Краткая история развития радиотехники и радиотехничеких устройств

Краткая история развития радиотехники и радиотехничеких устройств

Радиоте́хника — наука, изучающая электромагнтные волны и волны радиодиапазона, методы генерации, усиления, преобразования, излучения и приёма, а также применение их для передачи информации, часть электротехники, включающая в себя технику радиопередачи и радиоприёма,обработку сигналов, проектирование и изготовление радиоаппаратуры

Способ беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством электромагнитных волн (радиоволн), изобретённый русским учёным А.С. Поповым в 1895 г.;

После открытия А. С. Попова ученые направили свои усилия на усовершенствование радиоприемников передающих устройств, т. к. поняли, что беспроволоч­ная радиосвязь имеет большие перспек­тивы. В 1903 г. Флеминг изобрел ламповый диод, а в 1907 г. Ли де Форест сконструи­ровал триодную лампу. Это было началом нового этапа в развитии радиотехники. поскольку электронные лампы мог­ли усиливать слабые электрические сиг­налы. В 1913 г. Мейснер сконструировал первый автогенератор, с помощью ко­торого можно было получить незатухающие электрические колебания, а это было очень важно для передающей техники. В результате этих открытий в период 1920—1925 гг. началось производство различных видов ламповых радиоприемни­ков и строительство ряда радиопередатчиков. Так возникла и оформилась наука радиотехника, главной задачей которой являлась передача информации (речи, музыки и сообщений) на большие расстояния беспроволочным способом.

Радиотехника быстро развивалась, в результате чего в 1930—1935 гг. были разработаны ряд новых радиоламп: пентоды, комбинированные лампы, газотроны, тиратроны и т. д. Это дало возможность, с одной стороны, конструировать радиоаппаратуру и устройства завидного качества, а с другой, радиотехника и ее приложения начали проникать в промышленность, приборостроение, измеритель­ную технику и т. д.

В конце Второй мировой войны в связи с улучшением качества радиолокаторов был сконструирован первый точечный диод. Таким образом, полупроводники во­шли в радиотехнику, а поворотным моментом стало открытие в 1948 г. транзис­тора (изобретатели: Бардин, Братейн и Шокли), что послужило началом полу­проводниковой электроники. По своим основным качествам (малый объем, долго­вечность, отсутствие накала, механическая прочность, экономичность, питание от источников низкого напряжения и пр.) транзистор оказался серьезным конкурентом радиоламп.

В результате с 1955 г. началась быстрая транзисторизация радиоэлектронной аппаратуры, и в настоящее время электронные лампы находят применение только в передатчиках, в некоторых промышленных устройствах и в специальной ра­диоизмерительной аппаратуре.

Особенно перспективным оказалось внедрение транзисторов в электронно-вычислительные машины(ныне компьютер), которые до того времени состояли из большого числа радиоламп (примерно 50 000) и занимали 2—3 комнаты. Это положило начало полупроводниковой микроэлектроники, которую с полным правом можно назвать одним из чудес человеческого гения. Так возникли интегральные схемы, в которых кристалл размерами примерно 4x4 миллиметра содержит миллионы транзисторов! Применяя их, разработчики радиоаппаратуры достигают почти фантастической микроминиатюризации электронной аппаратуры. Вот почему радиоэлектроника занимает ведущее место в современной научно-технической революции и прогрессе всего человечества.

 

Электромагнитные волны(ЭВМ)

Электромагни́тные во́лны / электромагни́тное излуче́ние — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.

Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитные волны подразделяются на:

Радиоволны (начиная со сверхдлинных),

Терагерцовое излучение,

Инфракрасное излучение,

Видимый свет,

Ультрафиолетовое излучение,

Принцип радиосвязи

Радиосвяз ь - это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны.

