3 Преобразование частоты в приемниках

• Преобразование частоты в приёмниках.

Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра радиосигнала из одной области диапазона частот в другую с сохранением закона и параметров модуляции. Для упрощения процесса усиления полезного сигнала в радиоприёмных устройствах перенос осуществляется в область относительно низких частот.

Принцип работы преобразователя частоты основан на взаимодействии двух высокочастотных напряжений, подводимых к схеме с нелинейным элементом. Однако из этих напряжений несёт полезную информацию принятого сигнала, а второе вспомогательное, формируемое специальным генератором (гетеродином). Если представить вольтамперную характеристику нелинейного элемента в виде простейшего ограничительного ряда

и подать на этот элемент два напряжения

ток нелинейного элемента будет содержать множество комбинационных составляющих этих частот. Среда ряда составляющих тока будет и разностная между частотами сигнала гетеродина и полезного сигнала , которая выделяется с помощью фильтра, настроенного на эту частоту. Выходным сигналом преобразователя является падение напряжения на сопротивлении избирательной нагрузки от тока, изменяющегося с этой частотой

.

Амплитуда выходного напряжения определяются свойствами нелинейного элемента и величина подводимых напряжений, а частота и фаза начальными значениями этих параметров напряжений.

В общем случае, когда реальная вольтамперная характеристика нелинейного элемента определяется достаточно сложной зависимостью в процессе преобразования образуется множество комбинационных частот, одна из которых может быть выбрана в качестве промежуточной

,

где p и q целые числа. Если p=q=1 преобразование называют простым. При других значениях оно сложное.

Как правило, в приёмниках амплитуда напряжения сигнала много меньше чем у гетеродина. При сложении таких напряжений в нелинейной цепи результат воздействия можно представить в виде малого приращения, для которого ВАХ нелинейного элемента с определённой точностью можно считать линейной, а крутизна ВАХ изменяется под воздействием достаточно большого напряжения гетеродина. В этом случае процесс преобразования можно представить как действие напряжения сигнала на линейную систему с переменными параметрами.

Крутизна характеристики в данном случае есть периодическая функция времени, которую можно представить в виде ряда Фурье

.

При подаче на вход преобразователя напряжения сигнала ток представляется как

,

или

В случае, когда закон изменения крутизны сложен, помимо основной частоты гетеродина появляются высшие её гармоники. Частоты комбинационных составляющих определяются выражением .

В связи с тем, в приёмниках происходит преобразование слабых сигналов, независимо от того каким образом оно осуществляется (нелинейным элементом, или линейной системой с переменными

параметрами) преобразователь частоты относят к линейной части.

Классификация преобразователей и их основные характеристики.

В соответствии с изложенными принципами преобразования частоты схема преобразователя должна включать нелинейный элемент (элемент с переменным параметром) – смеситель, гетеродин и избирательную нагрузку.

В качестве смесителя могут быть использованы: электронные лампы, транзисторы, полупроводниковые диоды, а также нелинейные ёмкости или индуктивности, обладающие нелинейной проводимостью.

Гетеродины обычно представляют собой маломощные генераторы с самовозбуждением, реже специальные устройства, создающие совокупность напряжений различных частот.

Нагрузкой смесителя являются различные полосовые фильтры.

Большее распространения на практике получило простое преобразование,

которое является результатом взаимодействия первых гармоник частот сигнала и гетеродина.

По характеру проводимости смесительного элемента преобразователи частоты делятся на две группы;

- преобразователи на нелинейных элементах с активной проводимостью.

- преобразователи с реактивной проводимостью.

В первую группу входят преобразователи на лампах, транзисторах и полупроводниковых диодах.

Ко второй группе относятся преобразователи на нелинейной ёмкости параметрического диода.

Ламповые и транзисторные преобразователи могут быть с отдельным гетеродином. Во втором варианте функции смесителя и гетеродина объединены в одном каскаде и воздействие гетеродинного напряжения на нелинейные свойства смесителя осуществляется через общий ток нелинейного элемента. Преобразователи с разными гетеродинами обладают более стабильными характеристиками по сравнению с совмещенными.

