Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

Особое значение стабильность частоты имеет для реализации бес-

поисковой и бесподстроечной связи.

При низкой стабильности частоты гетеродина бесподстроечная связь достигается путем расширения полосы пропускания тракта усиления до детектора. Полоса пропускания выбирается такой,

где 2Ртах— ширина спектра принимаемого сигнала; Ар. — нестабильность частоты гетеродина приемника; АЁер — нестабильность частоты передатчика; [х — изменение частоты принимаемого сигнала за счет взаимного перемещения источника излучения и приемника (эффект Доплера).

Вследствие выбора избыточной полосы пропускания ухудшается помехоустойчивость приема сигналов. Известно, что фиксирующая способность элементов, определяющих частоту генерируемых колебаний, зависит от конструкции деталей и физических процессов, используемых в генераторе. Опыт показывает, что при-

менение стабильных деталей и температурной компенсации в це- пях гетеродина [23] позволяют иметь частотную нестабильность

не более д=АРр= (10-3--10-4). Применение кварца позволяет по-

кварцевый генератор имеет долговременную нестабильность час- тоты не более д=10-8--10-7 [24]. Нестабильность частоты моле-

кулярных генераторов не выше 8=10-!8—10-12 [24] (сохраняется в течение продолжительного времени эксплуатации). При фикси-

рованной относительной нестабильности абсолютное отклонение частоты настройки А/=б увеличивается с увеличением частоты настройки. Обратим внимание на то, что реализация меньшей нестабильности частоты требует усложнения аппаратуры и соответ-

ствующего увеличения затрат [23].

На магистральных линиях радиосвязи целесообразно предъявлять одинаковые требования стабильности частоты к передатчику и к приемнику. Поэтому возбудители радиопередатчиков и гетеродины радиоприемников выполняются на одной основе.

В современных устройствах используют синтезаторы частот. Основой синтезатора является стабильный по частоте опорный

генератор. Из его колебаний формируются колебания с шагом сетки частот 100, 10, 1 Гц. Формирование сетки частот осуществ-

ляется с помошью делителей, умножителей и преобразователей частоты. При использовании этих элементов возникают побочные

продукты— комбинационные частоты и гармоники основных колебаний. Таким образом, получение высокой стабильности часто-

ты сопряжено в этом случае с ухудшением чистоты спектральной линии гетеродина. Наличие побочных продуктов и шума вблизи спектральной линии гетеродина приводит к ухудшению отноше-

141

ния сигнала к помехе на выходе преобразователя. Известно, что малый уровень побочных продуктов и высокая чистота спектраль-

ной линии свойственны генератору с самовозбуждением. Сочетание положительных свойств генератора с самовозбуждением и си-

стемы синтеза частот на основе кварцевого эталона можно получить, применив структурную схему синтезатора, изображенную на рис. 5.33 [24].

В синтезаторе имеются генератор с самовозбуждением Г: (с переменной частотой настройки { и электронной подстройкой час-

плавного генератора так, что Ит=р/п. Отсюда [Ерт/п. Изменение коэффициента деления т

рез интервалы 10 Гц при сохранении высокой чистоты спектраль- ной ЛИНИИ.

Врадиовещательных и телевизионных приемниках требования

кстабильности настройки обычно удовлетворяются при использовании гетеродинов, выполненных на деталях с малыми темпера-

турными коэффициентами нестабильности и в некоторых случа-

ях —с компенсацией температурной нестабильности. Такая стабильность настройки простыми способами определяется относительно большой шириной спектра сигналов и требованиями экономической целесообразности затрат на изготовление радиопрнемников. Положение изменится при внедрении в практику радиовещания однополосной модуляции. Здесь применение синтезаторов частоты окажется необходимым и в массовой аппаратуре.

Обратим внимание на то, что использование цифровых син- тезаторов частоты определяет дискретность частот настройки прниемника. При малом числе дискретных частот настройки, которое может оказаться необходимым в специализированных системах связи, находит применение непосредственная кварцевая стабили-

142

зация частоты гетеродина. В широком диапазоне частот непосредственная кварцевая стабилизация затруднена. Однако в при-

емнике супергетеродинного типа при кварцевой стабилизации частоты гетеродина и переменной промежуточной частоте можно осуществить плавную настройку.

