Перетворення частоти. Вивчення основних закономірностей перетворення частоти. Основи загальної теорії перетворення частоти Перетворення високої частоти на низьку

Під перетворенням частотирозуміють процес перенесення без будь-яких спотворень спектра сигналу в іншу область частот.

Перетворення частоти застосовують для розміщення спектра сигналу в заданій ділянці діапазону частот каналу зв'язку, а також підвищення чутливості і вибірковості приймачів супергетеродинного типу.

Принцип перетворення пояснюється рис. 3.9, 3.10.

Сигнал на вході перетворювача залежить від часу та первинного сигналу:

У множнику він множиться на сигнал гетеродина

а потім фільтрується смуговим фільтром.

Вхідний сигнал може бути модульованим (безперервно або дискретно) по амплітуді, фазі, що несе частоті. Нехай спектральна щільність будь-якого модульованого сигналу складається із спектральних компонент, сконцентрованих біля частот +0 (рис. 3.10, а):

Рис. 3.9. Структурна схемаперетворювача частоти:

1 - помножувач;2 - смуговий фільтр

Рис. 3.10.

Спектральна щільність характеризується спектральною щільністю амплітуд та фазовою характеристикою. Якщо ці показники необхідні відповідних розрахунків, необхідно розрахувати їх за формулами і подати у вигляді графіків.

В інших випадках точні дані не потрібні і спектральні густини можна зображати довільно: наприклад, у вигляді дзвоноподібних спектрів або трикутників для безперервних спектральних густин або стрілками - для дискретних, як це робиться в даній книзі.

Обчислимо спектральну густину сигналу гетеродина, використовуючи вираз (П.1.3) дельта-функції:

Вважаючи отримаємо

Спектральна щільність гармонійного косінусоїдального коливання з нульовою початковою фазою (рис. 3.10, б)визначається твором амплітуди цього коливання, збільшеної в лраз, і суми двох дельта-функцій, розташованих у точках частотної осі со = +з р. Обчислимо також спектральну щільність добутку вхідного сигналу і гетеродина за формулою (2.51):

де - проміжна частота; ? ВХ (/Ъ), 5 г (/с) - спектральні щільності вхідного сигналу та гетеродина відповідно.

У спектральній густині твору, показаної на рис. 3.10, в,міститься корисний продуктперетворення (спектральні компоненти поблизу значень проміжної частоти

з = + (Про пр), а також заважають компоненти поблизу частот -з 0 - з г, СОо + Wp

Корисні компоненти (див. рис. 3.10, в, г) проходять на вихід смугового фільтра, а ті, що заважають, істотно їм послаблюються. Спектральні компоненти на виході смугового фільтра (рис. 3.10, д ) визначаються виразом

якщо коефіцієнт передачі смугового фільтра /С(/с) = 1 заданої смузі частот. Вони з точністю до постійного множника, рівного А/ 2, збігаються зі спектральними компонентами сигналу на його вході, а спектр перетвореного сигналу групується у нових значень частот, рівних з = +з ін.

Перетворення частоти використовується при модуляції та детектуванні сигналів.

Перетворення частоти є процес лінійного перенесення спектра радіосигналу з однієї області діапазону частот в іншу зі збереженням закону і параметрів модуляції. Для спрощення процесу посилення корисного сигналу в радіоприймальних пристроях перенос здійснюється в область щодо низьких частот.

Принцип роботи перетворювача частоти заснований на взаємодії двох високочастотних напруг, що підводяться до схеми з нелінійним елементом. Однак з цих напруг несе корисну інформацію прийнятого сигналу, а друге допоміжне, яке формується спеціальним генератором (гетеродином). Якщо уявити вольтамперну характеристику нелінійного елемента у вигляді найпростішого обмежувального ряду

і подати на цей елемент дві напруги

струм нелінійного елемента міститиме безліч комбінаційних складових цих частот. Середовище ряду складових струму буде і різницеве ​​між частотами сигналу гетеродина та корисного сигналу
яка виділяється за допомогою фільтра, налаштованого на цю частоту. Вихідним сигналом перетворювача є падіння напруги на опорі вибіркового навантаження від струму, що змінюється із цією частотою

.

Амплітуда вихідної напруги визначаються властивостями нелінійного елемента і величина напруг, що підводяться, а частота і фаза початковими значеннями цих параметрів напруг.

У загальному випадку, коли реальна вольтамперна характеристика нелінійного елемента визначається досить складною залежністю в процесі перетворення утворюється безліч комбінаційних частот, одна з яких може бути обрана як проміжна

,

деpіqцілі числа. Якщоp= q=1 перетворення називають простим. За інших значень воно складне.

Як правило, у приймачах амплітуда напруги сигналу набагато менше, ніж у гетеродина. При складанні таких напруг у нелінійному ланцюзі результат впливу можна представити у вигляді малого збільшення, для якого ВАХ нелінійного елемента з певною точністю можна вважати лінійною, а крутість ВАХ змінюється під впливом досить великої напруги гетеродина. У цьому випадку процес перетворення можна як дія напруги сигналу на лінійну систему зі змінними параметрами.

Крутизна характеристики в даному випадку є періодичною функцією часу, яку можна представити у вигляді ряду Фур'є

При подачі на вхід перетворювача напруги сигналу
струм представляється як

,

У разі коли закон зміни крутості складний, крім основної частоти гетеродина з'являються вищі її гармоніки. Частоти комбінаційних складових визначаються виразом
.

У зв'язку з тим, у приймачах відбувається перетворення слабких сигналів, незалежно від того, яким чином воно здійснюється (нелінійним елементом, або лінійною системою зі змінними

параметрами) перетворювач частоти відносять до лінійної частини.

Класифікація перетворювачів та його основні характеристики.

Відповідно до викладених принципів перетворення частоти схема перетворювача повинна включати нелінійний елемент (елемент зі змінним параметром) – змішувач, гетеродин та вибіркове навантаження.

