Преобразование частоты. Модуляция и детектирование. Принцип преобразования частоты Преобразование частоты
Преобразованием частоты является любое ее изменение. Например, при выпрямлении переменный ток с частотой превращается в постоянный ток, у которого частота равна нулю. В генераторах энергия постоянного тока, имеющего частоту, равную нулю, преобразуется в энергию переменного тока нужной частоты.
Вспомогательное напряжение получают от маломощного генератора, называемого гетеродином. На выходе преобразователя получается колебание с новой преобразованной частотой, которую называют промежуточной частотой.
В качестве преобразователя частоты должен применяться нелинейный или параметрический прибор.
Если бы преобразователь частоты был линейным прибором, то в нем бы произошло бы просто сложение двух колебаний. Например, при сложении двух колебаний с близкими, но не кратными частотами получились бы биения, т. е. сложное колебание, у которого частота менялась бы в некоторых пределах около среднего значения, а амплитуда изменялась бы с частотой, равной разности частот. Такие биения не содержат составляющего колебания с новой частотой. Но если биения детектировать (выпрямить), то вследствие нелинейности этого процесса возникает составляющая с промежуточной частотой.
На выходе преобразователя частоты получается сложное колебание, имеющее составляющие многих частот.
Все новые частоты, представляющие собой комбинации частот и их гармоник, называются комбинационными частотами. Выбирая подходящую вспомогательную частоту, можно получить новую частоту.!
Среди новых частот содержатся и гармоники первоначальных колебаний с частотами в несколько раз больше исходных. Но их можно получить проще при нелинейном искажении одного из подводимых напряжений. Наличие двух напряжений для возникновения гармоник необязательно.
Как правило, амплитуды комбинационных колебаний (и гармоник) тем меньше, чем выше значения частот. Поэтому в большинстве случаев в качестве колебания новой промежуточной частоты используют колебание разностной частоты, а иногда суммарной. Комбинационные частоты более высокого порядка применяются редко.
Преобразование частоты в радиоприемниках в большинстве случаев осуществляется так, что при приеме сигналов различных радиостанций, работающих на разных частотах, создаются колебания одной и той же промежуточной частоты. Это позволяет получить большое усиление и высокую избирательность, причем они остаются почти постоянными во всем диапазоне частот принимаемых сигналов. Кроме того, при постоянной промежуточной частоте получается более устойчивая работа усилительных каскадов и они значительно проще по устройству, нежели каскады, рассчитанные на диапазон частот.
В радиоприемных и радиоизмерительных устройствах в качестве промежуточной чаще всего используется разностная частота, причем вспомогательная частота обычно выше преобразуемой частоты сигнала. Такое соотношение между частотами обязательно, если промежуточная частота должна быть выше частоты сигнала.
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. была перенесена на промежуточную частоту без искажений, необходимо выполнение . условий: 1) нелинейное устройство (напр., ) 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.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ" в других словарях:
преобразование частоты - Процесс линейного переноса полосы частот, занимаемой сигналом, в другую область частотного спектра с инверсией или без нее. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева …
преобразование частоты - dažnio keitimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. frequency conversion; frequency transformation vok. Frequenztransformation, f; Frequenzumsetzung, f; Frequenzumwandlung, f; Frequenzwandlung, f rus. преобразование частоты, n pranc.… … Automatikos terminų žodynas
преобразование частоты - dažnio keitimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. frequency conversion vok. Frequenzumsetzung, f; Frequenzumwandlung, f; Frequenzwandlung, f rus. преобразование частоты, n pranc. conversion de la fréquence, f … Fizikos terminų žodynas
преобразование частоты радиосигнала - преобразование частоты Процесс переноса полосы радиочастот, занимаемой сигналом, в другую часть частотного спектра. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиоприем Синонимы преобразование частоты … Справочник технического переводчика
преобразование частоты в код числа - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency to number conversion … Справочник технического переводчика
преобразование частоты в направлении её уменьшения - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency down conversionFDC … Справочник технического переводчика
преобразование частоты в напряжение - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency to voltage conversion … Справочник технического переводчика
преобразование частоты с понижением - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN frequency down conversion … Справочник технического переводчика
Преобразование частоты радиосигнала - 163. Преобразование частоты радиосигнала Преобразование частоты Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
преобразование частоты на основе комбинационного рассеяния - Ramano dažnio keitimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. Raman frequency conversion vok. Raman Frequenzumwandlung, f rus. преобразование частоты на основе комбинационного рассеяния, n pranc. conversion Raman de fréquence, f … Radioelektronikos terminų žodynas
Книги
- Радиотехнические цепи и сигналы (комплект из 2 книг) , И. С. Гоноровский. Книга является учебником по новому курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» и соответствует программе этого курса для специальности «Радиотехника». В первой частиизлагается спектральный и…
Ротор любого электродвигателя приводится в движение под действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутри обмотки статора. Скорость его оборотов обычно определяется промышленной частотой электрической сети.
