Что такое преобразование частоты

Принцип преобразования частоты

Применение преобразования частоты

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ возникает при формировании сигналов в радиопередающих устройствах, аппаратуре многоканальной электросвязи, радиоприемных устройствах.

Преобразование частоты – перенос (смещение) спектра сигнала по шкале частот в область более низких или более высоких частот без изменения закона модуляции. Устройство, его осуществляющее, называется преобразователем частоты.

Новое значение частоты несущего колебания, полученное на выходе преобразователя частоты, называется промежуточной частотой:

,

где — частота гетеродина;

.

Промежуточная частота может быть как выше частоты несущей (преобразование частоты вверх), так и ниже (преобразование частоты вниз).

Процесс преобразования частоты иллюстрируется рисунком 17.2.

Рисунок 17.1 – Временные диаграммы (а, в, д) и спектры (б, г, е) при

На рисунке приведены графики: АМ сигнала и его спектра, дополнительного гармонического колебания и его спектра, сигнала на выходе ПФ и его спектра. Спектр последнего по форме совпадает с исходным спектром сигнала, но сдвинут в область более низких частот на частоту . Огибающая колебания на выходе ПФ полностью совпадает с огибающей АМ сигнала, а частота заполнения уменьшена на значение .

Источник

Что такое преобразование частоты

8.10. Преобразование частоты сигнала

В радиотехнике часто требуется осуществить сдвиг спектра сигнала по оси частот на определенную постоянную величину при сохранении структуры сигнала. Такой сдвиг называется преобразованием частоты.

Для выяснения основных черт процесса преобразования частоты вернемся к вопросу о воздействии на нелинейный элемент двух напряжений, кратко рассмотренному в § 8.3. Однако в данном случае только одно из колебаний, именно то, которое создается вспомогательным генератором (гетеродином), мы 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 источника сигнала

В качестве нелинейного элемента возьмем, как и в § 8.8, диод, однако характеристику его для более полного выявления продуктов взаимодействия сигнала и гетеродинного колебания аппроксимируем полиномом четвертой степени (а не второй, как в § 8.3):

Из этого результата видно, что интересующие нас частоты ω_s ± ω_г возникают лишь благодаря четным степеням полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента. Однако один лишь квадратичный член полинома (с коэффициентом а₂) образует составляющие, амплитуды которых пропорциональны только первой степени E_s(t). Более высокие четные степени (четвертая, шестая и т. д.) нарушают эту пропорциональность, так как амплитуды привносимых ими колебаний содержат также степени Е_s(t) выше первой.

Отсюда видно, что амплитуды Е_s и Е_г 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 Е_s ω_г. Если же ω_s(t) ω_s(t) изображен на рис. 8.43, б. В преобразованном спектре ω_макс и ω_мин меняются местами.

т. е. к изменению знака перед частотным отклонением Δω(t).

При преобразовании частоты сигнала с несимметричным спектром для сохранения структуры спектра частота гетеродина должна быть ниже частот сигнала.

Источник

Что такое преобразование частоты

Если усиление принимаемых высоко­частотных сигналов производится на одной постоянной частоте, то радиоприемник освобождается от недостатков, присущих приемникам прямого усиления. Характерным элементом супергетеродинного при­ емника является преобразователь частоты (ПЧ), расположенный между усилителем радиочастоты (или входной цепью) и усилителем

промежуточной частоты. В преобразователе частоты происходит пре­ образование колебаний, принимаемых радиоприемником сигналов одной частоты в колебания другой. При преобразовании частоты про­исходит процесс линейного переноса спектра принимаемого сигнала по шкале частот из одной части радиочастотного диапазона в другую без изменения соотношений между его составляющими. Для модулирован­ных сигналов это означает повышение или понижение несущей частоты с сохранением вида и закона модуляции (рис. 12.1).

Частота сигнала, полученная после преобразования, называется промежуточной и обозначается f_пр. Таким образом, основной задачей преобразования в радиоприемнике является преобразование частоты принимаемого сигнала f_с в промежуточную частоту f_пр. Одновременно происходит усиление или ослабление принимаемого сигнала, а также выделение промежуточной частоты из спектра выходного тока преобра­ зовательного прибора. В структурную схему преобразователя частоты (рис. 12.2) входят преобразовательный прибор ПП, гетеродин Г и избирательная цепь ИЦ с цепями связи т₁ и т₂. Процесс преобразо­ вания частоты осуществляется с помощью параметрических преобра­ зовательных систем. В связи с малым уровнем подаваемых на вход преобразователя сигналов f_с электронные приборы (биполярные и полевые транзисторы, диоды, электронные лампы) по отношению к ним можно считать линейными. Поэтому преобразовательные при­ боры можно представить в виде линейных активных двухполюсников

Рис. 12.2 Структурная схема преобразователя частоты.

