Преобразование частоты. Модуляция и детектирование Преобразование частоты на нелинейный элемент

8.8.1. Принцип преобразования частоты

Преобразование частоты сигнала – это процесс, который обеспечивает ли- нейный 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 появ- лением новых составляющих спектра, т.е. приводит к обогащению спектра сиг- нала. Поэтому такой процесс можно реализовать только с использованием не- линейного или параметрического устройств, обеспечивающих умножение пре- образуемого сигнала на вспомогательное гармоническое колебание с после- дующим выделением необходимой области частот.

Действительно, если на вход умножителя подать два сигнала:

uвх (t ) = U (t )cos[ω0t + ϕ(t )]

и u г (t ) = U г cos(ωгt + ϕг),

то на выходе получим сигнал суммарной и разностной частот:

uвых (t ) = KU (t )U г cos[ω0t + ϕ(t )]cos(ωгt + ϕг) =

= KU (t )U г {cos[(ω

+ωг)t +ϕ(t ) +ϕг]+ cos[(ω0

−ωг)t +ϕ(t ) −ϕг]},

где K – коэффициент передачи умножителя.

Выходной фильтр, настроенный, например на разностную частоту, выде- лит составляющую разностной (промежуточной) частоты. Такое нелинейное устройство называют смесителем , а источник гармонического колебания – ге- теродином .

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

должна быть таковой, чтобы без особых затруднений достигалось

большое усиление при высокой избирательности приемника. В радиовещатель-

ных приемниках длинных, средних и коротких волн

кГц, а в прием-

никах с частотной модуляцией (в метровом диапазоне волн) –

Преобразование частоты сигнала используется также в приемниках радиолока-

ционных станций, в измерительной технике (анализаторах спектра, генераторах и др.).

8.8.2. Схемы преобразователей частоты

Как было сказано выше, процесс преобразования частоты реализуется пу- тем умножения преобразуемого сигнала на вспомогательное гармоническое ко- лебание с последующим выделением необходимой области частот. Это можно сделать двумя способами, которые положены в основу построения практиче- ских схем преобразователей частоты:

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

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

uвх (t ) = U (t )cos[ω0t +ϕ(t )], несущая

частота которого должна быть перенесена, скажем, в область более низких час-

сигнал гетеродина

u г (t ) = U г cos(ωгt + ϕг)

с постоянной амплитудой, частотой

и начальной фазой.

Таким образом, на нелинейный элемент подается напряжение

u(t) = uвх (t ) + u г(t ) = U (t )cos[ω0t +ϕ(t )] +U г cos(ωгt +ϕг).

Аппроксимируем ВАХ диода полиномом второй степени

i = a 0 + a 1u + a 2u .

Тогда ток диода можно представить следующим образом:

i (t ) = a 0 + a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t ) .

Слагаемые, содержащие только

вх

uвх (t ) , u г (t ) , u 2

г

u 2 (t

) , соответствуют со-

ставляющим в спектре тока диода, имеющим частоты ω0 , ωг,

довательно, они, с точки зрения преобразования частоты, интереса не представ- ляют. Основное значение имеет последнее слагаемое. Именно оно свидетельст- вует о наличии в спектре тока составляющих с преобразованными частотами

2a 2uвх (t )u г(t ) = 2a 2U (t )cos[ω0t + ϕ(t )]U г cos(ωгt + ϕг) =

= à 2U (t )U ã cos[(ω0 +ωã)t +ϕ(t ) +ϕã ] + à 2U (t )U ã cos[(ω0 −ωã)t +ϕ(t ) −ϕã ] .

Составляющая с частотой ωн

соответствует сдвигу спектра сигнала в

область низких частот, а составляющая с частотой ωв

высоких частот.

– в область

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

= ω0 −ωг, получим напряжение на выходе преобразователя, равное

uâûõ (t ) = i (t )R 0

= à 2U (t )U ã R 0 cos[(ω0 − ωã)t + ϕ(t ) − ϕã ] . (8.4)

U (t )

должны выбираться с таким расчетом, чтобы в выражении (8.4) пре-

обладающее значение имели слагаемые с комбинационными частотами. Преоб-

разование частоты часто сопровождается усилением полезного сигнала, поэто-

му обычно соблюдается соотношение U г

>>U (t ).

