что такое преобразование частоты
Преобразование частоты
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:
и 
,
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
. (8.4)
Таким образом, избирательная система должна иметь такую полосу пропускания, чтобы отфильтровать все ненужные (паразитные) составляющие. В то же время при преобразовании частоты модулированного сигнала полоса пропускания должна быть соизмерима с шириной спектра сигнала. В этом случае структура выходного сигнала совпадает со структурой сигнала на входе. Амплитуды 
и 
должны выбираться с таким расчетом, чтобы в выражении (8.4) преобладающее значение имели слагаемые с комбинационными частотами. Преобразование частоты часто сопровождается усилением полезного сигнала, поэтому обычно соблюдается соотношение 
.
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
, (8.5)
где 
.
.
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:
, (8.6)
где ;
;
;
.
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.
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.