Принцип радиосвязи основан на передачи сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путем перемещения радиоволн в открытом пространстве, приемному устройству, содержащему приемную антенну и радиоприемник. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал. От передатчика радиосигнал поступает в антенну, с помощью которой в окружающем пространстве возбуждаются соответственно модулированные электромагнитные волны. Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый радиосигнал поступает в электронный усилитель, демодулируется, далее выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания с несущей частотой в радиопередатчике. После этого, дополнительно усиленный сигнал, преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному. В местах приёма на радиосигнал могут накладываться электромагнитные колебания от посторонних источников радиоизлучений, способные помешать качественному воспроизведению сообщений, называемые помехами радиоприёму. Влияние на качество радиосвязи могут оказывать изменение во времени затухания радиоволн на пути распространения от передающей антенны к приёмной и распространение радиоволн одновременно по двум или нескольким траекториям различной протяжённости. В последнем случае электромагнитное поле в месте приёма представляет собой сумму взаимно смещенных во времени радиоволн, интерференция которых также вызывает искажения радиосигнала. Поэтому и эти явления относят к категории помех радиоприёму. Принципы радиосвязи далеко не новы. За это время радиосредства прошли путь от первых передатчиков сигналов азбуки Морзе до систем спутниковой связ

Радиотелефонная связь. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн.

Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность.

Модуляция. Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе.

Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или, как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.

Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной передачи.

Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.

Детектирование. В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют детектированием.

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук

 

 

Основные блоки радиосвязи

В системах связи вводят более общее, чем линия связи, понятие канал (радиоканал). Под каналом связи в системе понимают определенным образом выделенную часть технических средств. Например, каналом связи может быть названа некоторая последовательность функциональных блоков системы, в частности, линия связи. Часть системы связи, с выхода которой сигналы поступают на вход канала, является источником сигнала для данного канала.

По логике функционирования системы связи на любом этапе преобразования сообщений в сигналы и обратно необходимо стремиться к тому, чтобы обеспечивалось взаимно-однозначное соответствие сообщений и отображающих их сигналов. Однако даже при точном выполнении указанного требования при конструировании любой системы связи следует учитывать наличие посторонних мешающих воздействий, сигналов, называемых помехами связи. В большей или меньшей степени помехи могут возникать на любом этапе преобразования и передачи сигналов. Как правило, наибольшее влияние посторонние мешающие воздействия оказывают на полезные сигналы в процессе распространения по радиолинии. Поэтому при изображении структурных схем систем связи место воздействия помех условно локализуют именно в этом блоке схемы, как показано на рис. 2. Наличие помеховых сигналов непредсказуемой интенсивности и формы нарушает требование взаимно-однозначного соответствия сигналов в системе

 

Рисунок 2. Обобщенная структурная схема системы радиосвязи

связи. В целях обеспечения наибольшего соответствия принятых сообщений переданным в процессе разработки и конструирования системы возникает необходимость выбора целесообразной формы полезных сигналов, устройств модуляции и демодуляции, правил кодирования и декодирования, выбора структуры приемного устройства и т. д.

В отсутствие помех в системе структура приемного устройства определяется однозначно. Если представить совокупность операций кодирования и модуляции в передающем устройстве символом V (см. рис. 2), так что s = V(a), то для получения «оценки» первичного сигнала на выходе системы связи необходимо лишь осуществить обратную операцию: W=V−1. Можно полагать, что в случае воздействия помехового или шумового сигнала «слабой» по отношению к ожидаемому сигналу интенсивности, отличие оценки первичного сигнала в системе от его истинного значения будет незначительным. В свою очередь, преобразование практически неискаженного первичного сигнала в элементы сообщения, соответствующие состояниям источника, является технически решаемой задачей и принципиальных затруднений не вызывает (воспроизведение речевого сигнала осуществляется динамическим громкоговорителем, воспроизведение телевизионного изображения обеспечивает кинескоп и т. д.).