При ω0 >> ωг

расстройка частот ω0 +ωг, ω0 −ωг

весьма мала. При этом составляющие с частотами сигнала или гетеродина не

будут отфильтрованы избирательной системой. Нежелательно также примене- ние этой системы при решении задачи преобразования частоты в диапазоне акустических частот. В этом случае целесообразно использовать балансные схемы, которые обеспечивают самоликвидацию (компенсацию) ненужных со- ставляющих. На рис. 8.43,а и рис. 8.43,б приведены схемы таких преобразова- телей на диодах.

Рис. 8.43. Балансные преобразователи частоты

В схеме рис. 8.43,а выходное напряжение равно

uвых (t ) = u 1(t ) − u 2 (t ) = [i 1(t ) − i 2 (t )]R , (8.5)

i 1(t ) = a 0 + a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t ).

i 2 (t ) = a 0 − a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) − 2a 2uвх (t )u г(t ).

При получении выражения для i 2(t )

учтено, что напряжение сигнала подается

на диоды схем в противофазе, а напряжение гетеродина – в фазе.

Подставляя выражения для i 1 (t )

и i 2 (t )

в формулу (8.5), получаем

uвых (t ) =R .

uвых (t ) = {2a 1U (t )cos[ω0t +ϕ(t )] + 2a 2U (t )U г cos[(ω0 +ωг)t +ϕ(t ) + ϕг]+

2a 2U (t )U г cos[(ω0

− ωг)t + ϕ(t ) − ϕг ]}R .

Отсюда видно, что на выходе балансного преобразователя рис. 8.43,а отсутст-

вуют составляющие с частотами, равными 0, ωг,

2ωг, что упрощает ре-

шение задачи получения выходного сигнала необходимой частоты. Тем не ме- нее к выходу такого преобразователя также необходимо подключать избира- тельную систему с целью фильтрации сигнала с требуемой частотой.

Балансный преобразователь рис. 8.43,б представляет собой схему, совмещаю-

щую два балансных преобразователя. На диоды различных ветвей подаются

напряжения сигнала и гетеродина с различными фазами. Работа такого преоб-

разователя поясняется следующими формулами:

uвых (t ) = u 1(t ) − u 2 (t ) + u 3(t ) − u 4 (t ) = [i 1(t ) − i 2 (t ) + i 3(t ) − i 4 (t )]R , (8.6)

i 1(t ) = a 0 + a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t );

i 2 (t ) = a 0 − a 1uвх (t ) + a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) − 2a 2uвх (t )u г(t );

i 3(t ) = a 0 − a 1uвх (t ) − a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) + 2a 2uвх (t )u г(t );

i 4 (t ) = a 0 + a 1uвх (t ) − a 1u г(t ) + a 2uвх (t ) + a 2u г (t ) − 2a 2uвх (t )u г(t ).

Подставляя выражения для i 1 (t ) , i 2 (t ) , i 3 (t )

и i 4 (t )

в формулу (8.6), получаем

uвых (t ) =8a 2uвх (t )u г(t )R .

uвых (t ) = {4a 2U (t )U г cos[(ω0 +ωг)t +ϕ(t ) +ϕг]+

4a 2U (t )U г cos[(ω0 − ωг)t + ϕ(t ) − ϕг ]}R .

На выходе преобразователя рис. 8.44,б отсутствует составляющая с часто-

той сигнала ω0

(составляющие с частотами 0, ωг,

также отсутству-

ют). Фильтр на выходе такого преобразователя должен выделить одну состав-

ляющую из двух.

б. Транзисторные преобразователи частоты

В приемных каналах радиотехнических систем широко используются пре- образователи частоты на транзисторах. При этом различают схемы преобразо- вателей, в которых функции смесителя и гетеродина совмещены, и схемы пре- образователей 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 эмитте-

ром и по схеме с общей базой.

Преобразователи с общим эмиттером используются чаще, т.к. имеют луч- шие шумовые характеристики и больший коэффициент усиления по напряже- нию. Напряжение гетеродина может быть подано в цепь базы или в цепь эмит- тера. В первом случае достигается больший коэффициент усиления, во втором

случае – лучшая стабильность коэффициента усиления и хорошая развязка ме-

жду 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 преобразова- телей определяются свойствами усилителей, на основе которых они построены. На рис. 8.44 приведены схемы преобразователей частоты на плоскостных

транзисторах.

