Приемник прямого усиления из супергетеродина: Супергетеродинные приемники, их работа и особенности

Супергетеродинные приемники, их работа и особенности

Вопросы и ответы на них, касающиеся темы супергетеродинных радиоприемников, чем они отличаются от других схем, как работают и другое.

Чем в основном отличается супер от приёмника прямого усиления?

Главное отличие супера от приёмника прямого усиления состоит в том, что в приёмниках прямого усиления предварительное усиление сигнала (до детектирования) производится на частоте сигнала.

Для этого усилитель высокой частоты приёмника имеет обычно несколько контуров, которые настраиваются на принимаемую станцию. В супергетеродине основное усиление производится не на частоте сигнала, т. е. не на той частоте, на которой работает принимаемая станция, а на определённой и не изменяющейся частоте, которая называется промежуточной.

Таким образом, усилитель промежуточной частоты супергетеродина не имеет настраивающихся контуров, так как его контуры настроены раз и навсегда на одну и ту же промежуточную частоту и при приёме любых станций настройка этих контуров не меняется.

Для того, чтобы было возможно производить усиление принимаемых сигналов на этой промежуточной частоте, в супергетеродине перед усилителем промежуточной частоты ставится так называемый “смеситель” или “преобразователь”, в котором и происходит преобразование частоты сигнала в промежуточную частоту.

В чём заключается преимущество суперов перед приёмниками прямого усиления?

Преимущество суперов перед приёмниками прямого усиления состоит в том, что основное усиление в супере производится на промежуточной частоте и контуры промежуточной частоты не имеют переменной настройки.

Стоимость каскада промежуточной частоты получается более низкой, чем стоимость каскада высокой частоты в приёмниках прямого усиления.

Кроме того, вследствие применения низкой промежуточной частоты от каскада можно получить большее устойчивое усиление, чем от каскада, работающего на частоте сигнала, так как чем ниже частота, тем меньше влияет междуэлектродная ёмкость анод-сетка.

Вследствие того, что основное усиление в супере производится на постоянной частоте — в приёмнике получается равномерное усиление по всему диапазону и равномерная избирательность.

В чём заключаются основные условия хорошей работы супера?

Работа супера, так же как и каждого приёмника, определяется очень многими причинами, полностью перечислить которые здесь не представляется возможным. Но если говорить о самых основных условиях хорошей работы, то можно считать, что главнейшее значение имеют следующие:

• 1. Хорошая регулировка промежуточной частоты, т. е. хорошее выполнение контуров и очень точная настройка всех контуров в резонанс.
• 2. Большое значение имеет хорошая предварительная селекция. В большинстве случаев бывает достаточно двух контуров, настраивающихся на частоту принимаемой станции, стоящих перед смесительной лампой.
• 3. Не меньшее значение имеет правильная регулировка гетеродина. Отрегулированный гетеродин должен устойчиво генерировать на всём диапазоне настройки приёмника и подавать к сетке смесительной лампы колебания вспомогательной частоты достаточной амплитуды.

Эти три условия являются основными и специфическими для супера.

Другие условия хорошей работы супера в общем мало чем отличаются от условий хорошей работы приёмника прямого усиления.

Что такое предварительное усиление?

Предварительным усилением в супергетеродине называется усиление высокой частоты, т. е. усиление, которое производится на частоте сигнала перед преобразованием в промежуточную частоту.

Применяется ли в супере предварительное усиление?

Предварительное усиление применяется только в суперах первого класса. Подавляющее большинство фабричных дешёвых и самодельных суперов строится без предварительного усиления. Объясняется это тем, что суперы и без усиления высокой частоты обладают достаточной избирательностью.

От чего зависит выбор промежуточной частоты?

Выбор промежуточной частоты определяется несколькими соображениями. Прежде всего большую роль играет величина усиления, которое можно получить от каскада промежуточной частоты.

Как известно, чем ниже частота (чем длиннее волна), тем большее усиление можно получить от каскада и тем стабильнее работает этот каскад.

Поэтому в качестве промежуточной частоты обыкновенно избирают частоты достаточно малые. Кроме того, весьма важно, чтобы на той частоте, которая выбрана в качестве промежуточной частоты, не работали мощные радиовещательные или радиотелеграфные станции, потому что помехи от таких станций в месте приёма затруднят отстройку.

Далее важно, чтобы зеркальная частота достаточно хорошо запиралась преселектором, так как в противном случае будет трудно избавиться от помех. Необходимо также, чтобы промежуточная частота не лежала в диапазоне настройки супергетеродина.

Исходя из всех этих соображений, обычно выбирают промежуточную частоту или порядка 110-115 кГц, или порядка 460 кГц. Более высокие частоты не применяются.

