Супергетеродинный приёмник

Описанные выше примеры перемещения спектра сигнала по шкале частот в радиотехнике называют преобразованием частоты. Одним из примеров такого преобразования частоты будет принцип супергетеродинного приёма.

Простой радиоприёмник прямого усиления состоит из входной селективной цепи, усилителя сигнала высокой частоты, детектора, усилителя низкой частоты и индикатора.

Недостатком приёмника прямого усиления является сложность перестройки с одной частоты на другую. Выполнить фильтр со стабильными параметрами при его перестройке в широком диапазоне частот практически невозможно. Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее выполнить усилитель высокой частоты. Его широкополосность тоже приводит к определённым трудностям. Естественно, при развитии микроэлектроники цена этих затрат постепенно снижается, но одновременно осваиваются всё более высокочастотные диапазоны.

В качестве второго и, пожалуй, основного недостатка приёмника 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 приёма, а с другой стороны, не искажать спектр принимаемого сигнала. В результате, при необходимости перестройки частоты требуется изменять относительную полосу пропускания фильтра.

Даже в том случае, когда приёмник разрабатывается на одну фиксированную частоту, очень трудно обеспечить параметры узкополосного фильтра на высоких частотах. Например, на частоте 156 МГц (16-й канал морской радиостанции) практически невозможно обеспечить полосу пропускания фильтра, равную 20 кГц.

При этом требуется минимальная добротность:

Естественно, что добротность избирательной цепи, равную нескольким тысячам единиц, технически выполнить сложно.

Для того чтобы решить эту проблему, разбивают задачу на два этапа – перестройка по диапазону частот, и обеспечение избирательности по соседнему каналу.

В супергетеродинном приёмнике для перестройки по частотному диапазону используют перенос спектра на определённую (обычно достаточно низкую) промежуточную частоту. Перенос спектра принимаемых частот осуществляется при помощи схемы, аналогичной описанной выше, рис. 4.9, 4.10.

На нелинейном элементе (смесителе), например квадратичном, смешивают сигнал радиостанции с частотой ω₀ и синусоидальное напряжение генератора, называемого гетеродином. В спектре опять будут спектральные составляющие, происходящие от произведения синусов:

Для дальнейшего усиления обычно используют более низкую разностную частоту . Узкополосный фильтр на выходе умножителя легко подавляет суммарную компоненту. Частота оставшейся компоненты выходного сигнала называется промежуточной частотой супергетеродинного приёмника (ПЧ). В этом случае на входе усилителя промежуточной частоты (УПЧ) супергетеродинного приёмника формируется сигнал промежуточной частоты.

Получается, что при помощи смесителя можно перемещать спектр входных сигналов по частоте, изменяя частоту местного генератора – гетеродина.

Процесс перемещения частоты входного сигнала на промежуточную частоту в супергетеродинном приёмнике иллюстрируется рис. 4.17.

К сожалению, сигнал промежуточной частоты супергетеродинного приёмника может быть образован при помощи взаимодействия сигнала гетеродина с сигналом радиостанции, работающей на частоте (ω_G + ω_ПЧ) = (ω₀ + 2ω_ПЧ) = ω_ЗЕРК, на так называемом зеркальном канале. При этом результаты невозможно отличить друг от друга.

Это приводит к тому, что супергетеродинным приёмником могут одновременно приниматься сразу два частотных канала, отстоящих друг от друга на величину 2ω_ПЧ . Описанная ситуация иллюстрируется рис. 4.17.

П

Рис. 4.17. Перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточную частоту супергетеродинного приёмника.

На рис. 4.17 кривой со средней круговой частотой ω₀ показан спектр сигнала, передаваемого в радиоканале. Приёмники, выполненные по схеме с переносом полосы радиочастот на промежуточную частоту, получили название супергетеродинов или супергетеродинных приёмников. Спектр частот зеркальной радиостанции ω_ЗЕРК находится выше средней частоты рабочего канала на величину 2ω_ПЧ . Для того, чтобы сигнал зеркального канала не мог попасть на вход смесителя перед ним обычно включают полосовой фильтр (П, рис. 4.17), пропускающий сигналы рабочего диапазона частот, но сильно ослабляющего сигналы зеркальных каналов.

