«Устройства нелинейного тракта приемника»

План лекции

6.1 Преобразователи частоты (ПЧ).

6.2 Радиоканал с многократным преобразованием частоты

6.3 Амплитудные детекторы (АД)

Литература

1. Хольний В. Я. Конспект лекций ("Устройства приема и обработки сигналов" и "Альбом рисунков и таблиц к конспекту лекций по дисциплине Устройства приема и обработки сигналов ") Кривой Рог: КК НАУ, 2012 – 56с.

2. Фомин А. И. Радиоприемные устройства – М.: Радио и связь, 2003г. – 520 с.

3. Румянцев К.Е. Радиоприемные устройства: учебник. – М.: Видавничий центр «Академия», 2006г. – 336с.

4. Головин О. В. Радиоприемные устройства – М.: Горячая линия–Телеком, 2004г. – 384с.

5. Карлов А. М., Криници В. В., Логвин А. И. Прием и обработка сигналов в авиационных радиоустройствах. М.: Транспорт, 1992 – 328 с.

Содержание лекции

6.1 Преобразователи частоты (ПЧ)

Составные части ПЧ.

• Смеситель. (СМ)

• Гетеродин (Г)

СМЕСИТЕЛИ

СМ – шестиполюсник

Назначение: Изменение несущей РС при сохранении вида и закономерности модуляции.

Критерий функционирования:

Решаемые задачи: преобразование несущей РС в промежуточную качественное усиление РС на промежуточной частоте помехозащищенность по шумам, комбинационным и соседним помехам, неизменная настройка на промежуточную частоту

Показатели каскада. Критерии его работоспособности.

• Резонансный коэффициент усиления по напряжению.

• Полоса пропускания на заданном уровне отсчета

• Коэффициент избирательности по соседней помехе

• Коэффициент сигнал/шум

• Резонанса частота настройки

• Стабильность. Сохранение работоспособности при замене полупроводникового прибора .данного и следующего каскадов, изменения параметров среды в стандартных пределах, при колебании питающего напряжения, при воздействий колебаний с большой амплитудой.

• Малые габаритные размеры и масса.

5. Структурная схема.

• Структурные элементы СМ. (рис 16, а).

ПЭ - преобразовательный элемент формирует колебания комбинационных частот из несущей PC и колебаний Г.

ПФ - полосовой фильтр обеспечивает частотную помехозащищенность.

ИП - источник питания.

m₁-элемент связи ПФ с ПЭ.

m₂- элемент связи ПФ с УПЧ.

Функция этих элементов такая же как и в УПЧ.

УСЧ и Г – возбудители.

УПЧ - потребитель.

Варианты СМ.

• Классификация:

• По структуре схемы: однотактные и двухтактные.

• По количеству входных цепей переменного тока: одноэлектродные и двухэлектродные;

• По виду ПФ: с ДПФ, ФСС, ПКФ или ЭМФ.

• По типу ПЭ: транзисторные или диодные.

• По решаемым задачам: ПЧ, если Г совмещенный или СМ, если Г отдельный.

• По рабочему диапазону частот входного РС: ДВ, СВ, КВ, МВ, ДМВ.

• По элементной базе: на дискретных элементах или микросхеме.

• Техническое наименование каскада. В состав информации входят все классификационные элементы.

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ.

Смеситель преобразует несущую PC в промежуточную при сохранении закономерности модуляции.

Преобразовательный элемент выполняет математическую операцию перемножение проходной проводимости ( крутизны S=Y₂₁) напряжение сигнала i= S(t)*U_c (1).

В цепи ПЭ действует три напряжения: U_C, U_Г, U_ПР (рис.16,6). Напряжение сигнала и промежуточной частоты. малые (U_C , U_ПР=1мкВ…1мкВ) поэтому преобразовательный элемент работает в линейном режиме S(t)=Const. Напряжение гетеродина достаточно большое, поэтому ПЭ работает в нелинейном режиме, т.е., оно изменяет крутизну ПЭ, т.э.S(U_г)≠Const.

Математическая модель АМС.

Математическая модель гетеродина.

Пусть под воздействием колебаний гетеродина крутизна ПЭ изменяется по линейному закону.

Ток в параметрической цепи(1).

После преобразования получим

Т.О. в составе тока ПЭ три переменные составляющие, несущие которых модулированы по амплитуде:

-i_c- составляющая тока PC на несущей частоте f_c;

-i_пр1- составляющая тока первой промежуточной с несущей частотой

-i_пр2- составляющая тока второй промежуточной с несущей

частотой

Возможно обеспечить преимущественное напряжения на ПФ одной из составляющих в зависимости от резонансной частоты его настройки.

Напряжение промежуточной частоты при настройке полосового фильтра на

Коэффициент усиления CM no напряжению

Обобщающие выводы.

