Двухкаскадный преобразователь частоты с подавлением зеркального канала

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах супергетеродинного типа различного назначения для ослабления помех, принимаемых на частоте зеркального канала. Двухкаскадный преобразователь частоты с подавлением зеркального канала содержит полосовой фильтр 1, преобразователь частоты 2, фильтры промежуточной частоты (ФПЧ) 3, 9, фазовращатель на ± 90^o 4, сумматор 5, гетеродин 6, фазовращатель на 90^o 7, смеситель 8 и фильтр-пробку 10, что позволяет увеличить соотношение сигнал/шум на выходе. 1 ил.

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах супергетеродинного типа различного назначения для ослабления помех, принимаемых на частоте зеркального канала (зеркальных помех).

Известны устройства подавления помех зеркального канала (см. патент США N 3 070 747, кл. 325-437, 25.12.62; патент Японии N 58-26700, кл. H 04 B 1/26, H 04 B 1/10), в которых предусмотрен дополнительный (параллельный) канал приема, содержащий дополнительный смеситель. В этих устройствах, благодаря разветвлению входного сигнала, с помощью фазовращателей удается обеспечить на выходах основного и дополнительного каналов приема противофазность зеркальных помех и синфазность полезного сигнала. В результате, при условии идентичности основного и дополнительного каналов, достигается компенсация зеркальных помех. Недостатком этих устройств является ухудшение шумовых свойств преобразователя из-за влияния шумов дополнительного канала.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство по патенту США N 2 964 622, кл. 325-437, 13.12.60, содержащее смесители, гетеродин, фильтры, фазовращатели на 90^o, а также сумматор. Полезный сигнал и зеркальная помеха на выходе полосового фильтра разветвляются и поступают на входы первого и второго смесителя. Выход одного смесителя через первый ФПЧ соединен с одним входом сумматора. Выход другого смесителя через последовательно включенные второй фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) и первый фазовращатель соединен с другим входом сумматора. Выход гетеродина связан с первым смесителем непосредственно, а со вторым смесителем через второй фазовращатель.

Составляющие зеркальной помехи на входах сумматора оказываются противофазными, тем самым выполняется фазовое условие компенсации. Если коэффициенты передачи основного и дополнительного каналов приема от входа устройства до входов сумматора одинаковы, то уровни зеркальных помех на входах сумматора также одинаковы, т.е. выполняется амплитудное условие компенсации. В результате одновременного выполнения обоих условий зеркальные помехи оказываются подавленными (скомпенсированными).

Однако в известном двухканальном устройстве происходит ухудшение шумовых свойств по сравнению с классическим одноканальным преобразователем частоты, так как такая же мощность полезного сигнала на выходе достигается при вдвое большей мощности выходного шума. В результате коэффициент шума известного устройства в два раза хуже (больше), чем в одноканальном, соответственно в два раза ухудшается (уменьшается) отношение сигнал-шум на выходе.

В изобретении решается задача уменьшения коэффициента шума и увеличения отношения сигнал/шум на выходе.

Этот результат достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее входной фильтр, первый и второй смесители, гетеродин, первый и второй ФПЧ, первый и второй фазовращатели на 90^o и сумматор, дополнительно введен фильтр-пробка на промежуточной частоте и изменены некоторые связи между элементами. В результате возникло новое устройство двухкаскадный преобразователь частоты с подавлением зеркального канала, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, преобразователь частоты, первый фильтр промежуточной частоты, фазовращатель на ± 90^o и сумматор, последовательно соединенные гетеродин, фазовращатель на 90^o, смеситель и второй фильтр промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу сумматора. При этом другой (гетеродинный) вход преобразователя частоты подключен к выходу гетеродина.

От прототипа заявленное устройство отличается тем, что между выходом преобразователя частоты и другим (сигнальным) входом смесителя введен фильтр-пробка, а преобразователь частоты выполнен в виде балансного преобразователя частоты с коэффициентом усиления, превышающим единицу. Коэффициент преобразования смесителя равен отношению коэффициентов преобразования и усиления балансового преобразователя частоты с коэффициентом усиления, превышающим единицу.