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 супергетеродинного приёмника выбирается достаточно низкочастотным. Это позволяет обеспечить значительную относительную расстройку частоты соседнего канала по отношению к полосе принимаемого супергетеродинным приёмником сигнала.

То, что промежуточная частота супергетеродинного приёмника является фиксированной, позволяет применить в качестве фильтра промежуточной частоты стандартные кварцевые, электромеханические или пьезоэлектрические фильтры. Это обеспечивает высокие электрические характеристики фильтра основной избирательности супергетеродинного приёмника и высокую стабильность характеристик во времени и в диапазоне температур.

Однополупериодный детектор

Использование квадратичной ВАХ диода вида I = S₁U + S₂U² соответствует случаю, когда входной сигнал мал, и нет возможности предварительно усилить его до детектирования. В противоположном случае большого входного сигнала ВАХ диода можно аппроксимировать кусочно-линейной функцией, как показано на рис. 4.18: в прямом направлении ток пропорционален напряжению I = U_ВХ/R_НАГР , а в обратном направлении ток через диод отсутствует.

Рис. 4.18.

Однополупериодное детектирование.

Рис. 4.19.

Результат однополупериодного детектирования гармонического сигнала. Конденсатор заряжается почти до пикового значения и медленно разряжается через сопротивление нагрузки. Пульсации напряжения на выходе будут ещё меньше, если увеличить ёмкость.

A

Рис. 4.20. Результат однополупериодного выпрямления амплитудно-модулированного сигнала. Примеры детектирования приведены ниже.

Рассмотрим схему на рис. 4.18. Пусть входное напряжение не модулировано и равно U(t) = U₀ sinω₀t. Выберем время релаксации RC цепочки достаточно большим: R_HАГР C >> 1/ω₀, т.е. за период T = 2π/ω₀ конденсатор не успевает разрядиться. Тогда большую часть периода диод будет заперт, т.к. напряжение U_ВЫХ в это время будет больше U_BX, и ток через диод будет отсутствовать. В это время конденсатор будет медленно разряжаться через сопротивление R_НАГР. Диод будет открываться на малую часть периода, когда входное напряжение больше напряжения на конденсаторе. Чем больше ёмкость, тем меньше будут пульсации напряжения (см. рис. 4.22).

Теперь рассмотрим случай, когда входное напряжение амплитудно-модулировано:

U(t) = U₀(1 +m sin Ωt) sin ω₀ t, причём Ω << ω₀.

Если постоянная времени R_HАГР C >> 1/ω₀ = T₁/2π, (4.11)
то будет происходить выпрямление несущей частоты ω₀ . Однако если переборщить, то экспонента разряда конденсатора будет спадать излишне медленно и будет искажать форму модулирующего напряжения с частотой Ω (кривая А на рис. 4.20).

Для того, чтобы форма модулирующего напряжения воспроизводилась верно, необходимо в дополнение к (4.11) потребовать, чтобы R_HАГРC << 1/Ω = T₂/2π. (4.12)

Здесь T₁ и T₂ – периоды сигналов на несущей (высокой) и модулирующей (низкой) частотах.

При выполнении этих условий будет реализовано амплитудное детектирование, т.е. в выходном сигнале будет присутствовать медленная составляющая и U_ВЫХ(t) ~ U₀ m sinΩt. Действительно, первое неравенство (4.11) означает, что за период 2π/ω₀ конденсатор не успевает разрядиться. А при выполнении второго неравенства (4.12) напряжение на конденсаторе успевает изменяться с частотой модуляции Ω. Очевидно, что конденсатор С вместе с сопротивлением нагрузки R_HАГР образуют фильтр низких частот.