• Если ВАХ ПЭ парабола, то S= ψ(Uг) - линейная функция , смеситель работает в режиме параметрического преобразования частоты, формируя минимальное количество комбинационных частот

• Если ВАХ ПЭ не парабола, то S= ψ (Uг) - нелинейная функция, смеситель работает в режиме параметрического преобразования частоты, формируя большее количество комбинационных частот

• Если исходные условия соответствуют П "б" и при этом амплитуда напряжения сигнала значительная, то СМ работает в нелинейном режиме, формируя максимальное количество комбинационных частот

• Основные параметры высокочастотного транзистора в режиме преобразования, частоты рассчитываются по формулам:

• для активных составляющих проводимости

• емкостные составляющие комплексных -Y- параметров равны в режиме усиления и преобразования частоты. Это позволяет формировать эквивалентную схему смесителя по таком же принципу как для УРЧ и использовать для анализа показателей формулы УРЧ, подставляя в них значения параметров УЭ в режиме преобразования частоты (рис.16,в).

ОДНОТАКТНЫЙ, ОДНОЭЛЕКТРОДНЫЙ, ДВУХКОНТУРНЫЙ СМ НА ТРАНЗИСТОРЕ С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ ОТДЕЛЬНОГО ГЕТЕРОДИНА НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ.

(базовый вариант)

Схема каскада (рис. 16,г).

• Алгоритм исполнения схемы такой же как аналогичного каскада УПЧ. Особенность - к эмиттеру VT подключен отдельный Г через разделительный конденсатор С_э .

Примечание. В качестве ПФ может применяться ФСС, ПКФ или ЭМФ.

• Опознавание схемы;

• место подключения УСЧ-СМ-УПЧ;

• структура схемы: однотактный - одно плечо;

• количество входных цепей: одна (Б-Э)

• одноэлектродный;

• ПЭ - VT;

• ПФ-ДПФ;

• Г- отдельный, подключен к эмиттеру VT.

Наименование каскада.

• Структура схемы. Цепи СМ: ВхЦIдо(Ек—»VTбэ);

Вых ЦIко(Е_к –VТ_к-.);ВхЦ1_бmс (УСЧ→VТ_бэ);ВхЦI_km (Г→VТ_эб); ВыхЦI_kmVТ_k→ДПФ_1-4); ВыхЦI_km (ДПФ_2-3→УПЧ).

Проверка технического состояния, назначение и критерии функционирования цепи, поиск отказавшей цепы-аналогия с УПЧ.

Обеспечение оптимальных условий для работы СМ.

• Особые проблемы в процессе преобразования частоты:

• -обеспечение помехозащищенности;

• -стабильность' показателей каскада.

• Техническое решение проблемы.

Помехозащищенность.

1. По внутренним шумам:

-выбирают VT малошумящий с большой крутизной;

-применяют ПФ С П_0.7min= Ш_с

-подводят пониженное питающее напряжение на коллектор .

59. По соседним помехам: применяют ПФ с П_0.7min= Ш_с с малым значением К_u;

60. По комбинационным помехам - обеспечивают работу VT в параметрическом режиме -(малая амплитуда PC, оптимальное напряжение-Г);

выбирают ТИР на нижнем изгибе проходной ВАХ VT за счет R_б2;

оптимальная амплитуда напряжения Г определяется раствором линейного участка ВАХ VT. В этом случае ПЭ в смесителе искажает одну полуволну колебании Г, при которой амплитуда первой гармоники оказывается значительно больше высших и комбинационные составляющие с первой гармоникой имеют преимущественную амплитуду.

• Стабилизация показателей каскада

• Отдаётся предпочтение ЭМФ и ПКФ.

• Предусматривается эмиттерная стабилизация с помощью R₀.

• Подключают УСЧ и Г к различным электродам входной цепи VT смесителя для ослабления УСЧ на частоту колебаний гетеродина.

• Подводят питающие напряжение от стабилизированного источника.

Сопоставление свойств с каскадом УПЧ.

Коэффициент усиления СМ в четыре раза меньше чем УПЧ.

Остальные показатели приблизительно равные и могут рассчитываться по формулам для УПЧ.

Применение. В РПУ ДВ, СВ, КВ, МВ со средним значением реальной чувствительности в составе ТПЧ с распределённой и сосредоточенной избирательностью.

СМЕСИТЕЛИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Однотактный, одноэлектродный, двухконтурный СМ на транзисторе с истоковой связью отдельного гетеродина на дискретных элементах.

• Схема каскада (рис.17,а). Принцип исполнения схемы такой же как двухконтурного УПЧ на полевом транзисторе с ОИ.

Особенность - к истоку VT подключен гетеродин через С_И.