Частоты в 110-115 кГц являются более низкими частотами, чем самая низкая частота, применяемая в радиовещании (150 кГц). Частота же около 460 кГц также не лежит в радиовещательном диапазоне, так как между частотами 545 и 420 кГц в диапазоне приёмников всегда имеется провал, т. е. приёмник не имеет настроек на эти частоты.

Что такое зеркальная настройка?

Зеркальной настройкой, или зеркальной частотой, называется частота, которая отличается от частоты принимаемой станции на удвоенную промежуточную частоту.

Что такое преселекция (предварительная селекция)?

Преселекцией называется отфильтровывание перед подачей на сетку смесительной лампы всех частот, кроме частоты принимаемой станции. Такое отфильтровывание необходимо для того, чтобы не допустить к смесительной лампе как сигналов станций, работающих на зеркальных частотах, так и сигналов всех других станций, которые с частотами принимаемой станции или с гармониками вспомогательной частоты, генерируемой гетеродином, могут создавать биения, равные промежуточной частоте.

Что такое крутизна преобразования?

Крутизна преобразования является важнейшим параметром смесительных ламп, т. е. тех ламп, которые применяются в суперах для преобразования частоты.

Параметр этот показывает отношение переменной слагающей тока промежуточной частоты в анодной цепи смесительной лампы к напряжению сигнала, подведённому к управляющей сетке этой лампы. Крутизна преобразования имеет размерность миллиампер на вольт. Крутизна преобразования современных смесительных ламп лежит в пределах, примерно, от 0,3 мА до 1,5 мА на вольт.

Почему суперы свистят?

Причинами свиста в супере могут быть:

• 1) самовозбуждение каскада усиления промежуточной частоты,
• 2) недостаточно удовлетворительное качество смесительных ламп.

Борьба с самовозбуждением каскада промежуточной частоты ведётся теми же методами, как и в приёмниках прямого усиления.

Радикальной мерой в борьбе со свистами второго рода, которые называются “комбинационными тонами”, может быть применение совершенных смесительных ламп, и увеличение избирательности до смесительной лампы.

В чём состоит принцип работы преобразователя в супере?

Назначение преобразователя состоит в том, чтобы принимаемые сигналы преобразовывать в другую частоту, равную той, на которую настроен усилитель промежуточной частоты.

Каждый преобразователь состоит из двух основных частей: приёмного контура, который настраивается на частоту сигнала и находится в цепи сетки детекторной лампы, и контура гетеродина, который генерирует вспомогательную частоту.

Величина этой частоты должна быть такой, чтобы разность между нею и частотой сигнала была равна промежуточной частоте. Можно также получить промежуточную частоту и другим способом — именно брать вспомогательную частоту не выше частоты сигнала, а ниже на величину промежуточной частоты.

Практически такой способ преобразования не применяется, так как он сопряжён со многими неудобствами. Вспомогательная частота в современных суперах всегда берётся более высокой, чем частота сигнала.

Самый механизм смешения частот в различных суперах осуществляется не одинаково. В суперах, работающих на старых лампах, вспомогательную частоту обычно подводят к тому контуру преобразователя, который настраивается на частоту принимаемого сигнала.

В этом контуре между обеими частотами происходят биения, которые детектируются лампой преобразователя, при чём в анодной цепи этой лампы, наряду с частотами, равными принимаемой и вспомогательной, появляется также и частота биений, которая и передаётся на вход усилителя промежуточной частоты.

В приёмниках такого рода гетеродинная часть работает обычно на отдельной лампе. В суперах последнего типа устройство преобразователя осуществляется при помощи специальных смесительных ламп, которые совмещают функции детектора и гетеродина.

Эти лампы имеют много электродов и колебания сигнала подводятся к одной из управляющих сеток лампы, а колебания вспомогательной частоты — к другой сетке. Смешение частот происходит в электронном потоке внутри лампы.

Как проявляется свист в супере от самовозбуждения каскада промежуточной частоты?

Свист в супере от самовозбуждения каскада промежуточной частоты проявляется так же, как и в приёмниках прямого усиления — приём сопровождается свистом до приближения настройки приёмника к частоте станции, далее, при точной настройке на частоту станции, слышна искажённая передача и при дальнейшем вращении ручки настройки вновь появляется свист.

Как проявляется свист, возникающий вследствие комбинационных тонов?

Свист этого рода проявляется так же, как и свист от самовозбуждения каскада промежуточной частоты (см. вопрос 171). Свисты этого вида обычно наблюдаются не на всех станциях, а только на некоторых.

Почему свист в супере не наблюдается постоянно на одних и тех же настройках: он иногда появляется и исчезает в различных частях диапазона?

В ответе на вопрос 170 было указано, что биения в контуре смесителя могут возникать не только вследствие смешения частоты принимаемой станции и вспомогательной частоты, генерируемой гетеродином, но также и от смешения частот других станций с принимаемой частотой.

