Смеситель в супергетеродинном приемнике
Супергетеродинный радиоприёмник (от супер... и гетеродин), радиоприёмник, в котором до детектирования принимаемого радиосигнала производится преобразование (понижение) его несущей частоты, не изменяющее закона модуляции. Это наиболее распространённый вид радиоприёмников; в них при сравнительно простой и надёжной конструкции обеспечивается высококачественный приём сигналов. Способ супергетеродинного радиоприёма предложен в 1918 одновременно Э. Армстронгом (США) и Л. Леви (Франция) [1].
Сигнал с антенны попадает в высокочастотный (ВЧ) тракт, включающий преселектор (входной полосовой фильтр и усилитель высокой частоты - УВЧ), а также гетеродин со смесителем. УВЧ не только усиливает сигнал, но и фильтрует его в заданной полосе. Усиленный ВЧ-сигнал поступает в смеситель, в идеале реализующий функцию U=uнcos(2пfнt)·uгcos(2пfгt), где fн, uн и fг uг - частота и амплитуда входного сигнала и сигнала гетеродина, соответственно. После смесителя сигнал (с точностью до амплитуды) имеет вид cos2п(fн+fг)t+cos2п(fн-fг)t, что соответствует модулированным сигналам на несущих fн+fг и |fн-fг|. Разностную составляющую - промежуточную частоту (ПЧ) fпч=|fн-fг| - выделяет полосовым фильтром и в дальнейшем работают именно с ней. В УПЧ можно задействовать значительное число контуров, обеспечивающих необходимую избирательность. Сигнал ПЧ фильтруется и усиливается, после чего сигнал попадет на частотный детектор - ЧМ-демодулятор (преобразователь частота-напряжение). Разумеется, мы перечислили лишь самые основные функциональные блоки - не рассматривая такие важные для бытового приемника функции, как автоподстройка частоты, бесшумная настройка, генерация комфортного шума, автоматическая регулировка уровня и т.д. Настройка на частоту станции происходит посредством одновременного изменения частоты гетеродина и LC-контуров преселектора [2].
Рис.1. Обобщенная блок-схема супергетеродинного ЧМ-приемника [2].
Основное усиление в приемнике осуществляется с помощью усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Чувствительность приемников такого типа достигает 10-17…10-18 Вт, в то время как чувствительность приемников прямого усиления не превышает 10-12…10-13 Вт (данные приведены для приемников без УВЧ). Для супергетеродинных приемников диапазона СВЧ, характерны промежуточные частоты 20…300 МГц, однако в отдельных современных приемниках используется двух или трехкратное преобразование частоты, и первая промежуточная частота может достигать 1…2 ГГц и выше (в приемниках диапазона миллиметровых волн).
Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Мощность колебаний гетеродина, поступающих на смеситель, мала (0,2…10 мВт), но она во много раз больше мощности сигнала.
Главное предназначение смесителей - перемножение двух сигналов, входной частоты и частоты гетеродина (генератора переноса спектра), с целью получения на выходе продукта промежуточной частоты (ПЧ), В идеальном случае, на выходе смесителя присутствовали бы только желаемые частоты со значениями (fн - fг) и fн + fн). Но идеальных устройств, в природе не существует. В реальном случае смесители вырабатывают на выходе ПЧ целый набор продуктов преобразования ± mfн ± nfг, где m = 0, 1, 2, ... и n = 0, 1, 2, ... Нежелательные из них (паразитные) отфильтровываются. Преобразование частоты сигнала происходит за счет нелинейности характеристик смесительного элемента. В смесителях можно использовать обращенные туннельные диоды (ОД), варикапы, точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ) [5][6].
Рис.2. Частотный спектр на входах смесителя [10].
Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные качества определяются множеством характеристик Ниже приводится список главных технических требований, предъявляемых к смесителям, в порядке убывания их важности:
-
Диапазон рабочих частот
Смесители обладают широким диапазоном частот, от очень низких (практически от нулевой частот) до десятков гигагерц. Серийно выпускаемые смесители имеют максимальную рабочую частоту от 100 МГц до 2,5 ГГц. Диапазон рабочих частот является типичной спецификацией, которая в значительной степени определяет конечный выбор типа смесителя. -
Динамический диапазон
Это одна из наиболее важных технических характеристик смесителя Значительный рост числа используемых передатчиков и наличие других источников помех означает, что современные радиоприемники, как правило, работают в жесткой помеховой обстановке. Даже в случае, когда полезный сигнал имеет очень малый уровень, например, в спутниковых системах связи, от приемника требуется сохранение работоспособности и характеристик в присутствии сильных мешающих сигналов.
