Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое приемник гетеродиный, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое приемник гетеродиный, гетеродин , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.
Гетероди́н (от греч. ἕτερος — иной; δύναμις — сила) — маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала в супер гетеродин ных радиоприемниках, приемниках прямого преобразования, волномерах и пр.
Изначально гетеродином называли радиоприемник , в котором имелся дополнительный генератор высокой частоты, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала, что повышало чувствительность радиоприемника. В дальнейшем, после изобретения супергетеродина, гетеродином стали называть этот генератор.
Гетеродин создает колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются еще две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.
К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов все чаще применяют цифровой синтезатор частоты, который обладает главным преимуществом: стабильность частоты гетеродина зависит только от стабильности частоты опорного генератора.
Гетеродинные приемники больше известны под другим названием: приемники прямого преобразования.
В радиолюбительской практике они появились сравнительно недавно, с начала 70-х годов, и быстро завоевали широкую популярность благодаря исключительной простоте и хорошему качеству работы. Введя это новое, а на самом деле очень старое название, мы лишь восстанавливаем историческую справедливость и определяем место гетеродинных приемников среди множества известных в настоящее время радиоприемных устройств. Настоящая обзорная статья посвящена этому недавно возродившемуся и быстро развивающемуся классу радиоприемников.
Как мы уже знаем, гетеродины в приемниках предназначены для применения в составе смесителей для переноса спектра входного сигнала на более низкую частоту. От параметров гетеродинов зависит качество преобразованного сигнала и в общем случае параметры всего радиоприемного устройства в целом.
Основные параметры гетеродина:
Рабочая частота или диапазон частот определяются, исходя из полосы частот принимаемого сигнала. Например, для стандарта сотовой связи GSM 900диапазон принимаемых частот для мобильных аппаратов составляет 935 ... 960 МГц. При номинале промежуточной частоты 45 МГц, диапазон рабочих частот гетеродина будет равен 980 ... 1005 МГц.
Шаг перестройки гетеродина задается шириной радиоканала, принятой в системе связи, в составе которой будет работать приемник. Например, шаг перестройки гетеродина для стандарта сотовой связи GSM будет составлять 200 кГц.
Мощность на выходе гетеродина (в дБм) определяется, исходя из требуемой для работы смесителя мощности плюс запас в 2 ... 4 дБ, необходимый на компенсацию потерь в тракте гетеродин-смеситель и на рассогласование по входу смесителя. Обычно уровень сигнала гетеродина составляет +16 дБм.
Относительная нестабильность частоты — характеристика, показывающая отклонение частоты генератора (уход частоты) от номинального значения. Эта величина определяется отношением
,
где 
— уход частоты,
f0 — номинальная частота.
Различают кратковременную (например, за 1 секунду) и долговременную (например, за 1 год).
Пусть за 1 год уход частоты гетеродина с номинальной частотой 10 ГГц составляет 1 кГц. Тогда долговременная относительная нестабильность частоты будет равна:
103/1010 = 10-7
Существует еще один способ задания нестабильности частоты. Пусть в диапазоне температур (-40 С0 ... +50 С0) температурная нестабильность задается следующим образом: +1 ppm/С0, где ppm означает миллионную часть целого. Тогда температурный уход частоты для гетеродина с частотой 10 ГГц составит:
+1 ppm/С0 х 1010 Гц = +10-6/С0 х 1010 =10 кГц/С0,
при этом относительная нестабильность частоты будет равна:
104/1010 = 10-6
Уход частоты при изменении напряжения питания (pushing) может быть минимизирован применением стабилизаторов напряжения.
Для уменьшения относительной нестабильности частоты от изменения нагрузки (pulling) на выходе гетеродина применяются развязывающие устройства (вентили) или буферные усилители, которые кроме этого обеспечивают требуемую мощность гетеродина.
Точность установки частоты задается резонансной частотой резонатора в цепи обратной связи генератора. В случае применения в качестве гетеродина синтезатора частот, точность установки частоты гетеродина определяется частотой опорного генератора. Обычно это значение составляет 10 ... 1000 Гц.
Относительный уровень гармоник на выходе зависит от схемы генератора и наличия фильтра на его выходе. Обычно на выходе гетеродина требуется, чтобы уровень гармоник не превышал -25 дБ.
Спектральная плотность мощности фазовых шумов характеризует кратковременную фазовую нестабильность частоты гетеродина за счет шумовых свойств генератора.
Перечисленные выше факторы приводят к тому, что в спектре выходного сигнала гетеродина мы видим не одиночную частотную составляющую, как нам хотелось бы, а целый спектр. Пример спектра гетеродина приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. Спектр выходного сигнала гетеродина
Не следует при этом считать, что сигнал гетеродина во временной области будет сильно искажен. На рисунке 2 приведена временная диаграмма сигнала, спектр которого показан на рисунке 1.
Рисунок 2. Временная диаграмма выходного сигнала гетеродина
Как видно из этого рисунка, форма выходного колебания гетеродина практически не отличается от синусоидальной. Поэтому при оценке качества выходного сигнала гетеродина обычно рассматривается его спектр.