Ламповые преобразователи часто делятся на пентодные, триодные, диодные. Пентодные преобразователи строятся по схеме с общим катодом и могут быть одно и двух сеточными. В первом случае напряжение сигнала и гетеродина подаются на одну сетку. В случае же подаче сигналов на разные сетки уменьшаются взаимное влияние входного контура гетеродина при их перестройке. Триодные и транзисторные преобразователи строятся по схемам как с заземлённым катодом (эмиттером), так и с

заземлённой сеткой (базой).

Триодные смесители находят широкое применение в ДМ диапазоне волн, т.к. обладают меньшим уровнем собственных шумов и конструктивного более удобны для согласования с колебательными контурами на основе отрезков коаксиальных линий. В последнее время широко применяются диодные смесители, особенно в ДМ и СМ диапазонах.

Для оценки качества работы преобразователей и для их сравнительной оценки используются следующие основные показатели.

1. Коэффициент преобразования. Это отношение амплитуды напряжения или мощности сигнала промежуточной частоты на выходе преобразователя к напряжению сигнала на его входе.

;

Величина этого коэффициента определяется типом и режимом работы смесителя и свойствами нагрузки

2. Рабочий диапазон частот определяется диапазоном работы приёмника и обеспечивается перестройкой гетеродина. При фиксированной настройке гетеродина приёмника работает на одной частоте.

3. Уровень собственных шумов преобразователя. Как один из первых каскадов приёмника преобразователь частоты существенно влияет на общий уровень собственных шумов. Источниками шумов являются те же элементы, что и в других каскадах, а методика их оценки аналогична.

4. Избирательность. По аналогии с каскадами усиления избирательность преобразователя частоты определяет способность его ослаблять выходное напряжение при расстройке. Определяется избирательность

резонансными свойствами его нагрузки. Однако специфика работы преобразователя частоты делает возможным появление, ряд других частот, напряжения которых при одной и той же частоте гетеродина в процессе преобразования дадут промежуточную частоту.

Здесь представлена зависимость коэффициента передачи преобразователя от частоты. В соответствии с принципом преобразования через нагрузку протекают составляющие тока смесителя с различными комбинационными частотами. В случае простого преобразования при неизменной частоте гетеродина одно и то же значение промежуточной частоты может быть при приёме сигналов на двух частотах и

;

Дополнительный канал приёма отличается от основного по частоте на величину и расположен зеркально относительно частоты гетеродина.

Кроме зеркального канала существуют и дополнительные каналы

Если частота входного канала равна промежуточной, преобразователь работает как усилитель.

Наличие зеркальных и дополнительных каналов является существенным не достатком супергетеродинного приёмника, снижающего его устойчивость. Основной способ ослабления приёма по зеркальному каналу является улучшение избирательности каскадов, стоящих до преобразователя. Это упрощается по мере увеличения промежуточной частоты. Однако это в свою очередь усложняет формирование требуемой резонансной характеристики УПЧ, особенно при необходимости узкой полосы пропускания.

Это противоречие решается в процессе двойного преобразования. На более высокой частоте ослабляется влияние зеркального канала, а на более низкой частоте формирование требуемой полосы.

Как и другие элементы приёмника, преобразователь частоты может быть источником частотных, фазовых и нелинейных искажений. Последние обусловлены самим принципом преобразования. Так появление в спектре сигнала дополнительных составляющих за счёт комбинационных частот эквивалентно нелинейным искажениям. Уменьшение этих искажений достигается за счёт улучшения избирательности и выбора режима работы, при котором характер изменения проводимости смещения будет приближаться к гармоническому.

Представим преобразователь частоты в виде цепи с активной нелинейной проводимостью, с управляющим напряжением гетеродина . На вход такой системы подаётся напряжение сигнала . На выходе включена нагрузка , падение напряжения которой .

Выходной ток преобразователя с частотой . В общем случае зависит от характеристики нелинейной проводимости, сигнала и промежуточной частоты

Уровень сигнала на входе преобразователя намного меньше напряжения гетеродина, а величина коэффициента передачи преобразователя относительно велика и таким образом выполняется неравенство

;

Таким образом, выходной ток преобразователя является функцией двух малых переменных. На основе этого разложим функцию тока в ряд Тейлора по степеням малых переменных, ограничивать трёмя первыми

членами.