или четырехполюсников с периоди чески изменяющимися под воздей ствием большого напряжения гете родина параметрами. Преобразова ние частоты в этом случае можно рассматривать как параметриче ское. Избирательная цепь служит для выделения составляющих спек тра выходного тока преобразова­ теля вблизи выбранной промежуточной частоты. В качестве избира­тельных цепей преобразователей частоты применяются фильтры со­ средоточенной селективности (ФСС), двухконтурные полосовые филь­ тры или одиночные контуры.

Принцип преобразования частоты

Преобразование частоты осуществляется с помощью нелиней­ ных систем или систем с периодически изменяющимися парамет­рами. При использовании нелинейной системы на нее воздейству­ ют Два колебания: колебание частоты принимаемого сигнала и ко­ лебание вспомогательной частоты гетеродина. Схема простейшего преобразователя g диодом в качестве нелинейной системы приведе­ на на фиг. 6.1.

Ток разностной (промежуточной) частоты, возникающий в цепи диода, выделяется на колеба­ тельном контуре, настроенном на эту ча­ стоту

f пр = f г – f с. Нелинейными элемен­тами таких систем также могут быть тран­зисторы, электронные лампы, полупровод­ никовые и параметрические диоды.

К системам с изменяющимися парамет­ рами относятся электронные лампы с дву­ мя управляющими сетками и полевые транзисторры с двумя затворами.

Рассмотрим процесс преобразования частоты в цепи с нелиней­ ным элементом, вольт-амперная характеристика которого задана полиномом второй степени:

где и — сумма напряжений сигнала и гетеродина.

Определим составляющую тока в цепи нелинейного элемента при воздействии на него напряжений двух частот

Подставив значение и в выражение (6.1) и использовав форму­лы тригонометрического разложения

Из формулы (6.6) видно, что ток i кроме составляющих основ­ ных ча

стот ω_Г и ω_С содержит постоянные составляющие (первый, четвертый и пятый члены выражения), токи вторых гармоник 2ω_С, 2ω_Г ( шестой и седьмой члены) и составляющие разностной и сум­ марной частот (последние члены).

( f _г = f _с — f _пр ), которая применяется иногда в диапазоне СВЧ. Ток на выходе нелинейного элемента, являющийся током промежуточной частоты, определяется предпоследним членом выражения (6.6)

ОСНОВНЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Качество работы преобразователя частоты оценивается следую­щими показателями.

Коэффициентом передачи (усилением), который определяется при точной настройке гетеродина, когда промежуточная частота равна своему номинальному значению.

• Коэффициент передачи может быть по напряжению или мощности; К_пч = U_nPIU_c ; К_пч = Р_пр/Р_с, где U_пр, Р_пр — напряжение и мощ­ность промежуточной частоты на выходе ПЧ; U_c , Р_с — напряжение и мощность полезного сигнала на входе ПЧ.

Диапазоном частот гетеродина преобразователя частоты, кото­рый должен быть таким, чтобы перестройка гетеродина совместно с перестройкой входной цепи или входной цепи и УРЧ диапазонного приемника обеспечивала постоянную промежуточную частоту в рабо­ чем диапазоне частот.

Избирательностью преобразователя частоты по соседнему ка­налу, которая определяется его резонансной нагрузкой. На качество работы преобразователя частоты большое влияние оказывает стабиль­ ность частоты гетеродина которая может изменяться в процессе рабо­ ты радиоприемника под влиянием изменения температуры, влажности, напряжения источника питания и механических воздействий. При произвольном изменении частоты гетеродина будет изменяться проме­ жуточная частота и, следовательно, уменьшится коэффициент усиления каскадов УПЧ и возникнут искажения сигнала на выходе прием­ника.

Транзисторные и ламповые преобразователи частоты различаются по способу получения напряжения гетеродина. Схемы преобразова­ телей могут быть с отдельным гетеродином или с совмещенным, при котором функции смесителя и гетеродина объединены в одном усили­ тельном приборе.

Транзисторные преобразователи различаются способом включения транзистора в смесителе. Наибольшее распространение получили преобразователи, у которых напряжение сигнала подается в цепь базы, а напряжение гетеродина — в цепь эмиттера. Ламповые пре­ образователи частоты различают по типу применяемых смесительных ламп — диодов, триодов, пентодов и специальных смесительных ламп — гептодов.

