Супергетеродинные приемники. Принцип работы. Функциональная схема.. основная тема 2. Способ преобразования частоты
 Скачать 252.45 Kb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ
Введение Вследствие того, что могут возникать паразитные колебания, происходит ограничение возможности усиления высокочастотных колебаний в небольших пределах. Особенно это актуально при построении коротковолновых приемников. В качестве усилителя высоких частот лучше всего использовать резонансные конструкции. Но в них нужно производить полную перенастройку всех колебательных контуров, которые имеются в конструкции, при смене частоты. Вследствие этого существенно усложняется конструкция радиоприемника. Но недостатки эти можно устранить, используя метод преобразования принимаемых колебаний в одну стабильную и фиксированную частоту. Причем частота обычно пониженная, это позволяет добиться высокого уровня усиления. Именно на эту частоту происходит настройка резонансного усилителя. Такая методика используется в современных супергетеродинных приемниках. Способ преобразования частоты Нужно рассмотреть упомянутый выше способ преобразования частоты в радиоприемниках. Допустим, есть два вида колебаний, частоты у них различные. При сложении этих колебаний появляется биение. Сигнал при сложении то увеличивается по амплитуде, то уменьшается. Если обратить внимание на график, который характеризует это явление, то можно увидеть совершенно другой период. И это период совершения биений. Причем этот период намного больше, чем аналогичная характеристика любого из колебаний, которые складывались. Соответственно, с частотами все наоборот – у суммы колебаний она меньше. Частоту биений вычислить достаточно просто. Она равна разности частот колебаний, которые складывались. Причем с увеличением разности повышается частота биений. Отсюда следует, что при выборе относительно большой разницы слагаемых частот получаются высокочастотные биения. Например, есть два колебания – 300 метров (это 1 МГц) и 205 метров (это 1, 46 МГц). При сложении окажется, что частота биения будет 460 кГц или 652 метра. Детектирование Но в приемниках супергетеродинного типа обязательно имеется детектор. Биения, которые получаются в результате сложения двух различных колебаний, имеют период. И он полностью соответствует промежуточной частоте. Но это не гармонические колебания промежуточной частоты, чтобы их получить, необходимо осуществить процедуру детектирования. Обратите внимание на то, что из модулированного сигнала детектор выделяет только колебания с модуляционной частотой. А вот в случае с биениями все немного иначе – происходит выделение колебаний так называемой разностной частоты. Она равна разности частот, которые складываются. Такой способ преобразований именуется методом гетеродинирования или смешения. Реализация метода при работе приемника Допустим, в контур радиоприемника приходят колебания от радиостанции. Чтобы осуществить преобразования, необходимо создать несколько вспомогательных высокочастотных колебаний. Далее подбирается частота гетеродина. При этом разность слагаемых частот должна быть, например, 460 кГц. Далее нужно произвести сложение колебаний и подать их на лампу-детектор (или полупроводник). При этом получаются разностной частоты колебания (значение 460 кГц) в контуре, соединенном с анодной цепью. Нужно обратить внимание на то, что этот контур настраивается на работу при разностной частоте.  Используя усилитель высоких частот, можно произвести преобразование сигнала. Амплитуда его существенно увеличивается. Усилитель, используемый для этого, сокращенно называют УПЧ (усилитель промежуточной частоты). Его можно встретить во всех приемниках супергетеродинного типа. Практическая схема на триоде Для того чтобы произвести преобразование частоты, можно использовать простейшую схему на одной лампе-триоде. Колебания, которые приходят с антенны, посредством катушки попадают на управляющую сетку лампы-детектора. От гетеродина поступает отдельный сигнал, он накладывается поверх основного. В анодной цепи детекторной лампы устанавливается колебательный контур – он настраивается на разностную частоту. При детектировании получаются колебания, которые в дальнейшем усиливаются в УПЧ. ПЧ на гептодах Гептод – это лампа с несколькими сетками, катодами и анодами. По сути, это две радиолампы, заключенные в один стеклянный баллон. Электронный поток у этих ламп также общий. В первой лампе происходит возбуждение колебаний – это позволяет избавиться от использования отдельного гетеродина. А вот во второй смешиваются колебания, поступающие от антенны, и гетеродинные. Получаются биения, из них происходит выделение колебаний с разностной частотой.  