Режим преобразования частоты. Термин: Преобразование частоты

Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра радиосигнала из одной области диапазона частот в другую с сохранением закона и параметров модуляции. Для упрощения процесса усиления полезного сигнала в радиоприёмных устройствах перенос осуществляется в область относительно низких частот.

Принцип работы преобразователя частоты основан на взаимодействии двух высокочастотных напряжений, подводимых к схеме с нелинейным элементом. Однако из этих напряжений несёт полезную информацию принятого сигнала, а второе вспомогательное, формируемое специальным генератором (гетеродином). Если представить вольтамперную характеристику нелинейного элемента в виде простейшего ограничительного ряда

и подать на этот элемент два напряжения

ток нелинейного элемента будет содержать множество комбинационных составляющих этих частот. Среда ряда составляющих тока будет и разностная между частотами сигнала гетеродина и полезного сигнала
, которая выделяется с помощью фильтра, настроенного на эту частоту. Выходным сигналом преобразователя является падение напряжения на сопротивлении избирательной нагрузки от тока, изменяющегося с этой частотой

.

Амплитуда выходного напряжения определяются свойствами нелинейного элемента и величина подводимых напряжений, а частота и фаза начальными значениями этих параметров напряжений.

В общем случае, когда реальная вольтамперная характеристика нелинейного элемента определяется достаточно сложной зависимостью в процессе преобразования образуется множество комбинационных частот, одна из которых может быть выбрана в качестве промежуточной

,

где p и q целые числа. Если p = q =1 преобразование называют простым. При других значениях оно сложное.

Как правило, в приёмниках амплитуда напряжения сигнала много меньше чем у гетеродина. При сложении таких напряжений в нелинейной цепи результат воздействия можно представить в виде малого приращения, для которого ВАХ нелинейного элемента с определённой точностью можно считать линейной, а крутизна ВАХ изменяется под воздействием достаточно большого напряжения гетеродина. В этом случае процесс преобразования можно представить как действие напряжения сигнала на линейную систему с переменными параметрами.

Крутизна характеристики в данном случае есть периодическая функция времени, которую можно представить в виде ряда Фурье

При подаче на вход преобразователя напряжения сигнала
ток представляется как

,

В случае, когда закон изменения крутизны сложен, помимо основной частоты гетеродина появляются высшие её гармоники. Частоты комбинационных составляющих определяются выражением
.

В связи с тем, в приёмниках происходит преобразование слабых сигналов, независимо от того каким образом оно осуществляется (нелинейным элементом, или линейной системой с переменными

параметрами) преобразователь частоты относят к линейной части.

Классификация преобразователей и их основные характеристики.

В соответствии с изложенными принципами преобразования частоты схема преобразователя должна включать нелинейный элемент (элемент с переменным параметром) – смеситель, гетеродин и избирательную нагрузку.

В качестве смесителя могут быть использованы: электронные лампы, транзисторы, полупроводниковые диоды, а также нелинейные ёмкости или индуктивности, обладающие нелинейной проводимостью.

Гетеродины обычно представляют собой маломощные генераторы с самовозбуждением, реже специальные устройства, создающие совокупность напряжений различных частот.

Нагрузкой смесителя являются различные полосовые фильтры.

Большее распространения на практике получило простое преобразование,

которое является результатом взаимодействия первых гармоник частот сигнала и гетеродина.

По характеру проводимости смесительного элемента преобразователи частоты делятся на две группы;

- преобразователи на нелинейных элементах с активной проводимостью.

- преобразователи с реактивной проводимостью.

В первую группу входят преобразователи на лампах, транзисторах и полупроводниковых диодах.

Ко второй группе относятся преобразователи на нелинейной ёмкости параметрического диода.

Ламповые и транзисторные преобразователи могут быть с отдельным гетеродином. Во втором варианте функции смесителя и гетеродина объединены в одном каскаде и воздействие гетеродинного напряжения на нелинейные свойства смесителя осуществляется через общий ток нелинейного элемента. Преобразователи с разными гетеродинами обладают более стабильными характеристиками по сравнению с совмещенными.

