
Наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения в диапазоне частот 0,1 - 1,25 ТГц на сегодня признаны смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС - смеситель) . Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малой мощности гетеродина. При дальнейшем повышении частоты (выше двойной щелевой частоты используемых сверхпроводников) чувствительность СИС -смесителей подает из-за увеличения внутренних потерь.
Другим распространенным полупроводниковым преобразователем частоты в гетеродинном приемнике, который может работать в диапазоне частот 0,3 - 5 ТГц, является диод с барьером Шоттки (ДБШ - смеситель). ДБШ - смесители не требуют глубокого охлаждении и могут работать в диапазоне температур от комнатных до гелиевых, что является основным их преимуществом при освоении терагерцового диапазона. К существенным недостаткам ДБШ - смесителей следует отнести низкую чувствительность и большую требуемую мощность гетеродина (порядка милливатта).
Указанные недостатки рассмотренных смесителей, применяемых в терагерцовом диапазоне, скорее всего, частично будут устраняться по мере их дальнейшего совершенствования, однако принципиальное улучшение характеристик смесительных устройств этого участка спектра возможно лишь путем использования новых физических механизмов преобразования частоты. Наиболее перспективным представляется использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников под действием терагерцового излучения и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты.
Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии тонких сверхпроводящих пленок - hot-electron bolometer (НЕВ) -обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Они являются весьма перспективными приемными элементами на частотах выше 1,25 ТГц, так как не имеют частотных ограничений по механизму смешения и не содержат реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн.
С уменьшением толщины сверхпроводящих пленок (d<10 нм для NbN) возрастает роль электрон -электронных столкновений в процессах энергообмена. Если пленки содержат большое количество статических дефектов, электроны рассеиваются не только на границах, но и на этих дефектах, в результате чего роль электрон -электронных столкновений становится определяющей в формировании функции распределения. При воздействии излучения на такие пленки, поглощенная энергия распределяется по электронной подсистеме, повышая ее температуру 0, что проявляется в росте сопротивления пленки. Эффект не зависит от частоты излучения - экспериментально доказана неселективность разогрева в диапазоне частот Ю10 - 1015Гц. Возбужденная электронная подсистема за счет электрон-фононного взаимодействия, характеризуемого временем электрон-фононного взаимодействия те.рь, остывает за время релаксации электронной температуры тв, передавая энергию фононной подсистеме пленки. На последнем этапе происходит остывание фононной подсистемы пленки за счет выхода неравновесных фононов в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в случае неупорядоченных плёнок с малой длиной свободного пробега. Полоса смесителей с фононным каналом охлаждения определяется в этом случае временем выхода неравновесных фононов в подложку resc и временем релаксации.
Другой канал охлаждения электронов в сверхпроводящих смесителях на горячих электронах был предложен в и далее развит в целом ряде работ. Здесь в качестве "холодного" резервуара выступает не фононная подсистема, а массивные контакты прибора. В этом случае скорость остывания ограничивается диффузией горячих электронов в контакты, а прибор носит название болометра на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.
Определяющую роль в реализации многих приложений в терагерцовом спектральном диапазоне играет возможность совмещения большого динамического диапазона и широкой полосы промежуточных частот, используемых гетеродинных приемников излучения. Привлекательность НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения в этом плане несомненна. Путем изменения объема чувствительного элемента смесителя, не ухудшая его эффективности преобразования, можно не только оптимизировать динамический диапазон приемника, но и регулировать величину требуемой оптимальной мощности гетеродина. Существующие твердотельные гетеродинные источники терагерцового излучения, применяемые в практических системах, не всегда имеют достаточный запас выходной мощности на частотах выше 1,5 ТГц.
Увеличение полосы ПЧ для НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто за счет применения как ультратонких пленок толщиной в единицы нанометров, так и промежуточных диэлектрических подслоев между сверхпроводящей пленки и подложкой для улучшения их акустического согласования.
С радиотехнической точки зрения НЕВ - смеситель с фононным каналом охлаждения осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты. При этом, поскольку энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поглощение терагерцового излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии и слабо зависит от выбора рабочей точки по постоянному току. Это позволяет достаточно просто согласовывать его с различными типами приемных антенн, поскольку импеданс пленки на высокой частоте является чисто активным и может быть оптимизирован путем изменения размеров чувствительного элемента в плане.