Обычно лампы на схемах разделяются пунктирной линией. Две нижние сетки соединяются с катодом посредством нескольких элементов – получается классическая схема с обратной связью. А вот управляющая сетка непосредственно гетеродина соединяется с колебательным контуром. При наличии обратной связи происходит возникновение тока и колебаний. Ток проникает через вторую сетку и происходит перенос колебаний во вторую лампу. Все сигналы, которые приходят от антенны, поступают на четвертую сетку. Сетки № 3 и № 5 между собой соединены внутри цоколя и на них постоянное напряжение. Это своеобразные экраны, расположенные между двумя лампами. В результате получается, что вторая лампа является полностью экранированной. Настройка супергетеродинного приемника, как правило, не требуется. Главное - произвести настройку полосовых фильтров. Процессы, протекающие в схеме Ток совершает колебания, создаются они первой лампой. При этом происходит изменение всех параметров второй радиолампы. Именно в ней смешиваются все колебания – от антенны и гетеродина. Происходит генерация колебаний с разностной частотой. В цепь анода включается колебательный контур – он настраивается именно на эту частоту. Далее происходит выделение из тока анода колебаний. И уже после этих процессов происходит подача сигнала на вход УПЧ.  При помощи специальных преобразовательных ламп происходит существенное упрощение конструкции супергетеродина. Количество ламп уменьшается, устраняется несколько трудностей, которые могут возникнуть при работе схемы с использованием отдельного гетеродина. Все, рассмотренное выше, относится к преобразованиям немодулированного колебания (без речи и музыки). Так намного проще рассматривать принцип работы устройства. Модулированные сигналы В том случае, когда происходит преобразование модулированного колебания, все делается немного иначе. У колебаний гетеродина постоянная амплитуда. Колебания ПЧ и биения промодулированы, равно как и у несущей. Для превращения модулированного сигнала в звук необходимо произвести еще одно детектирование. Именно по этой причине в супергетеродинных КВ приемниках после осуществления усиления происходит подача сигнала на второй детектор. И только после него сигнал модуляции подается на головной телефон или вход УНЧ (усилителя низкой частоты). В конструкции УПЧ присутствует один или два каскада резонансного типа. Как правило, применяются настроенные трансформаторы. Причем производится настройка сразу двух обмоток, а не одной. Благодаря этому можно достичь более выгодной формы кривой резонанса. Повышается чувствительность и избирательность приемного устройства. Эти трансформаторы, у которых обмотки настроены, называются полосовыми фильтрами. Они настраиваются при помощи регулируемого сердечника или подстроечного конденсатора. Они настраиваются один раз и в процессе эксплуатации приемника их трогать не нужно. Частота гетеродина А теперь давайте рассмотрим простой супергетеродинный приемник на лампе или транзисторе. Можно изменить частоты гетеродина в необходимом диапазоне. И ее нужно подбирать таким образом, чтобы с любыми по частоте колебаниями, которые приходят из антенны, получалось одинаковое значение промежуточной частоты. Когда осуществляется настройка супергетеродина, происходит подгонка частоты усиливаемого колебания под конкретный резонансный усилитель. Получается явное преимущество – нет необходимости настраивать большое количество междуламповых колебательных контуров. Достаточно настроить гетеродинный контур и входной. Происходит существенное упрощение настройки. Промежуточная частота Для получения фиксированной ПЧ при работе на любой частоте, которая находится в рабочем диапазоне приемника, необходимо сдвигать колебания гетеродина. Как правило, в супергетеродинных радиоприемниках используется ПЧ, равная 460 кГц. Намного реже используется 110 кГц. Эта частота показывает, на какое значение отличаются диапазоны гетеродина и входного контура.  При помощи резонансного усиления происходит увеличение чувствительности и избирательности устройства. И благодаря использованию преобразования приходящего колебания удается улучшить показатель избирательности. Очень часто две радиостанции, работающие относительно близко (по частоте), мешают друг другу. Такие свойства нужно учитывать, если планируете собрать самодельный супергетеродинный приемник. Как происходит прием станций Теперь можно рассмотреть конкретный пример, чтобы понять принцип работы супергетеродинного приемника. Допустим, используется ПЧ, равная 460 кГц. А станция работает на частоте 1 МГц (1000 кГц). И ей мешает слабая станция, которая вещает на частоте 1010 кГц. Разница частот у них 1 %. Для того чтобы добиться ПЧ, равной 460 кГц, необходимо произвести настройку гетеродина на 1,46 МГц. В этом случае мешающая радиостанция выдаст ПЧ, равное всего 450 кГц.  И вот теперь можно увидеть, что сигналы двух станций различаются более чем на 2 %. Два сигнала разбежались, это произошло с помощью применения преобразователей частоты. Прием основной станции упростился, улучшилась избирательность радиоприемника. Теперь вы знаете все принципы супергетеродинных приемников. В современных радиоприемниках все намного проще - нужно использовать для построения всего одну микросхему. И в ней на кристалле полупроводника собрано несколько устройств - детекторы, гетеродины, усилители ВЧ, НЧ, ПЧ. Остается только добавить колебательный контур и несколько конденсаторов, резисторов. И полноценный приемник собран. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника. Принцип действия схемы Основным недостатком приемника прямого усиления является сложность перестройки с одной частоты на другую. Выполнить фильтр со стабильными параметрами при его перестройке в диапазоне частот практически невозможно. При усилении высокочастотного сигнала тоже возникают определенные трудности. Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее выполнить усилитель высокой частоты. Его широкополосность тоже приводит к определенным трудностям. Естественно, при развитии микроэлектроники цена этих затрат постепенно снижается, но одновременно осваиваются все более высокочастотные диапазоны. В качестве второго и основного недостатка приемника прямого усиления можно назвать необходимость построения перестраиваемого узкополосного фильтра, настраиваемого на рабочий сигнал. Требования к этому фильтру получаются противоречивыми. С одной стороны, этот фильтр должен ослаблять соседний канал приема, а с другой стороны не искажать принимаемый сигнал. В результате при необходимости перестройки частоты требуется изменять относительную полосу пропускания фильтра.  где  — полоса частот полезного сигналаfпс — несущая частота полезного сигнала При увеличении центральной частоты настройки фильтра для сохранения той же самой абсолютной полосы частот приходится одновременно уменьшать относительную полосу пропускания фильтра. Это достигается увеличением добротности входящих в состав фильтра контуров. Учитывая, что при этом необходимо строго следить за соотношением добротностей этих контуров между собой, а также то, что чем выше частота, тем труднее реализовать высокую добротность резонансной цепи, задача становится практически невыполнимой. Даже в том случае, когда приемник разрабатывается на одну фиксированную частоту, очень трудно обеспечить параметры узкополосного фильтра. На частоте 450 МГц очень трудно (практически невозможно) обеспечить полосу пропускания фильтра, равную 10 кГц при полосе непропускания 25 кГц. При этом минимальная добротность требуется:  Но это для фильтра первого порядка! А нужно как минимум фильтр 8-го порядка. Естественно, что добротность избирательной цепи, равную нескольким сотням тысяч единиц технически выполнить невозможно! Для того чтобы решить эту проблему, стали разбивать задачу на два этапа — перестройка по диапазону частот, и обеспечение избирательности по соседнему каналу. Для перестройки по частотному диапазону стали использовать перенос спектра на определенную (обычно достаточно низкую) промежуточную частоту. Перенос спектра принимаемых частот осуществляется при помощи следующего тригонометрического преобразования:  тогда напряжение на выходе перемножителя, который часто называется смесителем будет записываться:  Узкополосный фильтр на выходе умножителя легко подавляет одну из этих компонент. Оставшаяся частотная компонента выходного сигнала называется промежуточной частотой. Радиоприемник, работающий по данному принципу получил название супергетеродин. Обычно на выходе смесителя такого радиоприемника выделяется разностная компонента. В этом случае на входе усилителя промежуточной частоты (УПЧ) формируется сигнал, с частотой:  Получается, что при помощи смесителя можно легко перемещать спектр входного сигнала по частоте, изменяя частоту местного генератора — гетеродина. Процесс перемещения частоты входного сигнала на промежуточную частоту в супергетеродине иллюстрируется рисунком 1.  Рисунок 1 Перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточною частоту. На данном рисунке трапецией показан спектр сигнала, передаваемого в радиоканале. Число, изображенное в трапеции означает номер радиоканала, принятый в системе мобильной радиосвязи. Приемники, выполненные по схеме с переносом полосы радиочастот на промежуточную частоту, получили название супергетеродинов или супергетеродинных приемников. Если перенос осуществляется на нулевую частоту, то такой приемник будет уже называться приемником прямого преобразования. Структурная схема радиоприемника, построенного по схеме супергетеродина с одним преобразованием частоты, приведена на рисунке 2  Рисунок 2. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника В этой схеме гетеродин осуществляет перестройку в диапазоне частот, поэтому его часто выполняют в виде синтезатора частоты, который может настраиваться на ряд фиксированных частот и обладает стабильностью частоты, соответствующей кварцевому генератору или в особенно ответственных случаях атомному эталону частоты. Для уменьшения требований к фильтру основной избирательности тракт промежуточной частоты выбирается достаточно низкочастотным. Это позволяет обеспечить значительную относительную расстройку частоты соседнего канала по отношению к полосе принимаемого сигнала. То, что промежуточная частота супергетеродинного приемника является фиксированной, позволяет применить в качестве фильтра промежуточной частоты кварцевый, электромеханический или