Общие сведения о преобразовании частоты

Преобразованием частоты называется перенос спектра при­нимаемого сигнала из одной области радиочастотного диапа­зона в другую без изменения вида и параметров модуляции. Устройство, осуществляющее преобразование частоты, назы­вается преобразователем.

Изменение сигнала, модулированного по амплитуде одним тоном, и его спектра при преобразовании частоты схематически показано на рис. 7.1, из которого видно, что огибающая высоко­частотного колебания и его спектр не изменяются, изменяется только несущая частота f _c. Спектр сигнала смещается в область более низкой, так называемой промежуточной, частоты f _пр.

Преобразование частоты осуществляется любой умножаю­щей схемой, которая представляет собой нелинейную систему или систему с переменным параметром, так как преобразование по существу сводится к умножению сигналов, частоты которых отличаются на величину промежуточной частоты, с последую­щей фильтрацией разностной или суммарной составляющей сиг­нала произведения.

Пусть принимаемый сигнал

u_c(t)=U_c(t)cos(ω_ct+w_c),

где U_c(t) —огибающая сигнала, соответствующая закону мо­дуляции.

Вспомогательный сигнал, который в приемнике генерируется специальным генератором-гетеродином, равен u _г (t)=U _г cos( ω_гt +w _г ).

Сигналы u_c(t) и u _г (t) перемножаются в умножающей схеме. Произведение указанных сигналов, которое в дальнейшем на­зывается преобразованным сигналом

u_пр(t) = u_c(t)u _г (t) = U_c(t) U _г (t)cos(ω_ct+w_c) cos(ω _г t+w _г ) = 1/2 U_c(t) U _г сos [ ω_с - ω_г) t + (w_c - w _г)] + 1/2 U_c(t) U _г сos [ ω_с + ω_г) t + (w_c - w _г)],

содержит две составляющие. Первая составляющая имеет ча­стоту, равную разности частот принимаемого и вспомогатель­ного сигналов ω_с - ω_г, и фазу, равную разности фаз указанных сигналов w_c - w _г. Огибающая первой составляющей полностью соответствует закону модуляции принимаемого сигнала, если сигнал гетеродина не модулирован. Следовательно, спектр пер­вой составляющей полностью соответствует спектру принимае­мого сигнала, но смешен в область разностной частоты, которая обычно и выбирается в качестве промежуточной. Для выделе­ния разностной составляющей на выходе схемы умножения не­обходимо предусмотреть фильтр, настроенный на разностную частоту и имеющий полосу пропускания, соответствующую ши­рине спектра принимаемого сигнала.

Аналогичные выводы можно сделать относительно второй составляющей, спектр которой также соответствует спектру принимаемого сигнала, но смещен в область суммарной частоты ω_с + ω_г.

На выходе фильтра промежуточной частоты напряжение суммарной составляющей можно сделать близким к нулю, если частоту вспомогательного сигнала выбрать достаточно большой. В диапазоне СВЧ частота гетеродина близка к частоте прини­маемого сигнала, так как промежуточная частота выбирается значительно меньше частоты принимаемого сигнала.

Следует заметить, что фаза преобразованного сигнала раз­ностной частоты равна разности фаз принимаемого и вспомога­тельного сигналов.

Практические схемы умножения выполняются в различном виде и используются в настоящее время во многих устройствах, в частности в преобразователях, синхронных и фазовых детек­торах. в корреляторах и других схемах. Схемы умножения пред­ставляют собой нелинейные элементы или системы с перемен­ным параметром.

В преобразователях чаще всего используются электронные лампы транзисторы или полупроводниковые диоды, крутизна вольтамперной характеристики которых изменяется под дейст­вием сильного сигнала гетеродина и практически остается по­стоянной под действием слабого (U_с <<U_г) принимаемого сиг­нала.

Анодный ток, например, пентода или триода

i_a = SU _вx = S(U_c + U _г ),

где U_c и U _г — соответственно напряжения принимаемого сиг­нала и гетеродина, подаваемые на сетку лампы;

S — крутизна статической характеристики лампы.

