Структурная схема супергетеродинного радиоприемника. Принцип действия схемы. Достоинства и недостатки супергетеродинного радиоприемника

Основным недостатком приемника прямого усиления является сложность перестройки с одной частоты на другую. Выполнить фильтр со стабильными параметрами при его перестройке в диапазоне частот практически невозможно.

При усилении высокочастотного сигнала тоже возникают определенные трудности. Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее выполнить усилитель высокой частоты. Его широкополосность тоже приводит к определенным трудностям. Естественно, при развитии микроэлектроники цена этих затрат постепенно снижается, но одновременно осваиваются все более высокочастотные диапазоны.

В качестве второго и, пожалуй, основного недостатка приемника прямого усиления можно назвать необходимость построения перестраиваемого узкополосного фильтра, настраиваемого на рабочий сигнал. Требования к этому фильтру получаются противоречивыми. С одной стороны, этот фильтр должен ослаблять соседний канал приема, а с другой стороны не искажать принимаемый сигнал. В результате при необходимости перестройки частоты требуется изменять относительную полосу пропускания фильтра.

где — полоса частот полезного сигнала

f _пс — несущая частота полезного сигнала

При увеличении центральной частоты настройки фильтра для сохранения той же самой абсолютной полосы частот приходится одновременно уменьшать относительную полосу пропускания фильтра. Это достигается увеличением добротности входящих в состав фильтра контуров. Учитывая, что при этом необходимо строго следить за соотношением добротностей этих контуров между собой, а также то, что чем выше частота, тем труднее реализовать высокую добротность резонансной цепи, задача становится практически невыполнимой.

Даже в том случае, когда приемник разрабатывается на одну фиксированную частоту, очень трудно обеспечить параметры узкополосного фильтра. На частоте 450 МГц очень трудно (практически невозможно) обеспечить полосу пропускания фильтра, равную 10 кГц при полосе непропускания 25 кГц. При этом минимальная добротность требуется:

Но это для фильтра первого порядка! А нужно как минимум фильтр 8-го порядка. Естественно, что добротность избирательной цепи, равную нескольким сотням тысяч единиц технически выполнить невозможно!

Для того чтобы решить эту проблему, стали разбивать задачу на два этапа — перестройка по диапазону частот, и обеспечение избирательности по соседнему каналу. Для перестройки по частотному диапазону стали использовать перенос спектра на определенную (обычно достаточно низкую) промежуточную частоту. Перенос спектра принимаемых частот осуществляется при помощи следующего тригонометрического преобразования:

тогда напряжение на выходе перемножителя, который часто называется смесителем будет записываться:

Узкополосный фильтр на выходе умножителя легко подавляет одну из этих компонент. Оставшаяся частотная компонента выходного сигнала называется промежуточной частотой. Радиоприемник, работающий по данному принципу получил название супергетеродин. Обычно на выходе смесителя такого радиоприемника выделяется разностная компонента. В этом случае на входе усилителя промежуточной частоты (УПЧ) формируется сигнал, с частотой:

Получается, что при помощи смесителя можно легко перемещать спектр входного сигнала по частоте, изменяя частоту местного генератора — гетеродина.

Процесс перемещения частоты входного сигнала на промежуточную частоту в супергетеродине иллюстрируется рисунком 1.

Рисунок 1 Перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточною частоту.

На данном рисунке трапецией показан спектр сигнала, передаваемого в радиоканале. Число, изображенное в трапеции означает номер радиоканала, принятый в системе мобильной радиосвязи. Приемники, выполненные по схеме с переносом полосы радиочастот на промежуточную частоту, получили название супергетеродинов или супергетеродинных приемников. Если перенос осуществляется на нулевую частоту, то такой приемник будет уже называться приемником прямого преобразования. Структурная схема радиоприемника, построенного по схеме супергетеродина с одним преобразованием частоты, приведена на рисунке 2

Рисунок 2. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника

В этой схеме гетеродин осуществляет перестройку в диапазоне частот, поэтому его часто выполняют в виде синтезатора частоты, который может настраиваться на ряд фиксированных частот и обладает стабильностью частоты, соответствующей кварцевому генератору или в особенно ответственных случаях атомному эталону частоты.

Для уменьшения требований к фильтру основной избирательности тракт промежуточной частоты выбирается достаточно низкочастотным. Это позволяет обеспечить значительную относительную расстройку частоты соседнего канала по отношению к полосе принимаемого сигнала.

