7.3Физические процессы смешивания при частотном преобразовании сигналов
Как известно, процесс смешивания заключается в одновременном воздействии на нелинейный элемент входного сигнала и напряжения местного гетеродина. Изменяющееся напряжение гетеродина периодически в соответствии с частотой генерации изменяет проводимость нелинейного элемента. Если на такой элемент с изменяющейся проводимостью подать входной сигнал, то на выходе образуется множество сигналов комбинационных частот (с частотами входного сигнала и частотой гетеродина) вида т ωс, + n ωг ,, (где m, n — целые числа 0; - +1; - +2, что является отражением процесса смешивания сигналов.
Из сигналов комбинационных частот можно выделить сигнал либо одной частоты, либо сигнал, состоящий из нескольких комбинационных частот, т.е. речь идет о тех же процессах, которые происходят в выпрямителях, детекторах и демодуляторах. Эти схемы принципиально не отличаются друг от друга. Все зависит от выбранного режима работы смесительного диода и параметров по
следующих фильтров, а название только указывает на выполняемую ими функцию в том или другом устройстве, что можно видеть из последующих рассуждений.
Вольт-амперную характеристику диода можно представить, как:
i = S u + К u
+ ......,
где: S — крутизна характеристики. Она обратно пропорциональна
внутреннему сопротивлению диода, т.е. R = 1 / S; К — кривизна этой характеристики.
Очевидно, что для работы диода в качестве смесителя необходимо подать на него два напряжения — напряжение сигнала и напряжение гетеродина:
U = Ас, cos ωс t+ Аrcos ωг ,
где Ас, и Аr , — амплитуды входного сигнала и сигнала гетеродина соответственно.
Подставляя эти значения в выражение вольт-амперной характеристики диода, получаем:
U =0.5S Ас + 0.5 SАс +….+0.5S Аr Асcos(ωс – ωг)
g
При малой амплитуде сигнала можно пренебречь высшими слагаемыми ряда, т.е. высшими гармониками сигнала ввиду их чрезвычайной малости. Первые два члена ряда в полученном выражении — это выпрямленный ток, включающий шумовые компонента и помехи, вызванные флуктуациями напряжения гетеродина, не несущие информации о входном сигнале. Выпрямленные токи здесь бесполезны и устраняются при использовании схем балансного или двойного балансного (кольцевого) смесителя.
Третий член — разность частот сигнала и гетеродина и есть полезный преобразованный (конвертированный) сигнал с амплитудой, прямо пропорциональной амплитуде входного сигнала.
Необходимый режим работы смесителя задается и поддерживается напряжением гетеродина при его значительной мощности. Требуемая мощность гетеродина составляет от 1'до 1 'Вт, мощность сигнала от 10 до 10 Вт. Как видно, мощность входного сигнала намного меньше. Минимальный уровень входного сигнала для смесителя зависит от шумовой температуры,(коэффициента шума) смесителя и его чувствительности, которая, в свою очередь, зависит от типа диода, режима его работы, схемы включения, наличия шумовых и комбинационных составляющих в полезном сигнале.
Чувствительность, потери преобразования, коэффициент шума. При исследовании работы смесительной схемы с нелинейным сопротивлением, выявилось следующее:
-- чувствительность смесителя зависит от величины напряжения гетеродина, подаваемого на смеситель, — при малом уровне напряжения гетеродина уменьшается коэффициент передачи сигнала, а при большом — увеличивается шум смесителя. Оптимальный уровень напряжения гетеродина для смесителей с диодами Шотки находится в пределах 0,4...0,6 В и конкретно определяется для каждого типа диода;
- потери преобразования в цепях входного сигнала зависят от выходного сопротивления гетеродина. Они имеют минимум и для них можно найти оптимальное значение этого сопротивления;
- потери преобразования зависят также от уровня подавления сигнала зеркальной частоты и изменяются между максимумом и минимумом. Разность между ними составляет 1...2 дБ. Чем меньшие потери преобразования, тем меньший уровень шумов, тем чувствительнее смеситель. Однако при приеме спутникового телевизионного вещания уменьшить потери преобразования путем подавления сигнала зеркальной частоты удается не полностью, так как частотная полоса преобразованного сигнала (полоса ПЧ) составляет 800 МГц и более, и в такой полосе подавить зеркальную частоту полностью практически невозможно.