При приеме сигналов, искаженных помехами, структура приемного устройства в целом, блоков демодуляции и декодирования принятого сигнала, в частности, могут быть различными в зависимости от статистических характеристик интенсивных помех, их физических свойств и имеющихся у получателя сообщений предварительных сведений о вероятностных характеристиках ожидаемых и принимаемых сигналов.

Кварцевые автогенераторы

Для повышения стабильности частоты генерируемых колебаний частотозадающий контур автогенератора должен иметь высокую добротность. Это требование легко удовлетворяется при использовании в качества такого контура так называемого кварцевого резонатора, основой которого является кварцевая пластина.

Кристаллический кварц это твердый минерал (рис.28). Продольная ось кристалла О’О является оптической осью кристалла.

е - электрические оси m - механические оси

поперечные оси

Рис.28.

В кварцах сильно выражен пьезоэлектрический эффект.

Пусть вырезана пластина перпендикулярно электрической оси (см. рис. 29). Под действием сжимающей силы, параллельной электрической оси, на гранях, перпендикулярных к ней, появляются заряды. Под действием растягивающей силы знаки зарядов меняются.

Рис.29.

При действии силы вдоль механической оси на тех же гранях также появляются заряды. Это явление прямого пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект состоит в том, что при помещении пластин в электрическое поле, направленное вдоль электрической оси, пластина сжимается или растягивается вдоль этой и механической осей.

Поместим кварцевую пластину между двумя проводящими пластинами (рис.30).

Рис.30.

Если U - переменное, то в пластине возникнут механические колебания (обратный пьезоэффект). При этом в такт с механическими колебаниями на гранях пластин и на обкладках конденсатора возникают заряды. По отношению к внешней цепи этот эффект проявляется как некоторая проводимость, которая называется пьезоэлектрической. Кроме нее здесь будет и обычная диэлектрическая проводимость, определяемая емкостью конденсатора.

Пластина кварца, как всякое упругое тело, обладает по отношению к механическим колебаниям определенными резонансными собственными частотами. Поэтому, при приближении частоты внешнего переменного напряжения, подаваемого на обкладки конденсатора, к одной из собственных частот пластины, возникают резонансные явления: при постоянной амплитуде напряжения амплитуда механических колебаний около резонанса увеличивается во много раз. Соответственно возрастают пьезоэлектрическая проводимость и пьезоэлектрический ток, т.е. по отношению к внешнему электрическому воздействию механический резонанс пластинки проявляется как последовательный электрический резонанс (увеличение тока при резонансе), что позволяет при расчетах заменять пластинку кварца вблизи ее резонансной частоты эквивалентным последовательным контуром (рис.31).

Рис.31.	Рис.32.

Полная эквивалентная схема (рис.32) кварца включает в себя еще диэлектрическую емкость или емкость кварцедержателя. Если грани неплотно прилегают к кварцедержателям, то в модель добавляют еще емкость .

Наиболее легко возбуждаются основные резонансные частоты.

Для наиболее употребляемых размеров кварцевых пластин (при толщине от нескольких десятков мм до 4-5 мм) основные колебания по толщине отвечают волнам от 40 до 600 м (0,5 МГц 10 МГц).

Кварцевые пластины в качестве колебательных систем обладают свойствами, благоприятными для получения высокой стабильности частоты АГ, а именно:

а) эталонностью, т.е. постоянством во времени резонансных частот кварца;

б) высокой (до десятков тысяч) добротностью;

в) высоким волновым сопротивлением из-за черезвычайно малой , в связи с чем параллельные кварцу емкости транзистора или лампы оказывают малое дестабилизирующее действие.

Автогенераторы, в которых частота определяется частотой кварцевой пластинки, называются кварцевыми.

Рис.33.

На рис.33 показана наиболее простая и наиболее употребляемая схема - когда кварц находится в цепи базы. Эквивалентная схема изображена на рис.34.