напряжение гетеродина – на эмиттер. Контур в цепи коллектора настроен на

промежуточную частоту. Сопротивления

R 1 и R 2

обеспечивают необходимый

режим работы усилителя (положение рабочей точки), сопротивление

Rэ и ем-

кость Cэ

– термостабилизацию положения рабочей точки. Преобразование час-

тоты осуществляется за счет изменения с частотой сигнала гетеродина коэффи-

циента передачи усилительного каскада (крутизны ВАХ транзистора).

Рис. 8.44. Схемы преобразователей частоты на плоскостных транзисторах

Транзисторный преобразователь частоты, изображенный на рис. 8.44,б, по-

строен с использованием дифференциального усилителя. На его вход подается

преобразуемый сигнал, а на базу транзистора VT 3

генератора стабильного тока

подается сигнал гетеродина. Коэффициент усиления и коэффициент шума та- ких преобразователей примерно равны соответствующим коэффициентам уси- лительного каскада.

Схемы преобразователей частоты на полевых транзисторах приведены на рис. 8.45,а – схема с совмещенным гетеродином и рис. 8.45,б – схема с исполь- зованием 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 выпол-

няет роль смесителя и гетеродина одновременно. Сигнал

uвх (t )

поступает на

затвор транзистора. Напряжение гетеродина

u г(t )

с части гетеродинного кон-

L гC г

подается в цепь истока транзистора. Необходимый режим транзи-

стора обеспечивается соответствующим выбором рабочей точки с помощью

цепи автоматического смещения

R 2C 2 . Резистор

R 1 в цепи затвора обеспечива-

ет стекание зарядов, скапливающихся на затворе. Нагрузка преобразователя – полосовой фильтр, настроенный на необходимую комбинационную частоту стокового тока. Так как входное и выходное сопротивления полевого транзи- стора 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 воз-

действием суммы двух напряжений. Напряжение

uвх (t )

создается преобразуе-

мым сигналом, подаваемым на первый затвор, а напряжение

u г(t )

– 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 преобра- зуемого сигнала и контуром сигнала гетеродина. При наличии такой связи воз- можен захват сигналом частоты колебаний гетеродина. При этом частота сиг- нала гетеродина становится равной частоте преобразуемого сигнала, вследствие чего преобразования частоты происходить не будет.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное состояние радиотехники характеризуется интенсивным раз- витием методов и средств обработки сигналов, широким использованием дос- тижений цифровых и информационных технологий. В то же время нельзя абсо- лютизировать изменчивость базовых фрагментов общей теории радиотехники, положенных в основу методов решения задач анализа и синтеза современных радиотехнических и информационных систем. Как знания и свободная ориен- тация во множестве математических аксиом позволяют приходить к новым вы- водам и результатам, так и знания основополагающих концепций в области мо- делирования сигналов, методов и технических средств их обработки позволяют легко разобраться в новых, пусть даже на первый взгляд очень сложных техно- логиях. 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 свя- занные с "детерминированной" радиотехникой. Прежде всего это вопросы ге- нерирования сигналов, дискретной и цифровой фильтрации, методов анализа и построения параметрических и оптоэлектронных устройств. Особого внимания и отдельного обсуждения заслуживают проблемы статистической радиотехни- ки, решение которых немыслимо без широкого кругозора в области методов анализа случайных сигналов и их преобразований, методов решения классиче- ских задач оптимальной обработки сигналов при их обнаружении и измерении.

В последующем планируется издание учебного пособия, посвященного рассмотрению этих проблем с учетом новых теоретических и практических ре- зультатов.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Теоретические основы радиотехники

Учреждение образования.. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.. Кафедра радиотехнических устройств..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Радиотехника и информатика
Для современного общества важнейшей является проблема использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. По своей значимости и актуаль

Диоинформатика
Информационный аспект работы любой системы предполагает использо- вание определенного материального носителя информации. Физический про- цесс, являющийся функцией некоторых параметров и используемы

Передающее устройство
Передающее устройство осуществляет преобразование передаваемого со- общения и приведение его к виду, пригодному для передачи в свободное про- странство с помощью антенн. С этой целью в состав устро