Як змішувач можуть бути використані: електронні лампи, транзистори, напівпровідникові діоди, а також нелінійні ємності або індуктивності, що володіють нелінійною провідністю.

Гетеродини зазвичай є малопотужні генератори з самозбудженням, рідше спеціальні пристрої, що створюють сукупність напруг різних частот.

Навантаження змішувача є різні смугові фільтри.

Більше поширення практично отримало просте перетворення,

яке є результатом взаємодії перших гармонік частот сигналу та гетеродина.

За характером провідності змішувального елемента частоти перетворювачі діляться на дві групи;

- Перетворювачі на нелінійних елементах з активною провідністю.

- Перетворювачі з реактивною провідністю.

У першу групу входять перетворювачі на лампах, транзисторах та напівпровідникових діодах.

До другої групи належать перетворювачі на нелінійній ємності параметричного діода.

Лампові та транзисторні перетворювачі можуть бути з окремим гетеродином. У другому варіанті функції змішувача та гетеродина об'єднані в одному каскаді та вплив гетеродинної напруги на нелінійні властивості змішувача здійснюється через загальний струм нелінійного елемента. Перетворювачі з різними гетеродинами мають більш стабільні характеристики порівняно з суміщеними.

Лампові перетворювачі часто поділяються на пентодні, тріодні, діодні. Пентодні перетворювачі будуються за схемою із загальним катодом і можуть бути одне і двома сіточними. У першому випадку напруга сигналу та гетеродина подаються на одну сітку. У разі подачі сигналів на різні сітки зменшуються взаємний вплив вхідного контуру гетеродина при їх перебудові. Тріодні та транзисторні перетворювачі будуються за схемами як із заземленим катодом (емітером), так і з

заземленою сіткою (базою).

Тріодні змішувачі знаходять широке застосування ДМ діапазоні хвиль, т.к. мають менший рівень власних шумів і конструктивного більш зручні для узгодження з коливальними контурами на основі відрізків коаксіальних ліній. Останнім часом широко застосовуються діодні змішувачі, особливо в ДМ та СМ діапазонах.

Для оцінки якості роботи перетворювачів та їх порівняльної оцінки використовуються такі основні показники.

1. Коефіцієнт перетворення. Це відношення амплітуди напруги або потужності сигналу проміжної частоти на виході перетворювача до сигналу напруги на його вході.

;

Величина цього коефіцієнта визначається типом і режимом роботи змішувача та властивостями навантаження

2. Робочий діапазон частот визначається діапазоном роботи приймача та забезпечується перебудовою гетеродина. При фіксованому настроюванні гетеродина приймача працює на одній частоті.

3. Рівень своїх шумів перетворювача. Як один із перших каскадів приймача перетворювач частоти істотно впливає на загальний рівень власних шумів. Джерелами шумів є самі елементи, що у інших каскадах, а методика їх оцінки аналогічна.

4. Виборчість . За аналогією з каскадами посилення вибірковість перетворювача частоти визначає здатність його послаблювати вихідну напругу при розладі. Визначається вибірковість

резонансними властивостями його навантаження. Однак специфіка роботи перетворювача частоти уможливлює появу, ряд інших частот, напруги яких при одній і тій же частоті гетеродина в процесі перетворення дадуть проміжну частоту.

Тут представлено залежність коефіцієнта передачі перетворювача від частоти. Відповідно до принципу перетворення через навантаження протікають складові струму змішувача з різними комбінаційними частотами. У разі простого перетворення при незмінній частоті гетеродину те саме значення проміжної частоти може бути при прийомі сигналів на двох частотах і

;

Додатковий канал прийому відрізняється від основного за частотою величину і розташований дзеркально щодо частоти гетеродина.

Крім дзеркального каналу, існують і додаткові канали.

Якщо частота вхідного каналу дорівнює проміжній, перетворювач працює як підсилювач.

Наявність дзеркальних і додаткових каналів є істотним недоліком супергетеродинного приймача, що знижує його стійкість. Основний спосіб ослаблення прийому дзеркальним каналом є поліпшення вибірковості каскадів, що стоять до перетворювача. Це спрощується зі збільшенням проміжної частоти. Однак це, у свою чергу, ускладнює формування необхідної резонансної характеристики УПЧ, особливо при необхідності вузької смуги пропускання.

Ця суперечність вирішується у процесі подвійного перетворення. На вищій частоті послаблюється вплив дзеркального каналу, але в нижчій частоті формування необхідної смуги.

Як і інші елементи приймача, перетворювач частоти може бути джерелом частотних, фазових та нелінійних спотворень. Останні зумовлені самим принципом перетворення. Так поява в спектрі сигналу додаткових складових рахунок комбінаційних частот еквівалентно нелінійним спотворенням. Зменшення цих спотворень досягається рахунок поліпшення вибірковості і вибору режиму роботи, у якому характер зміни провідності зміщення наближатися до гармонійного.

Представимо перетворювач частоти у вигляді ланцюга з активною нелінійною провідністю, з керуючою напругою гетеродина . На вхід такої системи подається напруга сигналу . На виході включено навантаження падіння напруги якої
.

Вихідний струм перетворювача із частотою
. У загальному випадку залежить від характеристики нелінійної провідності, сигналу та проміжної частоти

Рівень сигналу на вході перетворювача набагато менший за напругу гетеродина, а величина коефіцієнта передачі перетворювача відносно велика і таким чином виконується нерівність

;

Таким чином, вихідний струм перетворювача є функцією двох малих змінних. На основі цього розкладемо функцію струму в ряд Тейлора за ступенями малих змінних, обмежувати трьома першими

членами.

