План лекции. «Преобразование частоты (ПЧ)

Лекция № 7

Тема лекции:

«Преобразование частоты (ПЧ). Гетеродинное, синхронное и фазовое детектирование»

Оптическое изображение и особенности восприятия 2

Литература

Е. А. Москатов Основы телевидения, 2005р. - 162 с

11.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

Особенности ПЧ. Преобразование частоты является частным случаем нелинейного преобразования БГС. Его особенности состоят в следующем: во-первых, в состав БГС входят два радиочастотных сигнала, во-вторых, продуктом преобразования является одно из боковых колебаний: верхнее ()или нижнее (). Если оно радиочастотное, для его выделения используют ПФ, если звуко вой частоты − ФНЧ. Эти особенности и отличают схемы ПЧ от схем AM, поскольку нелинейный и параметрический процессы ПЧ и AM аналогичны.

Сохранение модуляции (рис. 11.3, а). Если одним из сигналов (например, частоты) является АМС, то все его составляющие (НК, ВБК и НБК) преобразуются так, что соотношения между их частотами и амплитудами не нарушаются. Это равноценно изменению несущей частоты (от до) при сохранении модуляции.

Инверсия спектра происходит, если используется разностная частота. В этом случае в спектре преобразованного сигнала ВБП и НБП меняются местами − инвертируются. Действительно, если до ПЧ частота ВБК равна, то после него, т. е. ВБК превратилось в НБК. (На рис. 11.3, а инверсия подчеркнута различной штриховкой НБП исходного сигнала.) При приеме АМС с симметричным спектром инверсия не играет роли. При приеме ОПС ее необходимо учитывать. Для правильного восстановления исходного спектра УС полное число инверсий спектра в канале связи должно быть четным.

Перемещение спектра преобразованного сигнала по оси частот происходит при изменении частоты. Действительно, если, чтобы вновь выполнить условие:. Следовательно, настройка супергетеродина определяется частотой гетеродина.

Структурная схема РПУ показана на рис. 11.3, в. После ПЧ сигнал поступает в УПЧ, который обеспечивает основную часть () усиления радиочастотного тракта. Если использована распределенная фильтрация, то каскады УПЧ представляют собой двух- или одноконтурные взаимно расстроенные УРЧ. Если применен ФСИ, выполняющий фильтрацию полностью, то каскады УПЧ могут быть апериодическими − резисторными или трансформаторными. В любом случае усиление УПЧ не зайисит от частоты и достаточно для обеспечения линейного режима детектирования, если уровень сигнала в антенне РПУ не ниже его чувствительности. Каскады АД и УЗЧ особенностей не имеют.

Преселектор (ПРС), состоящий из ВЦ и УСЧ и включенный между антенной и ПЧ, внешне не отличается от соответствующих каскадов РПУ прямого усиления. На первый взгляд его применение может вызвать недоумение. Действительно, ведь при включении антенны на вход смесителя прием обеспечивается, показатели РПУ высокие и постоянные и поставленная проблема как будто решена. Так для чего же нужен преселектор?

Обратимся к спектральной диаграмме рис. 11.3, в. В ней зафиксирован пример приема при условиях:. А что если из антенны поступает помеха частоты. Если она проникнет на вход смесителя, то после преобразования частоты она пройдет через ФСИ, так как. Такая помеха называется зеркальной, так как ее частота симметрична частоте сигнала относительно т.е. является как бы ее зеркальным отображением.

Помеха промежуточной частоты может пройти через смеситель и ФСИ транзитом − без преобразования частоты и независимо от настройки гетеродина. Поэтому она особенно опасна. На стандартной для вещательных РПУ промежуточной частоте запрещено работать РПДУ. Она находится вне диапазона вещательных РПУ. У профессиональных РПУ, как правило, другое значение. Возникновение этих побочных каналов приема является недостатком супергетеродина. Для подавления помех, действующих по этим каналам, в основном и предназначен преселектор.

Частота настройки контуров преселектора отстоит от н и значительно удалена от. Поэтому побочные каналы являютс удаленными по отношению к и одиночные контуры преселектор обеспечивают достаточную избирательность. Поскольку, для ее подавления можно использовать в преселекторе РФ.