Приемное устройство
Высокочастотные радиосигналы, улавливаемые приемной антенной, по- ступают в приемное устройство. Приемное устройство осуществляет соответст- вующие преобразования принятого высокочастотного сигнала

Проблемы обнаружения и оптимальной обработки сигналов
Одной из основных задач радиолокационного приема является задача об- наружения. Суть этой задачи – определить, содержит ли принимаемое колеба- ние отраженный сигнал. Задача статистическая, то есть

Проблемы оптимизации и адаптации
Проблемы оптимизации и адаптации решаются при проектировании и экс- плуатации РТС. При оптимизации синтезируют наилучшую в определенном смысле функциональную и алгоритмическую структуру РТС, опирая

Математические модели сигналов
Для того чтобы сигналы являлись объектами теоретического изучения и анализа, необходимо иметь их математические модели. Математическая модель сигнала – это формализованное его представление в

Дельта-функция
Дельта-функция (δ -функция, функция Дирака) – это математическая мо- дель реально не существующего сигнала, который имеет бесконечную по вели- чине амплитуду и нулевую д

Функция единичного скачка
τ → 0τ Функция единичного скачка (функция Хевисайда) описывает процесс рез- кого (мгновенного) перехода ф

Характеристики сигналов
Для сигнала, существующего в интервале ∆t = t2 −t1 , наиболее важными являются следующие характерис

Геометрические методы в теории сигналов
В теории множеств имеется понятие действительного векторного про- странства, под которым понимается непустое множество V , для элементов ко- торого опр

Определение спектров некоторых сигналов
3.4.1. Спектр колоколообразного (гауссова) импульса Сигнал, описываемый функцией вида

Корреляционный анализ сигналов
3.5.1. Общие положения При решении многих задач оптимальной обработки сигналов возникает потребность определять степе

Свойства взаимокорреляционной функции
1. Значения R12 (τ) и R 21(τ) не изменятся, если вместо задержки сигнала s2 (t) или

Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов
(теореме Котельникова) 3.6.1. Теорема Котельникова В настоящее время широко применяются циф

Рез равные промежутки времени
∆t ≤1 2 f m . Справедливость теоремы подтверждается тем, что сигнал s(t), спектр ко- торог

Определение коэффициентов ряда
Значение коэффициентов Ck определим, пользуясь формулой Ck = ∞

Радиосигналы с амплитудной модуляцией
4.2.1. Амплитудно-модулированные сигналы Амплитудная модуляция (АМ; английский термин – amplitude modulation) являетс

Радиосигналы с угловой модуляцией
4.3.1. Общие сведения об угловой модуляции При угловой модуляции (английский термин – angle modulation) происхо- дит изменен

Импульсная модуляция
4.4.1. Виды импульсной модуляции В рассмотренных выше видах модуляции (АМ, ФМ, ЧМ) носителем пере- даваемой информаци

Узкополосные сигналы
4.5.1. Общие сведения об узкополосных сигналах В различных системах передачи информации широко применяются радио- сиг

Основные характеристики линейных цепей
5.2.1. Характеристики в частотной области Спектральное представление сигналов делает весьма удобным их анализ в часто

Дифференцирующая и интегрирующая цепи
На рис. 5.1,а представлена схема линейного четырехполюсника в виде по- следовательной RC -цепи с постоянной времени τ = RC

Фильтр нижних частот
В качестве фильтра нижних частот во многих радиотехнических устройст- вах (выпрямителях, детекторах и др.) применяется схема, изображенная на рис. 5.3,а. Ча

Параллельный колебательный контур
Параллельный колебательный контур – это частотно-избирательная цепь, образованная параллельным соединением индуктивности L и емкости C . Ак-

Усилители
Для увеличения мощности сигналов с сохранением их формы используют усилители. Принцип действия усилителей основан на преобразовании энергии источника питания в энерг

Область нижних частот
В области нижних частот сопротивление емкости xc =1 ωC имеет боль- шое значение по сравнению со значения

Область верхних частот
В области верхних частот сопротивления емкостей уменьшаются по срав- нению с их значениями в области нижних и средних частот. Поэтому шунти- рующим действием емкостей

