Зачем нужна промежуточная частота

Выбор промежуточной частоты.

Учитывая недостатки приёмника прямого усиления, где обработка сигнала производилась непосредственно на несущих частотах передатчика, можно сделать вывод о необходимости преобразования частоты.

Это вызвано следующими причинами:

1. Обработка сигнала эффективна на сравнительно низких частотах, а с увеличением несущей частоты полоса пропускания фильтров РПУ расширяется, снижая их избирательные свойства.

2. Невозможно использовать перспективные неперестраиваемые пьезофильтры.

3. При перестройке по диапазону основные параметры и характеристики приёмника существенно изменяются.

4. На высоких частотах создаются значительные трудности получения большого коэффициента усиления.

5. Обеспечить одновремённую синхронную перестройку большого числа колебательных контуров, образующих частотно-избирательные фильтры, в широком диапазоне частот практически невозможно.

Избавиться от перечисленных недостатков можно путём преобразования несущей частоты сигнала ƒ_С в другую относительно низкую и постоянную промежуточную частоту ƒ_ПР. Этот принцип реализован в супергетеродинной схеме, по которой строятся подавляющее число радиовещательных и телевизионных приёмников.

Выбор промежуточной частоты.

При выборе промежуточной частоты необходимо учитывать следующее:

— промежуточная частота не должна находится в диапазоне интенсивного радиовещания;

— для получения хорошей фильтрации промежуточной частоты на выходе детектора должно выполняться условие

где F_В – верхняя звуковая частота (в АМ F_В = 4,5 кГц, а в ЧМ F_В = 15 кГц).

— с увеличением промежуточной частоты ƒ_ПР увеличивается избирательность по зеркальному каналу d_З, но уменьшается избирательность по соседнему каналу d_С, расширяется полоса пропускания фильтров, уменьшается коэффициент усиления на каскад и вредное влияние шумов гетеродина на чувствительность приёмника и т.д.

— уменьшение промежуточной частоты вызывает обратное изменение параметров.

Частоты, рекомендуемые в качестве промежуточной: 110, 465, 1800, 2200, 4500, 6500 кГц, 10,7 МГц.

Обычно в радиовещательных приёмниках с АМ промежуточная частота выбирается равной ƒ_ПР = 465± 2 кГц, а с ЧМ ƒ_ПР = 10,7 ± 0,1 МГц.

Для достижения одинаково большой избирательности по соседнему d_С и зеркальному d_З каналам применяют двойное преобразование частоты. Например, в радиовещательном приёмнике «Ленинград – 006С» в КВ-диапазоне используются следующие значения промежуточных частот: ƒ_ПР ₁ = 1,82 МГц, ƒ_ПР ₂ = 465 кГц.

Все телевизионные приёмники используют двойное преобразование несущей частоты сигнала звукового сопровождения. Стандартные значения первой промежуточной частоты с ЧМ ƒ_ПР._1.ЗВ равна 31,5…38,9 МГц, второй промежуточной частоты ƒ_ПР.2.ЗВ равны 5,5…6,5 МГц.

Дата добавления: 2016-07-05 ; просмотров: 10374 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Промежуточная частота — Intermediate frequency

Промежуточная частота от телевизора Motorola 19K1 около 1949 года.

В области связи и электронная техника, промежуточная частота (IF) — это частота от до w в котором несущая сдвигается в качестве промежуточного шага в передаче или приеме. Промежуточная частота создается путем смешивания несущего сигнала с сигналом гетеродина в процессе, называемом гетеродинирование, в результате чего получается сигнал с разностью или частотой биений. Промежуточные частоты используются в супергетеродинных радиоприемниках, в которых входящий сигнал сдвигается на ПЧ для усиления перед окончательным обнаружением.

Преобразование на промежуточную частоту полезно по нескольким причинам. Когда используются несколько ступеней фильтров, все они могут быть настроены на фиксированную частоту, что упрощает их создание и настройку. Транзисторы с более низкой частотой обычно имеют более высокий коэффициент усиления, поэтому требуется меньше каскадов. На более низких фиксированных частотах проще сделать резко селективные фильтры.