По переменному току параллельно кварцу включается , которое одновременно выполняет роль автосмещения. Обратная связь здесь осуществляется через емкость коллектор-база. При необходимости добавляется внешний конденсатор.

Рис.34.

В результате получается двухконтурная схема с общим эмитером. Частота здесь определяется более низкочастотным контуром. Поэтому, чтобы частота задавалась эталонным контуром (кварцем), коллекторный контур должен быть отстроен в сторону более высоких частот. Чем выше , тем меньше он влияет на , тем выше стабильность частоты.

К недостатку данной схемы можно отнести относительно невысокую амплитуду выходных колебаний.

Иногда кварц включают между коллектором и базой. При этом получается двухконтурная схема с общим коллектором. В этом случае имеет место меньшее влияние базового тока на генерируемую частоту.

 

14.Автогенераторы на туннельных диода

Колебания высокой частоты можно получить в автогенераторе, построенном на туннельном диоде. Возможность использования туннельного диода в схемах генерирования и усиления колебаний обеспечивается наличием падающего участка на статической ха­рактеристике туннельного диода (участок АВ на рис. 3.8,6). Кру­тизна характеристики на падающем участке отрицательная, так как при увеличении напряжения, приложенного к диоду (в пре­делах 50—150 мВ), ток через диод уменьшается. Поэтому тун­нельный диод в пределах падающего участка статической харак­теристики можно характеризовать как прибор, имеющий отрица­тельное сопротивление. Если такой диод включить в колебательный контур, то отрицательное сопротивление диода будет компенсиро­вать положительное сопротивление потерь в контуре. При отсутст­вии потерь в контуре возникшие в нем колебания будут незату­хающими.

На рис. 3.8, б приведена схема автогенератора на туннельном диоде. С помощью потенциометра R1 и резистора R2 в этой схе­ме выбирается такое значение напряжения на диоде VD, при ко­тором рабочая точка помещается на середине падающего участка характеристики (точка С на рис. 3.8, б). Конденсатор С — блоки­ровочный. Рабочий режим генератора обеспечивается при эквивалентном сопротивлении колебательного контура в пределах 100— 400 Ом. Сопротивление туннельных диодов в пределах падающей характеристики составляет 50—200 Ом, а емкость р — n-перехо­да— десятки пикофарад.

 

 

Автогенераторы на туннельных диодах могут создавать коле­бания в очень широком диапазоне частот. Мощность генераторов на туннельных диодах мала — десятки милливатт.

Устройства на туннельных диодах устойчивы против темпера­турных воздействий и радиоактивных излучений, просты по кон­струкции, надежны в работе, имеют большой срок службы. Важ­ное достоинство автогенераторов на туннельных диодах — воз­можность работы в диапазоне сверхвысоких частот — до несколь­ких гигагерц.

 

Цифровые синтезаторы частот

Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприёмниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или ёмкости, очень широкий диапазон перестройки без каких-либо коммутаций и практически мгновенное переключение на любую заданную частоту.

 

Структурная схема цифрового синтезатора частот

В отличие от традиционных (аналоговых) решений, цифровые синтезаторы используют цифровую обработку для получения требуемой формы выходного сигнала из базового (тактового) сигнала. Сначала с помощью фазового аккумулятора создаётся цифровое представление сигнала, а затем генерируется и сам выходной сигнал (синусоидальной или любой другой желаемой формы) посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).Скорость генерации цифрового сигнала ограничена цифровым интерфейсом, но весьма высока и сопоставима с аналоговыми схемами. Цифровые синтезаторы также обеспечивают довольно малый уровень фазовых шумов. Однако основным достоинством цифрового синтезатора является исключительно высокое разрешение по частоте (ниже 1 Гц), определяемое длиной фазового аккумулятора. Главные недостатки – ограниченный частотный диапазон и большие искажения сигнала. В то время как нижняя граница рабочего диапазона частот цифрового синтезатора находится близко к нулю герц, его верхняя граница, в соответствии с теоремой Котельникова, не может превышать половины тактовой частоты..