Ламповые преобразователи часто делятся на пентодные, триодные, диодные. Пентодные преобразователи строятся по схеме с общим катодом и могут быть одно и двух сеточными. В первом случае напряжение сигнала и гетеродина подаются на одну сетку. В случае же подаче сигналов на разные сетки уменьшаются взаимное влияние входного контура гетеродина при их перестройке. Триодные и транзисторные преобразователи строятся по схемам как с заземлённым катодом (эмиттером), так и с

заземлённой сеткой (базой).

Триодные смесители находят широкое применение в ДМ диапазоне волн, т.к. обладают меньшим уровнем собственных шумов и конструктивного более удобны для согласования с колебательными контурами на основе отрезков коаксиальных линий. В последнее время широко применяются диодные смесители, особенно в ДМ и СМ диапазонах.

Для оценки качества работы преобразователей и для их сравнительной оценки используются следующие основные показатели.

1. Коэффициент преобразования. Это отношение амплитуды напряжения или мощности сигнала промежуточной частоты на выходе преобразователя к напряжению сигнала на его входе.

;

Величина этого коэффициента определяется типом и режимом работы смесителя и свойствами нагрузки

2. Рабочий диапазон частот определяется диапазоном работы приёмника и обеспечивается перестройкой гетеродина. При фиксированной настройке гетеродина приёмника работает на одной частоте.

3. Уровень собственных шумов преобразователя. Как один из первых каскадов приёмника преобразователь частоты существенно влияет на общий уровень собственных шумов. Источниками шумов являются те же элементы, что и в других каскадах, а методика их оценки аналогична.

4. Избирательность . По аналогии с каскадами усиления избирательность преобразователя частоты определяет способность его ослаблять выходное напряжение при расстройке. Определяется избирательность

резонансными свойствами его нагрузки. Однако специфика работы преобразователя частоты делает возможным появление, ряд других частот, напряжения которых при одной и той же частоте гетеродина в процессе преобразования дадут промежуточную частоту.

Здесь представлена зависимость коэффициента передачи преобразователя от частоты. В соответствии с принципом преобразования через нагрузку протекают составляющие тока смесителя с различными комбинационными частотами. В случае простого преобразования при неизменной частоте гетеродина одно и то же значение промежуточной частоты может быть при приёме сигналов на двух частотах и

;

Дополнительный канал приёма отличается от основного по частоте на величину и расположен зеркально относительно частоты гетеродина.

Кроме зеркального канала существуют и дополнительные каналы

Если частота входного канала равна промежуточной, преобразователь работает как усилитель.

Наличие зеркальных и дополнительных каналов является существенным не достатком супергетеродинного приёмника, снижающего его устойчивость. Основной способ ослабления приёма по зеркальному каналу является улучшение избирательности каскадов, стоящих до преобразователя. Это упрощается по мере увеличения промежуточной частоты. Однако это в свою очередь усложняет формирование требуемой резонансной характеристики УПЧ, особенно при необходимости узкой полосы пропускания.

Это противоречие решается в процессе двойного преобразования. На более высокой частоте ослабляется влияние зеркального канала, а на более низкой частоте формирование требуемой полосы.

Как и другие элементы приёмника, преобразователь частоты может быть источником частотных, фазовых и нелинейных искажений. Последние обусловлены самим принципом преобразования. Так появление в спектре сигнала дополнительных составляющих за счёт комбинационных частот эквивалентно нелинейным искажениям. Уменьшение этих искажений достигается за счёт улучшения избирательности и выбора режима работы, при котором характер изменения проводимости смещения будет приближаться к гармоническому.

Представим преобразователь частоты в виде цепи с активной нелинейной проводимостью, с управляющим напряжением гетеродина . На вход такой системы подаётся напряжение сигнала . На выходе включена нагрузка , падение напряжения которой
.

Выходной ток преобразователя с частотой
. В общем случае зависит от характеристики нелинейной проводимости, сигнала и промежуточной частоты

Уровень сигнала на входе преобразователя намного меньше напряжения гетеродина, а величина коэффициента передачи преобразователя относительно велика и таким образом выполняется неравенство

;

Таким образом, выходной ток преобразователя является функцией двух малых переменных. На основе этого разложим функцию тока в ряд Тейлора по степеням малых переменных, ограничивать трёмя первыми

членами.