От смешения частот других станций с гармониками гетеродина на какой-нибудь определённой настройке приёмника, в некоторые часы свиста может и не быть, но потом, когда заработает какая-нибудь другая станция, частота которой близка к частоте принимаемой станции или к гармоникам гетеродина, могут создасться биения, равные промежуточной частоте, и приёмник начнёт на этой настройке свистеть.

Может ли супер принимать на рамку?

Супергетеродинные приёмники отличаются большой чувствительностью и принципиально вполне пригодны для приёма на рамочные антенны. В прошлом большинство суперов, особенно американских, строилось специально для приёма на рамку. Рамка эта обыкновенно монтировалась вместе с приёмником.

В последние годы от приёма на рамку отказались, так как в городских условиях приём на рамку не даёт никаких преимуществ в отношении направленного действия рамок.

В настоящее время радиовещательные супергетеродины конструируются для приёма на обычную наружную антенну. В расчёте на применение рамочных антенн строятся только суперы-передвижки или же суперы специального назначения (например, для пеленгации).

Сколько ламп бывает обычно в современном супере?

Современные радиовещательные суперы обычно имеют 4 лампы. Первая лампа является смесительной, вторая усилителем промежуточной частоты, третья лампа детектором и четвёртая усиливает низкую частоту.

Кроме четырёхламповых суперов находят распространение также более простые и более дешёвые трёхламповые суперы. В этих суперах отсутствует усиление высокой частоты.

Более дорогие суперы имеют 5, 6, 7 и более ламп. В некоторых образцах американских суперов имеется до 20 ламп.

Источник: А. П. Горшков — Cправочник радиолюбителя в вопросах и ответах, 1938г.

Приемники прямого усиления и супергетеродины

Приемники прямого усиления и супергетеродины

В целом простейшее приемное устройство должно содержать антенну, избирательный LC-контур, детектор и головные телефоны или динамик. Такой простой приемник называется детекторным, и он спосо­бен принимать лишь близкие и мощные станции. Избира­тельность приемника всецело определяется АЧХ контура и его добротностью.

Добавив показанные усилитель высокой частоты (УВЧ) и усилитель низкой частоты (УНЧ), можно значительно повысить чувствительность приемника — его свойство принимать слабые сигналы и обеспечить раскач­ку даже мощного громкоговорителя. Такой приемник называется приемником прямого усиления. В его УВЧ можно использовать дополнительные LC-контуры и по­высить другой важный параметр — избирательность (спо­собность отстраиваться от соседних станций).

LC-контур на входе (и УВЧ, если нужно) настраива­ется на полосу частот, занимаемую принимаемой радиостанцией. Напомним, что она представлена несущей час­тотой и двумя боковыми полосами. Так что эта полоса 2AFвдвое превышает полосу частот звукового диапазона AF, которая использовалась в передатчике для модуляции несущего колебания. Для получения из АМ-сигнала низ­кочастотного сигнала используется амплитудный детек­тор — чаще всего обычный полупроводниковый диод, нагруженный на RC-цепь.

Почти исключительно в современных приемниках используется супергетеродинный принцип приема с однократным (или двойным) преобразованием частоты принимаемых станций в некоторую промежуточную частоту, неизменную для всех станций

Сигнал антенны А через систему настроенных на нужный участок диапазона колебательных контуров, име­нуемую преселектором, и усиленный УВЧ поступает на вход особого устройства — смесителя С. На него же поступает сигнал с частотой frот местного и по возможно­сти высокостабильного генератора высокой частоты — гетеродина Г. У простых приемников преселектор одно­контурный — такой же, как у приемников прямого усиле­ния. На СВ- и ДВ-диапазонах он совмещается с магнитной антенной (катушки контуров мотаются на ферромагнит­ный сердечник антенны). Назначение смесителя — создать некоторую промежуточную частоту fn= (fr— fc) или fn= (fc— fr). Таким образом, при заданной частоте гетеродина frфактичес­ки имеется два канала приема — один называется пря­мым, а другой зеркальным. Разность частот между ними равна 2fn. Теперь очевидно основное назначение преселектора и УВЧ — ослабление приема по зеркальному каналу. Перестраивая гетеродин (чаще всего конденса­тором переменной емкости), можно менять частоту настройки по основному каналу. Очевидно, что одно­временно надо перестраивать и все колебательные кон­туры преселектора.