Другая серьезная проблема – высокое содержание нежелательных спектральных составляющих из-за ошибок преобразования в ЦАП. С этой точки зрения цифровой синтезатор ведёт себя как частотный смеситель, генерирующий побочные составляющие на комбинационных частотах. В то время как частотное местоположение этих составляющих можно легко вычислить, их амплитуда гораздо менее предсказуема. Как правило, искажения более низкого порядка имеют наиболее высокую амплитуду. Тем не менее, искажения высокого порядка также приходится учитывать при разработке архитектуры конкретного синтезатора. Амплитуда паразитных спектральных составляющих увеличивается и с увеличением тактовой частоты, что также ограничивает диапазон генерируемых частот. Практические значения верхней границы диапазона находятся в районе от нескольких десятков до нескольких сотен мегагерц при уровне дискретных спектральных продуктов -50…-60 дБн. Очевидно, прямое умножение выходного сигнала частотного синтезатора невозможно из-за дальнейшей деградации спектрального состава.

 

Схемы входных цепей

Входной цепью называют часть схемы приемника, связывающую антенно-фидерную систему с входом первого каскада приемника. Первым каскадом может быть усилитель радиочастоты или смеситель.

Основным назначением входных цепей является передача полезного сигнала от антенны к входу первого активного элемента и предварительное выделение принимаемого полезного сигнала из всей совокупности сигналов, индуцируемых в антенной цепи.

Входная цепь обычно представляет собой пассивный четырехполюсник, включающий в себя резонансную систему и элементы связи. В зависимости от диапазона частот резонансная система выполняется на сосредоточенных или распределенных элементах и состоит из одного или нескольких колебательных контуров или резонаторов (коаксиальных, полосковых, объемных). Элементы связи обеспечивают связь антенной цепи с контуром (резонатором), а при нескольких резонансных элементах, связь между ними и первым каскадом приемника.

В диапазонных приемниках наибольшее распространение получили одноконтурные входные цепи. В профессиональных приемниках могут применяться двухконтурные и многоконтурные входные цепи.

На рис.1-3 приведены часто встречающиеся схемы одноконтурных входных цепей. Схемы отличаются способами связи входного контура с антенной.

На рис.1 приведена схема с трансформаторной связью между контуром входной цепи Lк Ск и антенной А. В схеме на рис.2 использована емкостная связь входного контура с антенной. Если активным элементам будет биполярный транзистор, то может использоваться двойное неполное включение контура, рис.3. (Не часто, но находит применение комбинирования связь входной цепи с антенной, обычно это индуктивно-емкостная связь).

Рис. 1. Входная цепь

 

Рис. 2. Входная цепь с трансформаторной с емкостной связью связью с антенной

 

Рис.3. Входная цепь со связью с антенной фильтром

Рис.4. Входная цепь с автотрансформаторной двухконтурным полосовым фильтром

На рис. 4 показана одна из часто применяемых схем двухконтурной входной цепи. Здесь связь первого контура с антенной - трансформаторная. Связь между контурами - внутриемкостная через конденсатор. Активный прибор - полевой транзистор подключен полностью во второй контур.

Основными электрическими характеристиками входных цепей являются: коэффициент передачи напряжения (мощности), полоса пропускания, избирательность, диапазон рабочих частот.

 

 

Амплитудные детекторы

При обсуждении видов модуляции принимаемого сигнала, применяющихся в наземных системах мобильной радиосвязи, мы выяснили, что амплитудная модуляция не применяется в системах наземной радиосвязи. Амплитудную модуляцию применяют только в диапазоне частот 118...136 МГц для связи с самолётами. В цифровых системах наземной мобильной радиосвязи, в том числе и сотовой связи, амплитудные детекторы (демодуляторы) в чистом виде не применяются. Однако, учитывая, что практически все современные виды цифровой модуляции содержат амплитудную составляющую, в видоизмененном виде в цифровом демодуляторе присутствует амплитудный детектор. Причем, если учесть, что индекс этой паразитной модуляции составляет не 30%, как в аналоговой АМ, а достигает 100%, то сложность решаемых задач возрастает на порядок.