Первое слагаемое представляет собой составляющую тока преобразователя, которая обусловлена действием напряжения гетеродина при
. Обозначим
. Второе слагаемое является приращением тока преобразователя, вызванное действием напряжения сигнала, т.е.
представляет собой проводимость нелинейной цепи для . Под действием напряжения гетеродина величина проводимости периодически меняется с частотой . Обозначим эту проводимость .

Третье слагаемое характеризует приращение тока за счёт действия на него нагрузку напряжения промежуточной частоты. В каждый момент времени это приращение определяется проводимостью нелинейной цепи для
и мгновенным значением этого напряжения.

Обозначим его и определим как проводимость нелинейной цепи для
. Таким образом

Представив функцией ,и в виде рядов Фурье и приняв условие, что промежуточная частота образуется по закону

представим ток промежуточной частоты в сл. виде

переходя к комплексным амплитудам последнее выражение представляется в виде

и его можно назвать уравнением прямого преобразования. Здесь - как гармоника функции S . - постоянная составляющая .

Аналогично можно представить схему преобразователя частоты со стороны выхода. Полагая, что к выходу преобразователя подключен источник промежуточной частоты, можно получить выражение для выходного тока на частоте сигнала. В любой реальной схеме преобразователя частоты в той или иной степени проявляется влияние
на за счёт наличия обратной проводимости нелинейной цепи. Этот процесс принято называть обратным преобразованием частоты. Физический смысл этого влияния заключается в следующем. Напряжение промежуточной частоты, приложенное к нелинейной проводимости преобразуется под действием напряжения гетеродина в ток частоты сигнала. Как бы частота меняется местами.

Представляя входной ток как функцию и двух малых переменных и
можно его значение выразить в виде ряда по аналогии с прямым преобразованием при условии, что меняются местами. Выделяя составляющую входного тока с частотой можно получить для её комплексной амплитуды следующее выражение

,

где
и - периодические функции напряжение гетеродина представляющие соответственно амплитуду к – ой гармоники обратной проводимости нелинейной цепи для
. И постоянную составляющую проводимости той же цепи для . Эти величины определяются типом нелинейной цепи и амплитудой . Представленное выражение можно считать уравнением обратного преобразования. Обратное преобразование приводит изменению входной и выходной проводимостей преобразователя. В большей мере это относится к диодным преобразователям и преобразователям с общей сеткой (базой). В этой связи необходимо учитывать (внутренние параметры).

- Крутизна преобразования. Отношение амплитуды тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала при закороченном выходе.

- Внутренняя проводимость . Отношение амплитуду тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения этой же частоты при законном входе.

- Внутренний коэффициент усиления преобразователя. Отношение амплитуды напряжения промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала.

На основании уравнений прямого и обратного преобразования можно составить эквивалентную схему преобразователя, с помощью которой можно определить его внешние параметры.

- Коэффициент преобразования

- Входная проводимость

равна сумме входной проводимости нелинейного элемента на и проводимости, обусловленной обратным преобразованием.

полный входной ток преобразователя на частоте сигнала обусловленный наличием входной проводимости нелинейного элемента и обратным преобразованием.

- Выходная проводимость

складывается из внутренней проводимости преобразователя и проводимости нагрузки на
.

Шумы преобразователей частоты.

Источники шумов преобразователей частоты и методика их оценки аналогичны УВЧ, однако при этом учитывать особенности преобразования. В СВЧ диапазоне при использование диодных полупроводниковых смесителей для количественной оценки шумов используют понятие относительной шумовой температуры

, где
- мощность шума, создаваемая только выходным сопротивлением преобразователя при температуре окружающей среды. При согласовании преобразователя с последующим каскадом

,

отсюда

считая, что по входу преобразователя согласование обеспечено и принимая его коэффициент шума равный

шумовую температуру можно представить, как

,

где
- коэффициент преобразования по мощности.