Поскольку усилитель промежуточной частоты (УПЧ) настроен на одну частоту (точнее, на эту частоту с учетом ее боковых частот, образующихся при модуляции), то не представляет особой технической сложности создать та­кой усилитель с большим коэффициентом усиления и вполне приемлемой избирательностью. Для этого приме­няют многоконтурные фильтры сосредоточенной селек­ции (ФСС), двухконтурные полосовые фильтры, фильтры на электромеханических и пьезоэлектрических резонато­рах и т. д. Некоторые из них обеспечивают почти прямо­угольную кривую селективности, что не всегда хорошо — избирательность возрастает, но звук теряет мягкость. Сиг­нал с выхода УПЧ детектируется детектором Д и через усилитель низкой частоты поступает на головные телефо­ны или громкоговоритель.

Обычно гетеродин представляет собой обычный мало­мощный LC-генератор. Он легко перестраивается диск­ретно изменением индуктивности контура и плавно изменением емкости. Впрочем, известны приемники, у которых и плавное изменение частоты обеспечивается переменной индуктивностью — вариометром. И то и другое не очень удобно, если учесть, что одновременно нужна согласованная перестройка контуров преселектора и УВЧ.

В современных приемниках используются управля­емые напряжением полупроводниковые емкости — варикапы (как одиночные, так и в виде блоков). Применение варикапов резко уменьшает габариты приемников.

Выбор промежуточной частоты в приемниках с однократным преобразованием противоречив. С одной сторо­ны, для получения высокой избирательности эта частота не должна быть высокой — стандартное значение ее 465 кГц для радиоприемников с АМ-диапазонами волн и 10,6 МГц для приема УКВ-диапазона. Но, с другой стороны, выбор низкой частоты ухудшает избирательность по зеркальному каналу и требует применения в УПЧ достаточно громоздких фильтров. Обычно тракты AMи ЧМ в приемниках структурно выполнены идентично и даже совмещены. Только вместо АМ-детектора в УКВ-тракте приемников используется частотный детектор — устрой­ство, вырабатывающее напряжение, пропорциональное отклонению частоты от номинального значения fn.

 

Архитектура современного радиоприемника: от регенеративного к прямому преобразованию

Современные радиоприемники имеют явное преимущество по сравнению с обычными ранними конструкциями, которые я рассмотрел в своей предыдущей статье. Большинство приемников, с которыми вам приходилось работать за последние пару десятилетий, разработаны Эдвином Армстронгом; регенеративный, сверхрегенеративный или, чаще всего, супергетеродинный. Они отличаются несколькими интересными ключевыми чертами, которые имеют как преимущества, так и недостатки.

Сегодня давайте погрузимся в приемники мистера Армстронга. Я также расскажу о DC-приемниках, которые, несмотря на название, не предназначены для прослушивания аккумуляторов. Это приемники, с которыми вы, скорее всего, столкнетесь в современном оборудовании.

Регенеративный и сверхрегенеративный

Регенеративный приемник позволяет делать больше с меньшими затратами. Вы все еще видите некоторые из них в простых приложениях, таких как дистанционное управление RF. Идея исходит из того, как работает осциллятор. Проще говоря, осциллятор — это усилитель с достаточно положительной обратной связью, чтобы любой слабый сигнал на нужной частоте усиливался, а затем, благодаря обратной связи, продолжал выдаваться снова и снова. Если бы все было идеально, то генератор имел бы бесконечный коэффициент усиления на заданной частоте.

Конечно, все не идеально, но достаточно близко. Вы должны правильно настроить сеть обратной связи, чтобы получить желаемую частоту. Кроме того, в природе вещи имеют тенденцию быть линейными, поэтому усилитель не имеет никакого усиления на заданной частоте, а затем внезапно имеет бесконечный коэффициент усиления. Коэффициент усиления увеличивается до тех пор, пока не будет соответствовать критериям Баркгаузена и не будет достигнута устойчивая генерация.

На самом деле, иногда мы хотим собрать усилитель и обнаруживаем, что он по какой-то причине колеблется. Возможно, именно это заставило Эдвина Армстронга задуматься о регенеративном приемнике. В нем усилитель доведен почти до точки колебаний на интересующей частоте. Это может привести к огромному выигрышу для одной лампы или транзистора. Особенно это было важно при использовании некачественных активных устройств. Например, лампа, способная к усилению в 10 раз без регенерации, могла бы усилить от 5000 до 10000 раз, когда она находилась на грани колебаний.

Это большое улучшение, означающее, что очень простое устройство могло улавливать очень далекие радиосигналы. Есть много способов организовать положительную обратную связь. Однако наиболее распространенным способом (как показано на прилагаемой схеме) было использование катушки звукоснимателя, называемой щекоткой, вокруг катушки первичной настроенной цепи. Если бы эта катушка была не в фазе, вы бы получили отрицательную обратную связь, поэтому общий совет по поводу такого рода радиоприемников заключался в том, что если оно не работает после того, как вы его построили, попробуйте поменять местами провода щекотка.