Тем не менее для полноты картины рассмотрим схему амплитудного детектора, позволяющего превратить значения амплитуды высокочастотного сигнала в низкочастотные колебания. Первоначально амплитуду высокочастотного колебания выделяли на электронных приборах с нелинейной вольтамперной характеристикой,таких как полупроводниковые диоды и транзисторы. Требующаяся для амплитудного детектирования вольтамперная характеристика (ВАХ) нелинейного элемента приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика нелинейного элемента, необходимая для детектирования амплитудной модуляции

При прохождении амплитудно-модулированного сигнала через электронный прибор с вольтамперной характерестикой, приведенной на рисунке 1, в выходном токе появляется составляющая, пропорциональная амплитуде входного сигнала. Процесс детектирования на электронном приборе с подобной вольтамперной характеристике поясняется на рисунке 2.

Рисунок 2. Процесс детектирования амплитудно-модулированного сигнала на линейной ВАХ

Реальные вольтамперные характеристики нелинейных элементов (таких как полупроводниковые диоды или транзисторы), применяющихся в амплитудных детекторах, значительно отличаются от требующейся ВАХ. В результате амплитудная характеристика детектора получается существенно нелинейной. У вольтамперных характеристик этих электронных приборов наблюдается ступенька в районе 0,2... 0,8 В. Наименьшей ступенькой обладают диоды Шоттки и обращенные диоды. Именно такие диоды и применяются в амплитудных демодуляторах.

Преобразователи частоты.

Преобразователь частоты — электрическая цепь, осуществляющая преобразование частоты[1] и включающая гетеродин, смеситель и полосовой фильтр(в отдельных случаях полосаовой фильтр может отсутствовать)[2].

Преобразователем частоты, в состав которого входят три функциональные группы (смеситель, гетеродин, фильтр), иногда ошибочно называют смеситель

Схема однолампового преобразователя частоты на советском гептоде 1А1П

Функционально преобразователь частоты включает в себя три составные части — гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой генератор сигнала синусоидальной формы, настраиваемый, либо с фиксированной частотой. Смеситель — основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, в результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов, либо частот кратных частотам исходных гармоник. Амплитуды полученных комбинационных гармоник пропорциональны амплитудам исходных, таким образом, каждый из наборов комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным) эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC-элементах

Конструктивно преобразователь частоты может быть выполнен в виде единого устройства, в том числе на интегральной микросхеме с дополнительными элементами, в виде двух блоков (блок гетеродина и блок смесителя с фильтром) либо, в некоторых случаях, в разнесённом виде, например, в установках для измерения ослаблений смеситель и фильтр представляют собой обособленные устройства, а в качестве гетеродина используется сторонний измерительный генератор, не входящий в комплект установки.

3. По частотным свойствам возможны два варианта преобразователей

1. С перестраиваемым гетеродином и фиксированным значением несущей выходного сигнала — наиболее распространённый вариант, используемый в радиоприёмных и измерительных устройствах. Частотными параметрами в этом случае являются: диапазон перестройки гетеродина (и следовательно диапазон входных сигналов) и значение несущей выходного сигнала (ПЧ)

2. С фиксированным гетеродином — используется в специальных случаях, в качестве частотных параметров при этом будут: допустимые значения частоты входного сигнала и значение величины переноса спектра

4. Внутренние параметры преобразователя зависят от типа нелинейного элемента в смесителе

1. Крутизна преобразования — отношение амплитуды выходного тока (при закороченном выходе) к амплитуде напряжения входного сигнала

