127

22. Нелинейное и параметрическое преобразование спектров сигналов

Общие сведения. В структуре любой системы связи имеются передающее и приемное устройства, разделенные каналом связи. Система передачи информации по радиочастотному каналу связи (рис. 22.1) включает радиопередатчик (1), канал передачи сигнала, в частности, открытое про­странство (2) и радиоприемник (3). Краткое описание свойств открытого пространства с точки зрения условий распространения радиоволн различных диапазонов частот приводится в учебниках по радиотехнике. Не рассматривая сейчас структуры радиопередатчика и радиоприемника, которые будут подробно обсуждаться в главе 26, назовем устройства, входящие в их состав.

Радиопередатчик содержит высокочастотный генератор, умножители частоты, узкополосные и широкополосные усилители напряжения и мощности, модулятор, антенно-фидерное устройство, источник вторичного электропитания.

В составе типового радиоприемника можно увидеть усилители высоких и низких частот с повышенными требованиями к уровням собственных шумов, автогенератор, преобразователь частоты, демодулятор (детектор), оконечное устройство, источник вторичного электропитания.

Таким образом, базовый набор аналоговых устройств, на основе которых строится любая система связи, включает:

• усилители,

• умножители частоты,

• автогенераторы,

• преобразователи частоты,

• модуляторы,

• демодуляторы (детекторы),

• источники вторичного электропитания.

В главе 18 приведен общий подход к описанию явлений, происходящих во всех названных выше устройствах. Он базируется на представлении устройства в виде типового электронного аналогового звена (рис. 22.2), содержащего не­линейный или параметрический элемент и линейный фильтр. При этом нели­нейный или параметрический элемент предназначен для обогащения спектра воздействия s_вх(t), а линейный фильтр служит для выделения нужной спек­тральной составляющей s_вых(t).

Свойства нелинейных элементов и принципы, лежащие в основе работы типового аналогового звена при нелинейных пре­образованиях сигналов, подробно рассмотрены в разделе I и в главе 18 на­стоящего учебника. По­этому при дальнейшем изложении основное внимание будет обра­щаться на рассмот­рение физических основ ра­боты отдельных уст­ройств, математического аппарата, описывающего их функционирование, и на разноплановые во­просы их схемотехнической реализации.

22.1. Нелинейные преобразования спектров сигналов

Рассмотрим принципы работы отдельных аналоговых устройств названного выше базового набора при использовании явлений нелинейного преобразования спектров сигналов. Будем далее полагать, что нелинейный элемент в составе типового аналогового звена (рис. 22.2) представлен своей ВАХ, описываемой степенным полиномом

i = a₀ + a₁  u + a₂  u² …+… a_к  u^к …+…, (22.1)

при этом существенным для рассматриваемых аналоговых устройств являются вид воздействия и те полезные спектральные составляющие, которые должны быть выделены с помощью линейного фильтра. Перечислим на чисто описательном уровне эти существенные признаки применительно к конкретным устройствам.

Усилители. Нелинейный режим работы усилителя, в отличие от линейного, используется для повышения к.п.д. Воздействие может быть одночастотным (например, резонансный усилитель мощности) или широкополосным (например, усилитель мощности звуковых частот). При этом нелинейный элемент ставится в такой режим, чтобы была максимально подчеркнута мощность переменных составляющих тока по отношению к мощности постоянной составляющей.

Умножители частоты. В отличие от нелинейного усилителя, фильтр настраивается на желаемую гармонику, при этом частоты входного и выходного сигналов отличаются в 2 и т.д. раз. Режим работы нелинейного элемента должен обеспечить наибольший вес нужной гармоники в составе выходного тока. В практике коэффициент умножения частоты не превышает 2, 3, что обусловлено ухудшением энергетических показателей устройства и ухудшением фильтрации высших гармоник при более высоких коэффициентах умножения.

Автогенераторы. Автогенератор является электронным устройством, служащим источником колебаний заданной формы. С точки зрения нелинейных преобразований сигналов, автогенератор осуществляет преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Широким классом автогенераторов являются гармонические автогенераторы, вырабатывающие колебания гармонической формы. Один из принципов построения автогенераторов заключается в использовании положительной обратной связи в усилительном устройстве, когда в системе при выполнении определенных условий возникают непрерывные колебания. Если обеспечить выполнение этих условий на единственной частоте, то колебания будут иметь гармоническую форму. В реализации любого автогенератора участвуют нелинейный элемент, служащий для обогащения спектра, и фильтр, выделяющий полезную спектральную составляющую, т.е. традиционные компоненты типового радиотехнического звена.

Преобразователи частоты. Преобразователь частоты осуществляет сдвиг спектра сигнала влево или вправо вдоль частотной оси. Воздействие является двухчастотным: это напряжение сигнала и напряжение вспомогательного гармонического генератора – гетеродина. За счет нелинейности ВАХ (22.1) среди спектральных составляющих тока присутствуют комбинационные – с суммарной и разностной частотой гетеродина и сигнала. Линейный фильтр выделяет нужную спектральную составляющую.

Модуляторы. Модуляторы являются техническими устройствами, осуществляющими модуляцию, т.е. управление одним из параметров высокочастотного гармонического колебания в соответствии с законом изменения во времени низкочастотного управляющего – модулирующего – сигнала. Независимо от рабочего вида модуляции – амплитудная, частотная, фазовая – воздействие является двухчастотным. При этом за счет нелинейности ВАХ в спектре выходного тока среди множества других присутствуют полезные составляющие – несущее колебание и боковые полосы частот. Линейный фильтр настраивается на частоту несущего колебания и имеет полосу пропускания не уже ширины спектра модулированного колебания.

Демодуляторы (детекторы). Демодулятор (детектор) предназначен для выделения информации, заложенной в модулированный высокочастотный сигнал. В случае радиосигнала, например, с амплитудной модуляцией, спектр содержит несущее колебание и симметрично расположенные боковые полосы частот. При этом воздействие на нелинейный элемент можно рассматривать как трехчастотное, вызывающее в спектре тока множество составляющих, среди которых есть полезные, содержащие в себе закон изменения модулирующего сигнала. Они являются низкочастотными и могут быть выделены линейным фильтром нижних частот. Детектирование радиосигналов с балансной, однополосной и угловой модуляцией также требует нелинейных преобразований сигналов.

Источники вторичного электропитания (выпрямители). Устройства вторичного электропитания обеспечивают питание электронного оборудования постоянным током и также могут быть сведены к типовому электронному аналоговому звену (рис. 22.2). Воздействием на нелинейный элемент в этом случае является напряжение промышленной частоты. В спектре тока присутствует постоянная составляющая, которая является полезной и выделяется с помощью фильтра нижних частот, в полосу прозрачности которого не должны попадать гармоники воздействия.