Исключение разветвления сигнала на входе преобразователя частоты позволяет, при достаточно большой величине коэффициента усиления последнего, уменьшить коэффициент шума устройства в целом. Этот эффект достигается каскадным, т.е. последовательным, включением смесителя по отношению к преобразователю частоты, а, как известно, в многокаскадной схеме интенсивность шума определяется в основном шумами первого каскада. В известном же устройстве первый и второй смесители включены параллельно, поэтому их шумы равноправно влияют на результирующий коэффициент шума. Кроме того, в заявленном устройстве преобразователь частоты не только осуществляет преобразование частоты входного сигнала, но также и усиление входного сигнала на той же частоте, что эквивалентно увеличению коэффициента передачи устройства в целом. В результате совместного действия обоих факторов коэффициент шума заявленного устройства меньше, чем у известного устройства. Отношение сигнал/шум на выходе соответственно выше.

Выигрыш в величине коэффициента шума по сравнению с известным устройством составляет , где K_2У коэффициент усиления преобразователя. Следовательно, заявленное устройство имеет преимущество перед известным устройством по коэффициенту шума при K_2У > 1/2, когда G > 1. Например, при K_2У 1 G ≈ 1,3, при K_2У 5 G ≈ 1,8.

С увеличением коэффициента усиления первого смесителя выигрыш увеличивается, но не более, чем в два раза. Соответственно увеличивается отношение сигнал/шум на выходе, но не более, чем в четыре раза.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема двухкаскадного преобразователя частоты с подавлением зеркального канала.

Двухкаскадный преобразователь частоты с подавлением зеркального канала содержит полосовой фильтр 1, преобразователь частоты 2, первый фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) 3, фазовращатель на ± 90^o 4, сумматор 5, гетеродин 6, фазовращатель на 90^o 7, смеситель 8, второй ФПЧ 9, фильтр-пробка 10.

Полосовый фильтр 1 является стандартным элементом радиоприемника и, в частном случае, может отсутствовать. Преобразователь частоты 2 выполняется широкополосным по выходу с тем, чтобы на его выходе выделялись составляющие не только на промежуточной частоте, но и на частотах входного полезного сигнала и зеркальной помехи. Для получения максимального выигрыша коэффициент усиления должен быть больше единицы, что может быть реализовано лишь на транзисторах. Кроме того, преобразователь частоты 2 выполняется балансным, чтобы исключить появление на его выходе напряжения с частотой гетеродина. (Необходимость устранения напряжения гетеродина диктуется тем, что напряжение большей величины, не прошедшее через фазовращатель на 90^o 7, может изменить фазовое условие компенсации). Первый ФПЧ 3 пропускает напряжение с промежуточной частотой. Фазовращатель на ±90^o 4 обеспечивает сдвиг фазы составляющих на промежуточной частоте на 90^o при верхней настройке гетеродина и на -90^o при нижней. Сумматор 5 суммирует составляющие на промежуточной частоте, образовавшиеся в двух различных цепях, выход сумматора является выходом устройства. Гетеродин 6 является стандартным элементом приемника и, как в известном устройстве, является общим элементом двух преобразовательных цепей. Фазовращатель на +90^o 7 осуществляет поворот фазы на 90^o. Смеситель 8 осуществляет преобразование полезного сигнала и зеркальной помехи, усиленных в преобразователе частоты 2, на промежуточную частоту. При этом полезно используется как основной, так и зеркальный канал смесителя 8. Коэффициент преобразования смесителя 8 K_8п должен быть определенным образом связан с параметрами преобразователя частоты 2, чтобы обеспечить равенство уровней составляющих зеркальной помехи на входах сумматора. А именно: , где K_2п и K_2у коэффициенты преобразования и усиления преобразователя частоты 2 соответственно, т.е. коэффициент преобразования смесителя 8 должен быть равен отношению коэффициентов преобразования и усиления преобразователя частоты 2. Второй ФПЧ 9 выделяет составляющие с промежуточной частотой, по характеристикам идентичен первому ФПЧ 3. Фильтр-пробка 10 не пропускает напряжение с промежуточной частотой на вход смесителя 8 (наличие этого напряжения, не прошедшего через фазовращатель на ± 90^o 4, на входе сумматора 5 может нарушить фазовое условие компенсации.

Устройство работает следующим образом.

