8. Преобразователи частоты. Схемотехническое проектирование преобразователя частоты. Умножитель частоты и модулятор

2. 8.1. Модуляция и демодуляция

Все перечисленные выше системы используют модуляцию. В процессе модуляции аудио, видео или цифровой сигнал (информативный сигнал), который необходимо передать, накладывается на высокочастотную синусоиду, называемую несущей волной. Модуляция изменяет один из параметров несущей волны – амплитуду, частоту или фазу. Возможно изменение более одного параметра. Почему применяется модуляция? Основные причины следующие.

Трансляция радиоволн на более высоких частотах позволяет использовать антенны приемлемых размеров, так как эффективность приема радиоволн достигается при длине антенны больше длины волны, а длина волны обратно пропорциональна частоте:

отсюда получаем:

где с – скорость электромагнитных волн (в свободном пространстве с = 300 мм/сек). Чтобы размер антенны был в несколько раз больше длины волны, частота несущей волны должна быть как можно выше.

Используя различные несущие частоты для нескольких информативных сигналов, можно одновременно передавать много информации без взаимных помех, например множество телевизионных каналов. Такая передача информации иногда называется мультиплексной передачей с разделением по частоте (FDM).

Применение частотной модуляции значительно улучшает отношение сигнал/ шум.

В приемнике радиоволн происходит отделение информативного сигнала от несущей частоты. Этот процесс называется демодуляцией. Тип демодуляции зависит от типа модуляции радиоволны. На рис. 8.1 представлены блок-схемы передатчика и приемника радиоволн.

1. 

Рис. 8.1. Блок-схема а) – передатчика, б) – приемника

4. 8.2. Преобразователи частоты. Схемотехническое проектирование преобразователя частоты

Преобразователь частоты (ПЧ) - электронное (реже электромагнитное) устройство, предназначенное для увеличения (уменьшения) в целое число раз частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний. Отношение f_вых/f_вх (f_вх и f_вых – частоты колебаний соответственно на входе и выходе умножителя частоты) называется коэффициента умножения (деления) частоты m и может достигать нескольких десятков. Характерная особенность ПЧ – постоянство τ при изменении (в некоторой конечной области) f_вх, а также параметров преобразования частоты (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав УЧ). Отсюда следует, что если f_вх по каким-либо причинам получила приращение Df_вх (достаточно малое), то приращение Df_вых частоты f_вых таково, что Df_вх/f_вх = Df_вых/f_вых, т. е. относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остаётся неизменной. Это важное свойство ПЧ позволяет использовать их для повышения частоты стабильных колебаний (обычно получаемых от кварцевого задающего генератора) в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и др. установках.

Наиболее распространены ПЧ, на примере УЧ, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варактора, или варикапа, катушки с ферритовым сердечником; электронной лампы) и электрического фильтра (одного или нескольких). Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными f_вх. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой mf_вх, подавляя (не пропуская) остальные. Поскольку такое подавление в реальных фильтрах не является полным, на выходе УЧ остаются нежелательные (побочные) составляющие, т. е. гармоники с номерами, отличными от m. Задача облегчается, если нелинейное устройство порождает практически только m-ю гармонику f_вх, – в этом случае иногда обходятся без фильтра (известны подобные УЧ на туннельных диодах и специальных электроннолучевых приборах). При m > 5 бывает энергетически выгоднее использовать многокаскадные УЧ (в них выходные колебания одного каскада служат входными для другого).

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации автогенератора. В последних возбуждаются колебания с частотой f₀ = mf_вх, которая становится в точности равной mf_вх под действием поступающих на его вход колебаний с частотой f_вх. Недостаток таких УЧ – сравнительно узкая полоса значений f_вх, при которых возможна синхронизация. Кроме указанных, некоторое распространение получили радиоимпульсные УЧ, в которых на вход электрического фильтра подаются радиоимпульсы определённой формы, вырабатываемые под действием входных колебаний с частотой f_вх.

Основная проблема при создании УЧ – уменьшение фазовой нестабильности выходных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), приводящей к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе. Строгий расчёт УЧ связан с интегрированием нелинейных дифференциальных уравнений.