То, что промежуточная частота супергетеродинного приемника является фиксированной, позволяет применить в качестве фильтра промежуточной частоты кварцевый, электромеханический или пьезоэлектрический фильтр. Это обеспечивает высокие электрические характеристики фильтра основной избирательности и высокую стабильность характеристик во времени и в диапазоне температур. Кроме того, такие фильтры в настоящее время являются высокотехнологическими, что позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты приемника в целом.

К сожалению, промежуточная частота может быть образована при помощи двух уравнений. При этом результат невозможно отличить друг от друга:

Это приводит к тому, что супергетеродинным приемником могут одновременно приниматься сразу два частотных канала, отстоящих друг от друга на величину 2 f _пч. Один из этих каналов называется рабочим каналом, а другой — зеркальным. Описанная ситуация иллюстрируется рисунком 3.

Рисунок 3 Процесс образования зеркального канала в супергетеродинном приемнике

Основной способ избавиться от зеркального канала — это подавить его сигнал во входной цепи радиоприемника, иначе говоря, подавление зеркального канала зависит от избирательности входной цепи супергетеродина и относитеьлной расстройки частоты зеркального канала:

Дополнительное подавление зеркального канала может быть обеспечено в смесителе с подавлением зеркального канала. Этот преобразователь частоты реализует одну из следующих тригонометрических формул:

В ряде случаев это схемотехническое решение может позволить уменьшить конкретное значение промежуточной частоты, увеличить глубину подавления зеркального канала или расширить диапазон частот, в котором может быть применена схема супергетеродинного приемника с одним преобразованием частоты.

Требования к избирательности полосового фильтра входной цепи супергетеродинного приемника значительно ниже требований к полосовому фильтру приемника прямого усиления. Это связано с тем, что зеркальный канал отстроен от принимаемой частоты значительно дальше соседнего канала. Чем выше выбирается значение промежуточной частоты, тем ниже будут требования к полосовому фильтру входной цепи. При этом будут возрастать требования к полосовому фильтру промежуточной частоты. Конкретный выбор значения промежуточной частоты позволяет оптимизировать требования, как к тракту промежуточной частоты, так и требования к входной частоте.

При расчете структурной схемы очень важно правильно распределить коэффициенты усиления каждого блока. Как это уже обсуждалось выше, чувствительность приемника определяется уровнем шума каждого из каскадов, однако наибольшее влияние на этот параметр оказывает первый каскад приемника. Для того чтобы последующие каскады не оказывали существенного влияния на чувствительность приемника, можно поднять усиление первого каскада, однако это приведет к возрастанию интермодуляционных искажений, поэтому в большинстве случаев приходится ограничиваться компенсацией потерь в последующих каскадах. Пример распределения коэффициента усиления по каскадам супергетеродинного приемника приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Пример распределения уровней сигнала в структурной схеме супергетеродинного приемника

Разработка структурной схемы является ответственным этапом проектирования радиоприемного устройства. В каждом конкретном случае приходится учитывать особенности принимаемого сигнала и требования к параметрам устройства в целом.

Мы рассматриваем схему приемника цифровых методов модуляции, поэтому при разработке супергетеродинного приемника цифровых видов модуляции следует учитывать особенности переноса полезного сигнала на промежуточную частоту. Полезная информация цифрового сигнала обычно содержится в относительном изменении фазы несущего колебания, но оно приводит к соответствующему приращению частоты:

При этом положительное приращение фазы будет увеличивать частоту принимаемого сигнала, а отрицательное — уменьшать. При преобразовании частоты в супергетеродинном приемнике приращение частоты может, как не изменяться — при преобразовании , так и становиться противоположным — при преобразовании . Этот эффект иллюстрируется рисунком 3. На нем стрелочкой показано, что верхняя и нижняя боковые частоты принимаемого сигнала при переносе на промежуточную частоту меняются местами. При этом знак приращения фазы становится противоположным и передаваемое сообщение искажается. Восстановление переданного сообщения на выходе такого радиоприемника становится невозможным.

Рассмотренное явление может быть учтено на выходе супергетеродинного приемника в квадратурном детекторе. Если поменять местами квадратурные сигналы I и Q, то вращение вектора частоты на выходе квадратурного детектора меняется на прямо противоположное. Теперь переданное сообщение будет принято правильно.