Ее стандартная величина в 50 герц подразумевает совершение пятидесяти периодов колебаний в течение одной секунды. За одну минуту их число возрастает в 60 раз и составляет 50х60=3000 оборотов. Такое же число раз проворачивается ротор под воздействием приложенного электромагнитного поля.
Если изменять величину частоты сети, приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управления электродвигателями.
Виды частотных преобразователей
По конструкции частотные преобразователи бывают:
1. индукционного типа;
2. электронные.
Асинхронные электродвигатели, выполненные и запущенные в режим генератора, являются представителями первого вида. Они при работе обладают низким КПД и отмечаются маленькой эффективностью. Поэтому они не нашли широкого применения в производстве и используются крайне редко.
Способ электронного преобразования частоты позволяет плавно регулировать обороты как асинхронных, так и синхронных машин. При этом может быть реализован один из двух принципов управления:
1. по заранее заданной характеристике зависимости скорости вращения от частоты (V/f);
2. метод векторного управления.
Первый способ является наиболее простым и менее совершенным, а второй используется для точного регулирования скоростей вращения ответственного промышленного оборудования.
Особенности векторного управления частотным преобразованием
Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора.
Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:
1. бессенсорного управления;
2. потокорегулирования.
Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.
Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения.
Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки.
Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к .
Схема замещения
Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.
На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.
Векторная диаграмма схемы замещения
Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.
Энергия тока статора разделяется на две части:
iµ - потокообразующую долю;
iw - моментообразующую составляющую.
При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения.
Для бессенсорного управления измеряются:
напряжение u1;
ток i1.
По их значениям рассчитывают:
iµ - потокообразующую составляющую тока;
iw - моментообразующую величину.
В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали.
Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору.
По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.
Принцип работы частотного преобразователя
В основу этого устройства, которое еще называют инвертором, заложено двойное изменение формы сигнала питающей электрической сети.
Вначале промышленное напряжение подается на силовой выпрямительный блок с мощными диодами, которые убирают синусоидальные гармоники, но оставляют пульсации сигнала. Для их ликвидации предусмотрена батарея конденсаторов с индуктивностью (LC-фильтр), обеспечивающая стабильную, сглаженную форму выпрямленному напряжению.
Затем сигнал поступает на вход преобразователя частоты, который представляет собой мостовую трехфазную схему из шести серии IGBT или MOSFET с диодами защиты от пробоя напряжений обратной полярности. Используемые ранее для этих целей тиристоры не обладают достаточным быстродействием и работают с большими помехами.
Для включения режима «торможения» двигателя в схему может быть установлен управляемый транзистор с мощным резистором, рассеивающим энергию. Такой прием позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение для защиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.
Способ векторного управления частотой преобразователя позволяет создавать схемы, осуществляющие автоматическое регулирование сигнала системами САР. Для этого используется система управления:
1. амплитудная;
2. ШИМ (широтного импульсного моделирования).
Метод амплитудного регулирования основан на изменении входного напряжения, а ШИМ - алгоритма переключений силовых транзисторов при неизменном напряжении входа.