Еще одна разработка Армстронга — сверхрегенеративный двигатель. По сути, это та же схема, но после того, как определенная частота превышает интересующую полосу пропускания, конструкция прекращает колебательное действие, позволяя ему строиться снова. Армстронг назвал это закалкой. Это может улучшить прибыль примерно в миллион раз. Первоначальная демонстрация концепции Армстронгом показала трехламповый ресивер, который был столь же чувствительным, как и обычный девятиламповый.

Однако обе эти конструкции имеют некоторые недостатки. Обычно вам нужно отрегулировать регенерацию, и схема может легко войти в колебание, производя визг. Он также излучает сигнал обратно через антенну, так что это своего рода передатчик. Это плохо для помех или — для военных приложений — там, где вы не хотите, чтобы вас нашли. Если вы хотите создать свой собственный, мы уже давали вам несколько советов, в том числе на макетной плате. Если вы предпочитаете, вы можете просто имитировать то, что [Qrp Gaijin] демонстрирует в видео ниже.

Супергетеродин

Армстронг также стоял за самой успешной архитектурой из всех — супергетеродином. Если у вас есть радио, не определяемое программным обеспечением, вероятно, он использует этот метод. Идея проста и связана с избирательностью. Рассмотрим радио TRF. Вы можете повысить производительность, поставив перед детектором больше каскадов. Но каждый каскад должен охватывать весь диапазон радио и требует настройки при смене частоты.

Идея Армстронга заключалась в том, чтобы ограничить это. Вы можете иметь или не иметь один относительно широкий фильтр перед микшером, который добавляет (и вычитает) два радиочастотных сигнала. Затем гетеродин подает на смеситель другой сигнал. Предположим, вы хотите получить сигнал на частоте 1 МГц, и вы установили гетеродин на 9МГц. Вы получите сигнал на частоте 10 МГц (и 8 МГц). Теперь вы можете фильтровать этот 10-мегагерцовый сигнал и усиливать его с помощью фильтров и усилителей, которые вам не нужно настраивать (по крайней мере, не более одного раза). Это делает их конструкцию простой и менее трудоемкой для оператора.

Теперь, если вы хотите принимать сигнал на частоте 1,1 МГц, вы устанавливаете гетеродин на 8,9 МГц. Вы по-прежнему получаете сигнал 10 МГц. Если есть станция на 1,2 МГц, вы также получите сигнал на 10,1 МГц, но поскольку у вас есть фильтры и усилители на 10 МГц, от этого можно легко избавиться. Эти 10 МГц в этом примере являются ПЧ или промежуточной частотой.

Это отличный способ построить радио. Вы можете увеличить усиление и избирательность, добавив больше каскадов ПЧ. Единственным реальным недостатком, как я упоминал в прошлой статье, является возможность использования изображений. Поскольку микшер и складывает, и вычитает, вы можете услышать станцию ​​на неправильной частоте. Рассмотрим наш сигнал частотой 1 МГц с частотой гетеродина 9 МГц. Сигнал 19 МГц на антенне также появится на выходе микшера 10 МГц, поскольку 19-9=10, точно так же, как 1+9=10.

Есть несколько способов обойти это. Во-первых, вы можете фильтровать перед миксером. Вот почему многие радиоприемники имеют переключатель диапазонов — ну, по крайней мере, это одна из причин. Вы выбираете фильтр, который грубо отсекает помехи от изображений. Высококачественные приемники будут использовать двойное преобразование, при котором один смеситель создает один сигнал ПЧ, который затем снова микшируется для формирования второго сигнала. Некоторые даже будут использовать больше конверсий для оптимизации фильтрации.

Это может помочь несколькими способами. Частоты изображения всегда вдвое превышают частоту гетеродина. Возвращаясь к примеру с сигналом 1 МГц, изображение имеет частоту 2×9+1=19 МГц. Таким образом, чем выше IF, тем легче отфильтровывать изображения. В качестве глупого примера рассмотрим, если бы приемник с частотой 1 МГц использовал ПЧ 61 МГц. Теперь гетеродин будет работать на частоте 60 МГц, а частота изображения будет на уровне 121 МГц. Тривиально отфильтровать 1 МГц от 121 МГц.

Проблема в том, что использование более высокой ПЧ затрудняет подавление станций, соседних по частоте. В нашем крайнем примере фильтры для выбора между 61 МГц и 61,02 МГц будут более сложными и дорогостоящими, чем фильтры для выбора между 10 МГц и 10,02 МГц. Конечно, существуют фильтры поверхностных акустических волн и другие устройства, которые могут выполнять эту работу, но, как правило, наилучшие характеристики при заданной стоимости достигаются низкочастотными фильтрами и усилителями.

Если вам нужен хороший обзор супергетеродина, но не слишком технический, посмотрите видео ниже.

