Коэффициент передачи преобразователя

Преобразователи частоты

 

Основные характеристики и классификация

Преобразование частоты – процесс переноса спектра сигнала по частотному диапазону без изменения характеристик модулирующего сигнала.

Преобразователь частоты – устройство, обеспечивающее преобразование частоты. Поскольку происходит изменение спектра выходного сигнала относительно входного, преобразователь частоты является нелинейным устройством.

В состав преобразователя входят: преобразующее устройство, воздействующее устройство, частотно избирательное устройство. При этом избирательная цепь (ИЦ) может входить в состав как тракта промежуточной частоты, так и в состав преобразователя частоты.

Преобразующее устройство – смеситель частоты – представляет собой нелинейное устройство или параметрическую схему. Воздействующее устройство (в случае приемников) – гетеродин, формирующий опорное колебание с такой амплитудой, чтобы обеспечить нелинейный режим работы в смесителе. Частотно-избирательное устройство выделяет сигналы на промежуточной частоте.

 

Рисунок 4.1 – Структурная схема преобразователя частоты

 

Классификация преобразователей:

1) По типу преобразования:

а) Простое, т.е. . Преобразование осуществляется на основной частоте сигнала и гетеродина.

б) Комбинационное . Преобразование осуществляется на гармониках. Как правило, .

2) По схемотехнике.

а) С раздельным преобразованием – смеситель и гетеродин не связанные, раздельные устройства.

б) Совмещенный преобразователь – смеситель и гетеродин сочетаются в одной схеме

3) По элементной базе

а) На диодах

б) На транзисторах

Основные характеристики преобразователей:

1) Коэффициент передачи:

.

2) Уровень нелинейных искажений. Характеризуется КНИ и коэффициентом гармоник на .

3) Уровень собственных шумов. Характеризуется коэффициентом шума.

 

Коэффициент передачи преобразователя

Рассмотрим обобщенную схему преобразователя частоты (ПЧ) и определим коэффициент передачи (Рис. 4.2). В общем случае преобразователь может быть балансным или не балансным. Тогда, с учетом земляного узла, 4-х или 7-ми полюсником. Рассмотрим простейшую схему четырехполюсника.

Рисунок 4.2 – Упрощенная структурная схема преобразователя частоты

На ПЧ воздействуют тестовые гармонические сигналы без модуляции:

, (4.1)

, (4.2)

, (4.3)

,

где определяется схемой смесителя. Предполагаем, что гетеродин работает в режиме большого сигнала, т.е. обеспечивает нелинейный режим работы смесителя. Тогда можем считать, что:

,

.

Разложим в ряд Тейлора по степеням малых напряжений и оставим нулевые и первые члены разложения:

(4.4)

Первое слагаемое соответствует эффекту просачивания сигнала гетеродина на выход схемы. Коэффициент второго слагаемого является проводимостью ПЧ. Коэффициент третьего слагаемого выходная проводимость преобразователя на напряжения на промежуточной частоте. Тогда можем переписать выражение (4.4):

(4.5)

Функции , , – периодические, тогда могут быть представлены в виде ряда Фурье:

, (4.6)

, (4.7)

. (4.8)

Проводимость соответствует эквивалентной проводимости частотно-избирательной цепи, т.е. выделяет только сигнал на промежуточной частоте. Рассмотрим в зависимости от значения . Для этого подставим (4.1-3) и (4.5-7) в (4.5).

Для :

.

Для :

Для и больше гармонические составляющие будут отфильтрованы.

Таким образом, выходной ток определяется следующим выражением:

.

Введем в рассмотрение проводимость нагрузки:

,

где , т.к. контур полагаем резонансным. При этом на частоте сигнала :

.

Откуда:

.

Так как

,

то:

.

 

Принципиальные схемы ПЧ

1) Раздельная схема на одном транзисторе

 

Рисунок 4.3 – Структурная схема ПЧ на одном транзисторе

 

Рисунок 4.4 – Эквивалентная схема по переменному току

 

 

2) При необходимости повышения уровня развязки сигнал гетеродина заводят в эмиттерную цепь.

Рисунок 4.5 – Структурная схема ПЧ на одном транзисторе

 

Рисунок 4.6 – Эквивалентная схема по переменному току

 

3) Схема с совмещенным преобразователем.

 

Рисунок 4.7 – Структурная схема ПЧ на одном транзисторе

 

В эмиттерную цепь введен резонансный контур. При этом за счет использования трансформатора реализуется обратная связь. При правильном выборе глубины обратной связи в резонансном контуре возникает режим автогенерации.

У этой схемы есть недостаток – высокий уровень нелинейных искажений, т.к. транзистор работает в сугубо нелинейном режиме.

На практике получили развитие дифференциальные схемы ПЧ.

4) ПЧ на основе дифференциального каскада.

 

Рисунок 4.8 – Структурная схема ПЧ на одном транзисторе

 

Здесь:

,

, .

С другой стороны:

,

.

В общую истоковую цепь поступает сигнал гетеродина, который является синфазным для обоих плечей схемы:

.

Таким образом, синфазный сигнал подавляется. Однако противофазный сигнал проходит на выход, чтобы его подавить используются двойные балансные схемы.

5) Схема двойного балансного ПЧ на основе ячейки Гильберта.

 

Рисунок 4.9 – Схема ПЧ на основе ячейки Гильберта

 

6) Схема однотактного диодного ПЧ.

 

Рисунок 4.10 – Схема однотактного диодного ПЧ

 

7) Схема двухтактного диодного ПЧ.

Рисунок 4.11 – Схема двухтактного диодного ПЧ

 

6) Схема кольцевого диодного ПЧ.

 

Рисунок 4.12 – Схема кольцевого диодного ПЧ

 

Нелинейные эффекты в ПЧ

Если в разложении выходного тока учитывать слагаемые более высокого порядка, то в полученном выражении будут составляющие всех трех частот. В общем случае, промежуточная частота определяется как:

.

Нелинейные свойства преобразователя частоты обуславливают наличие существование дополнительных каналов приема. Под дополнительными каналами подразумевают частоты, отличные от частоты основного канала приема, которые при заданной частоте гетеродина создают на выходе смесителя колебания с частотой, близкой к промежуточной.

Пусть на входе :

.

Основные виды дополнительных каналов приема:

1) Зеркальный канал приема . Если для основного канала приема , , тогда для – .

2) Прямое просачивание помехи.

, , , .

3) Комбинационные свисты.

 

Выше были рассчитаны выражения для частот дополнительных каналов, которые называются комбинационные свисты.

Для ослабления помех по дополнительным каналам используется двойное преобразования частоты. На рисунке 4.13 представлена схема приемника с двойным преобразованием частоты.

Рисунок 4.13 – Структурная схема приемника с двойным преобразованием частоты

 

В тракт приемника введен дополнительный преобразователь частоты, причем промежуточные частоты связаны следующими выражениями:

 

Ослабление помех по зеркальному каналу тем лучше, чем выше промежуточная частота. Однако обеспечить высокое усиление на высокой промежуточной частоте сложно. Тогда осуществляют подавление помехи на за счет , а основное усиление происходит на частоте . Однако воторое преобразование по частоте приводит к появлению второго зеркального канала приема.