При ШИМ регулировании создается период модуляции сигнала, когда обмотка статора подключается по строгой очередности к положительным и отрицательным выводам выпрямителя.
Поскольку частота такта генератора довольно высокая, то в обмотке электродвигателя, обладающего индуктивным сопротивлением, происходит их сглаживание до синусоиды нормального вида.
Способы ШИМ управления позволяют максимально исключить потери энергии и обеспечивают высокий КПД преобразования за счет одновременного управления частотой и амплитудой. Они стали доступны благодаря развитию технологий управления силовыми запираемыми тиристорами серии GTO или биполярных марок транзисторов IGBT, обладающих изолированным затвором.
Принципы их включения для управления трехфазным двигателем показаны на картинке.
Каждый из шести IGBT-транзисторов подключается по встречно-параллельной схеме к своему диоду обратного тока. При этом через силовую цепь каждого транзистора проходит активный ток асинхронного двигателя, а его реактивная составляющая направляется через диоды.
Для ликвидации влияния внешних электрических помех на работу инвертора и двигателя в конструкцию схемы преобразователя частоты может включаться , ликвидирующий:
радиопомехи;
наводимые работающим оборудованием электрические разряды.
Их возникновение сигнализирует контроллер, а для уменьшения воздействия используется экранированная проводка между двигателем и выходными клеммами инвертора.
С целью улучшения точности работы асинхронных двигателей в схему управления частотных преобразователей включают:
ввода связи с расширенными возможностями интерфейса;
встроенный контроллер;
карту памяти;
программное обеспечение;
информационный Led-дисплей, отображающий основные выходные параметры;
тормозной прерыватель и встроенный ЭМС фильтр;
систему охлаждения схемы, основанную на обдуве вентиляторами повышенного ресурса;
функцию прогрева двигателя посредством постоянного тока и некоторые другие возможности.
Эксплуатационные схемы подключения
Частотные преобразователи создаются для работы с однофазными или трехфазными сетями. Однако, если есть промышленные источники постоянного тока с напряжением 220 вольт, то от них тоже можно запитывать инверторы.
Трехфазные модели рассчитываются на напряжение сети 380 вольт и выдают его на электродвигатель. Однофазные же инверторы питаются от 220 вольт и на выходе выдают три разнесенных по времени фазы.
Схема подключения частотного преобразователя к двигателю может быть выполнена по схемам:
звезды;
треугольника.
Обмотки двигателя собираются в «звезду» для преобразователя, запитанного от трехфазной сети 380 вольт.
По схеме «треугольник» собирают обмотки двигателя, когда питающий его преобразователь подключен к однофазной сети 220 вольт.
Выбирая способ подключения электрического двигателя к преобразователю частоты надо обращать внимание на соотношение мощностей, которые может создать работающий двигатель на всех режимах, включая медленный, нагруженный запуск, с возможностями инвертора.
Нельзя постоянно перегружать частотный преобразователь, а небольшой запас его выходной мощности обеспечит ему длительную и безаварийную работу.
Преобразование частоты представляет собой процесс линейного переноса спектра радиосигнала из одной области диапазона частот в другую с сохранением закона и параметров модуляции. Для упрощения процесса усиления полезного сигнала в радиоприёмных устройствах перенос осуществляется в область относительно низких частот.
Принцип работы преобразователя частоты основан на взаимодействии двух высокочастотных напряжений, подводимых к схеме с нелинейным элементом. Однако из этих напряжений несёт полезную информацию принятого сигнала, а второе вспомогательное, формируемое специальным генератором (гетеродином). Если представить вольтамперную характеристику нелинейного элемента в виде простейшего ограничительного ряда
и подать на этот элемент два напряжения
ток нелинейного
элемента будет содержать множество
комбинационных составляющих этих
частот. Среда ряда составляющих тока
будет и разностная между частотами
сигнала гетеродина и полезного сигнала
,
которая выделяется с помощью фильтра,
настроенного на эту частоту. Выходным
сигналом преобразователя является
падение напряжения на сопротивлении
избирательной нагрузки от тока,
изменяющегося с этой частотой
.