Таких каскадов промежуточной частоты в супергетеродинном приемнике может быть несколько; два или три этапа называются двойным (альтернативно двойным) или тройным преобразованием соответственно.

Содержание

1 Причины использования IF
2 Использование
3 История
4 Примеры
5 См. Также
6 Ссылки

Причины использования IF

Промежуточные частоты используются по трем основным причинам. На очень высоких (гигагерц ) частотах схема обработки сигналов работает плохо. Активные устройства, такие как транзисторы, не могут обеспечить значительное усиление (усиление ). Обычные цепи с использованием конденсаторов и катушек индуктивности должны быть заменены громоздкими высокочастотными технологиями, такими как полосковые и волноводы. Таким образом, высокочастотный сигнал преобразуется в более низкую ПЧ для более удобной обработки. Например, в спутниковых антеннах микроволновый сигнал нисходящей линии связи, принимаемый антенной, преобразуется в гораздо более низкую ПЧ на антенне, чтобы позволить относительно недорогому коаксиальному кабелю передавать сигнал на приемник внутри здания. Для передачи сигнала на исходную микроволновую частоту потребуется дорогостоящий волновод.

Вторая причина в приемниках, которые могут быть настроены на разные частоты, заключается в преобразовании различных разных частот станций в общую частоту для обработки.. Сложно построить многокаскадные усилители, фильтры и детекторы, в которых все каскады могут отслеживать настройку разных частот, но сравнительно легко построить настраиваемые осцилляторы. Супергетеродинные приемники настраиваются на разные частоты, регулируя частоту гетеродина на входном каскаде, и вся обработка после этого выполняется на той же фиксированной частоте, ПЧ. Без использования ПЧ все сложные фильтры и детекторы в радио или телевидении пришлось бы настраивать в унисон при каждом изменении частоты, как это было необходимо в ранних настроенных радиоприемниках. Более важным преимуществом является то, что он дает приемнику постоянную полосу пропускания во всем диапазоне настройки. Полоса пропускания фильтра пропорциональна его центральной частоте. В приемниках, подобных TRF, в которых фильтрация выполняется на входящей радиочастотной частоте, по мере настройки приемника на более высокие частоты его полоса пропускания увеличивается.

Основной причиной использования промежуточной частоты является повышение избирательности по частоте . В схемах связи очень распространенной задачей является разделение или извлечение сигналов или компонентов сигнала, близких по частоте. Это называется фильтрация. Некоторые примеры: выбор радиостанции среди нескольких близких по частоте или извлечение поднесущей цветности из телевизионного сигнала. При всех известных методах фильтрации ширина полосы фильтра увеличивается пропорционально частоте. Таким образом, более узкая полоса пропускания и большая избирательность могут быть достигнуты путем преобразования сигнала в более низкую ПЧ и выполнения фильтрации на этой частоте. FM и телевизионное вещание с их узкой шириной канала, а также более современные телекоммуникационные услуги, такие как сотовые телефоны и кабельное телевидение, невозможно без преобразования частоты.

Использование

Возможно, наиболее часто используемые промежуточные частоты для радиовещательных приемников составляют около 455 кГц для приемников AM и 10,7 МГц для приемников FM. В приемниках специального назначения могут использоваться другие частоты. Приемник с двойным преобразованием может иметь две промежуточные частоты: более высокую для улучшения подавления изображения и вторую, более низкую, для желаемой избирательности. Первая промежуточная частота может даже быть выше, чем входной сигнал, так что все нежелательные отклики могут быть легко отфильтрованы с помощью РЧ-каскада с фиксированной настройкой.