Блокированием КПЕ гетеродина и преселектора и другими мера ми достигается их сопряженная настройка, благодаря которой пр любом положении ротора КПЕ выполняется условие настройки пре селектора:.

К числу достоинств супергетеродина относится также повышена устойчивости усиления, обусловленное тем, что в УСЧ и УПЧ он происходит на различных частотах и поэтому самовозбуждение не возникает даже при наличии паразитной связи между ними. Этим облегчаются условия получения большого усиления и высокой чувствительности.

Все современные РПУ, кроме простейших, являются супергетеродинами.

Схемы смесителей на транзисторах. Эти схемы отличаются от схемы AM (рис. 11.2, а)тем, что на вход вместо сигнала ЗЧ () поступает радиосигнал, а в выходной цепи включен ФСИ. Недостатком такой схемы является наличие паразитной связи между гетеродином и преселектором. При соответствующих условиях эта связь может привести к обратному излучению приемной антенной радиоволн на частоте или к воздействию сильных сигналов на эту частоту.

Ослабление паразитной связи достигается в схемах двухвходовых смесителей, в которых напряжения подаются на разные электроды. Одна из таких схем на двухзатворном ПТ приведена на рис. 11.3, г. Применение ПТ способствует снижению уровня шумов смесителя.

Как правило, режим смесителя оказывается параметрическим, так как амплитуда сигнала мала и по отношению к ней рабочий участок ВАХ можно считать линейным.

В схемах рис. 11.3, г, д сохранены обозначения напряжений структурной схемы рис. 11.3, б. Напряжения сигнала и гетеродина поступают на два затвора ПТ. Для получения оптимального режима напряжения смещения на них должны быть различны. Это достигается при помощи делителей питающего напряжения и с которых поступают различные положительные напряжения, вычитаемые из исходного − отрицательного − напряжения авто-истокового смещения, действующего с _.В цепи стока включены развязывающий фильтр и разделительные элементы. В качестве ФСИ применен ПКФ.

Балансный (БС) и кольцевой (КС) смесители. Эти смесители нашли широкое применение в современных РПУ благодаря их свойствам, уже выясненным применительно к БМ и КМ. По схеме БС и КС отличаются от БМ и КМ (рис. 11.2, д_, е)применением входного радиочастотного трансформатора _.Из свойств существенную роль играют следующие:

1) подавление на выходе спектра гармоник и шумов гетеродина. Последнее особенно существенно для РПУ СВЧ, где широко используют БС. На СВЧ трансформаторы неприемлемы и необходимые фазовые соотношения достигаются другими способами;

2) подавление на выходе (особенно КС) большинства побочных колебаний комбинационных частот, прием которых сопровождается свистом;

3) взаимная развязка между входами, входами и выходом, благодаря которой ослабляется упомянутая паразитная связь. Поэтому при использовании КС помеха промежуточной частоты не проходит транзитом через смеситель. Недостаток БС и КС − отсутствие усиления.

На рис. 11.3, д приведена схема КС, которая отличается от исходной (рис. 11.2, е)тем, что в ней применен только один симметричный трансформатор в цепи напряжения гетеродина (). Сигнальный вход и выход (ПРК) несимметричны. Если изъять диоды, КС превратится в БС.

В бортовом РЭО БС и КС нашли широкое применение (АРК-11, АРК-15, "Микрон" и др.).

11.4. ГЕТЕРОДИННОЕ, СИНХРОННОЕ И ФАЗОВОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Гетеродинное детектирование. Гетеродинное детектирование (ГД) является частным случаем ПЧ. Оно отличается тем, что частоты, и близки друг к другу и разность между ними − звуковая частота биений или.

Явление биений уже рассматривалось. Суть его в том, что амплитуда БГС изменяется с частотой биений от до. Огибающая БГС (рис. 4.8) несинусоидальна, она искажена четными гармониками. Эти искажения сохраняются при линейном детектировании БГС. В тех случаях, когда их необходимо устранить, используют либо квадратичный режим АД, либо БД.