Как это уже обсуждалось при изучении особенностей работы смесителя, гармоники гетеродина при определенных условиях не оказывают влияния на перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточную или нулевую частоту. Кроме того, они могут быть легко отфильтрованы. Поэтому в дальнейшем мы будем в основном оценивать шумовые характеристики гетеродина и его нестабильность.
Важный механизм, который ограничивает динамический диапазон приемникаэто преобразование шумов гетеродина в тракт промежуточной частоты (Reciprocal mixing). Пример распределения плотности шумов гетеродина в зависимости от отстройки от генерируемой частоты приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 — зависимость шумов гетеродина от отстройки от генерируемой частоты для микросхемы ADF4360-7.
На этом рисунке приведена зависимость, рассчитанная программой ADIsimPLL для синтезатора частот ADF4360-7. По оси Y отложена плотность шумов по отношению к основной гармонике гетеродина в логарифмическом масштабе:
где PPN — мощность фазовых шумов гетеродина;
Pг — мощность сигнала на выходе гетеродина.
В реальной схеме за счет неидеальности конструкции и источников питания, плотность шумов гетеродина в дальней зоне может оказаться еще хуже.
Фазовый шум гетеродина ничем не отличается от колебания на частоте настройки синтезатора. При взаимодействии с ним сигнал помехи преобразуется в промежуточную частоту, но так как преобразование производится с шумовым сигналом, то результат воспринимается как шум.
Это явление приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе приемника. Таким образом, используемые гетеродины должны иметь настолько низкий фазовый шум, чтобы при наличии сильной внеполосной помехи они создавали шумы, меньше уровня шума приемника.
Гетеродинный приемник был изобретен и запатентован в 1901 г. Николой Тесла, задолго до появления электронной лампы и спустя всего несколько лет после первых опытов по радиосвязи. Тогда использовались искровые передатчики и детекторные приемники на основе когерера – стеклянной трубочки с выводами, заполненной железными опилками. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались проводящие "мостики" и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле приемника. В опытах было замечено, что чувствительность приемника к слабым сигналам возрастает, если с приемником связан собственный генератор, пусть даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор назвали гетеродином, а приемник – гетеродинным.
Расцвет гетеродинных приемников наступил с переходом на излучение незатухающих колебаний и с изобретением кристаллического детектора (1906...1908 гг.), где множество нестабильных контактов между опилками было заменено одним контактом между кристаллом полупроводника и металлическим острием. Принципиально кристаллический детектор не отличался от полупроводникового диода наших дней. Незатухающие колебания в антенном контуре передатчика в те годы получали с помощью дугового разряда, имеющего падающий участок вольтамперной характеристики, т.е. вносящего в контур отрицательное сопротивление, поддерживающее радиочастотные (РЧ) колебания. На сверхдлинных волнах широко использовались и электромашинные генераторы.
Воссоздадим в современных обозначениях схему телеграфной радиолинии тех лет (рис.1). Телеграфный ключ S1 замыкал цепь питания генератора РЧ G1. В процессе приема в цепь детектора включались либо реле (чувствительность при этом была низкая), либо телефонные трубки В1. Но в телефонах слышался лишь треск искровых разрядов или шипение дуги передатчика, модулирующее сигнал.
Рис.1. Схема радиотелеграфной линии
В гетеродинном приемнике (рис.2) на детектор действовали уже два сигнала – входной и гетеродинный, значительно больший по амплитуде. Если частота гетеродина G2 немного (на 0,4...1 кГц) отличалась от частоты передатчика G1, на выходе детектора VD1 появлялось напряжение биений с разностной частотой. Оно было существенно больше напряжения продетектированного сигнала, что повышало и чувствительность, и громкость приема. Телеграфные сигналы звучали в телефонах привычным теперь тоном "морзянки".
Рис.2. Схема гетеродинного приемника
Увлечение сверхдлинными волнами (до 20-х годов считалось, что чем длиннее волна, тем "дальнобойнее" связь) породило не только мощные электромашинные РЧ генераторы, но и гетеродинные приемники с синхронным механическим выпрямителем – колесом Гольдшмидта , изобретенном, кстати, тоже Николой Тесла. В них детектор VD1 (рис.1) заменен механическими контактами, замыкаемыми при вращении колеса с частотой, близкой к частоте сигнала. При этом, если моменты замыкания контактов попадают на положительные полуволны сигнала, на выходе приемника выделяется положительная постоянная составляющая напряжения, если же на отрицательные – то соответственно отрицательная.
Так происходит синхронное детектирование. Но строго синхронизировать частоты вращения вала генератора в передатчике и колеса с контактами в приемнике трудно, чаще всего они отличались, тогда в телефонах прослушивался тон биений, равный разности частот сигнала и коммутации контактов. Механический коммутатор был идеальным смесителем гетеродинного приемника, поскольку он вообще не детектировал сигнал, а лишь преобразовывал его по частоте.