Перший доданок є складовою струму перетворювача, яка обумовлена ​​дією напруги гетеродина при
. Позначимо
. Друге доданок є збільшенням струму перетворювача, викликане дією напруги сигналу, тобто.
являє собою провідність нелінійного ланцюга для . Під дією напруги гетеродина величина провідності періодично змінюється із частотою . Позначимо цю провідність .

Третій доданок характеризує збільшення струму рахунок на нього навантаження напруги проміжної частоти. У кожен момент часу це збільшення визначається провідністю нелінійного ланцюга для
та миттєвим значенням цієї напруги.

Позначимо його і визначимо як провідність нелінійного ланцюга для
. Таким чином

Представивши функцією ,і у вигляді рядів Фур'є і прийнявши умову, що проміжна частота утворюється згідно із законом

представимо струм проміжної частоти в сл. вигляді

переходячи до комплексних амплітуд останній вираз представляється у вигляді

і його можна назвати рівнянням прямого перетворення. Тут - як гармоніка функціїS. - постійна складова .

Аналогічно можна уявити схему перетворювача частоти з боку виходу. Вважаючи, що до виходу перетворювача підключено джерело проміжної частоти, можна отримати вираз вихідного струму на частоті сигналу. У будь-якій реальній схемі перетворювача частоти в тій чи іншій мірі проявляється вплив
на рахунок наявності зворотної провідності нелінійної ланцюга. Цей процес прийнято називати зворотним перетворенням частоти. Фізичний зміст цього впливу ось у чому. Напруга проміжної частоти, прикладена до нелінійної провідності, перетворюється під дією напруги гетеродина. струм частоти сигналу. Як би частота міняється місцями.

Представляючи вхідний струм як функцію та двох малих змінних і
можна його значення висловити у вигляді ряду за аналогією з прямим перетворенням за умови, що міняються місцями. Виділяючи складову вхідного струму з частотою можна отримати її комплексної амплітуди наступне вираз

,

де
і - періодичні функції напруга гетеродина представляють відповідно амплітуду до - ой гармоніки зворотної провідності нелінійного ланцюга для
. І постійну складову провідності того ж ланцюга для . Ці величини визначаються типом нелінійного ланцюга та амплітудою . Поданий вираз можна вважати рівнянням зворотного перетворення. Зворотне перетворення призводить до зміни вхідний і вихідний провідностей перетворювача. Більшою мірою це стосується діодних перетворювачів і перетворювачів із загальною сіткою (базою). У цьому необхідно враховувати (внутрішні параметри).

- Крутизна перетворення. Відношення амплітуди струму проміжної частоти до амплітуди напруги сигналу при скороченому виході.

- Внутрішня провідність . Відношення амплітуду струму проміжної частоти до амплітуди напруги цієї частоти при законному вході.

- Внутрішній коефіцієнт посилення перетворювача. Відношення амплітуди напруги проміжної частоти до амплітуди напруги сигналу.

На підставі рівнянь прямого та зворотного перетворення можна скласти еквівалентну схему перетворювача, за допомогою якої можна визначити його зовнішні параметри.

- Коефіцієнт перетворення

- Вхідна провідність

дорівнює сумі вхідної провідності нелінійного елемента та провідності, обумовленої зворотним перетворенням.

повний вхідний струм перетворювача на частоті сигналу обумовлений наявністю вхідної провідності нелінійного елемента та зворотним перетворенням.

- Вихідна провідність

складається з внутрішньої провідності перетворювача та провідності навантаження на
.

Шуми перетворювачів частоти.

Джерела шумів перетворювачів частоти та методика їхньої оцінки аналогічні УВЧ, проте при цьому враховувати особливості перетворення. У НВЧ діапазоні при використанні напівпровідникових діодних змішувачів для кількісної оцінки шумів використовують поняття відносної шумової температури

, де
- Потужність шуму, створювана тільки вихідним опором перетворювача при температурі довкілля. За узгодження перетворювача з наступним каскадом

,

звідси

вважаючи, що на вході перетворювача узгодження забезпечене та приймаючи його коефіцієнт шуму рівний

шумову температуру можна уявити, як

,

де
- Коефіцієнт перетворення за потужністю.

Додатковим джерелом внутрішнього шуму є перетворення дзеркальним каналом, т.к. відбувається підсумовування шумових складових, що у смугу частот УПЧ. Це оцінюється еквівалентним збільшенням ефективної шумової смуги приймача. Тільки по дзеркальному каналу таке еквівалентне розширення приблизно дорівнює

,

де
- ефективна шумова смуга приймача, - ослаблення З.К.

Лекція № 7. «Перетворення частоти (ПЧ)

Тема лекції:

« Перетворення частоти (ПЧ). Гетеродинне, синхронне та фазове детектування»

План лекції

Оптичне зображення та особливості сприйняття 2

Література

Є. А. МоскатовОснови телебачення, 2005р. - 162 с

11.3. ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ

Особливості ПЛ.Перетворення частоти є окремим випадком нелінійного перетворення БГС. Його особливості полягають у наступному: по-перше, до складу БГС входять два радіочастотні сигнали, по-друге, продуктом перетворення є одне з бічних коливань: верхнє () або нижнє (). Якщо воно радіочастотне, для його виділення використовують ПФ, якщо звукової частоти – ФНЧ. Ці особливості і відрізняють схеми ПЧ від схем AM, оскільки нелінійний та параметричний процеси ПЧ та AM аналогічні.

Збереження модуляції(Рис. 11.3, а). Якщо одним із сигналів (наприклад, частоти ) є АМС, то всі його складові (НК, ВБК та НБК) перетворюються так, що співвідношення між їх частотами та амплітудами не порушуються. Це рівноцінно зміні несучої частоти (від до) за збереження модуляції.