пьезоэлектрический фильтр. Это обеспечивает высокие электрические характеристики фильтра основной избирательности и высокую стабильность характеристик во времени и в диапазоне температур. Кроме того, такие фильтры в настоящее время являются высокотехнологическими, что позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты приемника в целом. К сожалению, промежуточная частота может быть образована при помощи двух уравнений. При этом результат невозможно отличить друг от друга:  Это приводит к тому, что супергетеродинным приемником могут одновременно приниматься сразу два частотных канала, отстоящих друг от друга на величину 2fпч. Один из этих каналов называется рабочим каналом, а другой — зеркальным. Описанная ситуация иллюстрируется рисунком 3.  Рисунок 3 Процесс образования зеркального канала в супергетеродинном приемнике Основной способ избавиться от зеркального канала — это подавить его сигнал во входной цепи радиоприемника, иначе говоря, подавление зеркального канала зависит от избирательности входной цепи супергетеродина и относительной расстройки частоты зеркального канала:  Дополнительное подавление зеркального канала может быть обеспечено в смесителе с подавлением зеркального канала. Этот преобразователь частоты реализует одну из следующих тригонометрических формул:   В ряде случаев это схемотехническое решение может позволить уменьшить конкретное значение промежуточной частоты, увеличить глубину подавления зеркального канала или расширить диапазон частот, в котором может быть применена схема супергетеродинного приемника с одним преобразованием частоты. Требования к избирательности полосового фильтра входной цепи супергетеродинного приемника значительно ниже требований к полосовому фильтру приемника прямого усиления. Это связано с тем, что зеркальный канал отстроен от принимаемой частоты значительно дальше соседнего канала. Чем выше выбирается значение промежуточной частоты, тем ниже будут требования к полосовому фильтру входной цепи. При этом будут возрастать требования к полосовому фильтру промежуточной частоты. Конкретный выбор значения промежуточной частоты позволяет оптимизировать требования, как к тракту промежуточной частоты, так и требования к входной частоте. При расчете структурной схемы очень важно правильно распределить коэффициенты усиления каждого блока. Как это уже обсуждалось выше, чувствительность приемника определяется уровнем шума каждого из каскадов, однако наибольшее влияние на этот параметр оказывает первый каскад приемника. Для того чтобы последующие каскады не оказывали существенного влияния на чувствительность приемника, можно поднять усиление первого каскада, однако это приведет к возрастанию интермодуляционных искажений, поэтому в большинстве случаев приходится ограничиваться компенсацией потерь в последующих каскадах. Пример распределения коэффициента усиления по каскадам супергетеродинного приемника приведен на рисунке 4.  Рисунок 4 Пример распределения уровней сигнала в структурной схеме супергетеродинного приемника Разработка структурной схемы является ответственным этапом проектирования радиоприемного устройства. В каждом конкретном случае приходится учитывать особенности принимаемого сигнала и требования к параметрам устройства в целом. Мы рассматриваем схему приемника цифровых методов модуляции, поэтому при разработке супергетеродинного приемника цифровых видов модуляции следует учитывать особенности переноса полезного сигнала на промежуточную частоту. Полезная информация цифрового сигнала обычно содержится в относительном изменении фазы несущего колебания, но оно приводит к соответствующему приращению частоты:  При этом положительное приращение фазы будет увеличивать частоту принимаемого сигнала, а отрицательное — уменьшать. При преобразовании частоты в супергетеродинном приемнике приращение частоты может, как не изменяться — при преобразовании , так и становиться противоположным — при преобразовании . Этот эффект иллюстрируется рисунком 3. На нем стрелочкой показано, что верхняя и нижняя боковые частоты принимаемого сигнала при переносе на промежуточную частоту меняются местами. При этом знак приращения фазы становится противоположным и передаваемое сообщение искажается. Восстановление переданного сообщения на выходе такого радиоприемника становится невозможным.Рассмотренное явление может быть учтено на выходе супергетеродинного приемника в квадратурном детекторе. Если поменять местами квадратурные сигналы I и Q, то вращение вектора частоты на выходе квадратурного детектора меняется на прямо противоположное. Теперь переданное сообщение будет принято правильно. Литература 1. Орлов И.Я. Курс лекций по основам радиоэлектроники: Учебное пособие/ Н. Новгород: Издательство Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского, 2005.-168с. 2. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2002.-510с. 3. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1990.-512с. 4. Радиоприемные устройства. Под редакцией В.И.Сифорова: Учебник для вузов. М.: «Сов. радио», 1974.-558с. |