На рис. 5.34 изображена структурная схема приемника с кварцевой стабилизацией частоты гетеродина. В этом приемнике чис-

ло кварцев, используемых для стабилизации частоты гетеродина,

ас911и " + т | Дет | му Выход

="ботзё ИД ИЕ

Рис. 5.34

равно числу поддиапазонов. Частота гетеродина в каждом поддиапазоне остается постоянной, поэтому для плавной перестрой-

ки вместе с перестройкой преселектора необходимо изменять частоту настройки УПЧ,:. В перестраиваемом УПЧ (@ы=уаг) трудно обеспечить требуемую форму частотной характеристики и ее постоянство, поэтому в приемнике применено второе преобразование частоты (ПЧ.).

В усилителе второй промежуточной частоты- (УПЧ.) формируется частотная характеристика высокочастотного тракта с необ“ ходимой полосой пропускания.

Вторая промежуточная частота выбрана достаточно низкой, величина ее не изменяется. Очевидно, что при переменной [а частота второго гетеродина должна быть переменной. Вследствие того что второй гетеродин имеет переменную настройку, в нем могут применяться обычные методы стабилизации частоты, Поэтому относительная нестабильность частоты этого гетеродина оказывается выше кварцевого— первого гетеродина. Однако частота второго гетеродина ниже, и абсолютная величина нестабильности его частоты оказывается малой.

К достоинствам приемника, выполненного согласно структурной схеме рис. 5.34, относятся: возможность кварцевой стабилиза-

ции в плавном диапазоне настроек и одинаковая плотность распределения станций на шкале настройки приемника.

Недостатки такого приемника: 1) трудность выбора промежуточных частот фа и +2, исключающего появление интерференци-

онных свистов в диапазоне настроек; 2) сложность конструкции усилителя первой промежуточной частоты с переменной настрой-

кой; 3) ограничение возможности повышения стабильности частоты настройки в связи с применением гетеродина с плавной пе-

рестройкой во втором преобразователе частоты.

В профессиональных приемниках с плавной частотой настрой-

ки обычно предусматривается контроль соответствия действительной частоты настройки и указателя частоты по шкале настройки

143

приемника с помощью кварцевого калибратора. Кварцевый калнбратор представляет собой генератор, частота которого стабили-

зируется кварцем с малым температурным коэффициентом частоты (ТКЧ)

В приемнике предусматриваются элементы подстройки контуров гетеродина, позволяющие скорректировать настройку так, чтобы получить высокую точность установки частоты по частотной

шкале приемника. Контрольные точки на шкале приемника особо маркируют. (Кварцевые калибраторы могут входить в конст-

рукцию приемника.)

Гетеродины приемников УКВ, в зависимости от требований к стабильности частоты, представляют собой однокаскадные генераторы с самовозбуждением, клистронные генераторы, генераторы на туннельных диодах, на приборах Ганна или синтезаторы с дискретной сеткой частот, включаемые совместно с умножителями частоты на резистивных либо на емкостных приборах (варакторах).

В диапазоне УКВ при применении в системе связи широкополосных сигналов возможно использование простых методов ста-

билизации частоты на основе применения соответствующих стабильных элементов в контуре гетеродина и стабилизации напряже-

ния питания и теплового режима радиоэлементов.

Дополнительные возможности сужения полосы пропускания тракта приемника при бесподстрочной связи дает применение автоматической подстройки частоты гетеродина. Более подробно си-

стемы стабилизации частоты настройки изложены в [23].

Влияние шумов гетеродина

Источники гетеродинного напряжения создают на выходе колебания, имеющие флуктуации, обусловленные дискретностью носителей зарядов в активных приборах и определяющие изменение частоты и фазы гетеродинного напряжения, подводимого к преобразователю. Спектр этих флуктуаций обычно сосредоточен

вблизи частоты колебаний гетеродина.

Выходное колебание синтезатора частоты содержит побочные продукты, ко- торые проявляются на комбинационных частотах, определяемых структурой синТезатора. В случае, когда побочные продукты не содержатся в области частот шириной 2}, вблизи частоты полезного сигнала, в первом приближении можно считать, что в этой области частот существуют: равномерный спектр электрических флуктуаций гетеродина и «чистая спектральная» линия гетеродинного на-

пряжения (рис 535). Электрические флуктуации обусловлены шумами контура гетеродина (или шумами выходного контура оконечного каскада синтезатора)

и шумами носителей зарядов активного прибора.