Інверсія спектрувідбувається, якщо використовується різницева частота. У цьому випадку у спектрі перетвореного сигналу ВБП та НБП змінюються місцями – інвертуються. Дійсно, якщо до ПЧ частота ВБК дорівнює, то після нього, тобто ВБК перетворилося на НБК. (На рис. 11.3, аінверсія підкреслена різною штрихуванням НБП вихідного сигналу.) При прийомі АМС із симетричним спектром інверсія не відіграє ролі. При прийомі ОПС її необхідно враховувати. Для правильного відновлення вихідного спектра УС повне число інверсій спектра каналі зв'язку має бути парним.

Переміщення спектруперетвореного сигналу по осі частот відбувається за зміни частоти . Дійсно, якщо , тобто обидва перетворені спектра і частота жорстко пов'язані, вони переміщуються спільно так, що міжчастотні інтервали зберігаються. Отже, змінюючи частоту , допоміжного генератора (гетеродина) і зберігаючи незмінною частоту сигналу ми досягаємо такого ж ефекту - зміни перетворених частот, як і при зміні.

Супергетеродинне РПУ. Це РПУ, запропоноване 1917 р. Л. Леві мови у Франції та реалізоване 1919 р. е. Армстронгом США, стало однією з найважливіших винаходів у радіотехніці. Воно ґрунтується на використанні ПЧ. Спробуємо знову "винайти" його.

Як вихідне розглянемо РПУ прямого посилення (рис. 11.3, б). Він складається з вхідного ланцюга (ВЦ), резонансного УСЧ, амплітудного детектора (АТ) та УЗЧ. Його РХ формується одиночними контурами ВЦ і УРЧ, що налаштовуються на частоту сигналу за допомогою конденсаторів змінної ємності (КПЕ).

Умова налаштування РПУ. Якщо потрібно прийняти сигнал іншої частоти, то, змінивши ємність КПЕ і частоту, потрібно виконати умову налаштування на іншу частоту . З таким способом налаштування пов'язані наступні основні недоліки РПУ прямого посилення:

1) мінливість показників РПУ. При зміні відбувається як переміщення, а й деформація РХ, оскільки змінюються параметри і показники .

Умови прийому виявляються дуже різними для сигналів різних частот і, зазвичай, неоптимальними;

2) погана фільтрація PC. Будь-який високоякісний ПФ, починаючи з двоконтурного, має постійне налаштування та його не можна застосувати в діапазонному РПУ прямого посилення. Тому в ньому використовуються поодинокі контури, у яких форма РХ далека від ідеальної (). Звідси й погана фільтрація.

Кінцевий результат нашої розробки – РПУ, вільне від цих недоліків і задовольняє наступним вимогам:

1. Основні показники РПУ: чутливість, смуга пропускання, вибірковість по всіх каналах повинні бути незмінними незалежно від частоти налаштування.

2. Значення цих показників повинні задовольняти норми для РПУ цього призначення, які відповідають сучасним технічним досягненням. Ідея супергетеродина проста. Вона заснована на застосуванні високоякісного ФСІ (у старих РПУ − ФРІ), що забезпечує необхідну фільтрацію PC (задані значення) та налаштованого на частоту, звану проміжною частотою РПУ().

Включимо цей ФСМ (рис. 11.3, в) , налаштований, наприклад, на частоту на вихід нелінійного елемента - змішувача. Від антени на вхід змішувача подамо сигнал частоти, а також напругу від гетеродина, частоту якого можна змінювати в широких межах.

Ці елементи входять до складу вузла ПЧ, після якого (рис. 11.3 а) включені УПЧ, АТ, УЗЧ і телефони. Змінюватимемо частоту за допомогою КПЕ до тих пір, поки сигнал не буде почутий. Вочевидь, що у цей час ФСІ налаштований частоту перетвореного сигналу (зазвичай різьблену), тобто.

Це і є умова налаштування супергетеродина. У нашому випадку цій умові відповідає частота гетеродину. Для налаштування іншу частоту (наприклад, 400 кГц) треба підвищити , щоб знову виконати умову: . Отже, налаштування супергетеродина визначається частотою гетеродина.

Структурну схему РПУ показано на рис. 11.3, в.Після ПЧ сигнал надходить в УПЧ, що забезпечує основну частину () посилення радіочастотного тракту. Якщо використана розподілена фільтрація, то каскади УПЧ є дво- або одноконтурні взаємно засмучені УРЧ. Якщо застосований ФСІ, який виконує фільтрацію повністю, то каскади УПЧ можуть бути аперіодичними – резисторними чи трансформаторними. У будь-якому випадку посилення УПЧ не залежить від частоти і достатньо для забезпечення лінійного режиму детектування, якщо рівень сигналу в антені РПУ не нижче за його чутливість. Каскади АТ та УЗЧ особливостей не мають.

Преселектор (ПРС), Що складається з ВЦ та УСЧ і включений між антеною та ПЧ, зовні не відрізняється від відповідних каскадів РПУ прямого посилення. На перший погляд, його застосування може викликати здивування. Дійсно, адже при включенні антени на вхід змішувача прийом забезпечується, показники РПУ високі та постійні та поставлена ​​проблема начебто вирішена. То навіщо ж потрібен преселектор?

Звернемося до спектральної діаграми рис. 11.3, в.У ньому зафіксовано приклад прийому за умов: . А якщо з антени надходить перешкода частоти. Якщо вона проникне на вхід змішувача, то після перетворення частоти пройде через ФСІ, так як . Така перешкода називається дзеркальної,оскільки її частота симетрична частоті сигналу щодо тобто. є ніби її дзеркальним відображенням.

Перешкода проміжної частоти може пройти через змішувач та ФСІ транзитом − без перетворення частоти та незалежно від налаштування гетеродина. Тому вона особливо небезпечна. На стандартній для мовних РПУ проміжній частоті заборонено працювати РПДУ. Вона знаходиться поза діапазоном мовних РПУ. У професійних РПУ, як правило, інше значення. Виникнення цих побічних каналів прийому є недоліком супергетеродину. Для придушення перешкод, що діють цими каналами, в основному і призначений преселектор.