В цифровом приемнике аналогово-аналоговый цифровой преобразователь (АЦП) работает с низкими частотами дискретизации, поэтому для обработки входной RF должен быть смешан с IF. Промежуточная частота обычно находится в более низком частотном диапазоне по сравнению с передаваемой радиочастотной частотой. Однако выбор ПЧ больше всего зависит от доступных компонентов, таких как смеситель, фильтры, усилители и другие, которые могут работать на более низких частотах. Есть и другие факторы, влияющие на определение частоты ПЧ, поскольку более низкая ПЧ чувствительна к шуму, а более высокая ПЧ может вызывать дрожание тактовой частоты.

Современные приемники спутникового телевидения используют несколько промежуточных частот. 500 телевизионных каналов типичной системы передаются со спутника абонентам в микроволновом диапазоне Ku в двух поддиапазонах: 10,7–11,7 и 11,7–12,75 ГГц. Сигнал нисходящей линии связи принимается спутниковой тарелкой. В поле в центре антенны, называемом малошумящим блочным понижающим преобразователем (LNB), каждый блок частот преобразуется в диапазон ПЧ 950-2150 МГц двумя гетеродинами с фиксированной частотой на 9,75. и 10,6 ГГц. Один из двух блоков выбирается по управляющему сигналу от внутренней приставки, который включает один из гетеродинов. Эта ПЧ передается в здание к телевизионному приемнику по коаксиальному кабелю. В телевизионной приставке кабельной компании сигнал преобразуется в нижнюю ПЧ 480 МГц для фильтрации с помощью генератора переменной частоты. Он передается через полосовой фильтр 30 МГц, который выбирает сигнал от одного из транспондеров на спутнике, который передает несколько каналов. Дальнейшая обработка выбирает желаемый канал, демодулирует его и отправляет сигнал на телевизор.

История

Впервые промежуточная частота была использована в супергетеродинном радиоприемнике, изобретенном американским ученым Майором Эдвином Армстронгом в 1918 году, во время Первой мировой войны. Член Корпуса связи, Армстронг создавал радио пеленгатор для отслеживания немецких военных сигналов на очень высоких частотах от 500 до 3500 кГц. триодные ламповые усилители того времени не могли стабильно усиливать сигнал выше 500 кГц, однако было легко заставить их колебаться выше этой частоты. Решение Армстронга состояло в том, чтобы настроить трубку генератора, которая создавала бы частоту около входящего сигнала и смешивала ее с входящим сигналом в трубке «смесителя», создавая «гетеродин» или сигнал на более низкой разностной частоте, где он мог быть. усиливается легко. Например, чтобы принять сигнал на частоте 1500 кГц, гетеродин должен быть настроен на 1450 кГц. Их смешение привело к получению промежуточной частоты 50 кГц, что вполне соответствовало возможностям ламп. Название «супергетеродин» было сокращением от «сверхзвуковой гетеродин», чтобы отличить его от приемников, в которых частота гетеродина была достаточно низкой, чтобы быть непосредственно слышимой, и которые использовались для приема «непрерывных волн» (CW) азбука Морзе передачи (не речи или музыки).

После войны, в 1920 году, Армстронг продал патент на супергетеродин Westinghouse, который впоследствии продал его RCA. Повышенная сложность схемы супергетеродина по сравнению с более ранними конструкциями регенеративного или настроенного радиочастотного приемника замедлила ее использование, но преимущества промежуточной частоты для селективности и статического подавления в конечном итоге выиграли; к 1930 году большинство проданных радиоприемников были «супергероями». Во время разработки радара во время Второй мировой войны принцип супергетеродина был необходим для преобразования с понижением частоты очень высоких частот радара в промежуточные частоты. С тех пор супергетеродинный контур с его промежуточной частотой используется практически во всех радиоприемниках.

Зачем нужна промежуточная частота

Промежуточную частоту выбирают вне диапазона принимаемых частот, по возможности удаляют от границ поддиапазонов для ослабления помех по прямому каналу, а также от частот, на которых работают мощные радиостанции.