Нижний предел динамического диапазона смесителя определяется его коэффициентом шума, в то время как верхний предел определяется уровнями компрессии коэффициента передачи, интермодуляционных составляющих и теплового разрушения. -
Коэффициент шума
Как правило, смесители имеют коэффициент шума в пределах от 6 до 20 дБ. Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от конфигурации схемы и типов применяемых в ней элементов. Общепринято, но вовсе не обязательно, перед первым смесителем включать малошумящий усилитель для снижения коэффициента шума приемника в целом. -
Коэффициент передачи
Доступность готовых усилителей, перекрывающих различные участки частотного диапазона, снимает требование наличия у смесителя какого-либо усиления. Более того, избыточное усиление смесителя может отрицательно сказаться на динамическом диапазоне приемника в целом.
В большинстве случаев, наличие больших вносимых потерь преобразования смесителя также нежелательно, особенно при применении пассивных смесителей. Активные смесители обеспечивают коэффициент передачи в диапазоне от -1 до 4-17 дБ, в то время как пассивные смесители имеют типовое значение потерь преобразования от 5.5 до 8,5 дБ. -
Гетеродинный сигнал
Идеальный смеситель был бы нечувствителен ни к уровню гетеродинного сигнала, ни к уровням содержащихся в нем кратных гармоник, но в реальном случав параметры гетеродина должны соответствовать параметрам смесителя.
Пассивные двойные балансные диодные смесители требуют уровень гетеродина от +7 до +23 дБм. Активные смесители требуют уровень гетеродине в пределах от -20 до +30 дБм, в зависимости от применяемого типа. Отсюда следует, что разработка гетеродинного генератора самым тесным образом связана с отобранным типом смесителя. -
Развязка
Развязка представляет собой параметр, характеризующий степень подавления паразитного прохождения сигнала, приложенного к одному из входов на оставшиеся выводы смесителя Единственный сигнал, который должен присутствовать на выходе смесителя - сигнал промежуточной частоты. Величина развязки зависит от того, является ли смеситель небалансным, простым балансным или двойным балансным. Небалансные смесители вообще не имеют развязки между портами. Двойные балансные смесители обеспечивают наилучшую развяжу между всеми тремя выводами. -
Согласование импедансов
Все входы-выходы смесителя должны быть тщательно согласованы в тракте приема-передачи. В активных смесителях в результате рассогласования обычно снижается коэффициент усиления. Пассивные смесители особенно чувствительны к рассогласованию по выходу промежуточной частоты, в результате чего получаются большие потери преобразования и больший уровень паразитных продуктов преобразования. Независимо от того, какой смеситель применяется в системе, активный или пассивный, дня получения оптимальных его параметров должно быть выполнено тщательное согласование его портов с соответствующими трактами. -
Простота
Важной характеристикой любой схемы является простота разработки и реализации. Достаточно сложные системы трудно как разрабатывать, так и изготавливать. Применение меньшего числа компонентов снижает стоимость, увеличивает надежность, облегчает техническое обслуживание и требует меньшего количества запасных частей Чрезмерно сложная реализация приводит к значительному удорожанию оборудования, поэтому разработчики должны стремится к получению максимальных характеристик при минимуме используемых компонентов.
Образование зеркального канала приема и необходимость его подавления
В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существенен лишь эффект пряого преобразования частоты, в диодных смесителях наблюдается так же эффект обратного преобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты wпч=wн-wг, появившиеся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала wн = wпч+wг. Таким образом, эффект обратного преобразования обусловлен наличием сильной обратной связи в диодном смесителе, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т.е. представляет собой взаимное устройство. Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты. При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты wз=wг-wпч (названной так из-за “зеркального” расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина). Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в случае взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина так как wз=2wг-wн. Обычно смеситель согласован со входом УПЧ, поэтому вся мощность на частоте wпч передается в УПЧ. Колебание зеркальной частоты, образовавшееся в процессе преобразования частоты сигнала, может распространяться во входные цепи приемника. Поэтому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будет отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты wпч=wг-wз. Если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты wпч=wс-wг, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя. При сложении токов в противофазе могут, напротив, возникнуть дополнительные потери. Таким образом, взаимодействие между колебаниями сигнальной и зеркальной частоты оказывает существенное влияние на параметры диодного преобразователя частоты и работу приемника [5].
Самые неприятные искажения сигнала на выходе возникают при наличии сильной помехи с промежуточной или зеркальной частотами на входе смесителя. Сигналы с такими частотами складываются в смесителе с полезным сигналом, и могут полностью нарушить работу приемника. Поэтому во всех супергетеродинных приемниках принимаются меры для подавления паразитных каналов приема.
Методы подавления зеркального канала в супергетеродинных приемниках
Для подавления зеркального канала применяются два основных метода:
-
Фильтрация сигнала на зеркальной частоте.
При таком методе перед смесителем ставится полосовой фильтр, который пропускает сигнал на основной частоте и подавляет сигнал на зеркальной и остальных частотах. При этом уровень подавления может достигать 70 дБ и более. Этот метод годится только при большой разности между частотой сигнала и гетеродина, так как при малых расстройках резко возрастают потери в фильтрах и их стоимость.
