Структура бытовой радиоприёмной аппаратуры

196

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

1.Структура бытовой радиоприёмной аппаратуры

В главе приводится классификация и раскрывается состав радиоприёмных устройств, обсуждаются основные методы приёма. Приводятся достоинства и недостатки приёмников прямого усиления (детекторных, рефлексных, регенеративных), супергетеродинных приёмников и радиоприёмников с двойным преобразованием частоты.

После изучения главы студент должен знать:

структурные схемы радиоприёмных устройств бытовой аппаратуры;

функциональные операции (фильтрация, преобразование, усиление, демодуляция, декодирование и др.), выполняемые в устройствах приема сигналов и выделения сообщений;

назначение отдельных узлов радиоприёмных устройств.

1.1 Обобщённая структура бытовых радиоприёмных устройств

Из определения бытовой радиоприёмной аппаратуры следует, что любая бытовая радиоприёмная аппаратура имеет в своём составе радиоприёмное устройство (радиоприёмный тракт).

Бытовые радиоприёмные устройства (РПрУ) предназначены для выделения полезных сигналов из принимаемого радиоизлучения и преобразования в вид, обеспечивающий использование содержащейся в них информации. Радиоприёмное устройство состоит из приёмной антенны, радиоприёмника и воспроизводящего (оконечного, выходного) устройства (рис.2.1).

Рис.2.1. Схема бытового радиоприёмного устройства

Приёмная антенна воспринимает энергию электромагнитного поля и преобразует её в радиочастотное напряжение.

В месте расположения приёмной антенны электромагнитное поле формируется не только радиоволной, несущей необходимое сообщение, но и посторонними радиостанциями, промышленными источниками, электромагнитными процессами в атмосфере, космическими излучениями и т.д. Таким образом, от приёмной антенны на вход радиоприёмника поступает смесь полезного сигнала, несущего получателю искомое сообщение, и множества мешающих помех.

Для принятия сообщения радиоприёмник (приёмник) должен выполнять следующие основные функции:

выделение полезного сигнала из спектра входных колебаний других радиостанций и помех (фильтрация сигнала);

усиление принимаемого сигнала за счёт энергии местного источника питания, так как мощность его на входе приёмника весьма мала;

обработка принимаемого сигнала с целью уменьшения влияния помех;

детектирование радиочастотного сигнала с целью извлечения колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.

Под основным трактом приёмника будем понимать те узлы, которые реализуют его основные функции: фильтрацию, усиление, детектирование и преобразование.

Приёмник должен отличать полезный радиосигнал от помех по определенным признакам, присущим сигналам. Это свойство называется избирательностью или селективностью. Различий между радиосигналом несущим информацию и помехой может быть несколько, но в бытовой приёмно-усилительной аппаратуре наиболее часто используется различие по частоте. В этом случае говорят о частотной избирательности приёмника. Для осуществления частотной избирательности приёмник содержит резонансные цепи (частотно-избирательные системы), настроенные на частоту полезного сигнала.

Выделенный радиосигнал в приёмнике подвергается усилению и различным видам преобразования и детектированию с целью обеспечения нормальной работы воспроизводящего устройства. В оконечном устройстве (например, в акустической системе, наушниках или громкоговорителе) энергия выделенного сигнала используется для получения требуемого звукового эффекта. Воспроизводящее устройство может быть совмещено с приёмником или представлять собой отдельное устройство.

1.2 Классификация радиоприёмных устройств

Радиовещательные приёмные устройства классифицируют по назначению, диапазону принимаемых частот, виду модуляции принимаемых сигналов, способу построения основного тракта, способу питания, месту установки и т.п.

По назначению бытовые радиоприёмные устройства делятся на две основные группы: приёмники звукового вещания и телевизионные приёмники. Приёмники звукового вещания могут быть монофоническими или стереофоническими, а телевизионные черно-белого или цветного изображения.

Аппараты в зависимости от условий эксплуатации и конструктивного исполнения разделяют на стационарные, переносные и носимые. К широко известным однокорпусным видам аппаратуры относятся магнитолы, радиолы, магниторадиолы и телерадиомагнитолы.

Магнитола представляет конструктивное объединение бытовых магнитофона и радиоприёмника. Комбинация радиоприёмника с электропроигрывающим устройством, конструктивно оформленная в одном корпусе, называется радиолой. Магниторадиола представляет конструктивное объединение бытового магнитофона с радиолой.

Тюнер представляет бытовой радиоэлектронный аппарат, предназначенный для приёма и преобразования сигналов радиовещания в сигналы звуковой частоты и рассчитанный на совместную работу с отдельным мощным усилителем звуковой частоты. В тюнере-усилителе конструктивно объединены тюнер и полный усилитель звуковой частоты. Наконец, в телемагнитоле объединены в один аппарат телевизионный приёмник, тюнер и магнитофонная приставка.

По способу построения основного тракта различают приёмники прямого усиления и супергетеродинные приёмники.

1.3 Приёмник прямого усиления

Приёмник прямого усиления характеризуется тем, что фильтрация и основное усиление осуществляются в нём непосредственно на частоте принимаемого радиосигнала. Структурная схема приёмника прямого усиления, а также временные осциллограммы и спектральные диаграммы, характеризующие его работу, приведены на рис.2.2. Для простоты изображения диаграмм полагается, что сигнал передаётся посредством амплитудной модуляции несущего колебания гармоническим сигналом с частотой .

Рис.2.2. Структурная схема радиоприёмного устройства прямого усиления, временные осциллограммы и спектры колебаний на выходе его функциональных узлов

Приёмник прямого усиления состоит из входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), амплитудного детектора (АД), усилителя звуковой частоты (УЗЧ) и воспроизводящего устройства (громкоговорителя). Входная цепь представляет электрическую цепь, предназначенную для передачи радиочастотного сигнала от приёмной антенны в последующие цепи радиоприёмника и предварительного ослабления помех. Усилитель радиочастоты усиливает полезный сигнал на частотах, с которыми он излучается и распространяется в виде радиоволн. Детектор осуществляет детектирование. Наконец, усилитель звуковой частоты представляет электронный усилитель сигналов звуковой частоты.

Электромагнитные поля наводят в антенне электрические сигналы, которые непосредственно или через фидер подаются во входную цепь. Входная цепь представляет собой резонатор (колебательный контур), настроенный на частоту принимаемого сигнала и предназначена для передачи высокочастотного радиосигнала от антенно-фидерного устройства к следующему каскаду приёмника усилителю радиочастоты. Поскольку входная цепь представляет собой фильтр, то она осуществляет частотную избирательность. Усилитель радиочастоты предназначен для усиления сигнала до уровня, при котором возможна нормальная работа детектора. Обычно этот уровень составляет 0,1…1,0 В, поэтому коэффициент усиления УРЧ должен быть достаточно высоким, порядка 102…106.

Усилитель радиочастоты может быть апериодическим или резонансным. Если УРЧ апериодический, то он только усиливает сигнал до уровня нормальной работы детектора. При этом фильтрация сигнала осуществляется только входной цепью. Если УРЧ резонансный, то наряду с усилением он также как и входная цепь, дополнительно фильтрует сигнал от помех, что повышает избирательные свойства приёмника. Усиленный сигнал с выхода УРЧ поступает на вход детектора, где из высокочастотного модулированного сигнала получают передаваемое сообщение с частотой модуляции , которое через УЗЧ подаётся на воспроизводящее устройство. Резонансные контуры ВЦ и УРЧ перестаиваются в пределах нужного диапазона рабочих частот, задаваемого граничными частотами .

Так как в антенне кроме высокочастотного сигнала, несущего сообщение, присутствует множество помех, то на входе входной цепи радиосигнал имеет огибающую, отличную от синусоидальной формы (осциллограмма на рис.2.2). Во входном спектре на рис.2.2 приведены спектральные составляющие помех, представляющих две соседние радиовещательные станции, излучающие высокочастотные колебания на несущих частотах и с амплитудной модуляцией синусоидальным тоном с частотой модуляции . Поскольку полезный сигнал и помехи расположены на разных частотах, то входная цепь и УРЧ отфильтруют сигнал от помех (спектральные диаграммы процессов на выходе входной цепи и УРЧ на рис.2.2). Усилитель радиочастоты также усиливает сигнал до уровня нормальной работы детектора. В результате детектирования на выходе детектора имеем сигнал, по форме соответствующий модулирующему синусоидальному колебанию с частотой , (осциллограмма на рис.2.2). Усилителю звуковой частоты остается лишь усилить выделенный сигнал до уровня (осциллограмма на рис.2.2), обеспечивающего необходимую громкость звучания громкоговорителя.

В качестве примера, на рис.2.3 приведена принципиальная схема приёмника прямого усиления "Эра 2", ранее выпускавшегося нашей промышленностью.

Рис.2.3. Принципиальная схема приёмника "Эра 2"

Приёмник прямого усиления не всегда может обеспечить необходимую частотную избирательность. Действительно, определим полосу пропускания приёмника прямого усиления на уровне 0,707, если его входная цепь состоит из одиночного колебательного контура, добротность которого =60. Приёмник настроен на частоту =540 кГц, что соответствует нижней границе средневолнового диапазона. Приняв УРЧ апериодическим, находим =540/60=9 кГц. Поскольку несущая частота соседней станции в рассматриваемом диапазоне отстоит на расстоянии 9 кГц, то в первом приближении можно считать, что такой приёмник может выделить нужную станцию. Однако, если приёмник настраивается на частоту 1600 кГц, соответствующую верхней границы СВ-диапазона, то здесь при тех же параметрах контура получим полосу пропускания П=26,6 кГц. Приёмник принимает программы не одной, а одновременно как минимум трех вещательных станций с ослаблением не более чем на 3 дБ. Очевидно, что на более высоких частотах полоса пропускания приёмника будет столь широка, что из-за действия помех приём станет невозможным.

Можно попытаться повысить частотную избирательность приёмника прямого усиления, вводя дополнительные частотно-избирательные системы во входной цепи и УРЧ. Проанализируем эту возможность.

Не касаясь пока вопроса о количественной оценке частотной избирательности, можно утверждать, что полоса пропускания приёмника не должна превосходить ширину спектра принимаемого сигнала (рис.2.4). Если это условие будет нарушено, то избирательность приёмника по соседнему каналу окажется неудовлетворительной, так как приёмник не сможет освободиться от мешающего действия помех на несущих частотах и .

Рис.2.4. Избирательность приёмника по соседнему каналу

Рассмотрим с этой точки зрения возможности приёмника прямого усиления, частотная избирательность которого обеспечивается частотно-избирательной системой из n одиночных колебательных контуров, настроенных в резонанс на частоту . Нормированная частотная характеристика тракта радиочастоты в этом случае может быть описана приближённым выражением, справедливым для области малых настроек:

где абсолютная расстройка частоты источника принимаемых колебаний относительно резонансной частоты контура, эквивалентное затухание контура.

Обычно полоса пропускания приёмника П определяется по нормированной частотной характеристике, как удвоенная расстройка , соответствующая избирательности или 3 дБ. Решая уравнение (2.1) при =3 дБ относительно n, получаем выражение для требуемого числа контуров, которые необходимо ввести в состав приёмника прямого усиления, чтобы его полоса пропускания была равна заданной:

.

Для вещательного приёмника с требуемой полосой пропускания =10 кГц и затуханием =0,01 (добротностью =100) контура на рис.2.5 показана в качестве примера зависимость числа контуров n от несущей частоты . Видно, что при n=1 верхняя граничная частота диапазона равна 1 МГц, а при n=2 составляет 1,7 МГц.

Рис.2.5. Зависимость числа контуров n от несущей частоты вещательного радиоприёмника с полосой пропускания =10 кГц и затуханием контура =0,01

Из-за сложности реализации перестройки большого количества контуров величина n обычно не превышает 3…4. Из графика видно, что в этом случае приемлемая избирательность приёмника может быть обеспечена на частотах не выше 2…2,5 МГц. Таким образом, приёмник прямого усиления может обеспечить требуемую частотную избирательность по соседнему каналу только в начальном участке всего радиовещательного диапазона частот в перестраиваемом приёмнике.

Следует остановиться и на способности радиоприёмника обеспечивать приём слабых сигналов чувствительности приёмника. Невысокая чувствительность приёмника прямого усиления является следствием невозможности получения большого усиления на радиочастоте , так как с ростом частоты усилительные свойства активных элементов, применяемых в УРЧ, ухудшаются. Увеличить усиление можно, если использовать многокаскадный УРЧ, однако на высоких частотах он теряет устойчивость и может даже возбуждаться. Если одиночные резонансные LC-контура в УРЧ перестраиваются емкостью, то эквивалентное резонансное сопротивление контура изменяется при перестройке приёмника прямо пропорционально несущей частоте . Это означает, что коэффициент усиления УРЧ зависит от частоты настройки, причем для n-каскадного УРЧ коэффициент пропорционален .

Таким образом, приёмник прямого усиления обладает следующими основными недостатками:

слабая частотная избирательность по соседнему каналу, начиная с коротковолнового диапазона;

низкая чувствительность;

сильная зависимость полосы пропускания и коэффициента усиления радиочастотного тракта от частоты настройки.

Недостатки приёмника прямого усиления являются следствие того, что основное усиление принимаемого сигнала осуществляется непосредственно на радиочастоте.

1.3.1 Детекторный радиоприёмник

Детекторный радиоприёмник представляет собой простейший приёмник прямого усиления, в котором принятые сигналы вещательных станций не усиливаются, а лишь детектируются. Такой приёмник можно считать приёмником прямого усиления, у которого отсутствуют усилители радиочастоты и звуковой частоты.

На рис.2.6 приведена принципиальная схема детекторного приёмника. Колебательный контур является входной цепью, где происходит выделение радиосигнала из помех (частотная избирательность). Детектор, состоящий из диода VD, емкости и активной составляющей громкоговорителя ВА, преобразует высокочастотные модулированные колебания в электрический сигнал звуковой частоты. Роль воспроизводящего устройства здесь выполняет громкоговоритель, который преобразует электрический сигнал в акустические колебания.

Рис.2.6. Принципиальная схема детекторного радиоприёмника

Энергия, которую преобразует детекторный приёмник, принимается непосредственно антенной. Поэтому громкоговоритель может воспроизводить только сигналы мощных радиостанций. Несмотря на свою простоту, детекторный приёмник имеет множество модификаций, которые вполне удовлетворительно работают, принимая программы мощных радиостанций.

1.3.2 Рефлексный радиоприёмник

Одной из разновидностей приёмника прямого усиления является рефлексный радиоприёмник. Рефлексным называется радиоприёмник прямого усиления, в котором один и тот же усилитель используется одновременно для усиления сигнала до и после детектирования. Это позволяет сократить общее число элементов схемы, и, следовательно, значительно уменьшить габариты устройства. Основная идея рефлексного приёмника состоит в том, что вначале активный элемент усиливает сигнал радиочастоты, затем сигнал детектируется и вновь, уже сигнал звуковой частоты, подаётся на вход того же усилителя. На первый взгляд может показаться, что присутствие двух различных сигналов на входе одного активного элемента может привести к их взаимному влиянию. Однако для линейного усилителя применим принцип суперпозиции, в соответствие с которым два сигнала могут усиливаться вместе, не взаимодействуя друг с другом. Это справедливо только в том случае, если усилитель действительно линеен.

Принципиальная схема простого рефлексного приёмника 2-V-2 приведена на рис.2.7. Обозначение 2-V-2 говорит о том, что приёмник имеет два каскада усиления радиочастоты и два каскада усиления звуковой частоты.

Рис.2.7. Принципиальная схема рефлексного приёмника 2-V-2

Входная цепь представляет собой колебательный контур , настроенный на частоту сигнала и связанный с антенной через конденсатор связи . Через катушку связи сигнал станции поступает на базу транзистора первого каскада апериодического усилителя, а с его коллектора непосредственно на базу транзистора второго усилительного каскада. Нагрузкой для высокочастотного сигнала является контур , также настроенный на частоту сигнала. Высокочастотный радиосигнал с катушки связи поступает на диодный детектор, выполненный на диоде с нагрузкой из параллельно соединённых резистора и конденсатора . В результате детектирования амплитудно-модулированного сигнала на резисторе выделяется низкочастотный сигнал, соответствующий передаваемому сообщению, который через емкость и катушку связи подаётся на базу транзистора . Теперь транзисторы и усиливают сигнал звуковой частоты. Телефон В1, являющийся низкочастотной нагрузкой транзистора , преобразует колебания звуковой частоты в акустические колебания. Таким образом, в рефлексного радиоприёмнике один и тот же двухкаскадный усилитель работает одновременно и как усилитель радиочастоты и как усилитель звуковой частоты.

1.3.3 Регенеративный приёмник

Регенеративным называется радиоприёмник прямого усиления, в одном из каскадов которого для повышения усиления и частотной избирательности применена положительная обратная связь. В принципиальной схеме приёмника "Эра 2" на рис.2.3 первый каскад охвачен положительной обратной связью и является регенератором.

В случае охвата усилителя обратной связью, его коэффициент усиления определяется коэффициентом передачи усиления каскада без обратной связи и коэффициентом передачи цепи обратной связи . Видно, что при устремлении произведения к единице (положительная обратная связь) коэффициент усиления каскада с петлёй обратной связи может принимать весьма большое значение. Проанализируем случай, когда положительной обратной связью охвачен частотно-избирательный каскад, нагрузкой которого является колебательный контур с добротностью .

На рис.2.8,а представлена эквивалентная схема LC-контура с сопротивлением потер , источником внешней ЭДС и некоторым отрицательным сопротивлением , вносимым цепью положительной обратной связи. При отсутствии обратной связи =0 эквивалентное сопротивление потерь контура составляет . Добротность и полоса пропускания по уровню 0,707 контура соответственно составят и , где характеристическое сопротивление контура. Резонансная характеристика контура соответствует нижней кривой на рис.2.8,б.

При введении положительной обратной связи активные потери контура компенсируются вносимым сопротивлением . При этом добротность контура растёт, а полоса пропускания сужается (средняя кривая на рис.2.8,б). Таким образом, добиваются увеличения добротности контура в раз. Величину называют коэффициентом регенерации. Резонансный усилитель, охваченный положительной обратной связью, часто называют ещё и умножителем добротности.

Рис.2.8. Эквивалентная схема LC-контура (а) и резонансные кривые (б) регенеративного усилителя

Может наступить момент, когда сопротивления и становятся равными. При этом потери полностью компенсируются, добротность и коэффициент передачи усилителя стремятся к бесконечности (верхняя кривая). Это соответствует режиму возникновения генерации, т.е. усилитель превращается в генератор.

Приёмник регенеративного типа представляет собой недовозбуждённый генератор, коэффициент усиления которого при подходе к порогу самовозбуждения резко возрастает. Чувствительность такого приёмника может быть достаточно высокой, однако параметры такого устройства весьма нестабильны, сигнал может значительно искажаться. Для регенератора характерны “регенеративные” шумы, которые хорошо слышны в паузах. Учитывая нестабильность параметров и необходимость работы приёмника вблизи границы возбуждения, в схему вводят элементы регулировки глубины положительной обратной связи.

В качестве регенератора в приёмнике, в принципе, можно использовать любую известную схему генератора в недовозбуждённом режиме, при этом важно обеспечить плавный подход к точке возбуждения. На рис.2.9 приведена принципиальная схема регенеративного приёмника. Она представляет собой автогенератор по трёхточечной схеме с емкостной обратной связью, используемой в недовозбужденном режиме.

Резисторы и образуют регулируемый делитель напряжения смещения на базе транзистора. От величины смещения зависит ток коллектора и, соответственно, коэффициент усиления транзистора. Это позволяет фактически регулировать глубину обратной связи и, как следствие, уровень регенерации. В коллекторе транзистора включен колебательный контур , связанный с антенной катушкой связи . Резистор в цепи эмиттера не только ограничивает ток через транзистор, но и является элементом отрицательной обратной связи для данного каскада, позволяющим "плавно" подойти к режиму генерации. Так как контур регенератора имеет с антенной непосредственную связь, то возможно излучение в антенну, что нежелательно.

Рис.2.9. Принципиальная схема регенеративного приёмника

Регенеративный приёмник способен принимать сигналы, как с амплитудной, так и с частотной модуляцией. При приёме амплитудно-модулированных сигналов рабочая точка транзистора выбирается таким образом, чтобы детектирование сигнала осуществлялось за счёт нелинейности активного элемента. Механизм приёма частотно-модулированного сигнала в таком приёмнике заключается в преобразовании частотной модуляции в амплитудную (а точнее, в амплитудно-частотную) на одном из скатов резонансной характеристики контура, и последующее детектирование за счёт нелинейных свойств транзистора.

Из рис.2.8 очевидно, что избирательный каскад, охваченный положительной обратной связью, обладает наибольшим усилением в точке возбуждения. Если использовать режим возбуждения, то можно получить максимально возможный коэффициент усиления каскада. Приёмник, в котором используется режим прерывистой генерации, называется сверхрегенеративным. Чтобы иметь возможность принимать модулированный сигнал, частота прерывистой генерации должна быть выше частоты модуляции . Несмотря на невысокое качество приёма, регенеративные приёмники находят свое применение там, где необходимо минимальное количество элементов схемы.

1.4 Супергетеродинный радиоприёмник

Свободным от недостатков приёмника прямого усиления является супергетеродинный приёмник. Супергетеродинным называют радиоприёмник, в котором осуществляется преобразование частоты радиосигнала в промежуточную частоту. Преобразование частоты предполагает смещение спектра сигнала по шкале частот в область более высоких или более низких частот без изменения формы сигнала. Большинство современной бытовой радиоприёмной аппаратуры строится именно по супергетеродинной схеме.

Функциональная схема супергетеродинного приёмника приведена на рис.2.10.

Рис.2.10. Функциональная схема супергетеродинного приёмника

В приёмной антенне под действием электромагнитного поля возникает э.д.с. принимаемого сигнала с частотой . Входная цепь и усилитель радиочастоты содержат частотно-избирательные системы, настроенные на несущую частоту принимаемого радиосигнала. Благодаря этому, как и в приёмнике прямого усиления, здесь происходит предварительная селекция помех (фильтрация сигнала). Часть супергетеродинного радиоприёмника, содержащая входную цепь и усилитель радиосигналов до преобразователя частоты, называется преселектором. С выхода УРЧ сигнал подаётся на вход преобразователя частоты (ПЧ).

Преобразователь частоты повышает или понижает частоту входного радиосигнала на заданную величину с помощью колебаний другой частоты. Преобразователь частоты включает смеситель (СМ), гетеродин (Г) и полосовой фильтр. Гетеродин представляет вспомогательный генератор гармонических электрических колебаний, используемый для преобразования несущей частоты сигналов . Смеситель представляет собой нелинейный элемент, где под воздействием напряжения гетеродина с частотой происходит процесс преобразования входного сигнала. Частота, в которую в супергетеродинном радиоприёмнике преобразуется несущая частота принимаемого радиочастотного сигнала, называется промежуточной. Полосовой фильтр, подключённый к выходу смесителя, обеспечивает выделение колебаний промежуточной частоты.

Часто функцию смесителя и гетеродина выполняет один активный элемент, например транзистор. В этом случае схема называется преобразователем частоты с совмещенным гетеродином.

Частота колебаний гетеродинного напряжения определяется настройкой контура гетеродина, который при перестройке приёмника также перестраивается.

При подаче на входы смесителя колебаний радиосигнала с частотой и колебаний гетеродина с частотой выходной ток смесителя содержит частоты приложенных напряжений и , их гармоники и , а также комбинационные частоты вида , где .

Обычно в супергетеродинных радиоприёмниках полосовой фильтр на выходе преобразователя настроен на частоту . Это соответствует первой гармонике комбинационных частот (). При этом частоту гетеродина можно выбрать так, чтобы величина была ниже нижней граничной частоты диапазона рабочих частот приёмника.

Если , то говорят о верхней настройке частоты гетеродина. Напротив, в случае имеем нижнюю настройку частоты гетеродина. Забегая вперед, следует отметить, что для характеристик радиоприёмных устройств, важно знать, верхней или нижней будет настройка гетеродина. В радиовещательных приёмниках применяют, как правило, верхнюю настройку частоты гетеродина.

Амплитуда выходного напряжения преобразователя пропорциональна амплитуде сигнала . Поэтому в правильно работающем преобразователе огибающие колебаний на промежуточной частоте и полезного радиосигнала совпадают с точностью до постоянного множителя (рис.2.11).

Следовательно, при преобразовании амплитудно-модулированного колебания по частоте изменение закон модуляции не происходит.

При преобразовании частотно-модулированных сигналов изменение преобразованной частоты, согласно , отличается от изменения частоты исходного сигнала лишь знаком, а величина частотной девиации при этом не изменяется. Аналогично и при фазовой модуляции закон изменения фазы переносится на преобразованную частоту без изменения.

Рис.2.11. Перенос спектра амплитудно-модулированного сигнала в преобразователе частоты

Таким образом, закон изменения модулирующего параметра сигнала в преобразователе частоты не изменяется. Итак, назначение преобразователя частоты состоит в переносе (преобразовании) высокой радиочастоты принимаемого сигнала в более низкочастотную область на промежуточную частоту без изменения закона модуляции.

В диапазонных приёмниках для поддержания постоянства частоты при перестройке сигнальных контуров необходимо перестраивать и контурную систему гетеродина. Это достигается путем сопряжения настройки входной цепи, УРЧ и гетеродина с помощью единого органа управления.

Усилитель сигналов промежуточной частоты, поступающих с преобразователя, называется усилителем промежуточной частоты (УПЧ).

После понижения частоты несущего колебания в УПЧ можно легко обеспечить высокую избирательность и большое усиление. Действительно, поскольку промежуточная частота неизменна в процессе перестройки приёмника, то это позволяет применять в УПЧ многозвенные полосовые фильтры на LC-элементах или монолитные высокоизбирательные фильтры, например пьезокерамические, электромеханические и им подобные.

Принцип работы супергетеродинного радиоприёмника поясняется диаграммами на рис.2.12. Для упрощения полагается, что сигнал передаётся посредством амплитудной модуляции несущего колебания гармоническим сигналом с частотой . Здесь же показаны спектры помех трех радиовещательных станций с несущими частотами , и (соседний канал). Как и для полезного сигнала полагаем, что помехи представляют модулированные по амплитуде гармоническим сигналом с частотой колебания.

На спектральных диаграммах штриховой линией показаны амплитудно-частотные характеристики преселектора и УПЧ.

Рис.2.12. Спектральные диаграммы работы идеального супергетеродинного приёмника

Диаграмма на рис.2.12,а показывает, что на частоте сигнала преселектор не обеспечивает подавления соседнего канала (станции) с частотой . Более того, практически без подавления пройдут на вход преобразователя сигналы всех трёх станций. В этом случае говорят, что преселектор не обеспечивает необходимой избирательности по соседнему каналу.

В преобразователе частоты происходит преобразование частот сигнала и соседней станции следующим образом: и . При этом в полосу пропускания УПЧ (см. рис.2.12,б) попадает лишь преобразованная частота сигнала. Преобразованная частота соседнего канала , как и преобразованные частоты двух других станций и , оказываются вне полосы УПЧ и поэтому будут подавлены. Таким образом, в супергетеродинном приёмнике осуществляется избирательность по соседнему каналу. Усилитель промежуточной частоты не перестраивается, поэтому избирательность по соседнему каналу может быть обеспечена очень высокой.

Как ранее и в преобразователе, закон изменения модулирующего параметра сигнала в УПЧ не меняется. Поэтому часть супергетеродинного радиоприёмника от входа до детектора называют линейной относительно модулирующего напряжения высокочастотного сигнала.

Постоянство промежуточной частоты и её низкое значение обеспечивает ряд важных преимуществ супергетеродинному приёмнику:

независимость параметров УПЧ от частоты настройки приёмника, а именно полосы пропускания, избирательности по соседнему каналу и коэффициента усиления;

высокую избирательность, так как число контуров может быть сколь угодно большим. Это позволяет реализовать амплитудно-частотную характеристику УПЧ близкой к идеальной (прямоугольной);

высокий коэффициент усиления УПЧ и высокую устойчивость его работы.

Преобразование переменной частоты принимаемых сигналов в постоянную промежуточную частоту обеспечивает следующие особенности схемотехнических решений супергетеродинных приёмников:

Резонансные цепи тракта промежуточной частоты не нужно перестраивать, что упрощает конструкцию. Благодаря постоянству коэффициента усиления ослабляется зависимость общего коэффициента усиления приёмника от частоты настройки;

При преобразовании частоты с переносом спектра сигнала вниз паразитные емкостные и индуктивные обратные связи проявляются слабее. Это позволяет увеличить коэффициент усиления без ухудшения устойчивости.

Использование пониженной частоты позволяет сузить полосу пропускания УПЧ без усложнения конструкции резонансных цепей. При этом полоса пропускания цепей промежуточной частоты может быть выбрана в соответствии с шириной спектра сигнала и, тем самым, обеспечивать эффективное подавление помех за пределами этого спектра.

С выхода УПЧ радиосигнал подаётся на детектор (Д) и далее в усилитель звуковой частоты (УЗЧ), которые в супергетеродинном приёмнике выполняют те же функции, что и в приёмнике прямого усиления.

Следует заметить, что усиление в супергетеродинном радиоприёмнике осуществляется на трех частотах: на радиочастоте в преселекторе, на промежуточной частоте в УПЧ и на звуковой частоте модуляции в УЗЧ.

Преобразование частоты обусловливает особенности супергетеродинного приёмника, которые проявляются прежде всего в образовании побочных каналов приёма. Действительно, колебания промежуточной частоты могут формироваться не только в результате преобразования сигнала в соответствии с формулой , но и в результате действия помехи с частотой , удовлетворяющей условию . Попав в полосу пропускания тракта промежуточной частоты, помехи накладываются на принимаемый сигнал и искажают его.

Таким образом, побочными каналами приёма называются полосы частот, находящиеся за пределами канала, на который настроен радиоприёмник, но сигналы которых могут проходить на выход радиоприёмника. Наибольшую опасность представляет зеркальный канал и канал прямого прохождения промежуточной частоты.

Зеркальным называется побочный канал приёма радиосигналов, отличающийся по частоте от частоты настройки радиоприёмника на удвоенное значение промежуточной частоты.

Пусть при верхней настройке частоты гетеродина одна из вещательных станций (зеркальный канал) имеет несущую частоту , отличающуюся от частоты полезного радиосигнала на удвоенную промежуточную частоту (рис.2.13,а). Попадая на вход смесителя, колебания с частотой , согласно алгоритму , преобразуются в колебания с промежуточной частотой , также как и полезный радиосигнал (рис.2.13). Приёмник в этом случае будет одновременно принимать колебания двух станций с частотами и , расположенными симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина. Но при этом колебания с частотой соответствуют полезному сигналу, а колебания с частотой помехе.

Как следует из рис.2.13, подавить зеркальный канал можно только в преселекторе. Отметим два очевидных способа повышения избирательности по зеркальному каналу. Во-первых, повышение избирательных свойств преселектора возможно путём увеличения числа контуров и их добротности. А во-вторых, увеличением значения промежуточной частоты, что позволяет увеличить (отодвинуть) частоту зеркального канала.

Рис.2.13. Образование зеркального канала в супергетеродинном приёмнике

Первый способ повышения избирательности по зеркальному каналу иллюстрирует рис.2.13,б, где показана амплитудно-частотная характеристика преселектора с лучшими избирательными свойствами. Если подавить зеркальный канал должным образом не удаётся первым способом, то необходимо увеличить значение промежуточной частоты (рис.2.13,в).

Не менее опасным являться канал прямого прохождения побочный канал приёма, включающий промежуточную частоту. Помеха на частоте, равной промежуточной , может проходить через смеситель как через обычный усилитель. Усилитель промежуточной частоты усиливает помеху канала прямого прохождения так же, как и сигнал. Мешающее действие помехи канала прямого прохождения, как и зеркального, канала, может быть ослаблено только в преселекторе.

В супергетеродинном приёмнике существуют также побочные каналы приёма, связанные с преобразованием на гармониках гетеродина , , … . Вокруг этих гармоник могут располагаться помехи с частотами , и т.д.

Вернемся к рис.2.13,в, где показано, что с ростом значения промежуточной частоты повышается избирательность по зеркальному каналу. Однако при этом заметим, что увеличение частоты ведёт к расширению полосы пропускания УПЧ, так как полоса пропускания контуров УПЧ пропорциональна несущей частоте . На рис.2.13,в полоса пропускания УПЧ шире, чем на рис.2.13,а. Повышение избирательности по зеркальному каналу таким способом может привести к недопустимому расширению полосы УПЧ и снижению избирательности по соседнему каналу. Высокие требования к избирательности одновременно по соседнему и зеркальному каналам не всегда могут быть достигнуты в супергетеродинном приёмнике с одним преобразованием частоты. В этом случае в радиоприёмном устройстве применяют двойное преобразование частоты.

1.5 Радиоприёмник с двойным преобразованием частоты

Приёмник с двойным преобразованием частоты содержит два преобразователя и два УПЧ. Вариант супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием частоты приведен на рис.2.14.

Рис.2.14. Структурная схема радиоприёмника с двойным преобразованием частоты

Обратимся к частотным диаграммам на рис.2.15, поясняющим работу этого супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием частоты. Первую промежуточную частоту выбирают значительно выше второй . При этом частота первого зеркального канала , имеет высокое значение и эффективно подавляется в преселекторе. Частота второго зеркального канала при условии равна . Напряжение с частотой второго зеркального канала опасно лишь в том случае, если оно попадает на вход второго преобразователя. При этом возможны два пути прохождения напряжения с частотой . Во-первых, второй зеркальный канал может непосредственно проходить через входную цепь, УРЧ, первый преобразователь и первый УПЧ. Очевидно, что на этом пути напряжение с частотой будет эффективно подавлено. Второй путь состоит в воздействии на вход приёмника помехи с частотой , которая во втором преобразователе преобразуется в колебания второго зеркального канала с частотой .

Рис.2.15. Спектральные диаграммы супергетеродинного приёмника с двойным преобразованием частоты

Во втором случае только первый УПЧ может обеспечить избирательность по второму зеркальному каналу. Итак, в приёмнике с двойным преобразованием частоты избирательность по первому зеркальному каналу обеспечивается преселектором, по второму зеркальному каналу первым УПЧ.

В ряде случаев первую промежуточную частоту выбирают выше максимальной частоты диапазон. Супергетеродинный радиоприёмник с преобразованием частоты, осуществляющий перенос спектра радиосигнала вверх, называется инфрадинным приёмником. Затем высокую промежуточную частоту понижают один или более раз до необходимого значения последней промежуточной частоты, где обеспечивается избирательность по соседнему каналу. В инфрадинном приёмнике эффективно разрешается противоречие между требованиями к высокой избирательности по зеркальному и соседнему каналам.

При высоких значениях частоты гетеродина на качество радиоприёма может оказывать влияние его нестабильность. Здесь особенно высоко влияние первого гетеродина. Уменьшить влияние нестабильности частоты первого гетеродина можно путём выполнения гетеродин в виде синтезатора частот с заданным шагом перестройки. Синтезатор частоты представляет устройство для формирования гармонических колебаний с заданными частотами из колебаний одного или нескольких опорных генераторов.

Синтезатор частоты может обеспечить стабильность на несколько порядков выше, чем обычный генератор. Гетеродин здесь делают неперестраиваемым и стабилизируют его кварцем. При этом настройку на частоту принимаемого сигнала осуществляют перестройкой контуров первого УПЧ и второго гетеродина. Так как частота второго гетеродина значительно меньше первого, то и влияние его нестабильности на работу приёмника также меньше. К недостаткам многократного преобразования частоты следует отнести большое число побочных каналов приёма и сложность схемы приёмника.

Размещено на Allbest.ru