- На рис. 535 показаны области частот электрических флуктуаций вблизи

рося и в которые создают преобразованные частоты с первой гармоникой гетеродина, равные промежуточной частоте. Если цепь связи гетеродина с пре-

образователем будет иметь широкую полосу пропускания, превышающую 24, то эти электрические флуктуации создадут на выходе преобразователя шумовбе напряжение. В результате увеличится уровень шума преобразователя частоты.

144

Отсюда следует целесообразность улучшения избирательности цепи связи пре-

образователя с гетеродином. Это особеино существенно в диапазоне УКВ, где

велика абсолютная ширина {толосы пропускаиия реализуемых колебательных контуров.

Эффективное иапряжение шума, подводимое к преобразователю от гетеродина по основному каналу,

Где Угосн— ордината характеристики избирательности цепи связи гетеродина с преобразователем частоты при расстройке, соответствующей основному каналу

приема, Ар; — ширииа полосы тракта УПЧ; Еш:г- шумовое сопротивление ге-

2

Г ЧАТ ще

Рис. 5.35

Напряжение шума, подводимое к преобразователю по зеркальному каналу,

Отта = У То Кит ак Ар,

где Игзкордината характеристики цепи связи с гетеродином при расстройке, соответствующей зеркальиому каналу приема.

Напряжение шума, подводимое к преобразователю, на частоте гетеродина

О т.г — У ® То Кг Ар.

Здесь в отличие от напряжений Ошгосн И Ошгзк, отсутствует миожитель

квазигармоническими соответственно с частотами сн, №зк и р. Найдем пре- образоваииые составляющие шумового тока гетеродина на выходе преобразователя. Эту задачу решим для резистивного преобразующего прибора Представляем выходной ток преобразующего прибора в виде ряда Маклорена (5 63), полагая в качестве приращения напряжения

Ди = и = Рин. осн + И п, к + И»

145

стоте зеркального канала приема; ишг= И 9 Ошгг 0$ [6гЁ + фе (Ё)] — напряже- иие шума гетеродина на частоте гетеродина; Фоск({), Фэк(Ё, Фг (К) — влучай-

В отсутствие сигнала (И»с=0) на выходе преобразователя согласно (5.89) существует шумовой ток, обусловленный шумами гетеродина на частотах осиов-

При наличии сигнала на входе преобразователя (Итс=20) на выходе последнего появляется обусловленная эффектом преобразования шума на частоте гетеродина дополнительная шумовая составляющая тока, линейно зависящая от амплитуды сигнала.

1.

г о

риод гетеродина; [п ш доп Линейно зависит от амплитуды сигнала.

Известно, что для малых напряжений гетеродина (а здесь напряжение сигиала выступает в качестве гетеродинного) крутизна преобразователя прямо пропорциональна амплитуде гетеродина. Поэтому шумовой ток прямо пропорцио-

нален амплитуде напряжения сигнала. При наличий сигнала (Итс=0) эффек- тивное значение суммарного шумового тока с промежуточной частотой, обусловленного шумами гетеродина,

.шз == у м + 22 ш доп =

= 51 УТ. АНИ У нк (55/25) (2. — 16.83)

Составим отношение сигнала к шуму на выходё преобразователя, полагая, что единственным источником шума является гетеродин:

(С/Пвых = Гп п/я =

= беУ ТОКАИ9 ен Нк ( 35 Ите/25.). — (5.84)

Зависимости /тп, шшу, (С/Ш)вых от амплитуды сигнала Ос изображены на рис. 5.36.

При малых напряжениях сигнала, когда (5^Отси)?/2< У$?р оснУ? зы, т. е., при

146

шумовой ток на выходе преобразователя не зависит от уровня входного сигнала.

В этих условиях отношение сигнала к шуму на выходе преобразователя увеличивается с увеличением амплитуды входного сигнала. При выполнении не-

равенства (5.85)

(С вых = Отс ГИ 4ЕТо Ки г А и у рр осн + тк.

Отсюда следует, что улучшение избирательности цепей связи преобразователя с гетеродином на частотах основного и зеркального каналов приема улучшает отношение сигнала к шуму.