Источник

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ

— сдвиг 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. модуляция была перенесена на промежуточную частоту без искажений, необходимо выполнение след. условий: 1) нелинейное устройство (напр., полупроводниковый диод) 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.

Источник

РАДИОПРИЕМНИКИ: ВИДЫ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Растущая популярность технологии беспроводной связи, модулей SDR и всех современных радиоинтерфейсов, вызвала желание вспомнить характеристики и свойства базовых конфигураций радиоприемников.

Окончательный выбор схемы конечно зависит от типа, сложности и объема передаваемых данных. Методы проектирования радиоприемников тоже изменились с годами. В основном это произошло за счет увеличения возможностей имеющихся интегральных микросхем, за счет разработки новых технологий их производства.

Также важно снизить затраты, увеличивая при этом функциональность систем обработки сигналов (процессоров DSP). Однако независимо от архитектуры схемы приемников, они должны отвечать определенным неизменным требованиям в отношении частотного диапазона, эффективности и основных параметров: селективности и чувствительности. Начнём краткий обзор.

Приемник AM

Одной из основных, базовых исторически схем является приемник, предназначенный для обработки амплитудно-модулированного сигнала, то есть несущей волны, в которой изменение значения амплитуды отражает передаваемую информацию. Демодуляции такого сигнала можно добиться с помощью простого диодного детектора. Принципиальная схема базового AM-приемника включает в себя: антенну, фильтр, диодный детектор и усилитель, обеспечивающий соответствующий уровень демодулированного (уже звукового) сигнала. Диодный детектор в простейших решениях AM-приемников работает как односторонний выпрямитель, который отслеживает изменения огибающей модулированного сигнала путем зарядки и разрядки конденсатора.

Приемник с прямым усилением

Следующим шагом в развитии радиотехники стало внедрение приемников прямого усиления, создание которых было связано с распространением усилителей на электронных лампах. Это решение широко использовалось в первых радио. В отличие от более поздних решений, приемники с прямым усилением не использовали преобразование частоты, поэтому задача детектора заключалась в демодуляции непосредственно принятого радиочастотного сигнала. Достоинством этой простой конструкции было, прежде всего, отсутствие влияния так называемого зеркального сигнала.

В приемниках, использующих смешение частот, это серьезная проблема, поскольку случайно принятый зеркальный сигнал ухудшает качество полезного. Каждый дополнительный резонансный контур увеличивает избирательность приемника. Но недостатком этого решения была необходимость одновременной перенастройки всех схем, что было сложной задачей при проектировании.

Другая проблема заключалась в том, что избирательность приемника снижалась с увеличением частоты. Недостатки этого решения способствовали быстрому распространению преобразователей частоты с прямым преобразованием и супергетеродинных приемников.

Прямое преобразование

Способ избежать необходимости использовать множество индивидуально настраиваемых фильтров заключался в передаче радиочастотного сигнала в полосе частот низкой частоты. Приемник с прямым преобразованием, также известный как гомодин, состоит из следующих модулей: входной цепи, смесителя, то есть элемента в котором принимаемый в антенне сигнал передается в низкочастотный диапазон, генератора, фильтра и усилителя.

Характерной особенностью этого решения является двойная роль смесителя, который также действует как детектор. Другой конфигурацией выступают так называемые супергетеродинные приемники, в которых каскад преобразования частоты отделен от блока детекторов. В группе приемников этого типа есть две основных конструкции: супергетеродинный приемник с одинарным и двойным преобразованием частоты.

Супергетеродинный приёмник

Зеркальный радиосигнал

Недостатком приемников с преобразованием частоты является необходимость подавления так называемого зеркального сигнала. Объяснение неблагоприятного влияния зеркального сигнала можно увидеть на примере. Предполагаем, что модулированный сигнал имеет частоту 100 МГц, а гетеродин генерирует сигнал с частотой 110,7 МГц. В результате смешивания обоих сигналов создается сигнал с частотой f h – f RF = 10,7 МГц. Фильтр ПЧ настроен на эту частоту, но сигнал с частотой 121,4 МГц также достигает антенны. Это зеркальный сигнал, то есть форма волны с частотой, которая отличается от частоты полезного сигнала на величину, равную удвоенной промежуточной частоте.

Если сигнал этот не подавляется входными цепями, то смешивание этого сигнала и сигнала от генератора также даст форму волны 10,7 МГц. Это будет мешать правильному приему полезного сигнала. Решением проблемы помех при приеме зеркальных сигналов является использование супергетеродинного приемника с двойным преобразованием.