Амплитуда выходного напряжения определяются свойствами нелинейного элемента и величина подводимых напряжений, а частота и фаза начальными значениями этих параметров напряжений.
В общем случае, когда реальная вольтамперная характеристика нелинейного элемента определяется достаточно сложной зависимостью в процессе преобразования образуется множество комбинационных частот, одна из которых может быть выбрана в качестве промежуточной
,
где p и q целые числа. Если p = q =1 преобразование называют простым. При других значениях оно сложное.
Как правило, в приёмниках амплитуда напряжения сигнала много меньше чем у гетеродина. При сложении таких напряжений в нелинейной цепи результат воздействия можно представить в виде малого приращения, для которого ВАХ нелинейного элемента с определённой точностью можно считать линейной, а крутизна ВАХ изменяется под воздействием достаточно большого напряжения гетеродина. В этом случае процесс преобразования можно представить как действие напряжения сигнала на линейную систему с переменными параметрами.
Крутизна характеристики в данном случае есть периодическая функция времени, которую можно представить в виде ряда Фурье
При подаче на
вход преобразователя напряжения сигнала
ток представляется как
,
В случае, когда
закон изменения крутизны сложен, помимо
основной частоты гетеродина
появляются высшие её гармоники. Частоты
комбинационных составляющих определяются
выражением
.
В связи с тем, в приёмниках происходит преобразование слабых сигналов, независимо от того каким образом оно осуществляется (нелинейным элементом, или линейной системой с переменными
параметрами) преобразователь частоты относят к линейной части.
Классификация преобразователей и их основные характеристики.
В соответствии с изложенными принципами преобразования частоты схема преобразователя должна включать нелинейный элемент (элемент с переменным параметром) – смеситель, гетеродин и избирательную нагрузку.
В качестве смесителя могут быть использованы: электронные лампы, транзисторы, полупроводниковые диоды, а также нелинейные ёмкости или индуктивности, обладающие нелинейной проводимостью.
Гетеродины обычно представляют собой маломощные генераторы с самовозбуждением, реже специальные устройства, создающие совокупность напряжений различных частот.
Нагрузкой смесителя являются различные полосовые фильтры.
Большее распространения на практике получило простое преобразование,
которое является результатом взаимодействия первых гармоник частот сигнала и гетеродина.
По характеру проводимости смесительного элемента преобразователи частоты делятся на две группы;
- преобразователи на нелинейных элементах с активной проводимостью.
- преобразователи с реактивной проводимостью.
В первую группу входят преобразователи на лампах, транзисторах и полупроводниковых диодах.
Ко второй группе относятся преобразователи на нелинейной ёмкости параметрического диода.
Ламповые и транзисторные преобразователи могут быть с отдельным гетеродином. Во втором варианте функции смесителя и гетеродина объединены в одном каскаде и воздействие гетеродинного напряжения на нелинейные свойства смесителя осуществляется через общий ток нелинейного элемента. Преобразователи с разными гетеродинами обладают более стабильными характеристиками по сравнению с совмещенными.
Ламповые преобразователи часто делятся на пентодные, триодные, диодные. Пентодные преобразователи строятся по схеме с общим катодом и могут быть одно и двух сеточными. В первом случае напряжение сигнала и гетеродина подаются на одну сетку. В случае же подаче сигналов на разные сетки уменьшаются взаимное влияние входного контура гетеродина при их перестройке. Триодные и транзисторные преобразователи строятся по схемам как с заземлённым катодом (эмиттером), так и с
заземлённой сеткой (базой).
Триодные смесители находят широкое применение в ДМ диапазоне волн, т.к. обладают меньшим уровнем собственных шумов и конструктивного более удобны для согласования с колебательными контурами на основе отрезков коаксиальных линий. В последнее время широко применяются диодные смесители, особенно в ДМ и СМ диапазонах.
