Тема 2.3. Преобразование частоты.

1. Принцип преобразователя частоты.

2. Схема преобразователя частоты.

3. Область применения.

1.Преобразование частоты сигнала осуществляется с целью переноса его спектра в нужный для передачи участок диапазона электромагнитных колебаний. Т.о. под преобразованием частоты понимают, перенос (смещение) спектра сигнала по шкале частот в область более низких или более высоких частот без изменения спектрального состава и формы огибающей сигнала.

Такая необходимость возникает, например, при организации многоканальной связи с ЧРК в современных радиоприемниках.

Общий принцип, обеспечивающий преобразование частоты, состоит в том, что подлежащий преобразованию сигнал умножается на гармоническое колебание с частотой г. Это колебание должно быть получено с помощью специального генератора, называемого гетеродином (мало-мощный генератор). Если в спектре сигнала содержится гармоника с частотой ₀, то при перемножении этих гармонических колебаний получим:

, т.е. на выходе перемножителя появятся гармонические колебания с суммарной ₀+ г и разностной ₀- г частотами (f₀+fг). Поскольку преобразуемый сигнал можно рассматривать как сумму его гармоник, то в устройстве перемножения каждая его гармоника будет умножена на гармоническое колебание с частотой г. Следовательно, каждая гармоника сигнала обусловливает появление на выходе перемножителя двух гармонических, колебаний с суммарной и разностной частотами. Тем самым преобразуется весь спектр сигнала.

Рассмотрим процесс преобразования частоты с помощью временных и спектральных диаграмм.

Рисунок а-г. Временные диаграммы процесса преобразования частоты

Рисунок 83 а-в. Спектральные диаграммы процесса преобразования

Итак, в результате преобразования частот произошел перенос спектра из области н/ч в область в/ч без изменения спектрального состава (три спектральные составляющие) и без изменения огибающей этого колебания.

Рассмотрим процесс преобразования частоты с помощью временных и спектральных диаграмм.

Рисунок 82 а-г. Временные диаграммы процесса преобразования частоты

Рисунок 83 а-в. Спектральные диаграммы процесса преобразования

Итак, в результате преобразования частот произошел перенос спектра из области н/ч в область в/ч без изменения спектрального состава (три спектральные составляющие) и без изменения огибающей этого колебания.

4. Для получения промежуточной частоты требуется напряжение от вспомогательного генератора, который называется гетеродином. В качестве нелинейного элемента обычно применяется безынерционный параметрический элемент – сместитель. Как сместитель используются различные электронные приборы, в которых сигнальное и гетеродинное напряжения подаются на один и тот же или различные электроды: биполярные транзисторы, одно – или многосеточные лампы, дифференциальные усилители, кристаллические диоды (в СВЧ диапазоне) и др.

Рассмотрим функциональную схему транзисторного смесителя.

Рисунок 84. Преобразователь частот. Схема электрическая функциональная.

На смеситель подаются два напряжения.

Uc- изменяющееся с частотой несущей fo принимаемого сигнала и Uг – изменяющемся с частотой колебаний

генерируемых гетеродином. Выходное напряжение преобразователя Uвых пропорционально напряжению Unч (промежуточной частоты), в данном транзисторе – разностной f_ПР=f₀-f_Г, на которую настроен колебательный контур в коллекторной цепи транзисторного смесителя.

Различают два варианта схем преобразователей частоты:

а) смеситель и гетеродин представляют собой две самостоятельные схемы на различных активных элементах;

б) смеситель и гетеродин объединены в одном активном элементе.

Вторая схема имеет худшие параметры по сравнению со схемой с отдельным гетеродином, поскольку трудно одновременно обеспечить оптимальные режимы как для смесителя, так и для гетеродина, поэтому на практике находят больше применение схемы преобразователей с отдельным гетеродином.

В технике электросвязи и радиоэлектронике преобразование частоты занимает особое место. Это наиболее часто применяемая операция при формировании сигналов в радиопередающих устройствах, аппаратуре многоканальной электросвязи, радиоприемных устройствах. Применение так называемого супергетеродинного приема позволило значительно улучшить качественные показатели радиоприемников. Именно применение в супергетеродинах принципа переноса высокой частоты в более низкую промежуточную позволило основное усиление приемника и выделение полезного сигнала из помех осуществлять просто выполняемым узкополосным усилителем промежуточной частоты.