Согласование НЕВ - смесителя с принимаемым электромагнитным излучением достигается путем использования волноводной или квазиоптической схем. В первом случае чип из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами монтируется в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной. Во втором случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гиперполусферической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния. Среди планарных антенн популярность снискали три типа: двухщелевая, спиральная, и логопериодическая. Последние два типа относятся к так называемым частотно - независимым антеннам, их ожидаемая полоса рабочих частот может составлять несколько октав. Двухщелевая антенна является резонансной структурой с рабочей полосой порядка 30 % от центральной частоты. Несмотря на широкое использование этих планарных антенн на диэлектрических подложках в квазиоптических схемах согласования с терагерцовым излучением, их характеристики, такие как входная полоса, диаграмма направленности, эффективность, поляризационная чувствительность, изучены наиболее полно лишь на частотах до 0,6 ТГц. Исследование характеристик планарных антенн на более высоких частотах, конструируемых путем масштабирования низкочастотного варианта антенны, остается пока неудовлетворительным, что является определенным препятствием их эффективного использования. Несмотря на это, все же происходит накопление экспериментального материала, который помогает определиться с выбором планарной антенны того или иного типа при создании гетеродинного приемника для практических применений. На частотах выше 1,5 ТГц чаще всего исследуются такие параметры антенны как входная полоса и диаграмма направленности.
Наиболее активно используемым сверхпроводниковым материалом для создания НЕВ - смесителей терагерцового диапазона является высококачественные пленки нитрида ниобия.
Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленкиттолщиной 2.5-3.5 нм, осажденной на сапфировую подложку, достигает 4 ГГц, что не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.
Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения является весьма актуальным для практической радиоастрономии, что связано как с доплеровским уширением спектральных линий при наблюдении быстро перемещающихся источников терагерцового излучения, так и с ограниченностью перестройки частоты терагерцовых гетеродинных источников излучения.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА fпр (Сифоров, с.240; Линде.с.170)
1.fпр должна находиться за пределами диапазона(поддиапазонов) рабочих частот, в противном случае прием вблизи fc=fпр будет поражен сильным комбинированным свистом. Желательно fпр унести подальше от крайних частот поддиапазонов.
2.Нельзя выбирать fпр близкой к частоте какой-либо мощной станции, чтобы избежать мешающее ее действия по прямому каналу.
3.Чем выше fпр тем выше избирательность по зеркальному и другим побочным каналам, тем больше разнос fг и fс-меньше проникновение в антенну колебаний гетеродина.
4.Чем ниже fпр, тем легче обеспечить узкую ПП, высокую избирательность по соседнему каналу и требуемая усиления тракта ПЧ.
5.Желательно выбирать стандартное значение fпр.
Для РВ РП с АМ диапазонов ДВ, СВ, КВ стандартное значение fпр=465кГц-располагается между ДВ и СВ диапазонами.
Для РВ РП с ЧМ УКВ-диапазона стандартное значение fпр=10,7мГц-располагается гораздо ниже рабочего диапазона 65,8-74мГц-СССР
87,5-108мГц-Европа, США, Канада.
рациональным проектированием РП, приемлемыми средствами и затратами. Поэтому супергетеродинный метод приема является основным, как наиболее совершенный.
3.Основные показатели рп.
3.1.Чувствительность.
Чувствительность РП-способность принимать слабые сигналы, количественно оценивается в минимальным уровнем модулированного сигнала в антенне, при котором обеспечивается нормальный прием (нормальное функционирование оконечного устройства).
Минимальный уровень сигнала может быть задан:
-в ед. э. д .с. в антенне Еа (В,мВ,мкВ) –действующее эффективное значение.
Задания чувствительности по э.д. с используется в диапазоне волн длиннее МВ.
В зависимости от значения и класса РП Еа может быть в пределах от долей мкВ до ед. МВ;
-в ед. мощности в антенне (на согласованном входе РП) РА (Вт, мкВт).
Используется в диапазонах ДМВ и более коротких волн.
Может быть в пределах 10 -9 -10 -19 Вт;
-в ед. напряженности электрической составляющей поля в точке приема Е (В/м, мВ/м, мкВ/м)-действующее эффективное значение.
Используется для РП, работающих от встроенной (магнитной или штыревой) антенны.
Может быть в пределах от десятков мкв/м до десятков мВ/м.
В этом случае Еа=hдЕ, где hд-действительная высота антенны.
Очевидно, что чем больше общее усиление РП от антенного входа до выхода, тем выше чувствительность-тем меньше уровень сигнала, который нужно подать на выход для нормальной работы оконечного устройства.
Однако это справедливо, пока усиление не велико, и уровень входного сигнала значительно превышает уровень собственных шумов РП, которые усиливаются и попадают в оконечное устройство вместе с полезным сигналом. Если уровни соизмеримы, то сигнал может быть не различен на фоне шума-утонет в шумах.
Таким образом чувствительность РП может быть ограничена:
Усилением, если оно маловато;
Собственными шумами, если усиления достаточно.
Различают следующие виды и термины чувствительности:
1.Чувствительность, ограниченная усилением- определяется минимальным уровнем модулированного сигнала в антенне, обеспечивающим получение нормальной выходной мощности полезного сигнала.
Как правило, нормальная выходная мощность.
Рвых н=0,1 Рвых ном.
Термин характеризует усилительные свойства РП без учета его собственных шумов-соответствует реальной чувствительности РП с относительно малым усилением. Используется, как расчетный показатель, для оценки запаса по усилению с целью обеспечения заданной чувствительности.