Частота налаштування контурів преселектора віддалена від значно віддалена від . Тому побічні канали являютс віддаленими по відношенню до і одиночні контури преселектор забезпечують достатню вибірковість. Оскільки для її придушення можна використовувати в преселекторі РФ.

Блокуванням КПЕ гетеродина і преселектора та іншими заходами досягається їх пов'язана настройка, завдяки якій при будь-якому положенні ротора КПЕ виконується умова налаштування преселектора: .

Усі сучасні РПУ, окрім найпростіших, є супергетеродинами.

Як правило, режим змішувача виявляється параметричним, так як амплітуда сигналу мала і по відношенню до неї робочу ділянку ВАХ вважатимуться лінійним.

У схемах рис. 11.3, г, дзбережено позначення напруг структурної схеми рис. 11.3, б.Напруги сигналу та гетеродина надходять на два затвори ПТ. Для отримання оптимального режимунапруги усунення ними мають бути різні. Це досягається за допомогою дільників напруги живлення і з яких надходять різні позитивні напруги, віднімаються з вихідного - негативного - напруги авто-джерелового зміщення, що діє з . У ланцюзі стоку включені розв'язуючий фільтр та розділові елементи . Як ФСІ застосовано ПКФ.

Балансний (БС) та кільцевий (КС) змішувачі.Ці змішувачі знайшли широке застосування в сучасних РПУ завдяки їх властивостям, вже з'ясованим стосовно БМ та КМ. За схемою БС та КС відрізняються від БМ та КМ (рис. 11.2, д, е) застосуванням вхідного радіочастотного трансформатора. З властивостей істотну роль грають такі:

1) придушення на виході спектру гармонік та шумів гетеродина. Останнє особливо суттєво для РПУ НВЧ, де широко використовують БС. На НВЧ трансформатори неприйнятні та необхідні фазові співвідношення досягаються іншими способами;

2) придушення на виході (особливо КС) більшості побічних коливань комбінаційних частот, прийом яких супроводжується свистом;

На рис. 11.3, днаведена схема КС, яка відрізняється від вихідної (рис. 11.2, е) тим, що в ній застосований лише один симетричний трансформатор у ланцюзі напруги гетеродину (). Сигнальний вхід та вихід (ПРК) несиметричні. Якщо вилучити діоди , КС перетвориться на БС.

У бортовому РЕО БС та КС знайшли широке застосування (АРК-11, АРК-15, "Мікрон" та ін.).

11.4. ГЕТЕРОДИННЕ, СИНХРОННЕ І ФАЗОВЕ ДЕТЕКТУВАННЯ

Гетеродинне детектування. Гетеродинне детектування (ГД) є окремим випадком ПЛ. Воно відрізняється тим, що частоти і близькі один до одного і різниця між ними - звукова частота биття або .

Явище биття вже розглядалося. Суть його в тому, що амплітуда БГС змінюється з частотою биття від до . Огинаюча БГС (рис. 4.8) несинусоїдальна, вона спотворена парними гармоніками. Ці спотворення зберігаються при лінійному детектуванні БГС. У випадках, коли їх необхідно усунути, використовують або квадратичний режим АТ, або БД.

Корекція спотворень огинаючої БГС при квадратичному детектуванні ілюструється графіками на рис. 11.4, астосовно схеми колекторного АТ, в якій навантаження включено в ланцюг колектора і на ній, як і в діодному АТ, виділяється напруга . На малюнку показано два графіки огинаючої БГС: з більшою амплітудою (детектується лінійно) та з меншою амплітудою (детектується квадратично). У квадратичному режимі огинаюча струму синусоїдальна. Спотворення усуваються за рахунок зустрічного напряму кривизни ВАХ і огинаючої БГС.

Розглянемо основні застосування гетеродинного детектування.

Озвучення АМТС. При прийомі АМТС на навантаженні АТ виділяються імпульси постійної напруги, які на слух сприймаються як клацання у телефонах. Для прийому таких сигналів на слух треба "озвучити". Знаходять застосування два методи:

метод місцевої модуляції,що полягає в тому, що в одному з каскадів УПЧ проводять модуляцію телеграфного сигналу по амплітуді гармонійних коливань тональної частоти (найчастіше 1 кГц). В результаті одержують амплітудний тональний телеграфний сигнал, який детектується звичайним АТ. Такий метод застосований, наприклад, у РПУ бортових АРК;

гетеродинний метод(рис. 11.4, б), який є досконалішим. На вхід ГД одночасно з АМТС частоти надходить від другого гетеродина напруга частоти. В результаті детектування виділяється напруга частоти , Яку можна регулювати, змінюючи частоту за допомогою КПЕ або варикапа; керованого ручкою "Тон биття". Це регулювання дозволяє підібрати приємний для оператора тон ТЛГ сигналу, а також виділити його за тоном із перешкод. Живлення другого гетеродина включається перемикачем "ТЛФ-ТЛГ".

Детектування ОПЗ. Детектування ОПС (рис. 11.4, в) також проводиться гетеродинним методом і відрізняється від озвучування АМТС тим, що частота другого гетеродина точно дорівнює несучій частоті, пригніченої РПДУ: . У цих умовах прийому, наприклад, ВБП частоти биття рівні звуковим частотам модуляції, які сукупність є спектр УС .

Будь-яке відхилення на величину викликає таке ж усунення спектру . При цьому виникають специфічні спотворення УС, які при спотворюють ТЛФ сигнал до невпізнанності. Висока точність відновлення несучої частоти – друга технічна складність здійснення односмугового зв'язку, яку вдалося подолати шляхом підвищення стабільності частоти гетеродинів (кварцова стабілізація), а також з автоматичного підстроювання до опорної несучої частоти пілот-сигналу (системи АПЛ).