Для оценки качества работы преобразователей и для их сравнительной оценки используются следующие основные показатели.
1. Коэффициент преобразования. Это отношение амплитуды напряжения или мощности сигнала промежуточной частоты на выходе преобразователя к напряжению сигнала на его входе.
;
Величина этого коэффициента определяется типом и режимом работы смесителя и свойствами нагрузки
2. Рабочий диапазон частот определяется диапазоном работы приёмника и обеспечивается перестройкой гетеродина. При фиксированной настройке гетеродина приёмника работает на одной частоте.
3. Уровень собственных шумов преобразователя. Как один из первых каскадов приёмника преобразователь частоты существенно влияет на общий уровень собственных шумов. Источниками шумов являются те же элементы, что и в других каскадах, а методика их оценки аналогична.
4. Избирательность . По аналогии с каскадами усиления избирательность преобразователя частоты определяет способность его ослаблять выходное напряжение при расстройке. Определяется избирательность
резонансными свойствами его нагрузки. Однако специфика работы преобразователя частоты делает возможным появление, ряд других частот, напряжения которых при одной и той же частоте гетеродина в процессе преобразования дадут промежуточную частоту.
Здесь представлена
зависимость коэффициента передачи
преобразователя от частоты. В соответствии
с принципом преобразования через
нагрузку протекают составляющие тока
смесителя с различными комбинационными
частотами. В случае простого преобразования
при неизменной частоте гетеродина
одно
и то же значение промежуточной частоты
может быть при приёме сигналов на двух
частотах
и
;
Дополнительный канал приёма отличается от основного по частоте на величину и расположен зеркально относительно частоты гетеродина.
Кроме зеркального канала существуют и дополнительные каналы
Если частота входного канала равна промежуточной, преобразователь работает как усилитель.
Наличие зеркальных и дополнительных каналов является существенным не достатком супергетеродинного приёмника, снижающего его устойчивость. Основной способ ослабления приёма по зеркальному каналу является улучшение избирательности каскадов, стоящих до преобразователя. Это упрощается по мере увеличения промежуточной частоты. Однако это в свою очередь усложняет формирование требуемой резонансной характеристики УПЧ, особенно при необходимости узкой полосы пропускания.
Это противоречие решается в процессе двойного преобразования. На более высокой частоте ослабляется влияние зеркального канала, а на более низкой частоте формирование требуемой полосы.
Как и другие элементы приёмника, преобразователь частоты может быть источником частотных, фазовых и нелинейных искажений. Последние обусловлены самим принципом преобразования. Так появление в спектре сигнала дополнительных составляющих за счёт комбинационных частот эквивалентно нелинейным искажениям. Уменьшение этих искажений достигается за счёт улучшения избирательности и выбора режима работы, при котором характер изменения проводимости смещения будет приближаться к гармоническому.
Представим
преобразователь частоты в виде цепи с
активной нелинейной проводимостью, с
управляющим напряжением гетеродина
.
На вход такой системы подаётся напряжение
сигнала
.
На выходе включена нагрузка
,
падение напряжения которой
.
Выходной ток
преобразователя с частотой
.
В общем случае зависит от характеристики
нелинейной проводимости, сигнала и
промежуточной частоты
Уровень сигнала на входе преобразователя намного меньше напряжения гетеродина, а величина коэффициента передачи преобразователя относительно велика и таким образом выполняется неравенство
;
Таким образом, выходной ток преобразователя является функцией двух малых переменных. На основе этого разложим функцию тока в ряд Тейлора по степеням малых переменных, ограничивать трёмя первыми
членами.
Первое слагаемое
представляет собой составляющую тока
преобразователя, которая обусловлена
действием напряжения гетеродина при
.
Обозначим
.
Второе слагаемое является приращением
тока преобразователя, вызванное действием
напряжения сигнала, т.е.
представляет собой проводимость
нелинейной цепи для
.
Под действием напряжения гетеродина
величина проводимости периодически
меняется с частотой
.