Двойное преобразование частоты

Чем выше промежуточная частота, тем больше частотное разделение полезного радиочастотного сигнала и частота зеркального сигнала. Это увеличивает вероятность подавления мешающего сигнала во входной цепи. Следовательно, в супергетеродинном приемнике с двойным преобразованием промежуточная частота на первом этапе преобразования намного выше, чем ПЧ во втором каскаде. Из-за меньшего значения вторая ступень преобразования обеспечивает лучшую селективность.

Работу описанного супергетеродинного приемника следует проследить на таком примере. Предположим, что сигнал с частотой 25 МГц достигает антенны, а промежуточная частота первого каскада преобразования составляет 20 МГц. Отсюда следует, что гетеродин должен генерировать сигнал с частотой 45 МГц. Мешающий сигнал в таком случае будет зеркальной волной, которая может быть легко устранена во входных цепях из-за ее почти в три раза более высокой частоты (65 МГц) по сравнению с частотой полезного сигнала.

Входные цепи и гетеродин

В последние годы были разработаны многие другие методы, включая прямой цифровой синтез (DDS), которые используются для генерации сигналов на желаемой частоте. Гетеродин должен обеспечивать генерацию сигналов в определенной полосе и настройку с соответствующим шагом частот. Кроме того, он должен характеризоваться достаточно низким уровнем фазового шума в заданной полосе, совпадающим с шириной канала. Выходной сигнал генератора также должен иметь соответствующий уровень, необходимый для управления смесителем.

Смесители и усилители

Смесители построены в основном на основе нелинейных полупроводниковых элементов (диодов, транзисторов). Из-за простоты конструкции, среди беспроводных устройств преобладают решения с диодными смесителями. Самыми популярными конфигурациями схем этого типа являются односторонние и одно- или двухбалансные смесители.

Схема состоит из двух диодов, соединенных таким образом, чтобы на выходе смесителя не появлялось напряжение частоты гетеродина. Модификация этой схемы, двухбалансный смеситель, содержит четыре диода, а также позволяет исключить влияние составляющих принимаемого сигнала. Потери преобразования в смесителях обоих типов сопоставимы.

Существуют также активные смесители, которые обычно изготавливаются в виде интегральных микросхем и позволяют снизить потери преобразования и даже усилить обработанный сигнал. Благодаря этому они могут взаимодействовать с генераторами с более низким уровнем выходного сигнала.

Усилители приемника должны быть малошумящими и устойчивыми к искажениям. Также важно, чтобы входной малошумящий усилитель мог обеспечить адекватное усиление сигнала. Соответствующий параметр SNR (сигнал/шум) на входе следующего каскада приемника должен достичь уровня, позволяющего в дальнейшем корректную обработку сигнала.

Наиболее важными параметрами усилителей являются полоса пропускания, коэффициент шума, усиление, напряжение питания, потребляемая мощность и линейность. В идеале усилитель должен обеспечивать достаточное усиление для воспроизведения слабых сигналов, но не вносить чрезмерных искажений в сигналы с большой амплитудой.

Цифровые радиоприёмники

В этом случае выбор аналого-цифрового преобразователя в основном определяется типом архитектуры приемника. На это влияют селективность фильтров, динамический диапазон усилителей, а также ширина полосы и тип используемой модуляции.

Уровень сигнала, подаваемого на аналого-цифровой преобразователь, требует использования соответствующего разрешения. Например, в случае приемника с двойным преобразованием, предназначенного для приложения стандарта IEEE 802.16 для обработки радиочастотных сигналов используются 12-битные преобразователи. В случае использования одиночного преобразования, когда промежуточная частота выше, используются преобразователи с более высоким 14-битным разрешением. Это связано с меньшей избирательностью приемников этого типа.

В принципе сейчас идёт повсеместная тенденция к миниатюризации, что и влияет на конструкцию приемников. Интеграция все большего числа функций в единую микросхему влияет на свойства готового устройства, которые важны с точки зрения пользователя (низкая стоимость, низкое энергопотребление, небольшие размеры). Но независимо от уровня интеграции, основные элементы архитектуры приемника и основные этапы обработки принятого сигнала остаются неизменными.

Форум по обсуждению материала РАДИОПРИЕМНИКИ: ВИДЫ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Теория работы импульсных источников питания и варианты схемотехники.

Самодельная полка-кассетница для хранения мелких деталей и других электрических компонентов.

Источник