Дополнительным источником внутреннего шума является преобразование по зеркальному каналу, т.к. происходит суммирование шумовых составляющих, попавших в полосу частот УПЧ. Это явление оценивается эквивалентным увеличением эффективной шумовой полосы приёмника. Только по зеркальному каналу такое эквивалентное расширение приближенно равно

,

где
- эффективная шумовая полоса приёмника, - ослабление З.К.

Преобразованием частоты называют перенос (транспонирование) спектра сигнала (обычно узкополосного) по оси частот «вверх» или «вниз» на некоторое расстояние w г, задаваемое гетеродином – маломощным генератором гармонического колебания . При этом сохраняются вид модуляции и структура спектра сигнала, изменяется только его положение на оси частот.

Преобразователь частоты состоит из смесителя частот и гетеродина (рис. 3.32).

Смеситель частот реализуется на параметрической или нелинейной основе, т.к. на его выходе необходимо получить колебание комбинационных частот входных сигналов второго порядка (суммарных или разностных). Среднюю частоту выходного сигнала или называют промежуточной. Собственно говоря, ничего нового в операции преобразования частоты для нас нет, с ней мы уже встречались при рассмотрении свойств преобразования Фурье (п. 9), свойств аналитического сигнала (п. 5) и параметрической реализации однополосного модулятора (рис. 3.20). Схема, приведённая на рис.3.20, может быть использована в качестве параметрического преобразователя частоты без каких либо изменений. Нелинейный преобразователь частоты может быть выполнен также по выше рассмотренной схеме амплитудного модулятора (рис. 3.16) при настройке нагрузочного колебательного LC контура на промежуточную частоту .

Преобразователи частоты входят в состав подавляющего большинства современных радиоприёмных устройств (супергетеродинов). Их применение позволяет основную додетекторную обработку сигналов в этих приёмниках – фильтрацию и усиление производить не на частоте сигнала (которая может быть слишком высокой и изменяться в широком диапазоне частот), а на фиксированной промежуточной. Это позволяет существенно улучшить чувствительность и избирательность приёмников, а также упростить их перестройку в широком диапазоне принимаемых частот.

Контрольные вопросы

1. Какой ФУ называют преобразователем частоты?

2. Приведите алгоритм и схему параметрического преобразователя частоты.

3. Объясните назначение каждого элемента схемы параметрического преобразователя частоты.

8.8.1. Принцип преобразования частоты

Преобразование частоты сигнала – это процесс, который обеспечивает линейный перенос спектра сигнала на оси частот без изменения его структуры. Огибающая сигнала и его начальная фаза при этом не изменяются. Другими словами, преобразование частоты не искажает закон изменения амплитуды, частоты или фазы модулированных колебаний.

Как видно из определения, преобразование частоты сопровождается появлением новых составляющих спектра, т.е. приводит к обогащению спектра сигнала. Поэтому такой процесс можно реализовать только с использованием нелинейного или параметрического устройств, обеспечивающих умножение преобразуемого сигнала на вспомогательное гармоническое колебание с последующим выделением необходимой области частот.

Действительно, если на вход умножителя подать два сигнала:

то на выходе получим сигнал суммарной и разностной частот:

где – коэффициент передачи умножителя.

Выходной фильтр, настроенный, например, на разностную частоту, выделит составляющую разностной (промежуточной) частоты. Такое нелинейное устройство называют смесителем , а источник гармонического колебания – гетеродином .

Структурная схема преобразователя частоты представлена на рис. 8.41.

Рис. 8.41. Структурная схема преобразователя частоты

Преобразование частоты применяется в супергетеродинных приемниках для получения сигнала с промежуточной частотой. Величина промежуточной частоты должна быть таковой, чтобы без особых затруднений достигалось большое усиление при высокой избирательности приемника. В радиовещательных приемниках длинных, средних и коротких волн , а в приемниках с частотной модуляцией (в метровом диапазоне волн) – . Преобразование частоты сигнала используется также в приемниках радиолокационных станций, в измерительной технике (анализаторах спектра, генераторах и др.).