Формування коливань ЗЧ. Якщо частота генератора стабільна, а частота змінюється, то змінюється і частота биття (рис. 11.4, г). Наприклад, якщо , перекриває весь діапазон звукових частот. Цей принцип використовують у деяких вимірювальних генераторах ЗЧ.

Вимірювання та калібрування частоти. Ці операції використовуються в гетеродинних частотомірах (рис. 11.4, д) . Якщо частоти дорівнюють, то . Це можна зафіксувати за пропаданням звуку, так як частоти нижче на слух не сприймаються. Наприклад, якщо - частота РПДУ, що вимірюється, а - частота гетеродина, яку можна змінювати в широких межах і точно відраховувати за шкалою, то процес вимірювання зводиться до наступного.

Підвищуючи частоту, наближаємо її до . Різниця зменшується. У момент, коли стане звуковою частотою, у телефонах з'явиться тон биття. Подальше наближення знижує цей тон до нульових биття. При подальшому підвищенні коли тон биття наростає (графік на рис. 11.4, д) . Ширина зони нульових биття, що дорівнює подвоєному інтервалу нечутних частот шириною 32...40 Гц, поряд з точністю відліку частоти обмежує точність вимірювання цим методом.

При калібруванні частоти – еталонна (опорна) частота кварцового генератора – постійна. Змінюючи частоту сигналу РПДУ домагаються нульових биття. У цей час частота відкалібрована.

При використанні АПЛ процес калібрування автоматизований. Зміна відбувається автоматично до збігу з . Стан рівності утримується з високою точністю, яка при фазовому автопідстроюванні може бути абсолютна.

Дата публікації: 2014-11-26; Прочитано: 912 | Порушення авторського права сторінки Замовити написання роботи

сайт - Студопедія.Орг - 2014-2020 рік. Студопедія не є автором матеріалів, які розміщені. Але надає можливість безкоштовного використання(0.006 с) ...

Вимкніть adBlock!
дуже потрібно

При одночасному впливі сигналу і гетеродина на нелінійний елемент, у вихідний ланцюга з'являються струми комбінаційних частот виду , де m і n-цілі числа натурального ряду і визначають нелінійність перетворювального елемента по відношенню до сигналу та гетеродину. Якщо перетворювач по відношенню до сигналу є лінійним, то m=1 якщо гетеродин генерує гармонійний сигнал, то n=1.

На всіх трьох входах перетворювача частоти підключені селективні системи, налаштовані відповідно до резонансу на вході з частотою сигналу. При цьому до затискачів 3-3 підключається гетеродинна система (задаємо n=1) , до затискачів 2-2 підключається селективна система у вигляді, наприклад, коливання коливального контуру.

Основними рівняннями, що описують роботу 6-полюсника, є рівняння виду:

(1)

(2)

У вирази (1) і (2) не входить час, тому що 6-полюсник ми вважаємо безінерційним. При виведенні рівнянь, що описують процес перетворення частоти, вважатимемо, що напруга сигналу U c має порядок десяток – сотень мкВ, що дозволяє вважати перетворювач частоти лінійним. У той же час напруга з частотою гетеродину U г має порядок десятих часток і одиниць В. Тому ні U c , ні U пр не викликають зміну параметрів нелінійного елемента, це робить U г. Це дозволяє функції f 1 і f 2 розкласти в ряд Тейлора за ступенями малих змінних Uc і Uпр, тобто обмежившись обліком членів розкладання з Uc і Uпр у першому ступені.

(3)

Похідні, що є коефіцієнтами рядів визначаються при , тобто при дії тільки напруги гетеродина;

при

Фізичний зміст:

Це вхідний струм за дії U р.

- Вхідна провідність.

- Проводимість зворотного перетворення.

Вихідний струм за дії гетеродина, за відсутності сигналу.

- крутість.

- Вихідна провідність.

Оскільки гетеродинна напруга вважається гармонійною, наприклад, косинусоїдальною: , то крутість S(t), як періодична функція часу, може бути представлена ​​у вигляді ряду Фур'є:

Після підстановки (3) і (4) отримуємо рівняння прямого і зворотного перетворення:

а) прямого перетворення ,

де I пр - Струм проміжної частоти;

б) зворотного перетворення .

Параметри перетворювача.

1. Крутизна перетворювача:

(к. з. на виході)

8.8.1. Принцип перетворення частоти

Перетворення частоти сигналу - це процес, який забезпечує лінійне перенесення спектра сигналу на осі частот без зміни його структури. Огинає сигналу та його початкова фаза при цьому не змінюються. Інакше кажучи, перетворення частоти не спотворює закон зміни амплітуди, частоти чи фази модулированных коливань.

Як очевидно з визначення, перетворення частоти супроводжується появою нових складових спектра, тобто. призводить до збагачення спектра сигналу. Тому такий процес можна реалізувати тільки з використанням нелінійного або параметричного пристроїв, що забезпечують множення сигналу, що перетворюється на допоміжне гармонійне коливання з подальшим виділенням необхідної області частот.

Дійсно, якщо на вхід помножувача подати два сигнали:

то на виході отримаємо сигнал сумарної та різницевої частот:

де - Коефіцієнт передачі помножувача.

Вихідний фільтр, налаштований, наприклад, на різницеву частоту, виділить складову різницевої (проміжної) частоти. Такий нелінійний пристрій називають змішувачем, А джерело гармонійного коливання - гетеродином.

Структурна схема перетворювача частоти представлена ​​рис. 8.41.

Рис. 8.41. Структурна схема перетворювача частоти

Перетворення частоти застосовується в супергетеродинні приймачі для отримання сигналу з проміжною частотою. Величина проміжної частоти повинна бути такою, щоб без особливих труднощів досягалося велике посилення за високої вибірковості приймача. У радіомовних приймачах довгих, середніх і коротких хвиль, а у приймачах із частотною модуляцією (у метровому діапазоні хвиль) – . Перетворення частоти сигналу використовується також у приймачах радіолокаційних станцій, вимірювальної техніки(Аналізаторах спектра, генераторах та ін.).