Положительная обратная связь
Обеспечивается при условии ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ , где k – целое число, т.е. при поступлении на вход основной цепи сигнала

Отрицательная обратная связь
Обеспечивается при условии ϕ(ω)+ϕβ (ω) = (2k +1)π , т.е. при поступле- нии на вход основной цепи сигнала обратной связи в проти

Реактивная и комплексная обратная связь
Реактивная обратная связь устанавливается при условии ϕ(ω) +ϕβ (ω) = 2kπ +π

Постановка задачи
Анализ любой радиотехнической цепи сводится к установлению зависимо- сти между входным сигналом и сигналом, формируемым на выходе. В общем случае радиотехническая це

Точные методы анализа линейных цепей
6.2.1. Классический метод Классический метод основан на составлении и решении линейного диффе- ренциального уравнения

Прохождение периодического сигнала через линейную цепь
Спектр периодического сигнала определяется путем разложения сигнала в ряд Фурье, комплексная форма которого имеет вид ∞ 1 T 2

Прохождение непериодического сигнала через линейную цепь
Спектр непериодического сигнала (спектральная плотность) определяется путем вычисления прямого преобразования Фурье ∞ S(jω) = ∫

Приближенные методы анализа линейных цепей
6.3.1. Приближенный спектральный метод Приближенный спектральный метод применяется в случае, если эффек-

Суть метода
Рассматриваем прохождение сигнала с частотной модуляцией через узко- полосную цепь. Выходной сигнал определяется для фиксированного значения частоты ω(t

Прохождение амплитудно-модулированного сигнала через избирательную цепь
Определим сигнал, формируемый резонансным усилителем, при поступле- нии на его вход АМ–сигнала с тональной модуляцией. Частотная характеристика рез

Свойства и характеристики нелинейных цепей
При проектировании большинства радиотехнических устройств возникает необходимость преобразования спектра полезного сигнала. К их числу относят- ся устройства, которы

Способы аппроксимации характеристик нелинейных элементов
Характеристики реальных нелинейных элементов, которые определяют обычно с помощью экспериментальных исследований, имеют сложный вид и представляются в виде таблиц или графиков. В то же время д

Методы анализа нелинейных цепей
Используются следующие методы анализа нелинейных цепей: 1. Аналитические. Позволяют в каждом конкретном случае получить ча-

Общее решение задачи анализа нелинейной цепи
Рассмотрим процессы, происходящие в безынерционном нелинейном уст- ройстве, характеристика которого представлена на рис. 7.2. На вход устройства поступает гармоничес

Определение спектра тока в нелинейной цепи при степенной аппроксимации характеристики
7.5.1. Гармонический сигнал на входе Предположим, что рабочий участок характеристики нелинейного элемента описывается

Определение спектра тока в нелинейной цепи при кусочно-линейной аппроксимации характеристики
При воздействии на нелинейный элемент сигнала с большой амплитудой и выборе рабочей точки на нижнем изгибе вольт-амперной характеристики целе- сообразно применить ме

Нелинейное резонансное усиление сигналов
Усилитель – это устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала. Управление преобразованием осуществляется входным сиг- налом

Умножение частоты
В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых из- мерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого часто

Амплитудная модуляция
8.3.1. Общие сведения об амплитудной модуляции Амплитудная модуляция – это процесс формирования амплитудно-моду- лиро

Амплитудное детектирование
8.4.1. Общие сведения о детектировании Детектирование (демодуляция) – это процесс преобразования высокочас- тотного м

Выпрямление колебаний
8.5.1. Общие сведения о выпрямителях Радиотехнические устройства выполняют свои функции при наличии энер- гии, поступ

Угловая модуляция
8.6.1. Общие принципы получения сигналов с угловой модуляцией Радиосигналы с угловой модуляцией имеют вид

Детектирование сигналов с угловой модуляцией
8.7.1. Общие принципы детектирования сигналов с угловой модуляцией Радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие вид

Преобразованием частоты является любое ее изменение. Например, при выпрямлении переменный ток с частотой превращается в постоянный ток, у которого частота равна нулю. В генераторах энергия постоянного тока, имеющего частоту, равную нулю, преобразуется в энергию переменного тока нужной частоты.

Вспомогательное напряжение получают от маломощного генератора, называемого гетеродином. На выходе преобразователя получается колебание с новой преобразованной частотой, которую называют промежуточной частотой.