8.8.2. Схемы преобразователей частоты

Как было сказано выше, процесс преобразования частоты реализуется путем умножения преобразуемого сигнала на вспомогательное гармоническое колебание с последующим выделением необходимой области частот. Это можно сделать двумя способами, которые положены в основу построения практических схем преобразователей частоты:

1. Сумма двух напряжений (полезного сигнала и сигнала гетеродина) подается на нелинейный элемент с последующим выделением необходимых составляющих спектра тока. В качестве нелинейных элементов используются диоды, транзисторы и другие элементы с нелинейной характеристикой.

2. Напряжение гетеродина используется для изменения какого-либо параметра смесителя (крутизны ВАХ транзистора, реактивного параметра цепи). Полезный сигнал, подаваемый на вход такого смесителя, преобразуется с соответствующим обогащением спектра.

Для выяснения основных особенностей процесса преобразования частоты рассмотрим некоторые схемы преобразователей частоты.

а. Преобразователи частоты на диодах

Схема одноконтурного преобразователя частоты на диоде представлена на рис. 8.42.

Рис. 8.42. Одноконтурный преобразователь частоты на диоде

На вход преобразователя поступают два сигнала:

модулированный узкополосный сигнал , несущая частота которого должна быть перенесена, скажем, в область более низких частот;

сигнал гетеродина с постоянной амплитудой, частотой и начальной фазой.

Таким образом, на нелинейный элемент подается напряжение

Аппроксимируем ВАХ диода полиномом второй степени

Тогда ток диода можно представить следующим образом:

Слагаемые, содержащие только , , , , соответствуют составляющим в спектре тока диода, имеющим частоты , , и . Следовательно, они с точки зрения преобразования частоты, интереса не представляют. Основное значение имеет последнее слагаемое. Именно оно свидетельствует о наличии в спектре тока составляющих с преобразованными частотами и :

Составляющая с частотой соответствует сдвигу спектра сигнала в область низких частот, а составляющая с частотой – в область высоких частот.

Выходное напряжение с необходимой частотой формируется с помощью фильтра (колебательного контура) на выходе преобразователя, настроенного на соответствующую частоту. Фильтр должен выделить одну составляющую из семи. Полагая, что фильтр настроен на разностную (промежуточную) частоту , получим напряжение на выходе преобразователя, равное

При или расстройка частот , и , весьма мала. При этом составляющие с частотами сигнала или гетеродина не будут отфильтрованы избирательной системой. Нежелательно также применение этой системы при решении задачи преобразования частоты в диапазоне акустических частот. В этом случае целесообразно использовать балансные схемы, которые обеспечивают самоликвидацию (компенсацию) ненужных составляющих. На рис. 8.43,а и рис. 8.43,б приведены схемы таких преобразователей на диодах.

Рис. 8.43. Балансные преобразователи частоты

В схеме рис. 8.43,а выходное напряжение равно

При получении выражения для учтено, что напряжение сигнала подается на диоды схем в противофазе, а напряжение гетеродина – в фазе.

Подставляя выражения для и в формулу (8.5), получаем

Отсюда видно, что на выходе балансного преобразователя рис. 8.43,а отсутствуют составляющие с частотами, равными 0, , , , что упрощает решение задачи получения выходного сигнала необходимой частоты. Тем не менее, к выходу такого преобразователя также необходимо подключать избирательную систему с целью фильтрации сигнала с требуемой частотой.

Балансный преобразователь рис. 8.43,б представляет собой схему, совмещающую два балансных преобразователя. На диоды различных ветвей подаются напряжения сигнала и гетеродина с различными фазами. Работа такого преобразователя поясняется следующими формулами:

Подставляя выражения для , , и в формулу (8.6), получаем

На выходе преобразователя рис. 8.44,б отсутствует составляющая с частотой сигнала (составляющие с частотами 0, , , также отсутствуют). Фильтр на выходе такого преобразователя должен выделить одну составляющую из двух.

б. Транзисторные преобразователи частоты

В приемных каналах радиотехнических систем широко используются преобразователи частоты на транзисторах. При этом различают схемы преобразователей, в которых функции смесителя и гетеродина совмещены, и схемы преобразователей с подачей сигнала гетеродина извне. Более стабильную работу обеспечивает последний класс преобразователей.

По способу включения транзисторов различают:

1. Преобразователи с включением транзистора по схеме с общим эмиттером и по схеме с общей базой.

