6 Преобразователи частоты

6.1 Общие сведения

Преобразователем частоты (ПЧ) называется устройство, осуществляю­щее линейный перенос спектра радиосигнала без изменения закона моду­ляции из одной частотной области в другую, представляющую более вы­годные условия для его обработки. Если перенос осуществляется на ра­диочастоту, она называется промежуточной. ПЧ является функционально необходимым элементом РПУ супергетеродинного, инфрадинного и синхро­динного типов.

Рис.6.1

Структурная схема ПЧ состоит из смесителя, гетеродина и фильтра (рис.6.1). Смеситель представляет собой электрическую цепь, создающую спектр комбинационных частот. Гетеродин - маломощный местный генератор, а фильтр является избирательной системой, выделяющей одну из комбинационных частот, которая называ­ется промежуточной:

. (6.1)

Преобразование частоты может быть выполнено на основе нелинейного преобразования колебаний, перемножения и параметрического эффекта.

В ПЧ первого вида используют нелинейные свойства активных и пассивных компонентов. Здесь в результате воздействия колебаний сиг­нала и гетеродина на нелинейную ВАХ элемента в его токе возникает множество комбинационных частот , одна из которых отфильтровывается. В качестве нелинейных компонентов используются биполярные и полевые транзисторы, диоды, электронные лампы и т.п.

В ПЧ второго вида используют свойства устройств, выполняющих опе­рацию перемножения двух функций . При перем­ножении возникают колебания вида , одно из которых отфильтровывается. В качестве перемножителей используются дифференци­альные каскады.

В ПЧ третьего вида используются цепи с переменными параметрами, изменение которых происходит под воздействием колебания гетеродина: , где . Такими параметрами могут быть крутизна активного прибора, коэффициент передачи, сопротивление.

6.2 Общая теория пч

Преобразователь может быть представлен в виде шестиполюсника, как показано на рис.6.2

Рис.6.2

При выполнении условий входной и выходной токи являются функциями двух малых переменных, которые можно представить в виде ряда Тейлора, ограничившись линейными членами:

, (6.2)

. (6.3)

Переменные считаем гармоническими функциями:

,

,

причем .

В полученных выражениях составляющие и представляют собой результат прохождения опорного колебания гетеродина на выход и вход ПЧ, соответственно, при .

Уравнения (6.2) и (6.3) запишем в следующем виде

, (6.4)

. (6.5)

Коэффициенты при U_c и U_пч являются периодическими функциями, которые представляются рядами Фурье.

Коэффициент характеризует изменение входной проводимости смесителя, обусловленное напряжением гетеродина:

, (6.6)

где ;

характеризует изменение проводимости обратного преобразования смесителя для выходного сигнала, обусловленное напряжением гетеродина:

, (6.7)

где ;

характеризует изменение выходной проводимости смесителя, обусловленное напряжением гетеродина:

, (6.8)

где ;

характеризует изменение проводимости прямого преобразования смесителя, обусловленное напряжением гетеродина:

, (6.9)

где .

Ограничивая ряды Фурье в (6.4) и (6.5) первой гармоникой сигнала гетеродина, получим

При таком описании все коэффициенты при и представляют собой суммы постоянной и переменной частей, а именно: средних значений соответствующих проводимостей и первых гармоник отклонения проводимостей от средних значений под воздействием сигнала гетеродина. В частности, в параметре постоянная часть является средним значением проводимости прямой передачи в усилительном режиме за период колебания гетеродина, которая практически остается неизменной. Вторая часть отражает суть ПЧ как цепи с переменными параметрами - процесс изменения проводимости по закону колебания гетеродина.

На входе ПЧ предполагаются селективные цепи, выделяющие колебания на несущей частоте преобразуемого сигнала. В связи с этим в первом уравнении выделяем только те составляющие, которые формируют сигнал на частоте f_с :

, (6.10)

где при обратном преобразовании частоты.

Во втором уравнении выделяем только те составляющие, которые формируют сигнал на частоте f_пч:

. (6.11)

В результате получим формальную систему уравнений для амплитуд сигналов преобразователя частоты как линейного четырехполюсника

, (6.12)

. (6.13)

В качестве внутренних параметров такого ПЧ выступают:

1) входная проводимость

(6.14)

представляет собой среднее значение изменяющейся под воздействием гетеродина входной проводимости смесителя на частоте входного сигнала;

2) выходная проводимость

(6.15)

представляет собой среднее значение изменяющейся под воздействием гетеродина выходной проводимости смесителя на частоте преобразованного сигнала;

3) проводимость обратного преобразования

(6.16)

представляет собой половину амплитуды первой гармоники изменяющейся под воздействием гетеродина проводимости обратной передачи смесителя;

4) проводимость прямого преобразования или крутизна преобразования

(6.17)

представляет собой половину амплитуды первой гармоники изменяющейся под воздействием гетеродина проводимости прямой передачи смесителя.

Такой подход позволяет анализировать основные параметры ПЧ с привлечением хорошо разработанного математического аппарата для УРЧ. Граф проводимостей и сигнальный граф ПЧ представлены на рис.6.3

Входная и выходная проводимости в режиме преобразования равны

, (6.18)

. (6.19)

Коэффициент преобразования

. (6.20)

Рис.6.3

Таким образом, ПЧ должен работать при малых амплитудах входных сигналов для обеспечения минимальных искажений при переносе спектра сигнала. Это условие в спокойной ЭМО обычно выполняется, и тогда для РПУ достаточно наличия гетеродина с амплитудой колебания . Так, например, при уровнях сигнала, не превышающих 5 - 10 мВ, амплитуда колебаний гетеродина должна составлять 100 - 200 мВ.

В качестве гетеродинов в РПУ используют маломощные генераторы на полупроводниковых и ламповых приборах, а также синтезаторы частот. В общем случае к гетеродинам предъявляются требования заданной интенсивности генерируемого колебания, посто­янства его уровня и стабильности частоты. Очевидно, что абсолютное изменение частоты гетеродина вызовет такое же изменение преобразован­ной частоты , что в результате приведет к изменению положения спектра полезного колебания в полосе ТПЧ (рис.6.4). Стабильность частот гетеродинов современных РПУ составляет 10^-3-10^-6 в случае простейших резонансных систем в виде колебательного контура; 10^-5-10^-6 для гетеродинов с кварцевыми резонаторами; 10^-7 в случае их термоста­тирования и 10^-7-10^-8 при применении синтезаторов частот.

Рис. 6.4

Собственные шумы ПЧ могут существенно влиять на реальную чувствительность всего РПрУ в целом. Наряду с внутренними шумами активного элемента смесителя при преобразовании частоты следует учитывать и дополнительные источники шумов (рис.6.5): 1) преобразование шумов по побочным каналам, в частности, по зеркальному, 2) преобразование шумов гетеродина при наличии сигнала, 3) собственные шумы гетеродина вблизи частот основного и зеркального каналов, попадающие при преобразовании в полосу пропускания тракта УПЧ. Первый источник обусловлен недостаточной избирательностью по побочным каналам приема и может быть значительно ослаблен с принятием соответствующих мер. Второй источник связан с недостаточной “чистотой” спектра сигнала гетеродина и может быть устранен введением узкополосных цепей на выходе гетеродина. Третий источник может быть устранен в так называемых балансных смесителях.

Рис. 6.5