По возможности промежуточную частоту приемников ДВ, СВ и КВ диапазонов выбирают из ряда стандартизированных значений: 0.076, 0.465, 1.84, 2.9, 6.5, 10.7, 15 , 24.975, 60 МГц Выбранное значение ПЧ должно обеспечивать получение необходимой полосы пропускания и избирательности по соседнему и зеркальному каналам. Так в соответствии с ТЗ приёмник должен работать в СВ диапазоне, выберем в качестве промежуточной частоты f_пр1=10,7 МГц. Для профессиональных приемников ДВ, СВ и КВ стандартных значений не установлено, но существуют нормализованные значения промежуточных частот, выбираемые в диапазонах 110..115; 120..130; 210..215; 460..465; 490..510 кГц. Вторая промежуточная частота f_пч2 приемника выбрана равной 465 кГц.

Полоса пропускания Δf = f_вер.гр.— f_ниж.гр.= 1,602-0,525=1,077 МГц.

Обеспечение избирательности

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основной ослаблениями зеркального и соседнего (или соседних) каналов [9]. В приемниках в одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего канала – в основном УПЧ и частично преселектор. Промежуточная частота fпр должна лежать вне диапазона принимаемых частот fс.

Принцип супергетеродинного приемника

Существует несколько схем построения радиоприемных устройств. Причем не имеет значения, для какой цели они используются – в качестве приемника радиовещательных станций или сигнала в комплекте системы управления. Существуют супергетеродинные приемники и прямого усиления. В схеме приемника прямого усиления используется только один вид преобразователя колебаний – порой даже простейший детектор. По сути, это детекторный приемник, только немного усовершенствованный. Если обратить внимание на конструкцию радиоприемника, то можно увидеть, что сначала происходит усиление высокочастотного сигнала, а после – низкочастотного (для вывода на динамик).

Особенности супергетеродинов

Вследствие того, что могут возникать паразитные колебания, происходит ограничение возможности усиления высокочастотных колебаний в небольших пределах. Особенно это актуально при построении коротковолновых приемников. В качестве усилителя высоких частот лучше всего использовать резонансные конструкции. Но в них нужно производить полную перенастройку всех колебательных контуров, которые имеются в конструкции, при смене частоты.

Ламповый супергетеродинный приемник

Вследствие этого существенно усложняется конструкция радиоприемника, равно как и пользование им. Но недостатки эти можно устранить, используя метод преобразования принимаемых колебаний в одну стабильную и фиксированную частоту. Причем частота обычно пониженная, это позволяет добиться высокого уровня усиления. Именно на эту частоту происходит настройка резонансного усилителя. Такая методика используется в современных супергетеродинных приемниках. Только фиксированную частоту называют промежуточной.

Способ преобразования частоты

А теперь нужно рассмотреть упомянутый выше способ преобразования частоты в радиоприемниках. Допустим, есть два вида колебаний, частоты у них различные. При сложении этих колебаний появляется биение. Сигнал при сложении то увеличивается по амплитуде, то уменьшается. Если обратить внимание на график, который характеризует это явление, то можно увидеть совершенно другой период. И это период совершения биений. Причем этот период намного больше, нежели аналогичная характеристика любого из колебаний, которые складывались. Соответственно, с частотами все наоборот – у суммы колебаний она меньше.

Супергетеродин Сони

Частоту биений вычислить достаточно просто. Она равна разности частот колебаний, которые складывались. Причем с увеличением разности повышается частота биений. Отсюда следует, что при выборе относительно большой разницы слагаемых частот получаются высокочастотные биения. Например, есть два колебания – 300 метров (это 1 МГц) и 205 метров (это 1, 46 МГц). При сложении окажется, что частота биения будет 460 кГц или 652 метра.

Детектирование

Но в приемниках супергетеродинного типа обязательно имеется детектор. Биения, которые получаются в результате сложения двух различных колебаний, имеют период. И он полностью соответствует промежуточной частоте. Но это не гармонические колебания промежуточной частоты, чтобы их получить, необходимо осуществить процедуру детектирования. Обратите внимание на то, что из модулированного сигнала детектор выделяет только колебания с модуляционной частотой. А вот в случае с биениями все немного иначе – происходит выделение колебаний так называемой разностной частоты. Она равна разности частот, которые складываются. Такой способ преобразований именуется методом гетеродинирования или смешения.