Первое слагаемое представляет собой составляющую тока преобразователя, которая обусловлена действием напряжения гетеродина при . Обозначим . Второе слагаемое является приращением тока преобразователя, вызванное действием напряжения сигнала, т.е. представляет собой проводимость нелинейной цепи для . Под действием напряжения гетеродина величина проводимости периодически меняется с частотой . Обозначим эту проводимость .

Третье слагаемое характеризует приращение тока за счёт действия на него нагрузку напряжения промежуточной частоты. В каждый момент времени это приращение определяется проводимостью нелинейной цепи для и мгновенным значением этого напряжения.

Обозначим его и определим как проводимость нелинейной цепи для . Таким образом

Представив функцией ,и в виде рядов Фурье и приняв условие, что промежуточная частота образуется по закону

представим ток промежуточной частоты в сл. виде

переходя к комплексным амплитудам последнее выражение представляется в виде

и его можно назвать уравнением прямого преобразования. Здесь - как гармоника функции S. - постоянная составляющая .

Аналогично можно представить схему преобразователя частоты со стороны выхода. Полагая, что к выходу преобразователя подключен источник промежуточной частоты, можно получить выражение для выходного тока на частоте сигнала. В любой реальной схеме преобразователя частоты в той или иной степени проявляется влияние на за счёт наличия обратной проводимости нелинейной цепи. Этот процесс принято называть обратным преобразованием частоты. Физический смысл этого влияния заключается в следующем. Напряжение промежуточной частоты, приложенное к нелинейной проводимости преобразуется под действием напряжения гетеродина в ток частоты сигнала. Как бы частота меняется местами.

Представляя входной ток как функцию и двух малых переменных и можно его значение выразить в виде ряда по аналогии с прямым преобразованием при условии, что меняются местами. Выделяя составляющую входного тока с частотой можно получить для её комплексной амплитуды следующее выражение

,

где и - периодические функции напряжение гетеродина представляющие соответственно амплитуду к – ой гармоники обратной проводимости нелинейной цепи для . И постоянную составляющую проводимости той же цепи для . Эти величины определяются типом нелинейной цепи и амплитудой . Представленное выражение можно считать уравнением обратного преобразования. Обратное преобразование приводит изменению входной и выходной проводимостей преобразователя. В большей мере это относится к диодным преобразователям и преобразователям с общей сеткой (базой). В этой связи необходимо учитывать (внутренние параметры).

- Крутизна преобразования. Отношение амплитуды тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала при закороченном выходе.

-Внутренняя проводимость. Отношение амплитуду тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения этой же частоты при законном входе.

- Внутренний коэффициент усиления преобразователя. Отношение амплитуды напряжения промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала.

На основании уравнений прямого и обратного преобразования можно составить эквивалентную схему преобразователя, с помощью которой можно определить его внешние параметры.

-Коэффициент преобразования

- Входная проводимость

равна сумме входной проводимости нелинейного элемента на и проводимости, обусловленной обратным преобразованием.

полный входной ток преобразователя на частоте сигнала обусловленный наличием входной проводимости нелинейного элемента и обратным преобразованием.

- Выходная проводимость

складывается из внутренней проводимости преобразователя и проводимости нагрузки на .

Шумы преобразователей частоты.

Источники шумов преобразователей частоты и методика их оценки аналогичны УВЧ, однако при этом учитывать особенности преобразования. В СВЧ диапазоне при использование диодных полупроводниковых смесителей для количественной оценки шумов используют понятие относительной шумовой температуры

, где - мощность шума, создаваемая только выходным сопротивлением преобразователя при температуре окружающей среды. При согласовании преобразователя с последующим каскадом

,

отсюда

считая, что по входу преобразователя согласование обеспечено и принимая его коэффициент шума равный

шумовую температуру можно представить, как

,

где - коэффициент преобразования по мощности.

Дополнительным источником внутреннего шума является преобразование по зеркальному каналу, т.к. происходит суммирование шумовых составляющих, попавших в полосу частот УПЧ. Это явление оценивается эквивалентным увеличением эффективной шумовой полосы приёмника. Только по зеркальному каналу такое эквивалентное расширение приближенно равно

,

где - эффективная шумовая полоса приёмника, - ослабление З.К.