4. Преобразователи частоты и приемники

Преобразователи частоты выполняют функцию переноса спектра частот сигналов из одного диапазона в другой.

Смесителями частоты называют микросхемы, предназначенные для переноса высокочастотного модулированного колебания на промежуточную частоту (Down-конверторы) или для переноса модулированного на промежуточной частоте сигнала на высокую частоту (Up-конверторы). Модуляторами называют микросхемы, предназначенные для переноса спектра модулирующего сигнала из baseband диапазоне на промежуточную или высокую частоту; детекторы выполняют обратные функции. Приемниками называют микросхемы, в той или иной степени совмещающие функции смесителя, детектора и стабильного автогенератора.

Преобразователи частоты характеризуются следующими основными параметрами:

Чувствительность по линейному входу (дБм) определяет минимально допустимый ВЧ модулированный сигнал для синхронных детекторов и down-конверторов, при котором гарантируется выполнение всех прочих параметров преобразователя. Для up-конверторов и модуляторов просто определяется оптимальное значение амплитуды сигнала, поскольку в передатчике всегда может быть получен модулированный или модулирующий сигнал необходимой величины.

Динамический диапазон по линейному входу (дБм) определяется как точка для интермодуляционных искажений ВЧ сигнала на линейном входе синхронного детектора или down-конвертора аналогично тому, как это определяется для линейных усилителей.

Коэффициент преобразования (дБ) определяет относительную величину выходного сигнала преобразователя по отношению в величине сигнала на линейном входе. Коэффициент преобразования является аналогом коэффициента усиления усилителя, но, в отличие от последнего, может быть и отрицательным (для пассивных преобразователей).

Коэффициент шума (дБ) определяется, аналогично коэффициенту шума усилителя, как отношение сигнал/шум на выходе преобразователя к отношению сигнал/шум на линейном входе преобразователя.

Минимально необходимая величина опорного сигнала (дБм) определяет величину мощного сигнала на нелинейном входе преобразователя, при котором гарантируется выполнение прочих параметров преобразователя.

Полоса частот baseband сигнала (Гц) определяется только для модуляторов и детекторов и характеризует возможную символьную скорость передачи (приема) сообщения.

Подавление комбинационных составляющих (дБ) определяется как отношение мощности любой побочной частоты преобразования (включая немодулированный опорный сигнал) на выходе преобразователя к мощности полезного сигнала на выходе преобразователя.

Рассмотрим далее функциональные схемы некоторых типов преобразователей частоты.

Типовая микросхема квадратурного модулятора в диапазоне частот до 1 ГГц показана на рис.7.10.

Сумматор

Фазовращатель

Рис.7.10. Функциональная схема микросхемы квадратурного модулятора

Фазовращатель в относительно узкой рабочей полосе реализуется с помощью фазосдвигающих цепочек на сосредоточенных элементах. Но более распространены широкополосные модуляторы, в которых сдвиг фазы на 90 градусов выполняется с помощью схемы деления входной частоты на два и последующим инвертированием каждого сигнала. Очевидно. в этом случае на вход модулятора должна подаваться опорная частота, в два раза превышающая необходимую. Рабочая полоса (по высокочастотному сигналу) квадратурных модуляторов составляет несколько сот мегагерц, полоса частот модулирующего сигнала до 100 МГц.

Важнейший показатель для квадратурных модуляторов – подавление побочных продуктов преобразования. В лучших модуляторах гарантируется подавление всех паразитных частот (включая немодулированную несущую) до уровня –40 дБ от уровня полезного сигнала.

Типичная микросхема смесителя частоты содержит аналоговый перемножитель и буферные усилители по высокой и(или) промежуточной частоте. Очень часто функции преобразования частоты вверх и вниз совмещаются в одной микросхеме, которая называется Up/Down конвертор. Типичная структура микросхемы Up/Down конвертора показана на рис. 7.11.

Наряду с активными смесителями, находят применение пассивные смесители, которые характеризуются отсутствием потребляемой мощности и высоким динамическим диапазоном. Пассивный смеситель имеет величину подавления интермодуляционных искажений более 50 дБ (по сравнению с примерно 35 дБ для активного смесителя), что является прямым следствием высокого динамического диапазона. Функциональная схема классической микросхемы пассивного двойного балансного смесителя показана на рис.7.12.

Х2

ГУН

Рис.7.11. Функциональная схема микросхемы Up/Down конвертора

Рис. 7.12. Пассивный двойной балансный смеситель

Частотный диапазон пассивных смесителей и максимально допустимые уровни сигналов для нормальной работы незначительно отличаются от аналогичных параметров для активных смесителей. Коэффициент преобразования пассивных смесителей очевидно меньше 1 и равен, примерно, -3 .... –6 дБ. Как и для любой пассивной схемы, коэффициент шума смесителя равен его коэффициенту передачи. В отдельных микросхемах возможна установка усилителей в канал высокой, опорной или промежуточной частоты.

Под общим названием «приемники» обычно понимают микросхемы, осуществляющие некогерентное детектирование ЧМ сигнала на низкой промежуточной частоте.

Частотно модулированный сигнал был и остается наиболее используемым в радиосвязи. Некогерентный квадратурный частотный детектор, простой и надежный, употребляется в 9/10 всех ЧМ приемников. Специфика формирования квадратурного сигнала для детектора ( с помощью резонансного контура) не позволяет использовать детектор на высокой частоте. Поэтому принято использовать стандартные частоты 465, 455 и 450 КГц.

Очевидно, что при использовании несущих частот выше 27 МГц непосредственный перенос ВЧ сигнала на столь низкую промежуточную частоту практически невозможен из-за трудностей фильтрации побочных продуктов преобразования. Общепринято выбирать первую (высокую) промежуточную частоту в приемнике исходя из требований электромагнитной совместимости. Все последующие функции: перенос первой промежуточной частоты на вторую (низкую) промежуточную частоту, усиление и ограничение сигнала на низкой частоте, некогерентное частотное детектирование осуществляется в единой микросхеме. Функциональная схема классической микросхемы приемника показана на рис. 7.13.

Полосовой фильтр

микросхема

Генератор

Резонансный контур

Кварцевый резонатор

Рис.7.13. Функциональная схема микросхемы ЧМ приемника

Входной сигнал первой промежуточной частоты поступает на вход микросхемы и далее на смеситель. На второй вход смесителя поступает сигнал от внутреннего генератора, стабилизированного внешним кварцевым резонатором. Сигнал второй промежуточной частоты на выходе смесителя усиливается и фильтруется от побочных продуктов преобразования с помощью внешнего полосового фильтра. Второй усилитель выполняет функцию усилителя-ограничителя для исключения перехода паразитной АМ в ЧМ. Внешний резонансный контур служит для квадратурного сдвига сигнала. В результате на выходе второго детектора имеется демодулированный сигнал в baseband диапазоне.

Реализовано большое количество модификаций классической схемы рис.7.13 для работы в диапазоне входных частот до 150 МГц. Микросхема приемника характеризуется следующими основными параметрами:

• чувствительность менее 1 мкВ достигаются при входной частоте до 45 МГц

• полоса пропускания канала второй ПЧ до 1 МГц

• суммарный коэффициент усиления на второй ПЧ не менее 80 дБ

• потребление тока менее 5 мА от источника питания 3 В