Покровский / УМК ОРЭ ч.2(для студентов) / Радиоэлектроника(часть2) / Ответы(часть2)№06

Супергетеродинный приемник

Приемник супергетеродинного типа (предложен Э. Армстронгом в 1918 г.) обеспечивает очень высокую и практически одинаковую избирательность во всех диапазонах волн, а также более равномерное усиление в высо­кочастотном тракте. Это достигается путем введения в главный тракт прием­ника (рис. 8.7) преобразователя частоты, состоящего из смесителя (СМ), ге­теродина (Г) и усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Часть приемника — преселектор, включающий входную цепь, МШУ и УВЧ, подобен структуре приемника прямого усиления и обеспечивает чувствительность и предвари­тельную селекцию на частоте.

Рис. 8.7. Структурная схема супергетеродинного приемника

В супергетеродинном приемнике спектр принимаемого сигнала с помо­щью преобразователя частоты переносится с несущей частоты f₀ на (как пра­вило, более низкую) промежуточную:

, (8.3)

где f_г — частота гетеродина.

Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, в процессе преоб­разования частоты эту информацию необходимо сохранять, т. е. преобразова­тель частоты для сигнала должен быть линейным устройством. Таким обра­зом, в процессе преобразования частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих. Резонансные контуры каскадов УПЧ на­страиваются на промежуточную частоту.

При перестройке колебательных систем преселектора одновременно изме­няется и частота гетеродина таким образом, чтобы промежуточная частота оставалась постоянной. Поскольку УПЧ не перестраивается по частоте, то это позволяет получить в супергетеродинном приемнике высокую частотную избирательность при неизменной полосе пропускания, а также реализовать оптимальную фильтрацию сигнала от помех, применяя согласованные фильт­ры на промежуточной частоте. Таким образом, в супергетеродинном прием­нике устраняются основные недостатки приемника прямого усиления.

Вместе с тем, обладая принципиальными достоинствами, супергетеродин­ный приемник не лишен ряда недостатков. Один из них — наличие дополни­тельных паразитных каналов приема.

Рис. 8.8. Ослабление зеркального

канала полосовыми фильтрами

Основным паразитным каналом приема является зеркальный. Поскольку промежуточная частота в соответствии с формулой (8.3) равна абсолютной разности частот сигнала и гетеродина, то приемник может одновременно принимать радиосигналы двух передающих станций с разными несущими частотами f₀, f_з и соответственно спектрами S(f₀), S(f_з), расположенными симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина f_г (рис. 8.8).

Если, например, частота f₀ одного принятого сигнала меньше, а другого f_з — больше частоты гетеродина f_г на проме­жуточную частоту f_ПЧ, то на выходе УПЧ будут присутствовать два преобразованных сигнала с равными частотами — основной f_ПЧ = f_г − f₀ и зеркальной f_ЗК = f_ПЧ = f_з − f_г. Как нетрудно заметить, f_з — f₀ = 2·f_ПЧ, т. е. зеркальный канал отстоит от основного (полезного, принимаемого) на удвоенное значение промежуточной частоты. Подав­ление частот зеркального канала осуществ­ляется с помощью полосовых фильтров, включенных во входную цепь и УВЧ приемника. Они содержат резонансные контуры, которые настраиваются на частоту принимаемого сигнала f₀. Эти же фильтры ослабляют сигнал частоты зеркального канала f_з, по отношению к которой резонансные контуры расстроены (см. АЧХ K(f) на рис. 8.8).

Соседним называют канал приема, примыкающий к основному каналу и рабочая частота которого отличается на заданную величину от частоты на­стройки приемника на желаемую радиостанцию. Соседний канал приема возникает вследствие недостаточной избирательности приемника. Сигнал со­седнего канала не отфильтровывается преселектором и создает в преобразова­теле частоты колебания на частотах, близких к промежуточной частоте и вхо­дящих в полосу пропускания УПЧ. В радиовещательных приемниках частота соседнего канала составляет 10 кГц.

Интермодуляционный канал приема возникает при прохождении через преселектор вместе с полезным сигналом частоты f_c двух (и более) помех на частотах f_п1, f_п2, которые в смесителе образуют колебания с комбинационны­ми частотами , где п, т, р — целые числа. Если какая-либо одна или несколько из комбинационных частот попадает, в полосу пропуска­ния УПЧ, то создается интермодуляционный побочный канал приема. Для уменьшения влияния последнего следует повышать частотную изби­рательность преселектора и уменьшать усиление в УРЧ.