Реализация метода при работе приемника

Допустим, в контур радиоприемника приходят колебания от радиостанции. Чтобы осуществить преобразования, необходимо создать несколько вспомогательных высокочастотных колебаний. Далее подбирается частота гетеродина. При этом разность слагаемых частот должна быть, например, 460 кГц. Далее нужно произвести сложение колебаний и подать их на лампу-детектор (или полупроводник). При этом получаются разностной частоты колебания (значение 460 кГц) в контуре, соединенном с анодной цепью. Нужно обратить внимание на то, что этот контур настраивается на работу при разностной частоте.

Колебания с разной частотой

Используя усилитель высоких частот, можно произвести преобразование сигнала. Амплитуда его существенно увеличивается. Усилитель, используемый для этого, сокращенно называют УПЧ (усилитель промежуточной частоты). Его можно встретить во всех приемниках супергетеродинного типа.

Практическая схема на триоде

Для того чтобы произвести преобразование частоты, можно использовать простейшую схему на одной лампе-триоде. Колебания, которые приходят с антенны, посредством катушки попадают на управляющую сетку лампы-детектора. От гетеродина поступает отдельный сигнал, он накладывается поверх основного. В анодной цепи детекторной лампы устанавливается колебательный контур – он настраивается на разностную частоту. При детектировании получаются колебания, которые в дальнейшем усиливаются в УПЧ.

Но конструкции на радиолампах используются на сегодняшний день очень редко – эти элементы устарели, достать их проблематично. Но на них удобно рассматривать все физические процессы, которые протекают в конструкции. нередко применяют в качестве детектора гептоды, триод-гептоды, пентоды. Схема на полупроводниковом триоде очень похожа на ту, в которой используется лампа. Напряжение питания меньше и намоточные данные катушек индуктивности.

ПЧ на гептодах

Гептод – это лампа с несколькими сетками, катодами и анодами. По сути, это две радиолампы, заключенные в один стеклянный баллон. Электронный поток у этих ламп также общий. В первой лампе происходит возбуждение колебаний – это позволяет избавиться от использования отдельного гетеродина. А вот во второй смешиваются колебания, поступающие от антенны, и гетеродинные. Получаются биения, из них происходит выделение колебаний с разностной частотой.

Схема супергетеродинного приемника на двух лампах

Обычно лампы на схемах разделяются пунктирной линией. Две нижние сетки соединяются с катодом посредством нескольких элементов – получается классическая схема с обратной связью. А вот управляющая сетка непосредственно гетеродина соединяется с колебательным контуром. При наличии обратной связи происходит возникновение тока и колебаний.

Ток проникает через вторую сетку и происходит перенос колебаний во вторую лампу. Все сигналы, которые приходят от антенны, поступают на четвертую сетку. Сетки № 3 и № 5 между собой соединены внутри цоколя и на них постоянное напряжение. Это своеобразные экраны, расположенные между двумя лампами. В результате получается, что вторая лампа является полностью экранированной. Настройка супергетеродинного приемника, как правило, не требуется. Главное — произвести настройку полосовых фильтров.

Процессы, протекающие в схеме

Ток совершает колебания, создаются они первой лампой. При этом происходит изменение всех параметров второй радиолампы. Именно в ней смешиваются все колебания – от антенны и гетеродина. Происходит генерация колебаний с разностной частотой. В цепь анода включается колебательный контур – он настраивается именно на эту частоту. Далее происходит выделение из тока анода колебаний. И уже после этих процессов происходит подача сигнала на вход УПЧ.