• Сопоставление свойств с базовым вариантом:

• меньше комбинационных помех, так как ВАХ ПТ квадратичная парабола, S(U_г)- линейная функция, поэтому в процессе параметрического преобразования частоты формируются только две комбинации

• меньше коэффициент усиления по напряжению, т.к.

• Применение. В РПУ MB с повышенной реальной чувствительностью.

Однотактный, двухэлектродный, двухконтурный СМ на двухзатворном транзисторе с отдельным гетеродином на дискретных элементах.

• Принцип исполнения схемы (рис. 17,б).

• В качестве ПЭ используется двухзатворный ПТ с квадратичной вольтамперной проходной характеристикой.

• К первому затвору VT подключён УСЧ через высокочастотный трансформатор Т₂.

• Ко второму затвору VT подключен Г через высокочастотный трансформатор T₁.

• На участке истока используется делитель напряжения из двух резисторов R_и1 и R_и2 для обеспечения различных значений напряжения смещения на первой и второй затворов V Т.

• Сопоставление свойств с базовым вариантом.

• Режим работы VT:

1. линейный по первому затвору (ТИР1 малая амплитуда напряжения РС);

61. нелинейный по второму затвору (ТИР2, значительная амплитуда напряжения гетеродина).

• Меньше выходное напряжение внутреннего шума:

• Больше коэффициент избирательности по зеркальной помехе УСЧ:

• Возможность регулировки коэффициента усиления каскада по напряжению за счет изменения напряжения смещения на первом затворе.

• Выше стабильность настройки на рабочей частоте из-за слабой паразитной связи между полосовыми фильтрами Г и УСЧ.

• Меньше резонансный коэффициент усиления каскада по напряжению, так как .

• Меньше комбинационных помех, так как проходная вольтамперная характеристика ПТ -квадратичная парабола.

• Применение. В РПУ ДВ, СВ, KB, MB при повышенной реальной чувствительности, помехозащищенности и стабильности работы.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ НА ДИОДАХ

Однотактный двухконтурный СМ на диоде с отдельным гетеродином.

• Принцип исполнения схемы (рис.18,а)

• В качестве ПЭ применяется высокочастотный диод (VD).

• В его цепь подключены УСЧ, ДПФ и Г с помощью высокочастотных трансформаторов T₁, Т₂, Т₃.

• Сопоставление свойств с базовым вариантом.

• Работает как параметрический преобразователь частоты с сильной обратной связью.

• Упрощенная схема.

• Меньше выходное напряжение внутреннего шума.

• Не обеспечивает усиления по напряжению.

• Ниже стабильность работы из-за сильной связи между полосовыми фильтрами УСУ, Г и ДПФ.

• Условия для применения. В РПУ СМВ, если приняты специальные меры по стабилизации частоты гетеродина.

Двухтактный (балансный), двухконтурный см на диодах с отдельным гетеродином.

(сопоставление с предыдущим каскадом)

• Принцип исполнения схемы (рис 18,б)

• В качестве преобразовательных элементов применены два высокочастотных диода с равными параметрами.

• Диоды с однополярным включением входят в состав двух симметричных, плеч.

• Гетеродин подключён в общую цепь двух плеч через Т₃, обеспечивает синфазное возбуждение.

• УСЧ подключён к плечам с помощью T₁, возбуждает плечи со сдвигом по фазе на 180°.

• ДПФ связан с плечами преобразовательной цепи с помощью Т₂.

• Особенности свойств.

• Больше помехозащищенность:

меньше выходное напряжение внутреннего шума, так как на выходе симметричной двухтактной схемы напряжение шумов гетеродина равно нулю;

двухтактная - симметричная схема создаёт меньше комбинационных помех, так как способна подавлять комбинационные составляющие, в состав которых входят четные гармоники несущей PC при нелинейном преобразовании частоты (рис. 19 а,б).

-колебания гетеродина не могут излучаться через приёмную антенну.

• Выше стабильность настройки. Нет паразитной связи между Г и УСЧ, Г и ДПФ, так как Г подключен в одну диагональ, а УСЧ и ДПФ в другую диагональ сбалансированной мостовой схемы, образованной секциями Т₁ и Т₂.

• Сложность схемы:

1. больше элементов в составе каскада;

62. необходимость балансировки высокочастотных плеч.

• Применение. В РПУ MB, ДМВ и CMВ с повышенной реальной чувствительностью, помехозащищённостью и стабильностью работы.

Двойной двухтактный (кольцевой), двухконтурный СМ на диодах с отдельным гетеродином.

• Принцип исполнения схемы (рис. 18,в).

• Основное звено - мост из высокочастотных диодов VD1....4, которые в направлении прямой проводимости образуют схему кольца.

• К одной диагонали моста 1-1 подключён УСЧ с помощью T₁.

• К другой диагонали моста 2-2 подключён ДПФ помощью T₂.