Следует отметить, что подавление сигналов побочных каналов приема (в том числе и зеркального) улучшается при повышении промежуточной частоты f_ПЧ. Однако при этом ухудшается избирательность УПЧ приемника.

При изменении частоты настройки высокочастотного тракта приемника необходимо также одновременно перестраивать частоту гетеродина. Это дос­тигается путем сопряжения органов настроек высокочастотного тракта и ге­теродина, для чего в приемнике применяется единственная ручка (обычно электронный элемент) настройки. С ее помощью одновременно изменяют резонансную частоту высокочастотного тракта и частоту колебаний гетероди­на, сохраняя между ними фиксированную промежуточную частоту.

К недостаткам супергетеродинного приемника следует отнести и возмож­ность приема помехи с частотой, близкой или равной промежуточной час­тоте. Такая помеха может пройти весь тракт без преобразования в преобразо­вателе частоты и усилиться в УПЧ. Ее прием аналогичен приему по схеме прямого усиления независимо от частоты гетеродина. Для подавления подоб­ных помех во входную цепь супергетеродинного приемника вводят режекторный фильтр, настроенный на промежуточную частоту.

В супергетеродинном приемнике возможно также появление так называе­мых комбинационных каналов приема, вызывающие комбинационные свисты. На некоторых частотах работы приемника в результате сложных процессов в преобразователе частоты получается сигнал с частотой f’_ПЧ, близкой к проме­жуточной частоте. Тогда полезный и паразитный сигналы одинаково усили­ваются в УПЧ, но при этом возникают биения (нелинейные эффекты) их не­сущих частот. В результате подобных биений появляется низкочастотная оги­бающая полезного сигнала с разностной частотой f_СВ = | f_ПЧ — f’_ПЧ |, которая выделяется амплитудным детектором и после усиления в УПЧ прослушивает­ся в виде свиста.

Побочные каналы приема могут быть практически устранены рациональным выбором промежуточной частоты, режима работы преобразователя частоты и необходимой частотной избирательности преселектора и усилителя промежу­точной частоты. Наиболее эффективным является использование схем смесите­ля, выполняющих близкое к идеальному перемножение напряжений, а также электронной развязки цепей гетеродина и высокочастотного тракта.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

Простота радиоприемника прямого усиления только кажу­щаяся. Для получения узкой полосы пропускания приходится увеличивать число резонансных контуров и их добротности. Сле­довательно, усложняется перестройка приемника. Поэтому при­емники по схеме прямого усиления изготовляют весьма редко.

В настоящее время массовое применение находят супергетеродинные радиоприемники (рис. 22.2). В таких приемниках осуществляется преобразование частоты принимаемого радиосигнала так, что спектр, сосредоточенный в окрестности частоты ω_i, переносится на промежуточную частоту ω_п. Преобразование частоты выполняет преобразователь, состоящий из смесителя и гетеродина — генера­тора опорного колебания. Принцип действия такого преобразова­теля рассмотрен в § 17.3. Наиболее часто промежуточная частота

либо . (22.2)

При перестройке входной цепи и усилителя радиочастоты из­меняется и частота гетеродина так, чтобы промежуточная частота ω_п оставалась постоянной. Это обстоятельство позволяет приме­нять неперестраиваемые усилители промежуточной частоты (УПЧ). Такие УПЧ удается создать с хорошей частотной избирательно­стью. Поэтому основное усиление и частотную избирательность супергетеродинного приемника обеспечивает УПЧ. Входная цепь и усилитель радиочастоты выполняют предварительное выделение сигнала и ослабляют мощные мешающие радиосигналы.

