22340

Преобразователи частоты (ПЧ)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Преобразователи частоты ПЧ Преобразователи частоты предназначены для переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую. Рисунок Перенос спектра сигнала преобразователем частоты Обобщенная структурная схема ПЧ приведена на рисунке 2. ПЧ состоит из нелинейного элемента НЭ смесителя фильтра промежуточной частоты ФПЧ и гетеродина Г. Рисунок 2 Структурная схема преобразователя частоты Смеситель можно представить шестиполюсником на который подаются напряжения преобразуемого сигнала uC и гетеродина...

Русский

2013-08-04

264 KB

26 чел.

Лекция 4. Преобразователи частоты (ПЧ)

Преобразователи частоты предназначены для переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другую. Перенос спектра должен происходить без изменения вида и параметров модуляции, т.е. линейно (рис. 1).

Рисунок  - Перенос спектра сигнала преобразователем частоты

Обобщенная структурная схема ПЧ приведена на рисунке 2. ПЧ состоит из нелинейного элемента (НЭ) — смесителя, фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) и гетеродина (Г).

Рисунок 2 - Структурная схема преобразователя частоты

Смеситель можно представить шестиполюсником, на который подаются напряжения преобразуемого сигнала uC и гетеродина uГ, а на выходе выделяется напряжение промежуточной частоты иПЧ. В дальнейшем НЭ с гетеродином будем называть преобразующим элементом (ПЭ).

Преобразование частоты возможно в результате перемножения двух напряжений. Одним из них является принятый сигнал:

                                                (1)

Вторым - напряжение вспомогательного генератора (гетеродина), формируемое в приемнике:

                                                      (2)

При перемножении напряжений сигнала и гетеродина появляются комбинационные составляющие частот:

                                 (3)

Одна из выделяемых фильтром частот называется промежуточной частотой:

                                                (4)

Перемножитель напряжений можно реализовать с помощью нелинейных цепей или цепей с периодическим изменением параметров под действием гетеродина. Эти нелинейные или параметрические элементы называют смесителями.

Сигнал на входе смесителя должен быть малым, чтобы нелинейность его характеристики не приводила к заметным искажениям принимаемого сигнала. Напряжение гетеродина сравнительно велико, поэтому проводимость смесителя меняется по закону изменения напряжения гетеродина (рисунок 3). Ее можно представить в виде ряда Фурье:

                                        (5)

где - амплитуда k-ой гармоники проводимости нелинейного элемента, - постоянная составляющая проводимости.

Рисунок 3 - Зависимость проводимости смесителя от напряжения  гетеродина

Ток на выходе смесителя равен:

                                                         (6)

Подставляя в (6) выражения (1) и (5), получаем:

               (7)

Из (7) видно, что комбинационные составляющие Г±ωС появляются вследствие изменения проводимости смесителя при воздействии напряжения гетеродина. Они имеют такую же структуру, как исходный сигнал. Постоянная составляющая проводимости не дает преобразования частоты. Из составляющих выходного тока используют, как правило, только составляющую разностной частоты (полезная составляющая):

                                     (8)

Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только разностную составляющую выходного тока, поэтому напряжение на выходе преобразователя определяется выходным током i. Согласно (8), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала UС, следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется. Фаза тока i также соответствует фазе исходного сигнала φс, т. е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется. Амплитуда тока i зависит от амплитуды гармоники крутизны . При UГ = 0, как следует из рис. 3, = 0; i = 0 (преобразования по частоте не происходит). Чем больше UГ, тем больше , а следовательно, больше амплитуда тока i и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.

В зависимости от вида ПЭ ПрЧ подразделяют на диодные, транзисторные, интегральные. В зависимости от числа ПЭ выделяют следующие виды преобразователей:

  •  простые (один ПЭ),
  •  балансные (два ПЭ),
  •  кольцевые (четыре ПЭ).

Выводы.

1) При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.

2) Для преобразования частоты используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.

3) Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой fГ крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой fПР, выделяемая фильтром, создает напряжение на выходе преобразователя частоты.

Основными показателями качества ПЧ являются:

  •  коэффициент усиления по напряжению и по мощности
  •  диапазон рабочих частот
  •  избирательность
  •  коэффициент шума
  •  нелинейные  искажения

Побочные каналы преобразования

Напряжение на выходе ПЧ появляется на различных частотах входного сигнала                  fc = kfГ ± fПР  в зависимости от номера гармоники частоты гетеродина (рисунок 4).

На промежуточной частоте fПР ПЧ является просто усилителем с крутизной . Это канал прямого прохождения сигнала, без переноса спектра относительно частоты гетеродина. Преобразование на первой гармонике частоты гетеродина fГ пропорционально  на частотах входного сигнала fГ + fПР и fГ - fПР. Преобразование на второй гармонике гетеродина 2fГ пропорционально  на частотах 2fГ + fПР и 2fГ - fПР и т.д. Следовательно, частотная характеристика имеет несколько максимумов (1, 2, 3,...). Чем выше порядок преобразования, тем, как правило, меньше крутизна преобразования и, значит, коэффициент усиления.

В полосу пропускания фильтра на выходе преобразователя попадают продукты преобразования колебаний всех каналов. Один из этих каналов является основным, остальные — побочными, мешающими. Например, если основным выбран канал 2 с частотой  fС, то побочным будет канал 3, который является как бы зеркальным отражением основного канала, поэтому он называется зеркальным (или симметричным), его частота f3 отличается от частоты основного канала на 2 fПР. Если в качестве основного принят канал 3, то зеркальным является канал 2. Усиление преобразователя по основному и зеркальному каналам одинаково. Поэтому его влияние на избирательность приемника наиболее существенно. Колебания с частотами побочных каналов должны быть подавлены до ПЧ, т.е. в преселекторе (его характеристика показана штриховой линией на рис. 4). Подавление зеркального канала облегчается при более высокой промежуточной частоте. Однако высокую избирательность по соседнему каналу и устойчивое усиление легче получить при более низкой промежуточной частоте. Разрешение этого противоречия возможно при двойном или тройном преобразовании частоты.

Выводы

1) Преобразование частоты в супергетеродинном приемнике приводит к образованию ряда каналов приема. Из всех каналов только один является полезным, называемый основным. За основной может быть принят любой канал, за исключением канала при k=0, так как в нем не происходит преобразования частоты.

2) Если преобразование частоты простое (k=l), то за основной принимают канал с частотой f2 или f3 (см. рис. 4). Обычно основным выбирают канал с частотой f2, остальные каналы называют побочными (паразитными). Канал, симметричный относительно основного (для канала с частотой f2 - это канал с частотой f3), называют зеркальным. Канал на частоте f1 = f0 ПР называют побочным каналом на промежуточной частоте.