Обозначим эту проводимость
.
Третье слагаемое
характеризует приращение тока за счёт
действия на него нагрузку напряжения
промежуточной частоты. В каждый момент
времени это приращение определяется
проводимостью нелинейной цепи для
и
мгновенным значением этого напряжения.
Обозначим его
и определим как проводимость
нелинейной цепи для
.
Таким образом
Представив
функцией
,
и
в виде рядов Фурье и приняв условие,
что промежуточная частота образуется
по закону
представим ток промежуточной частоты в сл. виде
переходя к комплексным амплитудам последнее выражение представляется в виде
и его можно
назвать уравнением прямого преобразования.
Здесь
-
как гармоника функции
S
.
- постоянная составляющая
.
Аналогично можно
представить схему преобразователя
частоты со стороны выхода. Полагая, что
к выходу преобразователя подключен
источник промежуточной частоты, можно
получить выражение для выходного тока
на частоте сигнала. В любой реальной
схеме преобразователя частоты в той
или иной степени проявляется влияние
на
за
счёт наличия обратной проводимости
нелинейной цепи. Этот процесс принято
называть обратным преобразованием
частоты. Физический смысл этого влияния
заключается в следующем. Напряжение
промежуточной частоты, приложенное к
нелинейной проводимости преобразуется
под действием напряжения гетеродина
в
ток частоты сигнала. Как бы частота
меняется местами.
Представляя
входной ток как функцию
и
двух малых переменных
и
можно
его значение выразить в виде ряда по
аналогии с прямым преобразованием при
условии, что меняются местами. Выделяя
составляющую входного тока с частотой
можно получить для её комплексной
амплитуды следующее выражение
,
где
и
- периодические функции напряжение
гетеродина представляющие соответственно
амплитуду к – ой гармоники обратной
проводимости нелинейной цепи для
.
И постоянную составляющую проводимости
той же цепи для
.
Эти величины определяются типом
нелинейной цепи и амплитудой
.
Представленное выражение можно считать
уравнением обратного преобразования.
Обратное преобразование приводит
изменению входной и выходной проводимостей
преобразователя. В большей мере это
относится к диодным преобразователям
и преобразователям с общей сеткой
(базой). В этой связи необходимо учитывать
(внутренние параметры).
- Крутизна преобразования. Отношение амплитуды тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала при закороченном выходе.
- Внутренняя проводимость . Отношение амплитуду тока промежуточной частоты к амплитуде напряжения этой же частоты при законном входе.
- Внутренний коэффициент усиления преобразователя. Отношение амплитуды напряжения промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала.
На основании уравнений прямого и обратного преобразования можно составить эквивалентную схему преобразователя, с помощью которой можно определить его внешние параметры.
- Коэффициент преобразования
- Входная проводимость
равна сумме
входной проводимости нелинейного
элемента на
и проводимости, обусловленной обратным
преобразованием.
полный
входной ток преобразователя на частоте
сигнала обусловленный наличием входной
проводимости нелинейного элемента и
обратным преобразованием.
- Выходная проводимость
складывается
из внутренней проводимости преобразователя
и проводимости нагрузки на
.
Шумы преобразователей частоты.
Источники шумов преобразователей частоты и методика их оценки аналогичны УВЧ, однако при этом учитывать особенности преобразования. В СВЧ диапазоне при использование диодных полупроводниковых смесителей для количественной оценки шумов используют понятие относительной шумовой температуры
, где
- мощность шума, создаваемая только
выходным сопротивлением преобразователя
при температуре окружающей среды. При
согласовании преобразователя с
последующим каскадом
,
отсюда
считая, что по входу преобразователя согласование обеспечено и принимая его коэффициент шума равный
шумовую температуру можно представить, как
,
где
- коэффициент преобразования по
мощности.