Преобразователи с общим эмиттером используются чаще, т.к. имеют лучшие шумовые характеристики и больший коэффициент усиления по напряжению. Напряжение гетеродина может быть подано в цепь базы или в цепь эмиттера. В первом случае достигается больший коэффициент усиления, во втором случае – лучшая стабильность коэффициента усиления и хорошая развязка между сигнальным и гетеродинным контурами.

2. Преобразователи на усилителях с каскодным включением транзисторов.

3. Преобразователи на дифференциальном усилителе.

4. Преобразователи на полевых транзисторах (с одним и двумя затворами).

Основные свойства и характеристики последних трех групп преобразователей определяются свойствами усилителей, на основе которых они построены.

На рис. 8.44 приведены схемы преобразователей частоты на плоскостных транзисторах.

В схеме рис. 8.44,а напряжение сигнала подается в цепь базы транзистора, напряжение гетеродина – на эмиттер. Контур в цепи коллектора настроен на промежуточную частоту. Сопротивления и обеспечивают необходимый режим работы усилителя (положение рабочей точки), сопротивление и емкость – термостабилизацию положения рабочей точки. Преобразование частоты осуществляется за счет изменения с частотой сигнала гетеродина коэффициента передачи усилительного каскада (крутизны ВАХ транзистора).

Рис. 8.44. Схемы преобразователей частоты на плоскостных транзисторах

Транзисторный преобразователь частоты, изображенный на рис. 8.44,б, построен с использованием дифференциального усилителя. На его вход подается преобразуемый сигнал, а на базу транзистора генератора стабильного тока подается сигнал гетеродина. Коэффициент усиления и коэффициент шума таких преобразователей примерно равны соответствующим коэффициентам усилительного каскада.

Схемы преобразователей частоты на полевых транзисторах приведены на рис. 8.45,а – схема с совмещенным гетеродином и рис. 8.45,б – схема с использованием полевого транзистора с двумя изолированными затворами.

Рис. 8.45. Схемы преобразователей частоты на полевых транзисторах

На рис. 8.45,а полевой транзистор с затвором в виде p-n -перехода выполняет роль смесителя и гетеродина одновременно. Сигнал поступает на затвор транзистора. Напряжение гетеродина с части гетеродинного контура подается в цепь истока транзистора. Необходимый режим транзистора обеспечивается соответствующим выбором рабочей точки с помощью цепи автоматического смещения . Резистор в цепи затвора обеспечивает стекание зарядов, скапливающихся на затворе. Нагрузка преобразователя – полосовой фильтр, настроенный на необходимую комбинационную частоту стокового тока. Так как входное и выходное сопротивления полевого транзистора довольно велики, то входной контур к затвору и контур полосового фильтра к стоку подключаются полностью.

В схеме транзисторного преобразователя частоты на полевом транзисторе с двумя изолированными затворами (рис. 8.45,б) оба затвора используются в качестве управляющих электродов. По существу транзистор работает под воздействием суммы двух напряжений. Напряжение создается преобразуемым сигналом, подаваемым на первый затвор, а напряжение – сигналом гетеродина, подаваемым на второй затвор. Колебательный контур, настроенный на разностную частоту, подключен к стоку транзистора. Достоинством этой схемы является незначительная емкостная связь между цепью подачи преобразуемого сигнала и контуром сигнала гетеродина. При наличии такой связи возможен захват сигналом частоты колебаний гетеродина. При этом частота сигнала гетеродина становится равной частоте преобразуемого сигнала, вследствие чего преобразования частоты происходить не будет.

Преобразование частоты можно осуществить также с помощью параметрических цепей. В таких цепях напряжение гетеродина подается на нелинейную емкость (варикап), величина которой изменяется по закону гетеродинного напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное состояние радиотехники характеризуется интенсивным развитием методов и средств обработки сигналов, широким использованием достижений цифровых и информационных технологий. В то же время нельзя абсолютизировать изменчивость базовых фрагментов общей теории радиотехники, положенных в основу методов решения задач анализа и синтеза современных радиотехнических и информационных систем. Как знания и свободная ориентация во множестве математических аксиом позволяют приходить к новым выводам и результатам, так и знания основополагающих концепций в области моделирования сигналов, методов и технических средств их обработки позволяют легко разобраться в новых, пусть даже на первый взгляд очень сложных технологиях. Только при наличии таких знаний исследователь или проектировщик может рассчитывать на практическую результативность известного принципа "know-how" (знаю, как).

