§6 Перетворювачі частоти.

Перетворення частоти означає перенесення спектру прийнятого сигналу з одного радіочастотного діапазону в інший без зміни співвідношення та взаєморозміщення окремих спектральних складових прийнятого сигналу.

Н а структурному рівні перетворювач частоти зображається, як деякий параметричний пристрій (ПП) на який подаються сигнали від гетеродина (Г) та перетворюваний сигнал. Далі чотириполюсник узгодження (m₁), фільтр (Ф), вихідний чотириполюсник узгодження (m₂). Амплітуда U_c = 10  100мкВ.

Рис. 6.1

Величина напруги гетеродину значно більша і складає U_г~0,5÷1 В.

Під дією великої напруги гетеродина ПП змінює той чи інший свій параметр. Причому, в усьому діапазон амплітуд перетворюваного сигналу параметри ПП не повинні змінюватись.

До основних параметрів ПЧ відноситься:

1. Коефіцієнт передачі по напрузі.

Цей параметр вимірюється при фіксованій частоті гетеродина і номінальній величині проміжної частоти. Розраховується як

2. Діапазон зміни частоти гетеродину.

Діапазон повинен бути таким, щоб в усьому діапазоні зміни частоти сигналу від f_{c min} до f_{c max} виконувалась рівність

3. Нестабільність частоти гетеродину.

“Плавання” частоти гетеродину буде приводити до зміни частоти сигналу станції, яку ми приймаємо. Отже буде спостерігатися “сповзання” з частоти на яку налаштований приймач. Нестабільність оцінюється відношенням f_г/f_г, де f_г – абсолютна зміна частоти гетеродину під впливом дестабілізуючих факторів.

4. Селективність перетворювача частоти по сигналу сусідньої станції.

5. Шумові характеристики перетворювача частоти.

Даний параметр особливо важливий, якщо йде мова про прийом сигналів малої амплітуди ~ 0,1мкВ.

§6.1 Принципи перетворення частоти

П роілюструємо наступною схемою

Рис. 6.2

Схема містить джерело перетворюваного сигналу, фільтр, деякий елемент, який змінює свої параметри в залежності від напруги U_г.

Приймемо, що перетворюється амплітудно-модульований сигнал, тобто сигнал виду:

При зміні напруги гетеродина по гармонічному закону, зміна, наприклад, провідності параметричного елемента може бути представлена в наступному вигляді:

Струм, що буде протікати через керований елемент буде рівний добутку напруги перетворюваного сигналу на g(t):

Скористаємось формулою: і отримаємо:

Таким чином в колі будуть протікати струми, частоти яких рівні _с; _г – _с;

_г + _с. З допомогою фільтра Ф виділяється сигнал, частота якого рівна _г - _с.

При цьому

Ми розглянули найбільш простий випадок залежності провідності керованого елемента від напруги гетеродина. В реальному випадку ця залежність носить складніший характер, тобто

,

а отже число гармонійних складових утворених в результаті такого перетворення буде значно більшим.

§6.2 Побічні продукти перетворення.

Сигнал, частота якого рівна проміжній, утворюється не тільки в результаті взаємодії напруги гетеродина з сигналом корисної станції, наприклад, при перетворені нижньої бокової смуги при прийомі SSB сигналу (рис. 6.3), але і в результаті взаємодії напруги гетеродина з сигналами дзеркальних станцій. Можливі й перетворення другого порядку, де проміжна частота утворюється внаслідок взаємодії другої гармоніки гетеродину з деякими іншими частотами.

Канали, або частоти, що відповідають випадкам ІІ, ІІІ, ІV є паразитними.

Сигнали проміжної частоти утворені в результаті взаємодії напруги гетеродину з чотирма приведеними частотами не можуть бути розрізнені після перетворювача частоти. В зв’язку з цим на вхідне коло та блок ПРЧ покладається функція виділення сигналу корисної станції від сигналів завад ІІ, ІІІ, ІV. З цієї точки зору доцільно вибирати якомога вищу проміжну частоту. Тоді сигнали завад, особливо дзеркальна завада, не будуть попадати в смугу пропускання преселектора.