В качестве преобразователя частоты должен применяться нелинейный или параметрический прибор.

Если бы преобразователь частоты был линейным прибором, то в нем бы произошло бы просто сложение двух колебаний. Например, при сложении двух колебаний с близкими, но не кратными частотами получились бы биения, т. е. сложное колебание, у которого частота менялась бы в некоторых пределах около среднего значения, а амплитуда изменялась бы с частотой, равной разности частот. Такие биения не содержат составляющего колебания с новой частотой. Но если биения детектировать (выпрямить), то вследствие нелинейности этого процесса возникает составляющая с промежуточной частотой.

На выходе преобразователя частоты получается сложное колебание, имеющее составляющие многих частот.

Все новые частоты, представляющие собой комбинации частот и их гармоник, называются комбинационными частотами. Выбирая подходящую вспомогательную частоту, можно получить новую частоту.!

Среди новых частот содержатся и гармоники первоначальных колебаний с частотами в несколько раз больше исходных. Но их можно получить проще при нелинейном искажении одного из подводимых напряжений. Наличие двух напряжений для возникновения гармоник необязательно.

Как правило, амплитуды комбинационных колебаний (и гармоник) тем меньше, чем выше значения частот. Поэтому в большинстве случаев в качестве колебания новой промежуточной частоты используют колебание разностной частоты, а иногда суммарной. Комбинационные частоты более высокого порядка применяются редко.

Преобразование частоты в радиоприемниках в большинстве случаев осуществляется так, что при приеме сигналов различных радиостанций, работающих на разных частотах, создаются колебания одной и той же промежуточной частоты. Это позволяет получить большое усиление и высокую избирательность, причем они остаются почти постоянными во всем диапазоне частот принимаемых сигналов. Кроме того, при постоянной промежуточной частоте получается более устойчивая работа усилительных каскадов и они значительно проще по устройству, нежели каскады, рассчитанные на диапазон частот.

В радиоприемных и радиоизмерительных устройствах в качестве промежуточной чаще всего используется разностная частота, причем вспомогательная частота обычно выше преобразуемой частоты сигнала. Такое соотношение между частотами обязательно, если промежуточная частота должна быть выше частоты сигнала.

Преобразование частоты сигнала переносит частоту сигнала в другую область на частотной оси. Рассмотрим смысл этой операции обработки сигнала.

Классическая система преобразования частоты состоит из входного фильтра, гетеродина, смесителя, выходного фильтра промежуточной частоты (ПЧ).

Назначение входного фильтра - ограничить полосу частот входного сигнала. Для упрощения примем, что этот сигнал синусоидальный с частотой f 1 , заданный функцией X(t)=sin(2πf 1 t + ϕ 1), где f 1 - частота входного сигнала, ϕ 1 - начальная фаза входного сигнала, π = 3,141...

Гетеродин - это синусоидальный генератор с постоянной частотой f 2 и начальной фазой ϕ 2 . Опишем сигнал гетеродина функцией Y(t)=sin(2πf 2 t + ϕ 2).

Смеситель представляет собой умножитель сигналов. На выходе смесителя порождается сложный сигнал с функцией X(t) * Y(t). Учитывая тригонометрическое соотношение sin α * cos β = ½ (sin(α + β) + sin(α - β)), становится понятно, что сигнал на выходе смесителя будет состоять из суммы синусоидальных сигналов с частотами f 1 + f 2 и f 1 - f 2 и соответствующими начальными фазами.

Фильтр промежуточной частоты (это традиционное название из радиотехники) предназначен для выделения одной из частотных компонент: f 1 + f 2 или f 1 - f 2 . Если применятся фильтр, пропускающий частоту f 1 + f 2 , то соответствующая операция преобразования частоты происходит с повышением частоты выходного сигнала, относительно входного. Если применятся фильтр, пропускающий частоту f 1 - f 2 , то преобразование происходит с понижением частоты .

С учётом того, что входной физический сигнал - это не одиночная частота f 1 , а сумма частот в разложении реального сигнала с ограниченной полосой пропускания, понятно, что операция преобразования частоты может сдвигать полосу частот сигнала либо влево, либо вправо на частотной оси. И, перестраивая частоту гетеродина, можно управлять либо сдвигом выходной частоты, либо сдвигом входной, в зависимости от цели преобразования.