Полезный сигнал с частотой ω_e и фазой ϕ_e и (или) зеркальная помеха с частотой ω_з и фазой ϕ_з поступают через полосовой фильтр 1 на вход преобразователя частоты 2, где в результате взаимодействия с колебанием гетеродина 6 с частотой ω_г и фазой ϕ_г образуется составляющая полезного сигнала на промежуточной частоте ω^(c_пч⁾ = ω_г-ω_c (случай верхней настройки гетеродина) с фазой ϕ_г-ϕ_c и составляющая зеркальной помехи на промежуточной частоте ω^(З_пч⁾ = ω_з-ω_г с фазой ϕ_з-ϕ_г. Кроме того, в преобразователе частоты 2 происходит усиление полезного сигнала и зеркальной помехи как в обычном усилителе без преобразования частоты. Широкополосная выходная цепь преобразователя частоты 2 обеспечивает выделение всех указанных составляющих. Полезный сигнал и зеркальная помеха на своих частотах беспрепятственно проходят через фильтр-пробку 10 на вход смесителя 8, где в результате взаимодействия с колебанием гетеродина с частотой ω_г и фазой образуется составляющая полезного сигнала на промежуточной частоте ω^(c_пч⁾ = ω_г-ω_c с фазой и составляющая зеркальной помехи на промежуточной частоте ω^(з_пч⁾ = ω_з-ω_г с фазой . Эти составляющие через второй ФПЧ 9 поступают на один вход сумматора 5. Колебания на промежуточной частоте с преобразователя частоты 2 через первый ФПЧ 3 поступают на вход фазовращателя на ± 90^o 4, где получают дополнительный сдвиг по фазе на 90^o. В результате на другом входе сумматора 5 присутствует составляющая полезного сигнала на частоте ω^(c_пч⁾ = ω_г-ω_c с фазой и составляющая зеркальной помехи на частоте ω^(з_пч⁾ = ω_з-ω_г с фазой . Следовательно, на входах сумматора 5 составляющие полезного сигнала синфазны, а составляющие зеркальной помехи противофазны, т.е. выполняется фазовое условие компенсации зеркальной помехи. (Проделанные рассуждения справедливы для верхней настройки гетеродина, когда ω_г>ω_e. При нижней настройки гетеродина, когда ω_г<ω_e, все рассуждения остаются справедливыми, если сдвиг фазы в фазовращателе на ± 90^o 4 составляет -90^o). Для компенсации зеркальной помехи необходимо, чтобы уровни составляющих зеркальной помехи на входах сумматора 5 были одинаковы, т.е. необходимо выполнить амплитудное условие компенсации. Сформулируем это условие. Пусть уровни полезного сигнала и зеркальной помехи на входе преобразователя частоты 2 равны P_c и P_з соответственно. На выходе преобразователя частоты 2 полезный сигнал на частоте ω_e имеет уровень P_2c K_2уP_c, где K_2у коэффициент усиления преобразователя частоты 2 (в режиме усиления без преобразования частоты). Составляющая полезного сигнала на промежуточной частоте P^(c)_2пч= K_2пP_с, составляющая зеркальной помехи на промежуточной частоте P^(з)_2пч= K_2пP_з, где K_2п коэффициент преобразования преобразователя частоты 2. На выходе первого ФПЧ 3 уровни сигнала и помехи: P_Зс=K_зP^(c)_2пч= K_зK_2пP_с, P_Зз=K_зP^(з)_2пч= P_зK_зK_{2п u} где K_з коэффициент передачи ФПЧ 3. На выходе фазовращателя на ± 90^o 4 P_4c P_3c K₃K_2пP_c, P_4з P_3з K₃K_2пP_з, так как фазовращатель на ± 90^o 4 не изменяет уровней. На выход смесителя 8 проходят только полезный сигнал и зеркальная помеха на своих частотах без изменения уровня, т.е. P_10c P_2c K_2уP_c, P_10з P_2з K_2уP_з. На выходе смесителя 8 уровни сигнала и зеркальной помехи на промежуточной частоте равны: P_8c K_8пP_10c K_8пP_c и P_8з K_8пP_10з K_8пK_2уP_з, где K_8п коэффициент преобразования смесителя 8. На выходе второго ФПЧ 9 P_9c K₉P_8c K₉K_8пK_2уP_c и P_9з K₉P_8з K₉K_8пK_2уP_з, где К₉ коэффициент передачи ФПЧ 9. На выходе сумматора 5 уровень полезного сигнала с учетом синфазности составляющих P_вых.с P_4c + P_9c (K₃K_2п + K₉K_8пK_2у) P_c. При идентичных ФПЧ 3 и 9 K₃ K₉ K_ф и Р_вых.с K_ф (K_2п + K_2уK_8п) P_c. Коэффициент передачи заявленного устройства по мощности . Уровень зеркальной помехи на выходе сумматора 5 с учетом противофазности составляющих P_вых.з P_9з P_4з K_ф (K_8пK_2у K_2п) P_з. Компенсация зеркальной помехи, т.е. P_вых.з 0, имеет место если выражение в скобках обращается в нуль. Отсюда оптимальный коэффициент преобразования смесителя 8 , где K_2п и K_2у коэффициент преобразования и коэффициент усиления преобразователя частоты 2 соответственно. Так как K_2п < K_2у, то , например, . (Следовательно, смеситель 8 может выполняться как на транзисторах, так и на диодах). С учетом (1) коэффициент передачи по мощности устройства в целом
K_Σ= 2K_2пK_ф (2),
что вдвое больше, чем у известного устройства.