Рис. 5.36

При больших амплитудах напряжения входного сигнала, при которых не- равенство (5.85} изменяется на обратное, шумовой ток

щего прибора остается постоянным. Максимальное отношение сигнал-шум опре-

новному и зеркальному каналам приема даже в отсутствие избирательности в цепях связи гетеродина с преобразователем. Однако в этих преобразователях частоты компенсацию шума гетеродина на частоте гетеродина выполнить невозможно. Дело в том, что при суммировании продуктов преобразования часто-

147

В балансных преобразователях и обычных преобразователях частоты [при выполнении неравенства (5.86)] максимальное отношение сигнал-шум определя-

ется формулой (5.87). В целях получения болышого отношения сигнал-шум иа выходе преобразователя необходимо увеличивать крутизну преобразователя и уменьшать среднее значение первой производной крутизны преобразующего при-

бора за период гетеродина.

5.6.Преобразователь частоты

скомпенсацией приема зеркального канала

При низкой промежуточной частоте зеркальный канал находится близко к основному и плохо ослабляется преселектором. В этих условиях можно применить компенсационный метод устранения приема зеркальиого канала.

Структурная схема преобразователя частоты, построениого на этом прин- ципе, изображена на рис 537. Устройство состоит из двух трактов преобразо- вания частоты, подключенных к общему сумматору. В каждом из трактов включены два фазосдвигающих контура. Один из них включен между общим гетеродином и преобравзующим прибором (фг1 в первом плече преобразователя и Ф:2— во втором плече), а второй— между преобразующим прибором и сум-

матором (фи! —в первом плече и Физ— во втором).

(3)-&

тпо НЫ ф, ыы 97 +, Е.

Согласно общей теории преобразования частоты при Фи=@,—@о выход- ное напряжение преобразованного сигнала основного канала, подводимое к сум-

матору,

148

Выходное напряжение сумматора при действии сигнала Оше по основиому“ каналу приема на выходе первого плеча

От п1== Киа Отс == Киз Чтесехр 1 (фгь -- Физ), на выходе второго плеча

От пз == Киз 0" == Киз Ос ехр 1 (Фгз | Физ).

Напряжение преобразованного сигнала по основному каналу приема на выходе сумматора

Выполним совместно два требования. Потребуем, чтобы эффект от преоб- разования частоты основного канала был максимальным, а эффект от преобра-

зования частоты зеркального канала был равен нулю (Птпвыхзк==0).

Выражение, стоящее в квадратных скобках формулы (5.89 а), представляет собой геометрическую сумму двух единичных векторов с произвольным фазовым сдвигом иа комплексной плоскости. Очевидно, что максимальное значение модуля будет обеспечено при совпадении этих единичиых векторов, т. е. при

напряжения сумматора будет в 2 раза больше модуля выходного напряжения

где #=0,1,2,3,... — натуральный ряд чисел.

Соотношения (591) и (5.92) удобнее записать в несколько ином виде, выДделив фазовые сдвиги в цепях гетеродина и фазовые сдвиги в цепях промежу-

точиой частоты обоих трактов.

149

“Найдем разность выражений (5.91) и (5.92):

2:1 = 2фг2-л.

Соотиошения (5.93) и (5.94) свидетельствуют о множестве реализаций, по- зволяющих получить компенсацию приема симметричного канала и суммировазне результата преобразования частоты основного канала приема. Эти реализации отличаются возможностями произвольного выбора Фг, Фио и различными

Это уравнения прямых, изображенных на рис. 5.38,а и 6. Здесь же штри- <ховой линией показаны графики для выбора Фг» и Физ Но заданным соответстзенно фг И Фп, за пределами области, где —л/2<ф<+л/ и #№=0.

Рис. 5.38

Обратим внимание иа то, что условия компенсации зеркального канала приема сохраняются при достаточно широких пределах изменения Фг: и фи. Из этого следует, что возможна одновременная компенсация ие только одного колебания (например, только несущего колебания зеркального канала), ио и целого спектра частот.

На рис. 5.37 указаны необходимые фазовые сдвиги в цепях гетеродина и тракта промежуточной частоты для частного случая одинаковых абсолютных величии этих сдвигов. Согласно рис. 538 этот выбор соответствует. координатам точек А и Б, т. е, фа ==-л/4, фр л/4, фил, Фи =—п 4. Эти же фазо- ‚вые сдвиги указаны иа рис. 5.37 в круглых скобках.

150