Коррекция искажений огибающей БГС при квадратичном детектировании иллюстрируется графиками на рис. 11.4, а применительно к схеме коллекторного АД, в которой нагрузка включена в цепь коллектора и на ней, как и в диодном АД, выделяется напряжение. На рисунке показано два графика огибающей БГС: с большей амплитудой (детектируется линейно) и с меньшей амплитудой (детектируется квадратично). В квадратичном режиме огибающая тока синусоидальна. Искажения устраняются за счет встречного направления кривизны ВАХ и огибающей БГС.

Рассмотрим основные применения гетеродинного детектирования.

Озвучание АМТС. При приеме АМТС на нагрузке АД выделяются импульсы постоянного напряжения, которые на слух воспринимаются как щелчки в телефонах. Для приема таких сигналов на слух их надо "озвучить". Находят применение два метода:

метод местной модуляции, состоящий в том, что в одном из каскадов УПЧ производят модуляцию телеграфного сигнала по амплитуде гармоническим колебаниям тональной частоты (чаще всего 1 кГц). В результате получают амплитудный тональный телеграфный сигнал, который детектируется обычным АД. Такой метод применен, например, в РПУ бортовых АРК;

гетеродинный метод (рис. 11.4, б),который является более совершенным. На вход ГД одновременно с АМТС частоты поступает от второго гетеродина напряжение частоты. В результате детектирования выделяется напряжение частоты, которую можно регулировать, изменяя частоту при помощи КПЕ или варикапа_; управляемого ручкой "Тон биений". Эта регулировка позволяет подобрать приятный для оператора тон ТЛГ сигнала, а также выделить его по тону из помех. Питание второго гетеродина включается переключателем "ТЛФ−ТЛГ".

Детектирование ОПС. Детектирование ОПС (рис. 11.4, в)также производится гетеродинным методом и отличается от озвучания АМТС тем, что частота второго гетеродина точно равна несущей частоте, подавленной в РПДУ:. В этих условиях при приеме, например, ВБП частоты биений равны звуковым частотам модуляции, а их совокупность представляет собой спектр УС.

Любое отклонение на величину вызывает такое же смещение спектра. При этом возникают специфические искажения УС, которые уже при искажают ТЛФ сигнал до неузнаваемости. Высокая точность восстановления несущей частоты − вторая техническая трудность осуществления однополосной связи, которую удалось преодолеть путем повышения стабильности частоты гетеродинов (кварцевая стабилизация), а также из автоматической подстройки к опорной несущей частоте пилот-сигнала (системы АПЧ).

Формирование колебаний ЗЧ. Если частота генератора, стабильна, а частота изменяется, то изменяется и частота биений (рис. 11.4, г). Например, если, то перекрывает весь диапазон звуковых частот. Этот принцип используется в некоторых измерительных генераторах ЗЧ.

Измерение и калибровка частоты. Эти операции используются в гетеродинных частотомерах (рис. 11.4, д). Если частоты равны, то. Это можно зафиксировать по пропаданию звука, так как частоты ниже на слух не воспринимаются. Например, если − измеряемая частота РПДУ, а − частота гетеродина, которую можно изменять в широких пределах и точно отсчитывать по шкале, то процесс измерения сводится к следующему.

Повышая частоту приближаем ее к. Разность уменьшается. В момент, когда станет звуковой частотой, в телефонах появится тон биений. Дальнейшее приближение понижает этот тон до нулевых биений. При дальнейшем повышении когда тон биений нарастает (график на рис. 11.4, д). Ширина зоны нулевых биений, равная удвоенному интервалу неслышимых частот шириной в 32...40 Гц, наряду с точностью отсчета частоты ограничивает точность измерения этим методом.

При калибровке частоты − эталонная (опорная) частота кварцевого генератора − постоянна. Изменяя частоту сигнала РПДУ добиваются нулевых биений. В этот момент частота откалибрована.

При использовании АПЧ процесс калибровки автоматизирован. Изменение производится автоматически до совпадения с. Состояние равенства удерживается с высокой точностью, которая при фазовой автоподстройке может быть абсолютна.