Вне рамок данной книги остались многие вопросы, непосредственно связанные с "детерминированной" радиотехникой. Прежде всего это вопросы генерирования сигналов, дискретной и цифровой фильтрации, методов анализа и построения параметрических и оптоэлектронных устройств. Особого внимания и отдельного обсуждения заслуживают проблемы статистической радиотехники, решение которых немыслимо без широкого кругозора в области методов анализа случайных сигналов и их преобразований, методов решения классических задач оптимальной обработки сигналов при их обнаружении и измерении.

В последующем планируется издание учебного пособия, посвященного рассмотрению этих проблем с учетом новейших теоретических и практических результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов. – М. : Радио и связь, 1986.

2. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов. – М. : Высш. шк., 2000.

3. Радиотехнические цепи и сигналы/ Д.В.Васильев, М.Р.Витоль, Ю.Н. Горшенков и др.;/ Под ред. А.К.Самойло – М. Радио и связь, 1990.

4. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2002.

5. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: 2003.

6. Иванов М.Т., Сергиенко А.Б., Ушаков В.Н. Теоретические основы радиотехники. Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 2002.

7. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1990.

8. Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. – М.: Высш. шк., 1989.

9. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. – М:. Высш. шк., 1988.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗ. – М.: Наука. Глав. ред. физ.-мат. литературы, 1986.

11. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. – М.: Радио и связь, 1989.

12. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высш. шк., 1991.

В радиотехнике часто требуется осуществить сдвиг спектра сигнала по оси частот на определенное постоянное значение при сохранении структуры сигнала. Такой сдвиг называется преобразованием час

Для выяснения сути процесса преобразования частоты вернемся к вопросу о воздействии на нелинейный элемент двух напряжений, кратко рассмотренному в § 8.4. Однако в данном случае только одно из колебаний, именно то, которое создается вспомогательным генератором (гетеродином), будем считать гармоническим. Под вторым же колебанием будем подразумевать сигнал, подлежащий преобразованию, который может представлять собой любой сложный, но узкополосный процесс.

Таким образом, на нелинейный элемент воздействуют два напряжения: от гетеродина

от источника сигнала

Амплитуда частота и начальная фаза гетеродинного колебания - постоянные величины. Амплитуда же и мгновенная частота сигнала могут быть модулированными, т. е. могут являться медленными функциями времени (узкополосный процесс). Начальная фаза сигнала - постоянная величина.

Задачей преобразования частоты является получение суммарной или разностной частоты . Как вытекает из выражения (8.30), для этого необходимо использовать квадратичную нелинейность,

В качестве нелинейного элемента возьмем, как и в § 8.9, диод, однако характеристику его для более полного выявления продуктов взаимодействия сигнала и гетеродинного колебания аппроксимируем полиномом четвертой степени (а не второй, как в § 8.4):

Слагаемые, содержащие различные степени только или только интереса не представляют. С точки зрения преобразования (сдвига) частоты основное значение имеют члены, представляющие собой произведения вида правой части выражения (8.72) обведены рамками.

Подставляя в эти произведения (8.70) и (8.71) и отбрасывая все составляющие, частоты которых не являются суммой соч или разностью после несложных тригонометрических выкладок приходим к следующему окончательному результату:

Из этого результата видно, что интересующие нас частоты возникают лишь благодаря четным степеням полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента. Однако один лишь квадратичный член полинома (с коэффициентом ) образует составляющие, аплитуды которых пропорциональны только первой степени Более высокие четные степени (четвертая, шестая и т. д.) нарушают эту пропорциональность, так как амплитуды привносимых ими колебаний содержат также степени выше первой.