• Гетеродин связан со смесителем через средние точки Т₁и Т₂ посредством T₃.

• Структурная схема. СМ содержит два - симметричных двухтактных плеча:

• 1 плечо: VD1 и VD3;

• 2 плечо: VD2 и VD4

• Сопоставление свойств с предыдущим вариантом.

• Обеспечивает большую помехозащищённость:

1. двойная симметричная двухтактная схема создаёт меньше комбинационных помех, так как способна подавлять комбинационные составляющие, в состав которых входят чётные гармоники несущей PC или чётные гармоники колебаний Г (рис.19,в,б).

63. подавляет помеху на промежуточной частоте, так как УСЧ и ДПФ разделены сбалансированной мостовой схемой, образованной диодами.

• Сложность схемы:

1. больше элементов в составе каскада;

64. необходимость балансировки двух двухтактных - плеч.

• Применение. В РПУ ДВ, СВ, КВ, MB, если промежуточная частота входит в состав рабочего диапазона радиоприемника.

ГЕТЕРОДИН (Г)

Г - двухполюсник

Назначение. Гетеродин формирует электрические колебания гармонической формы с заданной амплитудой и радиочастотой, которые необходимы для преобразования несущей PC в промежуточную.

Критерий функционирования U_г≠0 при E=E_ном.

Показатели Г. Критерии его работоспособности.

• U_г=ψ(t) – гармоническая функция.

• U_гm=U_норм.

• .

• .

• .

Варианты гетеродинов.

• Классификация Г.

• По количеству каскадов: простые и сложные.

• По диапазону частот: ДВ, СВ, KB, MB, ДМВ.

• По принятым мерам стабилизации установленной частоты:

1. без стабилизации γ=10^-3 .

65. с параметрической стабилизацией γ=10^-4.

66. с кварцевой стабилизацией γ=10^-5.

67. с комбинированной стабилизацией γ=10^-6.

• По элементной базе; на дискретных элементах или микросхеме.

Наименование. В состав информации входит назначение устройства (Г) и его классификационные элементы.

Краткая характеристика гетеродинов

Простые диапазонные Г без стабилизации частоты.

• Схемотехническое исполнение. АГ с индуктивной обратной связью, с индуктивной или емкостной трехточкой, по схеме Батлера на транзисторе или микросхеме .

• Одноручечная сопряженная перестройка колебательных контуров ТСЧ и Г в диапазоне рабочих частот обеспечивается за счет подключения в контур Г последовательного (C₁₀) и параллельного (С₁₂) конденсаторов сопряжения (рис.20,б), критерий сопряженной перестройки .

• Применение. В простейших РПУ с ручным управлением, работающих в благоприятных климатических условиях.

Простые диапазонные Г с параметрической стабилизацией частоты.

• Схемотехническое исполнение как и в предыдущем варианте, однако в Г применяют специальные элементы, обеспечивающие стабилизацию частоты от каждого изменяющегося параметра среды, источника питания и нагрузки.

• 2.2. Обеспечивается сопряженная перестройка как и в предыдущем варианте.

• 2.3. Применение в РПУ с ручным управлением, который эксплуатируется в жестких климатических условиях.

Простые диапазонные Г с кварцевой стабилизацией частоты.

• Схемотехническое исполнение АГ аналогично варианту 1, однако кварцевый резонатор является составной частью колебательного контура и определяет частоту настройки Г.

• Перекрытие рабочего диапазона частот осуществляется за счет использования гармоник и сменных кварцев.

• Применение. В РПУ с ручным управлением, который эксплуатируется в жестких климатических условиях, РПДУ имеет высокую стабильность частоты, если в процессе применения требуется оперативное изменение частоты настройки РПУ.

Простые диапазонные гетеродины со стабилизацией частоты с помощью АПЧ.

• Схемотехническое исполнение аналогично варианту 1, однако дополнительно подключена АПЧ, которая стабилизирует - промежуточную частоту РПУ при отклонении от номинала несущей частоты РПДУ и Г РПУ;

• Обеспечивается одноручная сопряженная установка рабочей частоты РПУ как и варианте 1.

• Применение. В РПУ с ручным управлением, который эксплуатируется, в жестких климатических условиях при нестабильной работе РПДУ.

Сложные диапазонные гетеродины с комбинированной стабилизацией частоты.

• Гетеродин - многокаскадное устройство - синтезатор с диапазонной кварцевой и параметрической стабилизацией частоты, формирующий сетку высокостабильных частот в рабочем диапазоне РПУ е заданной дискретностью.

• Применение. В РПУ, с помощью которых решаются оперативно ответственные задачи в жестких условиях эксплуатации при необходимости автоматической перестройки РПУ, если РПДУ имеет высокую точность установки и стабильности частоты колебаний.