Під терміном преселектор розуміють сукупність блоків ВК та ПРЧ. Для подавлення сигналу найбільш потужної дзеркальної завади використовується схемотехнічна компенсація сигналу дзеркальної станції, метод подвійного перетворення частоти, та перетворення частоти сигналу вверх (інфрадин).

На структурному рівні пристрій схемотехнічного подавлення сигналу дзеркальної станції матиме вигляд:

Приймемо, що на вході перетворювача присутні два сигнали – корисний сигнал та сигнал дзеркальної станції.

Після перетворення в першому (верхньому) каналі ми отримаємо :

В другому каналі :

Якщо здійснити зсув фази після перетворення в першому (верхньому) каналі на , а в другому (нижньому) – на , то на виході цих фазозсуваючих ланок ми отримаємо:

В першому каналі :

В другому каналі :

Якщо прийняти, що коефіцієнт передачі першого та другого каналів рівні між собою , то ми отримаємо збільшення амплітуди корисного сигналу після суматора в два рази, для сигналу дзеркальної станції відбудеться процес взаємокомпенсації сигналів.

Реалізація даного принципу стала важливою тільки завдяки використання схем інтегрального виконання.

До методів зменшення завад дзеркального типу відносяться :

1. метод подвійного перетворення частоти.

2. використання інфрадину ( , тобто перетворення вверх).

Подвійне перетворення використовується виключно в приймачах професійного типу, причому передбачається наявність двох гетеродинів (Рис. 6.5)

Частота другого дзеркального каналу відрізняється від першої проміжної частоти на 2f_пр2. Ця завада не буде суттєво ослаблена Ф1 і повинна бути подавлена фільтром Ф2.

Метод подвійного перетворення частоти використовують в основному у випадках коли несучу частоту сигналу необхідно зменшити в сотні і більше разів.

При цьому f_c не відразу понижується до кінцевого значення, а перетворюється в ПЧ І в частоту f_пр1, яка f_с, в 10÷20 разів. Частота дзеркального каналу на 10 – 20% відрізняється від f_с, що дозволяє послабити дзеркальні завади фільтром вхідного кола (Рис. 6.5). Перша проміжна частота виділяється фільтром Ф2, а потім частота її понижується в ПЧ ІІ до потрібного значення f_пр2, при відповідних параметрах фільтра Ф2.

Особливість подвійного перетворюва чачастоти полягає в появі другого дзеркального каналу. Наприклад, якщо друге перетворення відбувається за правилом , то така ж частота отримається при наявності на виході Ф1 коливань частоти так як , то сигнал цієї частоти буде виділений фільтром Ф2.

Метод подвійного перетворення частоти з одним гетеродином знайшов широке застосування в вимірювальній техніці, коли необхідно сформувати вузькосмуговий фільтр у високочастотній області спектру (Рис. 6.6)

Р ис. 6.6

При цьому вхідний сигнал перетворюється по частоті вниз, фільтрується фільтром Ф1 і оскільки смуга пропускання , то чим нижча f₀ тим менша смуга пропускання. Таким чином задана смуга пропускання легко реалізується вибором частоти до якої понижується перетворюваний сигнал. Після фільтрації цим фільтром сигнал перетворюється вверх до попереднього значення частоти.

В результаті першого перетворення отримаємо :

В результаті другого перетворення отримаємо :

де :

отже:

В результаті такого подвійного перетворення сигнал повернеться до свого попереднього значення частоти з точністю до фази.

Приведена схема володіє двома важливими властивостями :

а) полоса пропускання і селективність визначається Ф1. Якщо f_пр < f_с, то полоса може бути достатньо вузька, а селективність висока. Тобто пристрій може виконувати функції вузькополосного фільтра, який важко реалізувати безпосередньо на частоті f_с.

б) фаза сигналу на виході не залежить від фази сигналу гетеродина і нестабільності його частоти, так як зсуви фаз і зміни частоти гетеродина в ПЧ1 та ПЧ2 взаємно протилежні і компенсуються.