6 Преобразователи частоты
6.1 Общие сведения
Преобразователем частоты (ПЧ) называется устройство, осуществляющее линейный перенос спектра радиосигнала без изменения закона модуляции из одной частотной области в другую, представляющую более выгодные условия для его обработки. Если перенос осуществляется на радиочастоту, она называется промежуточной. ПЧ является функционально необходимым элементом РПУ супергетеродинного, инфрадинного и синхродинного типов.
Рис.6.1
Структурная схема ПЧ состоит из смесителя, гетеродина и фильтра (рис.6.1). Смеситель представляет собой электрическую цепь, создающую спектр комбинационных частот. Гетеродин - маломощный местный генератор, а фильтр является избирательной системой, выделяющей одну из комбинационных частот, которая называется промежуточной:
. (6.1)
Преобразование частоты может быть выполнено на основе нелинейного преобразования колебаний, перемножения и параметрического эффекта.
В ПЧ первого вида используют нелинейные свойства активных и пассивных компонентов. Здесь в результате воздействия колебаний сигнала и гетеродина на нелинейную ВАХ элемента в его токе возникает множество комбинационных частот , одна из которых отфильтровывается. В качестве нелинейных компонентов используются биполярные и полевые транзисторы, диоды, электронные лампы и т.п.
В ПЧ второго вида используют свойства устройств, выполняющих операцию перемножения двух функций . При перемножении возникают колебания вида , одно из которых отфильтровывается. В качестве перемножителей используются дифференциальные каскады.
В ПЧ третьего вида используются цепи с переменными параметрами, изменение которых происходит под воздействием колебания гетеродина: , где . Такими параметрами могут быть крутизна активного прибора, коэффициент передачи, сопротивление.
6.2 Общая теория пч
Преобразователь может быть представлен в виде шестиполюсника, как показано на рис.6.2
Рис.6.2
При выполнении условий входной и выходной токи являются функциями двух малых переменных, которые можно представить в виде ряда Тейлора, ограничившись линейными членами:
, (6.2)
. (6.3)
Переменные считаем гармоническими функциями:
,
,
причем .
В полученных выражениях составляющие и представляют собой результат прохождения опорного колебания гетеродина на выход и вход ПЧ, соответственно, при .
Уравнения (6.2) и (6.3) запишем в следующем виде
, (6.4)
. (6.5)
Коэффициенты при Uc и Uпч являются периодическими функциями, которые представляются рядами Фурье.
Коэффициент характеризует изменение входной проводимости смесителя, обусловленное напряжением гетеродина:
, (6.6)
где ;
характеризует изменение проводимости обратного преобразования смесителя для выходного сигнала, обусловленное напряжением гетеродина:
, (6.7)
где ;
характеризует изменение выходной проводимости смесителя, обусловленное напряжением гетеродина:
, (6.8)
где ;
характеризует изменение проводимости прямого преобразования смесителя, обусловленное напряжением гетеродина:
, (6.9)
где .
Ограничивая ряды Фурье в (6.4) и (6.5) первой гармоникой сигнала гетеродина, получим
При таком описании все коэффициенты при и представляют собой суммы постоянной и переменной частей, а именно: средних значений соответствующих проводимостей и первых гармоник отклонения проводимостей от средних значений под воздействием сигнала гетеродина. В частности, в параметре постоянная часть является средним значением проводимости прямой передачи в усилительном режиме за период колебания гетеродина, которая практически остается неизменной. Вторая часть отражает суть ПЧ как цепи с переменными параметрами - процесс изменения проводимости по закону колебания гетеродина.
На входе ПЧ предполагаются селективные цепи, выделяющие колебания на несущей частоте преобразуемого сигнала. В связи с этим в первом уравнении выделяем только те составляющие, которые формируют сигнал на частоте fс :
, (6.10)
где при обратном преобразовании частоты.
Во втором уравнении выделяем только те составляющие, которые формируют сигнал на частоте fпч:
. (6.11)
В результате получим формальную систему уравнений для амплитуд сигналов преобразователя частоты как линейного четырехполюсника
, (6.12)
. (6.13)
В качестве внутренних параметров такого ПЧ выступают:
1) входная проводимость
(6.14)
представляет собой среднее значение изменяющейся под воздействием гетеродина входной проводимости смесителя на частоте входного сигнала;
2) выходная проводимость
(6.15)
представляет собой среднее значение изменяющейся под воздействием гетеродина выходной проводимости смесителя на частоте преобразованного сигнала;
3) проводимость обратного преобразования
(6.16)
представляет собой половину амплитуды первой гармоники изменяющейся под воздействием гетеродина проводимости обратной передачи смесителя;
4) проводимость прямого преобразования или крутизна преобразования
(6.17)
представляет собой половину амплитуды первой гармоники изменяющейся под воздействием гетеродина проводимости прямой передачи смесителя.
Такой подход позволяет анализировать основные параметры ПЧ с привлечением хорошо разработанного математического аппарата для УРЧ. Граф проводимостей и сигнальный граф ПЧ представлены на рис.6.3
Входная и выходная проводимости в режиме преобразования равны
, (6.18)
. (6.19)
Коэффициент преобразования
. (6.20)
Рис.6.3
Таким образом, ПЧ должен работать при малых амплитудах входных сигналов для обеспечения минимальных искажений при переносе спектра сигнала. Это условие в спокойной ЭМО обычно выполняется, и тогда для РПУ достаточно наличия гетеродина с амплитудой колебания . Так, например, при уровнях сигнала, не превышающих 5 - 10 мВ, амплитуда колебаний гетеродина должна составлять 100 - 200 мВ.
В качестве гетеродинов в РПУ используют маломощные генераторы на полупроводниковых и ламповых приборах, а также синтезаторы частот. В общем случае к гетеродинам предъявляются требования заданной интенсивности генерируемого колебания, постоянства его уровня и стабильности частоты. Очевидно, что абсолютное изменение частоты гетеродина вызовет такое же изменение преобразованной частоты , что в результате приведет к изменению положения спектра полезного колебания в полосе ТПЧ (рис.6.4). Стабильность частот гетеродинов современных РПУ составляет 10-3-10-6 в случае простейших резонансных систем в виде колебательного контура; 10-5-10-6 для гетеродинов с кварцевыми резонаторами; 10-7 в случае их термостатирования и 10-7-10-8 при применении синтезаторов частот.
Рис. 6.4
Собственные шумы ПЧ могут существенно влиять на реальную чувствительность всего РПрУ в целом. Наряду с внутренними шумами активного элемента смесителя при преобразовании частоты следует учитывать и дополнительные источники шумов (рис.6.5): 1) преобразование шумов по побочным каналам, в частности, по зеркальному, 2) преобразование шумов гетеродина при наличии сигнала, 3) собственные шумы гетеродина вблизи частот основного и зеркального каналов, попадающие при преобразовании в полосу пропускания тракта УПЧ. Первый источник обусловлен недостаточной избирательностью по побочным каналам приема и может быть значительно ослаблен с принятием соответствующих мер. Второй источник связан с недостаточной “чистотой” спектра сигнала гетеродина и может быть устранен введением узкополосных цепей на выходе гетеродина. Третий источник может быть устранен в так называемых балансных смесителях.
Рис. 6.5