Прямое преобразование

Приемник прямого преобразования (DC) снова стал использоваться, поскольку многие программно-определяемые радиостанции используют его в качестве внешнего интерфейса перед оцифровкой сигнала. Вы можете думать о приемнике постоянного тока как о супергетеродине, где гетеродин не создает ПЧ, а вместо этого настроен на частоту, которую вы хотите получить. Это означает, что на выходе обнаружен обнаруженный радиосигнал.

Используя наш пример 1 МГц, чтобы настроить его, вы устанавливаете гетеродин на 1 МГц. На выходе получается то, что вы обычно обрабатываете с помощью аудиоусилителя (в случае AM-радио). У конструкции есть несколько практических проблем. Если локальный генератор не синхронизирован с передающей станцией, выходной сигнал будет неверным. С SDR это не проблема, потому что программное обеспечение SDR может отслеживать любые сдвиги, но если у вас нет компьютера, для обработки чего-либо, требуется множество компонентов, чтобы оставаться на частоте (по сути, контур фазовой автоподстройки частоты).

С другой стороны, все изображения имеют низкие частоты и легко отбрасываются. Этот метод используется во многих простых радиолюбительских приемниках, потому что вам не нужно много частотных усилителей и фильтров, требующих настройки.

Приступая к работе Прием

Если вы хотите начать разработку приемников, лучше всего построить несколько и посмотреть, как они работают. Трудно превзойти простоту и производительность регенеративного приемника. Конечно, набор кристаллов проще, но он не поднимется, как реген. Использование микшера NE602 или NE612 — это удобный способ сделать приемник прямого преобразования, приложив немного больше усилий. Вы можете использовать тот же микшер в супергетеродинном исполнении, но это определенно больше работы.

Даже если вы используете SDR, вам обычно нужен какой-то внешний интерфейс. Есть еще несколько экзотических дизайнов, о которых мы не говорили. Если вы хотите прочитать о Хартли, Барбере Уивере и других интересных темах, вам поможет презентация Texas A&M по этой теме. Нет недостатка в дизайнерских идеях для каждого типа радио, которые мы обсуждали. Как только вы начнете настраивать реальное оборудование, вы быстро узнаете, что работает, а что нет.

Благодарность: Большинство красивых изображений блок-схем и схем были адаптированы из общедоступных источников в Википедии, в частности из [Четворно]. Какой отличный ресурс.

Обзор вариантов архитектуры широкополосного радиочастотного приемника

от Питер Делос Скачать PDF

Гетеродинный приемник десятилетиями был стандартным вариантом приемника. В последние годы быстрое развитие аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) с частотой дискретизации, включение встроенной цифровой обработки и интеграция согласованных каналов теперь предлагают возможности для архитектора приемника, которые были непрактичны всего несколько лет назад.

В этой статье сравниваются преимущества и недостатки трех распространенных архитектур приемника: гетеродинного приемника, приемника с прямой выборкой и приемника с прямым преобразованием. Также обсуждается дополнительное рассмотрение паразитных системных шумов и динамического диапазона. Намерение состоит не в том, чтобы продвигать один вариант по сравнению с другими, а скорее в том, чтобы описать плюсы и минусы вариантов и побудить проектировщика выбрать с помощью инженерной дисциплины архитектуру, наиболее подходящую для приложения.

Сравнение архитектуры

В таблице 1 сравниваются архитектуры гетеродина, прямой выборки и прямого преобразования. Показана базовая топология вместе с некоторыми преимуществами и проблемами каждой архитектуры.

Таблица 1. Сравнение архитектуры приемника

Тип	Конфигурация	Преимущества	Вызовы
Гетеродин		Проверенный Надежный Высокая производительность Оптимальный паразитный шум Расширенный динамический диапазон Устойчивость к электромагнитным помехам	ОБМЕН Множество фильтров
Прямая выборка		Без смешивания Практический в L-, S-диапазоне	Входная полоса пропускания АЦП Усиление не распределено по частоте
Прямое преобразование		Максимальная полоса пропускания АЦП Самый простой широкополосный вариант	Отклонение изображения Баланс I/Q Внутриполосные гармоники ПЧ LO излучение Защита от электромагнитных помех (IP2) DC и 1/f шум

Гетеродинный подход хорошо зарекомендовал себя и обеспечивает исключительную производительность. Реализация заключается в микшировании на промежуточную частоту (ПЧ). ПЧ выбирается на достаточно высокой частоте, чтобы практические фильтры в рабочей полосе могли обеспечить хорошее подавление изображения и изоляцию гетеродина. Также обычно добавляют дополнительный каскад микширования для снижения частоты, когда доступны АЦП с очень широким динамическим диапазоном. Кроме того, усиление приемника распределяется по разным частотам, что сводит к минимуму риск возникновения колебаний в приемниках с высоким коэффициентом усиления. Благодаря правильному частотному планированию гетеродинный приемник может быть изготовлен с очень хорошими характеристиками по паразитной энергии и шуму. К сожалению, эта архитектура самая сложная. Обычно для этого требуется наибольшая мощность и наибольшая физическая площадь по отношению к доступной полосе пропускания. Кроме того, частотное планирование может быть довольно сложным при больших долях пропускной способности. Эти проблемы являются значительными в связи с современным стремлением к малому размеру, весу и мощности (SWaP) в сочетании со стремлением к широкой полосе пропускания и заставляют разработчиков рассматривать другие варианты архитектуры, когда это возможно.