Процессы, протекающие в приемнике

При помощи специальных преобразовательных ламп происходит существенное упрощение конструкции супергетеродина. Количество ламп уменьшается, устраняется несколько трудностей, которые могут возникнуть при работе схемы с использованием отдельного гетеродина. Все, рассмотренное выше, относится к преобразованиям немодулированного колебания (без речи и музыки). Так намного проще рассматривать принцип работы устройства.

Модулированные сигналы

В том случае, когда происходит преобразование модулированного колебания, все делается немного иначе. У колебаний гетеродина постоянная амплитуда. Колебания ПЧ и биения промодулированы, равно как и у несущей. Для превращения модулированного сигнала в звук необходимо произвести еще одно детектирование. Именно по этой причине в супергетеродинных КВ приемниках после осуществления усиления происходит подача сигнала на второй детектор. И только после него сигнал модуляции подается на головной телефон или вход УНЧ (усилителя низкой частоты).

В конструкции УПЧ присутствует один или два каскада резонансного типа. Как правило, применяются настроенные трансформаторы. Причем производится настройка сразу двух обмоток, а не одной. Благодаря этому можно достичь более выгодной формы кривой резонанса. Повышается чувствительность и избирательность приемного устройства. Эти трансформаторы, у которых обмотки настроены, называются полосовыми фильтрами. Они настраиваются при помощи регулируемого сердечника или подстроечного конденсатора. Они настраиваются один раз и в процессе эксплуатации приемника их трогать не нужно.

Частота гетеродина

А теперь давайте рассмотрим простой супергетеродинный приемник на лампе или транзисторе. Можно изменить частоты гетеродина в необходимом диапазоне. И ее нужно подбирать таким образом, чтобы с любыми по частоте колебаниями, которые приходят из антенны, получалось одинаковое значение промежуточной частоты. Когда осуществляется настройка супергетеродина, происходит подгонка частоты усиливаемого колебания под конкретный резонансный усилитель. Получается явное преимущество – нет необходимости настраивать большое количество междуламповых колебательных контуров. Достаточно настроить гетеродинный контур и входной. Происходит существенное упрощение настройки.

Промежуточная частота

Для получения фиксированной ПЧ при работе на любой частоте, которая находится в рабочем диапазоне приемника, необходимо сдвигать колебания гетеродина. Как правило, в супергетеродинных радиоприемниках используется ПЧ, равная 460 кГц. Намного реже используется 110 кГц. Эта частота показывает, на какое значение отличаются диапазоны гетеродина и входного контура.

Структурная схема супергетеродинного приемника

При помощи резонансного усиления происходит увеличение чувствительности и избирательности устройства. И благодаря использованию преобразования приходящего колебания удается улучшить показатель избирательности. Очень часто две радиостанции, работающие относительно близко (по частоте), мешают друг другу. Такие свойства нужно учитывать, если планируете собрать самодельный супергетеродинный приемник.

Как происходит прием станций

Теперь можно рассмотреть конкретный пример, чтобы понять принцип работы супергетеродинного приемника. Допустим, используется ПЧ, равная 460 кГц. А станция работает на частоте 1 МГц (1000 кГц). И ей мешает слабая станция, которая вещает на частоте 1010 кГц. Разница частот у них 1 %. Для того чтобы добиться ПЧ, равной 460 кГц, необходимо произвести настройку гетеродина на 1,46 МГц. В этом случае мешающая радиостанция выдаст ПЧ, равное всего 450 кГц.

Супергетеродинный приемник на транзисторах

И вот теперь можно увидеть, что сигналы двух станций различаются более чем на 2 %. Два сигнала разбежались, это произошло с помощью применения преобразователей частоты. Прием основной станции упростился, улучшилась избирательность радиоприемника.

Теперь вы знаете все принципы супергетеродинных приемников. В современных радиоприемниках все намного проще — нужно использовать для построения всего одну микросхему. И в ней на кристалле полупроводника собрано несколько устройств — детекторы, гетеродины, усилители ВЧ, НЧ, ПЧ. Остается только добавить колебательный контур и несколько конденсаторов, резисторов. И полноценный приемник собран.