Супергетеродинный радиоприемник, обладая принципиальными достоинствами, не лишен недостатков. Основной из них — побоч­ные каналы приема. Как известно из общей теории преобразова­ния частоты (см. § 17.3), в полосу пропускания УПЧ попадает не только сигнал, например, с частотой ω_с = ω_г + ω_п, но и другие сигналы, частоты которых ω_с (п, т) удовлетворяют равенству

ω_п = | ± пω_с(п, m) ± mω_г |. (22.3)

Основной побочный канал приема называется зеркальным. Частота этого канала ω_зк отличается от частоты сигнала ω_с на удвоенное значение промежуточной частоты: ω_зк = ω_с ± 2ω_п. Ослаб­ление мешающих радиосигналов и помех с частотами зеркального канала и всех других побочных каналов выполняют полосовые фильтры, включаемые до преобразователя частоты, т. е. фильтры, входящие в состав входных цепей и усилителя радиочастоты. Полезно иметь в виду, что подавление побочных каналов приема облегчается при увеличении промежуточной частоты ω_п, однако при этом затрудняется получение достаточно узкой полосы УПЧ.

Другой недостаток супергетеродинного приемника — возмож­ность возникновения комбинационных свистов. Такие свисты по­являются на некоторых частотах принимаемого сигнала ω’_c = ω_г − ω_п, на которых ω’_п приблизительно равная частоте ω_п, полу­чается в соответствии с (22.3) и путем более сложного преобра­зования. При этом условии УПЧ усиливает два сигнала с близ­кими частотами. Вследствие биений несущих этих сигналов появ­ляется низкочастотная огибающая с частотой | ω_п − ω’_п |, которая выделяется ампли-тудным детектором, затем усиливается и про­слушивается в виде свиста. Третий недостаток супергетеродинного приемника заключается в возможности создания радиопомех дру­гим приемникам, если колебание гетеродина попадает в антенну.

Все перечисленные недостатки в современных супергетеродин­ных приемниках устраняются путем рационального выбора про­межуточной частоты или двух промежуточных частот в приемниках с двойным преобразованием частоты, использованием смесителей, выполняющих почти идеально точное перемножение напряжений, и надежной развязкой гетеродина от входных цепей.

Кроме основных функциональных узлов, таких, как входные цепи, усилители радио-, промежуточной и звуковой частот, преоб­разователь частоты и детектор, схемы современных радиоприемни­ков дополняются устройствами и системами, качественно улуч­шающими технические и эксплуатационные показатели. Таковыми являются системы автоматического регулирования усиления и автоматической подстройки частоты.

Структурные и схемотехнические особенности, конструкция и элементная база радиоприемника определяются его назначением, условиями эксплуатации, диапазоном принимаемых волн.

По назначению приемники делят на радиовещательные, телеви­зионные, связные, радиолокационные, навигационные и др. Назна­чением приемника определяются свойства принимаемых сигналов. Например, радиовещательные приемники предназначены для при­ема речевых и музыкальных сигналов; телевизионные — для при­ема сигналов изображения и звука; связные — для приема теле­фонных и телеграфных сигналов, цифровых сигналов управления и др.

По условиям эксплуатации различают стационарные и неста­ционарные приемники. Как стационарными, так и нестационар­ными могут быть приемники различного назначения. Стационар­ными считаются приемники, не предназначенные для работы на подвижных объектах. К нестационарным относятся все приемники, устанавливаемые на подвижных объектах, например, космические, самолетные, корабельные, автомобильные, переносные и др.

Для реализации приемников промышленность выпускает специализирован­ные ИС, выполняющие функции одного или нескольких функциональных узлов. Такие примеры ИС приведены в предыдущих главах. Так, в качестве усилителя промежуточной и радиочастоты может применяться ИС К175УВ4 (см. рис. 14.17), преобразование частоты выполняет ИС 219ПС1 (см. рис. 17.9). Усилителем звуковых частот может служить ИС К174УН5 (см. рис. 15.7). Выпускаются также специализированные серии ИС. Для радиовещательных приемников пред­назначены ИС серии 235, для телевизионных — ИС серии К174 и др.

Структурные схемы приемников в зависимости от их назначе­ния дополняются специфическими функциональными узлами. Сложные связные приемники снабжаются устройствами програм­мной настройки. Приемники, предназначенные для приема цифро­вой информации, комплектуются устройствами последетекторной обработки, фильтрующими и декодирующими принятый сигнал. Эти устройства часто выполняются на базе МП. В телевизионных приемниках сигнал с выхода детектора разделяется на сигнал изображения и звука. Из сигнала изображения выделяют импульс­ные последовательности, необходимые для синхронизации генерато­ров строчной и кадровой развертки. Все эти преобразования вы­полняют специализированные ИС.

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.

5