Метод прямой выборки уже давно пользуется спросом. Препятствия заключаются в работе преобразователей на скоростях, соизмеримых с прямой выборкой ВЧ, и в достижении большой входной полосы пропускания. В этой архитектуре все усиление приемника находится на частоте рабочей полосы, поэтому требуется тщательная компоновка, если требуется большое усиление приемника. Сегодня преобразователи доступны для прямой выборки в более высоких диапазонах Найквиста как в L-, так и в S-диапазоне. Усовершенствования продолжаются, и вскоре будет реализована выборка в диапазоне C, а за ней последует выборка в диапазоне X.

Архитектуры прямого преобразования обеспечивают наиболее эффективное использование пропускной способности преобразователя данных. Преобразователи данных работают в первом Найквисте, где производительность оптимальна, а фильтрация нижних частот проще. Два преобразователя данных работают вместе, дискретизируя сигналы I/Q, тем самым увеличивая полосу пропускания пользователя без проблем с чередованием. Основная проблема, которая в течение многих лет преследовала архитектуру прямого преобразования, заключалась в поддержании баланса I/Q для приемлемых уровней подавления изображения, утечки гетеродина и смещения постоянного тока. В последние годы расширенная интеграция всей цепочки сигналов прямого преобразования в сочетании с цифровой калибровкой позволила преодолеть эти проблемы, и архитектура прямого преобразования имеет все шансы стать очень практичным подходом во многих системах.

Перспектива частотного плана

На рис. 1 показаны блок-схемы и примеры частотных планов трех архитектур. На рис. 1а показан пример гетеродинного приемника с гетеродином верхнего плеча, смешивающим рабочую полосу с зоной Найквиста 2 ^и АЦП. Далее сигнал направляется в зону Найквиста 1 ^st для обработки. На рис. 1b показан пример приемника с прямой выборкой. Рабочая полоса выбрана в зоне Найквиста 3 ^rd и является псевдонимом 1 ^st Nyquist, то NCO помещается в центр полосы, выполняется цифровое преобразование с понижением частоты в полосу модулирующих частот с последующей фильтрацией и прореживанием, что снижает скорость передачи данных соразмерно ширине полосы канала.

На рис. 1с показан пример архитектуры прямого преобразования. Соединяя двойной АЦП с квадратурным демодулятором, канал 1 производит выборку I (синфазного) сигнала, а канал 2 производит выборку Q (квадратурного) сигнала.

 

 

 

&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing.

-pages/technical-articles/a-review-of-wideband-rf-receiver-architecture-options/figure1.jpg?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рисунок 1. Примеры частотного плана.

Многие современные АЦП поддерживают все три архитектуры. Например, AD9680 — это двойной АЦП с частотой дискретизации 1,25 Гвыб/с и программируемым цифровым преобразованием с понижением частоты. Двойной АЦП этого типа поддерживает 2-канальную гетеродинную архитектуру и архитектуру прямого дискретизации, либо преобразователи могут работать в паре в архитектуре прямого преобразования.

Проблемы отклонения изображения в архитектуре прямого преобразования могут быть довольно сложными для преодоления в дискретной реализации. Благодаря дальнейшей интеграции в сочетании с цифровой обработкой каналы I/Q могут быть хорошо согласованы, что приводит к значительному улучшению подавления изображений. Секция приемника недавно выпущенного AD9371 — это приемник прямого преобразования, показанный на рис. 2 — обратите внимание на сходство с рис. 1с.

 

 

 

&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing. -pages/technical-articles/a-review-of-wideband-rf-receiver-architecture-options/figure2.jpg?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 2. Приемная часть AD9371: монолитный приемник прямого преобразования.

Побочный шум

Любая конструкция с частотным преобразованием требует больших усилий, чтобы свести к минимуму сворачивание нежелательных частот внутри полосы. Это искусство частотного планирования, которое включает в себя баланс доступных компонентов и практичную конструкцию фильтра. Кратко обсуждаются некоторые вопросы складывания шпор, а для дальнейшего пояснения дизайнер отсылается к справочным материалам.