Применение преобразования частоты с понижением частоты с последующей оцифровкой сигнала позволяет применить АЦП с меньшей частотой преобразования.

Операцию преобразования частототы можно рассматривать как частный случай применения эффекта интермодуляции для пользы дела. Здесь в качестве нелинейного элемента выступает умножитель, и, исходя из его теоретических свойств, показанных выше, идеальный умножитель и идеально синусоидальный гетеродин создают интермодуляцию исключительно первого порядка.

Спектра сигнала по частоте без изменения формы спектра. П. ч. возникает при воздействии колебаний сигнала н гетеродина на нелинейное устройство, наз. смесителем; в результате в спектре выходного сигнала наряду с др. частотами образуются разностная и суммарная частоты: выделение одной из них и является результатом работы смесителя. Величина сдвига определяется частотой вспомогат. генератора (гетеродина).

П. ч. используют в радиоприёмных устройствах, измерит. технике, эталонных генераторах и т. д., поскольку при этом усиление сигнала в широком диапазоне перестраиваемых частот заменяется усилением неперестраиваемой комбинац. частоты, наз. промежуточной. Постоянство промежуточной частоты = const при перестройке частоты сигнала обеспечивает одноврем. перестройка частоты гетеродина Т. о., усиление сигнала в устройствах с П. ч. осуществляется на сравнительно нпзкой, обычно стандартной частоте.

При передаче информации радиочастотное колебание можно модулировать по разл. параметрам: амплитуде частоте p фазе (см. Модулированные колебания). Для того чтобы при П. ч. была перенесена на промежуточную частоту без искажений, необходимо выполнение . условий: 1) нелинейное устройство (напр., ) должно иметь вольт-амперную характеристику, близкую к квадратичной или аппроксимируемую полиномом чётной степени; 2) амплитуда сигнала должна быть много меньше амплитуды колебаний гетеродина 3) частота должна быть выше

Поскольку в выходной цепи смесителя имеются разл. комбинац. частоты, то для выделения разностной или суммарной частоты выходная цепь должна быть избирательной, т. е. резонансной, настроенной на нужную частоту.

Под П. делителя частоты или умножителя частоты. С . Ф. Литвак.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ" в других словарях:

преобразование частоты - Процесс линейного переноса полосы частот, занимаемой сигналом, в другую область частотного спектра с инверсией или без нее. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева …

преобразование частоты - dažnio keitimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. frequency conversion; frequency transformation vok. Frequenztransformation, f; Frequenzumsetzung, f; Frequenzumwandlung, f; Frequenzwandlung, f rus. преобразование частоты, n pranc.… … Automatikos terminų žodynas

преобразование частоты - dažnio keitimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. frequency conversion vok. Frequenzumsetzung, f; Frequenzumwandlung, f; Frequenzwandlung, f rus. преобразование частоты, n pranc. conversion de la fréquence, f … Fizikos terminų žodynas

преобразование частоты радиосигнала - преобразование частоты Процесс переноса полосы радиочастот, занимаемой сигналом, в другую часть частотного спектра. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиоприем Синонимы преобразование частоты … Справочник технического переводчика

преобразование частоты в код числа - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency to number conversion … Справочник технического переводчика

преобразование частоты в направлении её уменьшения - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency down conversionFDC … Справочник технического переводчика

преобразование частоты в напряжение - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency to voltage conversion … Справочник технического переводчика

преобразование частоты с понижением - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency down conversion … Справочник технического переводчика

Преобразование частоты радиосигнала - 163. Преобразование частоты радиосигнала Преобразование частоты Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

преобразование частоты на основе комбинационного рассеяния - Ramano dažnio keitimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. Raman frequency conversion vok. Raman Frequenzumwandlung, f rus. преобразование частоты на основе комбинационного рассеяния, n pranc. conversion Raman de fréquence, f … Radioelektronikos terminų žodynas

Книги

• Радиотехнические цепи и сигналы (комплект из 2 книг) , И. С. Гоноровский. Книга является учебником по новому курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» и соответствует программе этого курса для специальности «Радиотехника». В первой частиизлагается спектральный и…

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.