3.7 Преобразователи частоты

3.7.1 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 показано на рис. 3.25, из которого видно, что огибающая высокочастотного колебания и его спектр не изменяются, изменяется только несущая частота . Спектр сигнала смещается в область более низкой, так называемой промежуточной, частоты .

Рисунок 3.25 – Изменение сигнала и его спектра при преобразовании частоты

Преобразование частоты осуществляется любой умножающей схемой, которая представляет собой нелинейную систему (нелинейный элемент) или систему с переменными параметрами, 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

.

Вспомогательный сигнал, который в приемнике генерируется специальным генератором-гетеродином, равен

Сигналы и перемножаются в умножающей схеме. Произведение указанных сигналов, которые в дальнейшем называется преобразованным сигналом

,

содержит две составляющие. Первая составляющая имеет частоту, равную разности частот принимаемого и вспомогательного сигналов , и фазу, равную разности фаз указанных сигналов .

Огибающая первой составляющей полностью соответствует закону модуляции принимаемого сигнала, если сигнал гетеродина не модулирован. Следовательно, спектр первой составляющей полностью соответствует спектру принимаемого сигнала, но смещен в область разностной частоты, которая обычно выбирается в качестве промежуточной. Для выделения промежуточной составляющей на выходе схемы умножения необходимо предусмотреть фильтр, настроенный на промежуточную частоту и имеющий полосу пропускания, соответствующую ширине спектра принимаемого сигнала.

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

На рис. 3.26 представлена схема преобразователя частоты, который содержит источник полезного сигнала, нелинейный элемент, называемый смесителем, фильтр промежуточной частоты и вспомогательный генератор-гетеродин.

Рисунок 3.26 - Схема преобразователя частоты

Смеситель представляет собой нелинейный элемент (транзистор, диод) или элемент с переменными параметрами.

В самом общем случаи ток смесителя будет содержать множество комбинационных составляющих с частотами

,

где и - целые положительные числа.

3.7.2 Основные характеристики преобразователей частоты

К ним относятся.

Коэффициент преобразования представляет собой отношение амплитуды напряжения (или мощности) промежуточной частоты на выходе преобразователя к напряжению (или мощности) сигнала на входе

или .

Коэффициент преобразования должен быть максимальным.

Коэффициент шума.

Преобразователь частоты является одним из первых каскадов РПрУ. Поэтому его собственные шумы могут существенно влиять на коэффициент шума РПрУ. Вследствие ряда особенностей преобразователей частоты (ПЧ), обусловленные режимом их работы, а также ввиду весьма большого разнообразия конкретных схем, строгий анализ их шумовых свойств оказывается достаточно сложным.

Считая, что смеситель согласован по входу и по выходу, его коэффициент шума можно определить как

Коэффициент шума ПЧ должен быть минимальным.

Нелинейные искажения.

В процессе преобразования частоты принимаемого сигнала образуется ряд комбинационных частот, число которых особенно возрастает при одновременном приеме сигналов мешающих станций. При определенных соотношениях между частотами этих сигналов на выходе преобразователя в спектре принимаемого сигнала могут оказаться дополнительные составляющие. Подобное изменение спектра сигнала эквивалентно нелинейным искажениям. Уменьшение этих искажений возможно путем улучшения избирательности приемника, особенно его преселектора, и выбора такого режима работы ПЧ, при котором уровень комбинационных составляющих будет наименьшим.

Избирательность ПЧ - его способность ослаблять выходное напряжение преобразованной частоты при расстройке частоты входного сигнала относительно своего номинально значения. Избирательные свойства ПЧ определяются, с одной стороны, резонансной характеристикой его нагрузки, а с другой – особенностями преобразовательного режима, в процессе которого одно и то же значение промежуточной частоты может быть получено при различных частотах сигнала, поступающего на вход ПЧ.

Все эти особенности отражает резонансная характеристика ПЧ. Она представляет собой зависимость коэффициента преобразования от частоты входного сигнала при фиксированной частоте гетеродина. Для начала положим, что в ПЧ происходит простое преобразование частоты ( ). Тогда при неизменной частоте одно и тоже значение может быть получено в результате приема двух частот и , т.е.

и .

Следовательно, если частоту настройки принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место дополнительный канал приема на частоте . Эти оба канала с частотами и изображены на рис.3.27.

Рисунок 3.27 - Каналы приема ПЧ

На рис. 12 каналы приема ПЧ изображены в виде результирующих резонансных характеристик УПЧ.

Дополнительный канал приема, отличающийся от частоты основного канала на удвоенное значение промежуточной частоты и расположенный зеркально (симметрично) относительно частоты гетеродина, называют зеркальным каналом.

Следовательно .

Преобразование по зеркальному каналу происходит с тем же коэффициентом преобразования, что и по основному. Поэтому он оказывает наиболее существенное влияние на избирательность приемника.

Зеркальный канал приема считается «паразитным» каналом, возникающим за счет преобразования частоты. Устранение помехи по зеркальному каналу возможно только за счет избирательных свойств преселектора.