Отсюда видно, что амплитуды должны выбираться с таким расчетом, чтобы в разложении (8.72) преобладающее значение имели слагаемые не выше второй степени. Для этого требуется выполнение неравенств

Тогда выражение (8.73) переходит в следующее:

В радиоприемных и многих других устройствах, в которых задача преобразования частоты тесно связана с задачей усиления сигнала, обычно?,

Первое слагаемое в фигурных скобках с частотой (производная от аргумента косинуса) соответствует сдвигу спектра сигнала в область высоких частот, а второе с частотой - в область низких частот. Для выделения одной из этих частот - разностной или суммарной - нужно применять соответствующую нагрузку на выходе преобразователя. Пусть, например, частоты очень близки и требуется выделить низкую частоту, расположенную около нуля. Такая задача часто встречается в измерительной технике (метод «нулевых биений»). В этом случае нагрузка должна быть такой же, как при амплитудном детектировании, т. е. состоять из параллельного соединения R и С, обеспечивающего отфильтровывание (подавление) высоких частот и выделение разностной частоты Если разностная частота лежит в диапазоне высоких частот, то для ее выделения следует применить резонансную колебательную цепь (рис. 8.42). Если полезной, подлежащей выделению является суммарная частота то контур соответственно должен быть настроен на частоту

Обычно полоса пропускания колебательной цепи, являющейся нагрузкой преобразователя, рассчитана на ширину спектра модулированного колебания. При этом все составляющие тока с частотами, близкими к , проходят через контур равномерно и структура сигнала на выходе совпадает со структурой сигнала на входе.

Рис. 8.42. Схема замещения преобразователя частоты

Рис. 8.43. Спектр сигнала на входе и выходе преобразователя:

Единственное отличие заключается в том, что частота на выходе равна или смотря по тому какова резонансная частота нагрузочной цепи.

Итак, при преобразовании частоты законы изменения амплитуды частоты и фазы входного колебания переносятся на выходное колебание. В этом смысле рассматриваемое преобразование сигнала является линейным, а устройство - линейным преобразователем или «смесителем».

При одновременном действии сигнала и гетеродина на нелинейный элемент, в выходной цепи появляются токи комбинационных частот вида , где m и n- целые числа натурального ряда и определяют нелинейность преобразовательного элемента по отношению к сигналу и гетеродину. Если преобразователь по отношению к сигналу является линейным, то m=1, если гетеродин генерирует гармонический сигнал, то n=1.

На всех трех входах преобразователя частоты подключены селективные системы, настроенные соответственно в резонанс на входе с частотой сигнала. При этом к зажимам 3-3 подключается гетеродинная система (задаем n=1) , к зажимам 2-2 подключается селективная система в виде, например, простого колебательного контура.

Основными уравнениями, которые описывают работу 6-полюсника, являются уравнения вида:

(1)

(2)

В выражения (1) и (2) не входит время, так как 6-полюсник мы считаем безинерционным. При выводе уравнений, описывающих процесс преобразования частоты, будем считать, что напряжение сигнала U c имеет порядок десяток – сотен мкВ, что позволяет считать преобразователь частоты линейным. В то же время напряжение с частотой гетеродина U г имеет порядок десятых долей и единиц В. Поэтому, ни U c , ни U пр не вызывают изменение параметров нелинейного элемента, это делает U г.Это позволяет функции f 1 и f 2 разложить в ряд Тейлора по степеням малых переменных U c и U пр, то есть ограничившись учетом членов разложения с U c и U пр в первой степени.

(3)

Производные, являющиеся коэффициентами рядов определяются при и , то есть при действии только напряжения гетеродина;

при

Физический смысл:

Это входной ток при действии U г.

- входная проводимость.

- проводимость обратного преобразования.

Выходной ток при действии гетеродина, при отсутствии сигнала.

- крутизна.

- выходная проводимость.

Поскольку гетеродинное напряжение считается гармоническим, например, косинусоидальным: , то крутизна S(t), как периодическая функция времени, может быть представлена в виде ряда Фурье:

После подстановки в (3) и (4) получаем уравнение прямого и обратного преобразования:

а) прямого преобразования ,

где I пр - ток промежуточной частоты;

б) обратного преобразования .

Параметры преобразователя.

1. Крутизна преобразователя:

(к. з. на выходе)