Оценим шумовые свойства заявленного устройства, используя стандартную методику определения коэффициента шума многокаскадной схемы. Суммарная интенсивность шума на выходе:
h^*_вых.= H₂K_2пK₃+H₂K_2уK_8пK₉+H₈K_8пK₉,
где H₂, H₈ интенсивность шума преобразователя частоты 2 и смесителя 8 соответственно. Первое слагаемое это шум преобразователя частоты 2, прошедший через первый ФПЧ 3. Второе слагаемое описывает шум преобразователя частоты 2, прошедший через смеситель 8 и ФПЧ 9. Третье слагаемое это шум смесителя 8 с учетом прохождения через ФПЧ 9. С учетом (1) и того, что K₉ K₃ K_ф, суммарная интенсивность запишется в виде:
(3).

Для известного устройства аналогичная величина
h_вых. 2H₂K_2пK_ф (4).

С другой стороны для заявленного устройства h^*_вых.= H^*K, где H^* - интенсивность шума входного источника, создающего ту же интенсивность шума на выходе в предположении, что смесители нешумящие, или, с учетом (2)
h^*_вых.= H^*K_2пK_ф (5),
а для известного устройства
h_вых. H K_2пK_ф (6).

На основании (4) и (5) интенсивность шума двухкаскадного преобразователя частоты с подавлением зеркального канала имеет вид:
(7).

Откуда следует, что результирующий шум зависит от коэффициента усиления преобразователя частоты 2 и уменьшается с его увеличением. Из (4) и (6) аналогичная величина для известного устройства
H 2H₂ (8),
т.е. не зависит от коэффициента передачи смесителей.

Коэффициент шума заявленного устройства запишется в виде:
(9),
где F₂ и F₈ коэффициент шума преобразователя частоты 2 и смесителя 8 соответственно. Для известного устройства коэффициент шума
F 2F₂ (10).

Определим выигрыш по коэффициенту шума как , тогда, полагая для простоты F₂ F₈ 1, имеем
(11).

Отсюда следует, что выигрыш по коэффициенту шума появляется при , становится заметным при K_2у ≥ 1 и увеличивается с ростом K_2у, но не более, чем в два раза. Соответственно возрастает отношение сигнал/шум на выходе, но не более, чем в четыре раза.

Полученный выигрыш объясняется тем, что в заявленном устройстве реализована двухкаскадная схема преобразования частоты (вместо двухканальной в известном устройстве), в которой общий коэффициент шума зависит от коэффициента усиления первого каскада, и при достаточно большой величине последнего шум второго каскада проявляется слабо.

Таким образом, заявленное устройство так же эффективно подавляет зеркальный канал, как и известное устройство, и при этом имеет заметный выигрыш в величине коэффициента шума и отношения сигнал/шум.

Формула изобретения

Двухкаскадный преобразователь частоты с подавлением зеркального канала, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, преобразователь частоты, первый фильтр промежуточной частоты, фазовращатель на ± 90^o и сумматор, последовательно соединенные гетеродин, фазовращатель на 90^o, смеситель и второй фильтр промежуточной частоты, выход которого подключен к другому входу сумматора, при этом другой вход преобразователя частоты подсоединен к выходу гетеродина, отличающийся тем, что между выходом преобразователя частоты и другим входом смесителя введен фильтр-пробка, а преобразователь частоты выполнен в виде балансного преобразователя частоты с коэффициентом усиления, превышающим единицу, а коэффициент преобразования смесителя равен отношению коэффициента преобразования и усиления балансного преобразователя частоты с коэффициентом усиления, превышающим единицу.

РИСУНКИ

Рисунок 1