Полтора десятилетия гетеродинный прием безраздельно царил в радиотехнике. В эпоху его расцвета появляются радиолампы – диод и триод, ламповый генератор, автодинный приемник и супергетеродин. Само название супергетеродинный приемник получил от гетеродинного, поскольку в нем был применен еще один, дополнительный, или "супер", гетеродин для преобразования РЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ).
С 20-х годов для передачи телефонных сигналов стали широко использовать амплитудную модуляцию (АМ), а для приема – ламповые приемники. Приемники прямого усиления содержали 1...2 каскада усиления РЧ, ламповый детектор и несколько каскадов усиления звуковой частоты (ЗЧ). Позиции приемников прямого усиления значительно укрепил регенератор. Благодаря обратной связи увеличивалась и чувствительность, и селективность приемника прямого усиления.
Широкое распространение регенератора позволило выявить несколько аспектов его использования. Рассмотрим их на примере простейшего регенератора (рис.3).
Рис.3. Схема регенеративного приемника
Колебания принимаемого сигнала из антенны поступают в единственный контур L2C1 и затем детектируются в сеточной цепи лампы с помощью элементов R1C2 (гридлика). В анодной цепи лампы кроме продетектированного сигнала (который выделяется на нагрузке R2 и поступает в УЗЧ) существуют и радиочастотные колебания. Через катушку обратной связи они снова поступают в контур и компенсируют потери в нем. Увеличивая связь катушек L3 и L2, можно очень близко подойти к порогу самовозбуждения собственных колебаний. При этом значительно возрастают чувствительность и селективность приемника, но сужается полоса пропускания контура. Вполне реальна, например, эквивалентная добротность контура до нескольких тысяч, что соответствует полосе пропускания в несколько килогерц даже на КВ:
2Df = f0/Q,
где: 2DF – полоса пропускания, f0 – частота настройки, Q – эквивалентная добротность.
Однако скаты резонансной кривой одного контура оказывались пологими, всего 6 дБ на октаву расстройки, да и стабильность регенератора была низка – он то терял чувствительность и селективность при уменьшении обратной связи, то самовозбуждался при ее увеличении.
Возможны и другие режимы работы описанного устройства. При обратной связи больше критической возникает самовозбуждение, а в сеточной цепи лампы выделяются биения между собственными колебаниями и колебаниями сигнала. Установив частоту биений в звуковом диапазоне, можно с успехом принимать телеграфные сигналы. Регенератор в этом режиме называли уже по-другому – автодинным приемником, подчеркивая этим тот факт, что происходил гетеродинный прием с использованием собственных автоколебаний. В англоязычной литературе автодин так и назывался – self-heterodyne receiver.
Еще более тщательной регулировкой обратной связи вблизи порога возбуждения можно добиться малой амплитуды собственных колебаний в контуре регенератора, при этом возникала возможность режима синхронного приема АМ сигналов, а приемник назывался теперь синхродином. Суть синхронного приема состоит в следующем: при точной настройке приемника на частоту несущей АМ сигнала, собственные колебания захватываются ею и становятся синхронными и синфазными с несущей. Прием АМ сигналов при этом улучшается, так как при подъеме несущей за счет собственных колебаний возрастает уровень продетектированного сигнала, улучшается селективность, уменьшаются помехи и искажения. Полосу захвата можно найти из соотношения:
2Dfзахв = (f0/Q0)(a1/a2),
где: Q0 – конструктивная добротность контура, а1 – амплитуда несущей сигнала, а2 – амплитуда собственных колебаний.
Видно, что для увеличения полосы захвата приходилось уменьшать и амплитуду возбуждения и собственную добротность контура. Гетеродинные приемники, в которых собственные колебания происходили одинаково с принимаемыми, иногда называли гомодинными.
Все описанные приемники не выдержали конкуренции с супергетеродином и были прочно забыты. Причина в следующем: они (как и показанный на рис.2 простейший гетеродинный приемник) не только преобразовывали сигнал по частоте, но и детектировали его. С таким же успехом детектировались и сигналы мешающих, соседних по частоте станций, что резко снижало селективность приемника, а селективности одного-двух радиочастотных контуров было явно недостаточно при возрастающем количестве станций и помех в эфире.
Тридцатые годы характерны созданием многоламповых супергетеродинных приемников, основное усиление и селективность в которых обеспечивает тракт ПЧ с несколькими каскадами усиления и многочисленными контурами. Обычно "суперы" проектировались для приема АМ
продолжение следует...
Часть 1 гетеродин, гетеродинный приемник, Параметры гетеродинов,
Часть 2 - гетеродин, гетеродинный приемник, Параметры гетеродинов,
Часть 3 - гетеродин, гетеродинный приемник, Параметры гетеродинов,
Часть 4 - гетеродин, гетеродинный приемник, Параметры гетеродинов,
Часть 5 - гетеродин, гетеродинный приемник, Параметры гетеродинов,
Часть 6 Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря! - гетеродин, гетеродинный приемник, Параметры гетеродинов,
Анализ данных, представленных в статье про приемник гетеродиный, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое приемник гетеродиный, гетеродин и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Термины: Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов