Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Приемники, состоящие из последовательно включенных ВЧ-усилителей, неудобны по нескольким причинам. Во-первых, отдельные каскады должны быть настроены на одну и ту же частоту, что требует либо очень большой координированности в работе с большим количеством ручек или же чрезвычайно точного согласования набора одновременно настраиваемых LC-контуров. Во-вторых, поскольку общая частотная избирательность определяется характеристиками всех усилителей в совокупности, форма полосы пропускания будет зависеть от точности настройки каждого усилителя; отдельные усилители не могут иметь столь узкополосную характеристику, как это хотелось бы, так как настройка в этом случае была бы практически невозможна. И поскольку принимаемый сигнал может быть любой частоты в пределах области настройки усилителей, нельзя использовать пьезофильтры для получения плоской полосы пропускания с резкими спадами по краям (крутые «фронты»), что обычно очень нежелательно.

Прекрасное решение этих проблем дает применение супергетеродинного приемника («супергетеродина»), показанного на рис. 13.41.

Рис. 13.41. Супергетеродинный приемник.

Поступающий сигнал усиливается одним каскадом ВЧ-усилителя, смешивается с сигналом локального генератора (ЛГ), и при этом получается сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ), в данном случае равной 455 кГц. После этого следует набор резонансных усилителей с фиксированной настройкой на ПЧ, в которые входят селективные элементы, такие, как пьезокристаллические или механические фильтры. Схема заканчивается детектором и усилителем звуковых частот. Приемник настраивают, изменяя частоту ЛГ, так как любая входная частота смешивается с ней и преобразуется в промежуточную частоту (с точностью до полосы пропускания ПЧ). Вход ВЧ-усилителя должен настраиваться в соответствии и одновременно с ЛГ, но точность настройки не очень существенна. Это делается с целью а) улучшить чувствительность путем усиления на ВЧ с малыми шумами перед смешением и б) отсечь сигналы «зеркальной» частоты. В данном случае зеркальный — это входной сигнал с частотой на 455 кГц выше частоты Л Г (вспомним, что смеситель вырабатывает сумму и разность частот). Другими словами, в супергетеродинном приемнике смеситель и локальный генератор (гетеродин) используются для сдвига входной (перестраиваемой) частоты сигнала в область фиксированной промежуточной частоты, где усиление и чувствительность максимальны.

Замечания о супергетеродинах. Супергетеродинные приемники имеют еще некоторые особенности. В приведенной схеме показан еще один генератор-гетеродин; его используют при детектировании некоторых неамплитудно-модулированных сигналов (телеграфных, подавление несущей частоты в телефонии, при частотной манипуляции и т. д.). Дополнительные гетеродины используются даже для AM-детектирования в «гомодинных», или «синхронных», детекторах.

Часто приемники имеют не один смеситель (их называют приемниками с «множественным преобразованием»). Использование первой высокой ПЧ улучшает подавление зеркального канала (он сдвинут относительно фактически принимаемого сигнала на удвоенную промежуточную частоту). Более низкая вторая ПЧ облегчает использование фильтров на кристаллических резонаторах с резким спадом характеристик вне полосы пропускания, а третья ПЧ позволяет применять заграждающие фильтры, подобные фильтрам звуковых частот, низкочастотные керамические или механические, фильтры, а также «умножающий детектор».

Недавно стало популярным использовать непосредственно преобразование частоты вверх на включенных прямо на вход балансных смесителях (т. е. использовать ПЧ выше частоты входного сигнала), а также фильтры на пьезокристаллах на частоте ~ 40 МГц ПЧ с последующим детектированием уже без смещения. Такие схемы с однократным преобразованием обладают еще лучшими параметрами при наличии сильно интерферирующих сигналов, и они входят в употребление наряду с выпускаемыми промышленностью очень хорошими кристаллическими СВЧ-фильтрами и смесителями с малыми искажениями, сбалансированными в широкой области и имеющими хорошие шумовые характеристики.

Смесители с подавлением зеркальной частоты. В супергетеродинных приемниках резонансный ВЧ-усилитель служит для подавления сигналов «зеркальной» частоты, которые отделены от нужных сигналов входной ВЧ-полосы удвоением промежуточной частоты (ПЧ). ВЧ-усилитель должен достаточно селективно подавлять зеркальную полосу (т. е. чувствительность его к сигналам этой полосы должна быть много меньше, чем к сигналам входной полосы). Он должен быть настроен, чтобы его полоса пропускания постоянной ПЧ поддерживалась на удалении от полосы ЛГ, поскольку последний служит для настройки приемника.

Есть и другие способы подавления чувствительности к зеркальным частотам, без использования резонансных ВЧ-усилителей. На рис. 13.42 показан смеситель с подавлением зеркальной частоты.

Рис. 13.42. Смеситель с подавлением зеркальной частоты.

Сначала сигнал поступает на пару смесителей, управляемых квадратурными ЛГ («квадратурные» означает, что они сдвигают фазу на 90°); затем сочетание выходных сигналов ПЧ вновь подвергают фазовому сдвигу на 90° в том же направлении. Двойной сдвиг на 90° приводит к сложению для одной стороны полосы и к вычитанию для другой, и таким образом, к аннулированию зеркальной полосы. Изменение полярности на противоположную в результате последнего сдвига фазы на 90° приводит к взаимной замене зеркальной и сигнальной полос. На практике обычно для сдвига фазы и резистивного нагружения неиспользуемого выхода в каждом случае используют «4-портовые квадратурные волноводные тройники».

Если скомплектовать смеситель с подавлением зеркальной частоты из стандартных широкополосных элементов, то можно ожидать подавления зеркальной стороны полосы примерно на 20 дБ, если работать через одну или две октавы по частоте. Иногда важно иметь возможность быстрого продвижения по частоте (так называемое «частотное сканирование») без настройки ВЧ-усилителя со слежением; в этом случае смеситель с подавлением сигналов зеркальной частоты получается как раз таким, как нужно.

Интересная тонкость: как мы отмечали в разд. 13.12, смеситель может быть выполнен как модулятор и наоборот. Это зависит от того, используете ли вы устройство для преобразования низкочастотной полосы модулирующих сигналов, несущих информацию, в высокие частоты (в этом случае его называют «модулятором») или для перевода модулированной ВЧ-полосы вниз к полосе частот модулирующих сигналов (или по пути предварительно к ПЧ-полосе), где вы демодулируете ее, чтобы выделить исходный модулирующий сигнал (в этом случае называют «смеситель»). Когда осуществляется полный оборот по этому пути, то мы говорим, что сигналы зеркальной полосы приходят с другого бока полосы. Наши два метода подавления зеркальной частоты (ВЧ-фильтр и смеситель с подавлением) становятся двумя классическими методами модуляции одной боковой полосы, называемыми методами «фильтра» и «фазировки». Это может стать более ясным, после прочтения вами следующего раздела (не беспокойтесь, если вы и не сделаете этого, но мы не можем отказаться от попытки разъяснить эту объединяющую идею).

Передовые методы модуляции

Из рассмотрения спектра АМ-сигнала с очевидностью вытекает, что можно добиться некоторого улучшения параметров. Большая часть энергии (67 % при 100 %-ной модуляции) содержится в несущей частоте, не участвующей в переносе информации. Эффективность AM достигает 33 % и то только, если индекс модуляции равен 100 %. Поскольку форма импульса голоса обычно имеет большое отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде, индекс модуляции АМ-сигнала, передающего речь, чаще всего значительно меньше 100 %, хотя можно использовать «компрессию» речевого сигнала для увеличения энергии в боковых полосах). Кроме того, при симметричном расположении боковых полос перенос идентичной информации приводит к возникновению сигнала, занимающего полосу, в два раза превышающую практически необходимую.

Путем небольших ухищрений можно исключить несущую частоту [используем балансный смеситель; напоминаем, что

cos A cos B = 0.5·cos(А + В) + 0,5·cos(А — В)

и получить так называемый «сигнал с двумя боковыми полосами и подавленной несущей», или DSBSC. (То же самое получите, если звуковой сигнал умножить непосредственно на несущую частоту, не задавая начального смещения, обеспечивающего постоянное присутствие несущей, как в обычной AM). Далее, использовав либо пьезокристаллический фильтр с крутыми спадами, либо метод, известный как «фазировка», одну боковую полосу спектра сигнала можно подавить. В «однобоковой» полосе (SSB) сигнал эффективно повторяет спектр речи, сдвинутый в область высоких частот, и этот метод связи широко используется радиолюбителями и промышленными потребителями для создания высокочастотных радиотелефонных каналов. Когда нет речи, то передача сигнала не осуществляется. Чтобы принимать SSB, вам нужны гетеродин и «умножающий детектор», как показано на последней блок-схеме, чтобы вновь получить исчезнувшую несущую частоту.