Рис.3. Структурная схема приемника с подавлением зеркального канала полосовым фильтром [4].
-
Подавление зеркального канала приема фазовым методом.
Структурная схема смесителя с фазовым подавлением зеркального канала приведена на рис.4
Рис.4. Структурная схема смесителя с фазовым подавлением зеркального канала (с поворотом фазы входного сигнала) [3].
Входной сигнал, содержащий полезную и зеркальную составляющие, поступает на квадратурное устройство, расщепляющее его на две части, равные по величине и отличающиеся по фазе на 90 градусов. Затем они подаются на два смесителя и после них суммируются в квадратурном устройстве, но уже на ПЧ. Сигналы в смесителях преобразуются по формулам wпч=wс-wг и wпч=wг-wз и при этом фазы для составляющих c wз на выходах разных смесителей начинают различаться на 180 градусов, а фазы для составляющих c wс на 0 градусов. Таким образом после сложения сигналов, зеркальные составляющие со смесителей вычитаются (так как происходит сложение сигналов различающихся на 180 градусов), а составляющие с полезным сигналом складываются. Таким образом, в идеальном случае, происходит полное подавление зеркального канала и преобразование только полезного сигнала [3].
Такой метод широко применяется в современных микросхемах СВЧ диапазона. Например, фирма Mimix Broadband реализует его в приемной микросхеме XR1002, структурная схема которой приведена на рис.5
Рис.5. Структурная схема микросхемы XR1002 фирмы Mimix Broadband с фазовым подавлением зеркального канала [7].
Существует другая разновидность этого метода, когда сигнал гетеродина подается на один из смесителей со сдвигом фазы на 90 градусов, а входной сигнал разделяется на две части без поворота по фазе.
При фазовом методе уровень подавления зеркального канала зависит от разбаланса по амплитуде и фазе преобразованных на ПЧ сигнала зеркальной частоты на выходе суммирующего устройства (см. рис.6).
Рис.6. Семейство зависимостей подавления зеркального канала от разбаланса по амплитуде и фазе [3].
В реальных устройствах подавление зеркального канала данным методом достигает 30 дБ и более.
Примеры современных приемников и микросхем с подавлением зеркального канала
Подавление зеркального канала с помощью фильтров - разработанные компанией Microtune микросхемы серии MicroTuner MT2000
Входной малошумящий усилитель с переменным коэффициентом
передачи обеспечивает устройству широкий динамический диапазон, тем самым
разрешая подавать сигналы на вход микросхемы непосредственно с антенны,
гибридной волоконно-кабельной линии (HFC) или обычной кабельной сети без
использования внешнего перестраиваемого фильтра. Высокое подавление зеркального
канала приема и выбор принимаемого канала осуществляется с помощью преобразования
вверх на первом смесителе и фильтрации на внешнем фильтре ПЧ шириной 15
МГц, связанным затем со встроенным вторым смесителем с подавлением своего
зеркального канала.
Мощный первый смеситель микросхемы MicroTuner реализует преобразование спектра
вверх на первую частоту ПЧ, равную 1 ГГц, где сигналы фильтруются внешним
фильтром ПЧ. Этот фильтр не требует никакой ручной регулировки и обеспечивает
высокие характеристики при весьма малой стоимости. Основной функцией первого
фильтра ПЧ является ограничение спектра сигналов на выходе МШУ и первого
смесителя с целью снижения суммарной мощности сигналов на входе второго
смесителя. Простой двухполюсный керамический первый фильтр ПЧ совместно
со вторым смесителем со встроенным подавлением зеркального канала позволяют
получить суммарное подавление зеркальных каналов тюнера не хуже 65 дБ во
всем диапазоне входных частот [9].
Рис.8. Часть структурной схемы показывает функции, реализуемые микросхемой МТ2000 [9].
Подавление зеркального канала фазовым методом - смесители Российской фирмы Микран
Рис.7. Смесители фирмы Микран с фазовым подавлением зеркального канала (уровень ослабления 20-25 дБ) [8].
Подавление зеркального канала фазовым методом - микросхема XR1002 фирмы Mimix Broadband
Рис.8. Таблица параметров микросхемы XR1002 фирмы Mimix Broadband (уровень подавления зеркального канала 18 дБ) [7].
Рис.9. Внешний вид микросхемы XR1002 фирмы Mimix Broadband [7].
Заключение
В современных супергетеродинных радиоприемных устройствах в основном используются два способа подавления паразитного зеркального канала приема - с помощью фильтров-преселекторов входного сигнала и фазовым методом. Выбор того или иного способа подавления зеркального канала определяется требуемыми характеристиками и возможностью их реализации. Фазовое подавление зеркального канала применяется в основном при малых расстройках между сигналом и частотой гетеродина, а так же в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн, где создание полосовых узкополосных фильтров представляет большие трудности и требует больших затрат. В остальных случаях применяются фильтры-преселекторы.