Дополнительным источником внутреннего шума является преобразование по зеркальному каналу, т.к. происходит суммирование шумовых составляющих, попавших в полосу частот УПЧ. Это явление оценивается эквивалентным увеличением эффективной шумовой полосы приёмника. Только по зеркальному каналу такое эквивалентное расширение приближенно равно
,
где
-
эффективная шумовая полоса приёмника,
-
ослабление З.К.
В радиотехнике часто требуется осуществить сдвиг спектра сигнала по оси частот на определенное постоянное значение при сохранении структуры сигнала. Такой сдвиг называется преобразованием час
Для выяснения сути процесса преобразования частоты вернемся к вопросу о воздействии на нелинейный элемент двух напряжений, кратко рассмотренному в § 8.4. Однако в данном случае только одно из колебаний, именно то, которое создается вспомогательным генератором (гетеродином), 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 гетеродина
от источника сигнала
Амплитуда частота и начальная фаза гетеродинного колебания - постоянные величины. Амплитуда же и мгновенная частота сигнала могут быть модулированными, т. е. могут являться медленными функциями времени (узкополосный процесс). Начальная фаза сигнала - постоянная величина.
Задачей преобразования частоты является получение суммарной или разностной частоты . Как вытекает из выражения (8.30), для этого необходимо использовать квадратичную нелинейность,
В качестве нелинейного элемента возьмем, как и в § 8.9, диод, однако характеристику его для более полного выявления продуктов взаимодействия сигнала и гетеродинного колебания аппроксимируем полиномом четвертой степени (а не второй, как в § 8.4):
Слагаемые, содержащие различные степени только или только интереса не представляют. С точки зрения преобразования (сдвига) частоты основное значение имеют члены, представляющие собой произведения вида правой части выражения (8.72) обведены рамками.
Подставляя в эти произведения (8.70) и (8.71) и отбрасывая все составляющие, частоты которых не являются суммой соч или разностью после несложных тригонометрических выкладок приходим к следующему окончательному результату:
Из этого результата видно, что интересующие нас частоты возникают лишь благодаря четным степеням полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента. Однако один лишь квадратичный член полинома (с коэффициентом ) образует составляющие, аплитуды которых пропорциональны только первой степени Более высокие четные степени (четвертая, шестая и т. д.) нарушают эту пропорциональность, так как амплитуды привносимых ими колебаний содержат также степени выше первой.
Отсюда видно, что амплитуды 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?,
Первое слагаемое в фигурных скобках с частотой (производная от аргумента косинуса) соответствует сдвигу спектра сигнала в область высоких частот, а второе с частотой - в область низких частот. Для выделения одной из этих частот - разностной или суммарной - нужно применять соответствующую нагрузку на выходе преобразователя. Пусть, например, частоты очень близки и требуется выделить низкую частоту, расположенную около нуля. Такая задача часто встречается в измерительной технике (метод «нулевых биений»). В этом случае нагрузка должна быть такой же, как при амплитудном детектировании, т. е. состоять из параллельного соединения R и С, обеспечивающего отфильтровывание (подавление) высоких частот и выделение разностной частоты Если разностная частота лежит в диапазоне высоких частот, то для ее выделения следует применить резонансную колебательную цепь (рис. 8.42). Если полезной, подлежащей выделению является суммарная частота то контур соответственно должен быть настроен на частоту
Обычно полоса пропускания колебательной цепи, являющейся нагрузкой преобразователя, рассчитана на ширину спектра модулированного колебания. При этом все составляющие тока с частотами, близкими к , проходят через контур равномерно и структура сигнала на выходе совпадает со структурой сигнала на входе.
Рис. 8.42. Схема замещения преобразователя частоты
Рис. 8.43. Спектр сигнала на входе и выходе преобразователя:
Единственное отличие заключается в том, что частота на выходе равна или смотря по тому какова резонансная частота нагрузочной цепи.
Итак, при преобразовании частоты законы изменения амплитуды частоты и фазы входного колебания переносятся на выходное колебание. В этом смысле рассматриваемое преобразование сигнала является линейным, а устройство - линейным преобразователем или «смесителем».