2. Внутренний коэффициент усиления — отношение амплитуды напряжения ПЧ к амплитуде напряжения входного сигнала

3. Коэффициент шума преобразователя

 

 

37. Условия линейного преобразования частоты

Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра полезного сигнала по оси частот. Под линейным понимается такой перенос, при котором не изменяется количество спектральных составляющих, расстояние между ними по оси частот, соотношение их амплитуд и начальных фаз. При преобразовании возможно лишь изменение амплитуд гармонических составляющих (увеличение или уменьшение) в одно и тоже число раз и изменение частот этих составляющих (обязательно всех) на одну и туже величину.

Преобразователь частоты (ПЧ) служит для переноса спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. То есть процесс преобразования линеен относительно сигнала. Для линейного (относительно сигнала) преобразования частоты в РПУ используются линейные цепи с периодически меняющимся параметрами. Назначение гетеродина – периодически с частотой fг изменять параметры преобразовательного элемента для напряжения сигнала (прежде всего крутизну) за счёт изменения режима работы. Линейность по сигналу достигается малым уровнем входного сигнала, при котором любой участок нелинейной ВАХ для сигнала можно считать линейным (с разным значением крутизны). На входе ПЭ действует сумма сигнала и гетеродина, причём Uc<<Uг, а также некоторое начальное смещение Есм, можно считать, что для сигнала под действием напряжения гетеродина периодически с частотой fг меняется режим работы, определяемый точкой покоя на ВАХ с соответствующим значением крутизны.

В реальном случае помимо первой гармоники крутизны появляются высшие, характеризующие её нелинейность. Процесс преобразования удобно пояснить следующим образом. Пусть на входе преобразовательного элемента действует сигнал uc(t)=Uccos(ct+с), где Uc, с – функции времени, определяемые амплитудной или фазовой модуляциями. Ток на выходе преобразовательного содержит составляющие трёх частот: частоты сигнала fc, суммарной частоты fc+ fг и разностной fc- fг. Амплитуда полезной составляющей выходного тока (а следовательно, и выходного напряжения Uвых) пропорциональна амплитуде сигнала Uc, а фаза соответствует фазе исходного сигнала с, то есть при преобразовании законы модуляции, амплитуды и фазы сохраняются. Заметим, что при с>г фаза в выходном токе меняется знак, т.е. инверсна фазе входного сигнала.

 

ЧАПЧ и ФАПЧ

ФАПЧ

Фа́зовая автоподстро́йка частоты (ФАПЧ, англ. PLL) — система автоматического регулирования, подстраивающая фазу управляемого генератора так, чтобы она была равна фазе опорного сигнала, либо отличалась на известную функцию от времени. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.

 

Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и в других целях.

 

ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и используется в качестве управляющего для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной, то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.

ФАПЧ широко используется в радиотехнике, телекоммуникациях, компьютерах и других электронных устройствах. Данная система может генерировать сигнал постоянной частоты, восстанавливать сигнал из зашумлённого коммуникационного канала или распределять сигналы синхронизации в цифровых логических схемах, таких, как микропроцессоры, ПЛИС и т. д. Поскольку интегральная схема может полностью реализовать блок ФАПЧ, этот метод часто используется в современных электронных устройствах с выходными частотами от долей герца до многих гигагерц.

Устройства ФАПЧ могут быть реализованы как аналоговой, так и цифровой схемой. Обе реализации используют одинаковую структурную схему. Как аналоговая, так и цифровая схема ФАПЧ включает в себя 4 основных элемента:

 

Фазовый детектор.

Фильтр нижних частот (ФНЧ).

Регулируемый генератор.

Цепь обратной связи по частоте (часто в неё включают в себя делитель частоты).

Основные технические характеристики[править | править код]

Тип и порядок петли обратной связи.

Полоса частот петли обратной связи.

Скорость отклика на возмущение.

Установившаяся ошибка.

Спектральная чистота выходно