8.8.2. Схеми перетворювачів частоти

Як було сказано вище, процес перетворення частоти реалізується шляхом множення сигналу, що перетворюється на допоміжне гармонійне коливання з подальшим виділенням необхідної області частот. Це можна зробити двома способами, які покладено основою побудови практичних схем перетворювачів частоти:

1. Сума двох напруг (корисного сигналу та сигналу гетеродина) подається на нелінійний елемент з наступним виділенням необхідних складових спектра струму. Як нелінійні елементи використовуються діоди, транзистори та інші елементи з нелінійною характеристикою.

2. Напруга гетеродина використовується зміни будь-якого параметра змішувача (крутизни ВАХ транзистора, реактивного параметра ланцюга). Корисний сигнал, який подається на вхід такого змішувача, перетворюється з відповідним збагаченням спектра.

Для з'ясування основних особливостей процесу перетворення частоти розглянемо деякі схеми частот перетворювачів.

а. Перетворювачі частоти на діодах

Схема одноконтурного перетворювача частоти діоді представлена ​​на рис. 8.42.

Рис. 8.42. Одноконтурний перетворювач частоти на діоді

На вхід перетворювача надходять два сигнали:

модульований вузькосмуговий сигнал, несуча частота якого повинна бути перенесена, скажімо, в область нижчих частот;

сигнал гетеродина з постійною амплітудою, частотою та початковою фазою.

Таким чином, на нелінійний елемент подається напруга

Апроксимуємо ВАХ діода поліномом другого ступеня

Тоді струм діода можна наступним чином:

Доданки, що містять тільки , , , , відповідають складовим у спектрі струму діода, що мають частоти , , і . Отже, вони з погляду перетворення частоти, інтересу не представляють. Основне значення має останній доданок. Саме воно свідчить про наявність у спектрі струму складових із перетвореними частотами та:

Складова частотою відповідає зсуву спектра сигналу в область низьких частот, а складова з частотою - в область високих частот.

Вихідна напруга з необхідною частотою формується за допомогою фільтра (коливання) на виході перетворювача, налаштованого на відповідну частоту. Фільтр повинен виділити одну складову із семи. Вважаючи, що фільтр налаштований на різницеву (проміжну) частоту, отримаємо напругу на виході перетворювача, що дорівнює

При або розлад частот, і , дуже мала. При цьому складові із частотами сигналу або гетеродина не будуть відфільтровані виборчою системою. Небажано також застосування цієї системи під час вирішення завдання перетворення частоти в діапазоні акустичних частот. І тут доцільно використовувати балансні схеми, які забезпечують самоліквідацію (компенсацію) непотрібних складових. На рис. 8.43, а та рис. 8.43 б наведені схеми таких перетворювачів на діодах.

Рис. 8.43. Балансні перетворювачі частоти

У схемі рис. 8.43,а вихідна напруга дорівнює

При отриманні виразу враховано, що напруга сигналу подається на діоди схем у протифазі, а напруга гетеродина – у фазі.

Підставляючи вирази для і формулу (8.5), отримуємо

Звідси видно, що у виході балансного перетворювача рис. 8.43,а відсутні складові з частотами, рівними 0, , , що спрощує вирішення задачі отримання вихідного сигналу необхідної частоти. Тим не менш, до виходу такого перетворювача також необхідно підключати виборчу систему з метою фільтрації сигналу з необхідною частотою.

Балансний перетворювач рис. 8.43 б являє собою схему, що поєднує два балансних перетворювача. На діоди різних гілок подаються напруги сигналу та гетеродина з різними фазами. Робота такого перетворювача пояснюється такими формулами:

Підставляючи вирази для , , і формулу (8.6), отримуємо

На виході перетворювача рис. 8.44,б відсутня складова з частотою сигналу (що складають із частотами 0, , , також відсутні). Фільтр на виході такого перетворювача повинен виділити одну складову із двох.

б. Транзисторні перетворювачі частоти

У приймальних каналах радіотехнічних систем широко використовують перетворювачі частоти на транзисторах. При цьому розрізняють схеми перетворювачів, в яких суміщені функції змішувача і гетеродина, і схеми перетворювачів з подачею сигналу гетеродина ззовні. Більше стабільну роботузабезпечує останній клас перетворювачів.

За способом включення транзисторів розрізняють:

1. Перетворювачі з включенням транзистора за схемою із загальним емітером та за схемою із загальною базою.

Перетворювачі із загальним емітером використовуються частіше, т.к. мають кращі шумові характеристики та більший коефіцієнт посилення за напругою. Напруга гетеродина може бути подана в ланцюг бази або в ланцюг емітера. У першому випадку досягається більший коефіцієнт підсилення, у другому випадку – найкраща стабільність коефіцієнта підсилення та гарна розв'язка між сигнальним та гетеродинним контурами.

2. Перетворювачі на підсилювачах із каскодним включенням транзисторів.

3. Перетворювачі на диференціальному підсилювачі.

4. Перетворювачі на польових транзисторах (з одним та двома затворами).

Основні властивості та характеристики останніх трьох груп перетворювачів визначаються властивостями підсилювачів, на основі яких вони побудовані.

На рис. 8.44 наведено схеми перетворювачів частоти на площинних транзисторах.

У схемі рис. 8.44 а напруга сигналу подається в ланцюг бази транзистора, напруга гетеродина - на емітер. Контур в колі колектора налаштований на проміжну частоту. Опір та забезпечують необхідний режим роботи підсилювача (становище робочої точки), опір та ємність – термостабілізацію положення робочої точки. Перетворення частоти здійснюється за рахунок зміни частоти сигналу гетеродина коефіцієнта передачі підсилювального каскаду (крутизни ВАХ транзистора).