На рис. 3 показано свертывание входной частоты АЦП и первых двух гармоник в зависимости от входной частоты относительно частот полосы Найквиста. Для полос пропускания канала, намного меньших, чем ширина полосы Найквиста, цель разработчика приемника состоит в том, чтобы выбрать рабочие точки, которые помещают свернутые гармоники за пределы полосы пропускания канала.

 

 

 

&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing. -pages/technical-articles/a-review-of-wideband-rf-receiver-architecture-options/figure3.jpg?w=435 ‘ alt=’Рисунок 3’&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 3. Свертывание частоты АЦП.

Смеситель с понижающим преобразованием приемника имеет дополнительные сложности. Любой микшер создает гармоники внутри устройства. Все эти гармоники смешиваются вместе и создают дополнительные частоты. Этот эффект показан на рисунке 4.

 

 

 

&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing. -pages/technical-articles/a-review-of-wideband-rf-receiver-architecture-options/figure4.jpg?w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 4. Паразитный смеситель понижающего преобразования.

На Рис. 3 и Рис. 4 изображены только шпоры до третьего порядка. На практике это дополнительные паразитные помехи более высокого порядка, которые быстро создают для проектировщика проблемы динамического диапазона без паразитных составляющих. Для узких полос пропускания тщательное планирование частоты может решить проблему паразитных помех смесителя. По мере увеличения полосы пропускания проблема паразитных помех смесителя становится доминирующим препятствием. По мере увеличения частоты дискретизации АЦП иногда более целесообразно, чтобы архитектура с прямой дискретизацией имела меньшие паразитные характеристики.

Шум приемника

Много усилий при проектировании приемника направлено на минимизацию коэффициента шума (NF). Коэффициент шума является мерой ухудшения отношения сигнал/шум.

 

Влияние коэффициента шума компонента или подсистемы заключается в том, что мощность выходного шума увеличивается выше уровня теплового шума и коэффициента шума увеличивается.

 

Каскадный коэффициент шума рассчитывается как

 

Выбор коэффициента усиления приемника перед АЦП и определение требуемого отношения сигнал-шум АЦП представляет собой баланс общего коэффициента шума приемника и мгновенного динамического диапазона. На рис. 5 представлены параметры, которые необходимо учитывать. В иллюстративных целях показано, что шум приемника формируется фильтром сглаживания перед АЦП. Шум АЦП показан как плоский белый шум, а интересующий сигнал показан как тон непрерывной волны (CW) с уровнем –1 дБ полной шкалы.

 

 

 

&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing. -pages/technical-articles/a-review-of-wideband-rf-receiver-architecture-options/figure5.png?w=435 ‘alt=’Рисунок 5’&amp ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель;усилитель ;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;

Рис. 5. Шум приемника + АЦП.

Во-первых, необходимы общие единицы измерения дБм или дБFS. Преобразование шума АЦП из дБFS в дБм известно из уровня полной шкалы преобразователя и плотности шума преобразователя. Кроме того, мощность шума пропорциональна ширине полосы, поэтому необходима общая единица измерения ширины полосы. Некоторые разработчики будут использовать полосу пропускания канала, здесь мы нормализуем полосу пропускания 1 Гц, а мощность шума равна /Гц.

 

Общий шум рассчитывается как

 

Это приводит к понятию потери чувствительности АЦП. Потеря чувствительности АЦП является мерой ухудшения шума приемника из-за АЦП. Чтобы свести к минимуму это ухудшение, желательно, чтобы шум приемника был значительно выше шума АЦП. Ограничение связано с динамическим диапазоном, а большее усиление приемника ограничивает максимальный принимаемый сигнал без насыщения АЦП.

 

Таким образом, разработчик приемника сталкивается с постоянной проблемой балансировки динамического диапазона и коэффициента шума.

Заключение

Архитектуры гетеродинных приемников, приемников с прямой выборкой и прямым преобразованием были рассмотрены с акцентом на преимущества и недостатки каждой архитектуры. Также были представлены последние тенденции и соображения в конструкции приемников. Ожидается, что во всем мире стремление к большей пропускной способности в сочетании с усовершенствованием преобразователей данных GSPS приведет к распространению множества разнообразных конструкций приемников.

использованная литература

Делос, Питер. «Соображения по проектированию приемника в цифровых фазированных решетках с формированием луча». СВЧ и РФ , ​​2014.

Харрис, Джонатан. «Что случилось с цифровыми понижающими преобразователями, часть 1 и 2». Аналоговый диалог , ​​2016.

Хендерсон, Берт. «Смесители в микроволновых системах». WJ Tech-Note, 1990.

Кестер, Уолт. «Аналогово-цифровое преобразование». Аналоговые устройства, 2004.

МакКланнинг, Кевин и Том Вито. «Проектирование радиоприемника». Нью-Йорк, Noble Publishing, 2000.

Разави, Бехазд. «Соображения по проектированию приемников прямого преобразования».