2.Реальная чувствительность -определяется тем же, что и 1, но при заданном отношении сигнал/шум на выходе РП.
Отношение сигнал/шум или коэффициент различимости на выходе РП:
По мощности
По напряжению
Dр вых=D 2 u вых-в разах
Dр вых=Du вых-в д Б
Задается, как правило, в д Б-от 10 до 26д Б в зависимости от вида сигнала.
3.Предельная (пороговая) чувствительность-определяется так же как 2., но при
D вых=1(0 д Б) .
Характеризует предельные возможности РП по приему слабых сигналов.
Относительная шумовая температура tш.
Наиболее перспективными приемными устройствами в оптическом диапазоне волн, способными принимать частотно-модулированные и фазо-модулированные сигналы, измерять доплеровский сдвиг частот, осуществлять однополосный прием и т.д., считаются супергетеродинные приемники. Супергетеродинные приемники по сравнению с приемниками прямого усиления позволяют существенно уменьшить влияние фоновых засветок. Возможность подавления фонового излучения супергетеродинными приемниками обусловлена тем, что их полоса пропускания сравнительно невелика и определяется полосой пропускания радиотехнических цепей.
В то же время приемники прямого усиления принимают сигналы (и помехи) во всей полосе пропускания оптического фильтра. Использование супергетеродинных приемников оптического диапазона в различных системах связи и локации позволяет также подавить темновые шумы фотодетектора и ослабить влияние шумов последующих каскадов путем выбора мощности сигнала гетеродина.
Рассмотрим некоторые особенности супергетеродинных приемников оптического диапазона волн. Известно, что в радиодиапазоне энергия кванта hf значительно меньше энергии теплового излучения kT. Так, на длине волны 3 мм hf = 6,6x10 -23 Дж, в то время как kT = 4x10 -21 дж (при работе приемника при комнатной температуре). Следовательно, чувствительность приемников в радиотехническом диапазоне волн ограничивается тепловыми шумами.
В оптическом диапазоне волн на длине волны 1 мкм hf = 2x10 -19 Дж, т. е. тепловые шумы значительно меньше шумов, вызванных флуктуациями числа квантов. Следовательно, чувствительность приемников оптического диапазона ограничивается квантовыми флуктуациями.
Мощность сигнала, минимально обнаруживаемого оптическими супергетеродинными приемниками, можно найти из выражения
где h - постоянная Планка;
f - частота излучения лазера;
Δf - полоса пропускания приемника;
q - квантовая эффективность детектора.
Важной особенностью оптических супергетеродинных приемников является то, что мощность шумов приемника растет пропорционально мощности сигнала гетеродина. Чувствительность приемника при этом не ухудшается, так как с увеличением мощности гетеродина одновременно увеличивается мощность продетектированного сигнала. Этот эффект используют для подавления шумов приемника выбором необходимой мощности гетеродина. При некоторых значениях мощности гетеродина отношение сигнал/шум на выходе приемника может приближаться к отношению сигнал/шум нешумящего (идеального) приемника.
В оптическом диапазоне волн важное значение имеет также амплитудно-фазовое распределение волн сигнала и гетеродина на чувствительной поверхности детектора. Обычно размеры чувствительной поверхности детектора значительно превышают длину волны принимаемого сигнала. Поэтому ток промежуточной частоты от различных участков поверхности детектора будет иметь разные фазы, что в итоге приводит к уменьшению тока промежуточной частоты на выходе смесителя.
Для устранения этого явления необходимо, чтобы угол Θ между направлениями распространения волн сигнала и гетеродина
где Д - диаметр освещенной поверхности детектора;
λ - длина волны.
Так, при λ = 1 мкм и Д = 2 мм угол Θ = 50". Это условие накладывает жесткие требования на ориентацию и качество оптической системы.
В супергетеродинных приемниках лазерного излучения в качестве смесителей могут быть использованы детекторы приемников прямого усиления, т. е. вакуумные фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, фото-ЛБВ и фотосопротивления.
К наиболее распространенным приборам, используемым в качестве смесителей, относятся фотоумножители. Их достоинством является то, что благодаря большому внутреннему усилению они работают при малых мощностях гетеродина. Частотная характеристика обычных фотоумножителей имеет ширину 100-200 Мгц, но может быть значительно увеличена за счет использования фотоумножителей со скрещенными полями или фото-ЛБВ. Основной недостаток фотоумножителей - низкая квантовая эффективность.
Большую квантовую эффективность имеют фотокатоды, которые обеспечивают прием широкополосных сигналов. К недостаткам фотокатодов относят отсутствие внутреннего усиления сигнала и большую величину темнового тока.
Из краткого рассмотрения достоинств и недостатков различного типа приемников следует, что супергетеродинные приемники наиболее перспективны. Они имеют лучшую избирательность, большую чувствительность и лучшее соотношение сигнал/шум.