Подавая достаточно большое переменное напряжение гетеродина на управляющую сетку лампы,.можем менять ее кру­тизну по закону изменения напряжения гетеродина. Тогда анод­ный ток станет пропорционален произведению напряжения ге­теродина и входного принимаемого сигнала, т. е. посредством воздействия на крутизну лампы получается эффект умножения. Включив в анодную цепь лампы соответствующий фильтр, вы­деляют составляющую разностной или суммарной частоты пре­образованного сигнала.

Следует заметить, что для преобразования частоты предпо­чтительнее лампы с большим линейным участком изменения крутизны. Если крутизна изменяется непропорционально изме­нению напряжения гетеродина и, следовательно, как функция времени содержит не только первую, но и другие гармоники частоты гетеродина, то появляются нежелательные ложные ка­налы приема. Например, может оказаться, что третья или дру­гая гармоника частоты гетеродина отличается от частоты ме­шающего сигнала на величину промежуточной частоты. Следо­вательно, в преобразованном сигнале появится мешающий сиг­нал разностной промежуточной частоты, который пройдет в тракт УПЧ и дальше на выход приемника.

В качестве примера рассмотрим лампу 6Ж1П, крутизна ста­тической характеристики которой (рис. 7.2) линейно изменяется в значительных пределах под действием напряжения на управ­ляющей сетке.

При воздействии на управляющую сетку лампы слабого при­нимаемого полезного сигнала и сильного сигнала гетеродина анодный ток лампы

i_a = s(t) [ u _с (t) + u _г (t) ] = S₁ cosω _г t [ U_c (t) cosω _с t + U _г cosω _г t ] = 1/2 S₁ U _c (t) cos (ω _с - ω _г) t + 1/2 S₁U _c(t) cos (ω _с - ω _г) t + 1/2 S₁U _г + 1/2 S₁U _г cos2ω _г t

а напряжение на фильтре разностной частоты (ω _пр =ω _с - ω _г), который включается в анодную цепь лампы, практически равно напряжению разностной (промежуточной) частоты:

u_вых = u_пр = 1/2 S ₁ U _c (t) R_э cos ω _пр t = u_пр = U_пр (t) cos ω _пр t,

где u_пр — напряжение сигнала промежуточной частоты, огибающая которого U_пр (t) соответствует за­кону модуляции принимаемого сигнала;

S ₁ — амплитуда первой гармоники крутизны;

ω _пр =ω _с - ω _г — разностная (промежуточная) частота.

Суммарной составляющей преобразованного сигнала, ток которой протекает через выходной фильтр, можно пренебречь, так как фильтр настроен на разностную частоту и напряжение суммарной частоты на нем близко к нулю.

На рис. 7.3 представлена блок-схема преобразователя, кото­рая содержит источник полезного сигнала, нелинейный элемент, называемый смесителем, фильтр, настроенный на промежуточ­ную частоту, и вспомогательный генератор-гетеродин. Собствен­но преобразователь составляют смеситель, фильтр и гетеродин.

Смеситель представляет собой нелинейный или с перемен­ным параметром шестиполюсник, имеющий два входных, два выходных и два вспомогательных зажима. Некоторые из зажи­мов могут быть общими.

В диапазоне длинных, средних и коротких волн для преобра­зования частоты применяются специальные многосеточные лам­пы (гептоды, пентагриды), в которых предусмотрена возмож­ность использовать в схеме гетеродина две дополнительные сет­ки— одну в качестве анода и другую в качестве управляющей сетки.

В приемниках СВЧ многосеточные лампы (гептоды, пентагриды) не применяются, так как имеют более высокий уровень собственных шумов по сравнению с пентодами, триодами и диодами.

Пентодные смесители применяются в диапазоне метровых волн до частот порядка 100 Мгц. На более высоких частотах до 1000 Мгц применяются триодные смесители, обладающие меньшим уровнем собственных шумов. В диапазоне от 1000 до 1500 Мгц используются диодные смесители, обеспечивающие меньший коэффициент шума приемника по сравнению с триодными смесителями, и на частотах более 1500 Мгц в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн применяются кристалли­ческие смесители, которые обеспечивают более высокий коэф­фициент передачи мощности и меньший уровень собственных шумов приемника по сравнению с вакуумными диодами и кон­структивно удобнее последних. В кристаллических смесителях в сантиметровом диапазоне меньше сказывается инерция элек­тронов.