Рис. 8.44. Схеми перетворювачів частоти на площинних транзисторах

Транзисторний перетворювач частоти, зображений на рис. 8.44 б, побудований з використанням диференціального підсилювача. На його вхід подається сигнал, що перетворюється, а на базу транзистора генератора стабільного струму подається сигнал гетеродина. Коефіцієнт посилення та коефіцієнт шуму таких перетворювачів приблизно дорівнюють відповідним коефіцієнтам підсилювального каскаду.

Схеми перетворювачів частоти на польових транзисторах наведено на рис. 8.45,а - схема з суміщеним гетеродином та рис. 8.45,б - схема з використанням польового транзистора з двома ізольованими затворами.

Рис. 8.45. Схеми перетворювачів частоти на польових транзисторах

На рис. 8.45 а польовий транзистор з затвором у вигляді p-n-переходу виконує роль змішувача та гетеродина одночасно. Сигнал надходить на затвор транзистора. Напруга гетеродина з гетеродинного контуру подається в ланцюг початку транзистора. Необхідний режим транзистора забезпечується відповідним вибором робочої точки за допомогою ланцюга автоматичного зміщення. Резистор у ланцюзі затвора забезпечує стікання зарядів, що накопичуються на затворі. Навантаження перетворювача – смуговий фільтр, налаштований на необхідну комбінаційну частоту струму. Так як вхідний та вихідний опори польового транзистора досить великі, то вхідний контур до затвора і контур смугового фільтра до стоку підключаються повністю.

У схемі транзисторного перетворювача частоти на польовому транзисторі з двома ізольованими затворами (рис. 8.45,б) обидва затвори використовуються як керуючі електроди. Фактично транзистор працює під впливом суми двох напруг. Напруга створюється сигналом, що подається на перший затвор, а напруга - сигналом гетеродина, що подається на другий затвор. Коливальний контур, налаштований на частоту різниці, підключений до стоку транзистора. Перевагою цієї схеми є незначний ємнісний зв'язок між ланцюгом подачі сигналу, що перетворюється, і контуром сигналу гетеродина. За наявності такого зв'язку можливе захоплення сигналом частоти коливань гетеродину. При цьому частота сигналу гетеродина стає рівною частоті сигналу, що перетворюється, внаслідок чого перетворення частоти відбуватися не буде.

Перетворення частоти можна здійснити за допомогою параметричних ланцюгів. У таких ланцюгах напруга гетеродина подається на нелінійну ємність (варикап), величина якої змінюється згідно із законом гетеродинної напруги.

ВИСНОВОК

Сучасний станрадіотехніки характеризується інтенсивним розвитком методів та засобів обробки сигналів, широким використанням досягнень цифрових та інформаційні технології. У той же час не можна абсолютизувати мінливість базових фрагментів загальної теорії радіотехніки, покладених в основу методів вирішення задач аналізу та синтезу сучасних радіотехнічних та інформаційних систем. Як знання та вільна орієнтація у безлічі математичних аксіом дозволяють приходити до нових висновків та результатів, так і знання основних концепцій у галузі моделювання сигналів, методів та технічних засобів їх обробки дозволяють легко розібратися в нових, нехай навіть на перший погляд дуже складних технологіях. Тільки за наявності таких знань дослідник чи проектувальник може розраховувати на практичну результативність відомого принципу "know-how" (знаю, як).

Поза рамками цієї книги залишилося багато питань, безпосередньо пов'язаних з "детермінованою" радіотехнікою. Насамперед це питання генерування сигналів, дискретної та цифрової фільтрації, методів аналізу та побудови параметричних та оптоелектронних пристроїв. Особливої ​​уваги й окремого обговорення заслуговують на проблеми статистичної радіотехніки, вирішення яких немислимо без широкого кругозору в галузі методів аналізу випадкових сигналів та їх перетворень, методів вирішення класичних завдань оптимальної обробки сигналів при їх виявленні та вимірі.

Надалі планується видання навчального посібника, присвяченого розгляду цих проблем з урахуванням новітніх теоретичних та практичних результатів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Гоноровський, І. С. Радіотехнічні ланцюги та сигнали: підручник для вузів. - М.: Радіо і зв'язок, 1986.

2. Баскаков, С. І. Радіотехнічні ланцюги та сигнали: підручник для вузів. - М.: Вищ. шк., 2000.

3. Радіотехнічні ланцюги та сигнали/Д.В.Васильєв, М.Р.Вітоль, Ю.М. Горшенков та ін; / За ред. А.К.Самойло - М. Радіо і зв'язок, 1990.

4. Нефьодов В.І. Основи радіоелектроніки та зв'язку: Підручник для вузів. - М.: Вищ. шк., 2002.

5. Сергієнко А.Б. Цифрове оброблення сигналів. - СПб.: 2003.

6. Іванов М.Т., Сергієнко А.Б., Ушаков В.М. Теоретичні основирадіотехніки. Навч. посібник для вузів. - М.: Вищ. шк., 2002.

7. Манаєв Є.І. Основи радіоелектроніки. - М.: Радіо і зв'язок, 1990.

8. Бистров Ю.А., Мироненко І.Г. Електронні ланцюги та пристрої. - М.: Вищ. шк., 1989.

9. Каяцкас А.А. Основи радіоелектроніки. - М:. Вищ. шк., 1988.

10. Бронштейн І.М., Семендяєв К.А. Довідник з математики для інженерів та учнів ВТНЗ. - М.: Наука. Глав. ред. фіз.-мат. літератури, 1986.

11. Левін Б.Р. Теоретичні засади статистичної радіотехніки. - М.: Радіо і зв'язок, 1989.

12. Гусєв В.Г., Гусєв Ю.М. Електроніка М: Вища. шк., 1991.