Двойное преобразование частоты

Двойное преобразование частоты (также супергетеродин с двойным преобразованием, dual-conversion) — это метод обработки радиосигналов в приёмных устройствах, при котором принятый сигнал последовательно переносится на две различные промежуточные частоты (ПЧ) перед окончательной демодуляцией. Данный метод является эволюционным развитием классического супергетеродинного приёма, использующего одно преобразование частоты, и применяется для повышения избирательности, помехоустойчивости и подавления побочных каналов приёма, в первую очередь — зеркального канала.

История

Принцип супергетеродинного приёма с одним преобразованием частоты был изобретён и запатентован американским инженером Эдвином Армстронгом в 1918 году. Однако по мере развития радиосвязи и освоения всё более высоких частот (короткие волны, ультракороткие волны) стали проявляться недостатки классической схемы. Основным из них была сложность обеспечения высокой избирательности по зеркальному каналу при фиксированной промежуточной частоте. Чем выше была рабочая частота приёмника, тем сложнее становилось отфильтровать зеркальную помеху, отстоящую от полезного сигнала на удвоенную промежуточную частоту.

В 1930-х годах, с развитием техники коротковолновой связи, инженеры начали экспериментировать с двухступенчатым преобразованием. Первое коммерческое применение двойного преобразования частоты связывают с разработками в области профессиональных связных приёмников (например, американские приёмники серии R-390/URR, созданные в 1950-х годах) и военных радиолокационных станций, где требования к помехозащищённости были особенно высоки. В этих устройствах первая промежуточная частота выбиралась достаточно высокой (несколько мегагерц), что позволяло эффективно подавлять зеркальный канал, а вторая — низкой (сотни килогерц), что обеспечивало узкую полосу пропускания для выделения сигнала.

С массовым внедрением кварцевых фильтров и интегральных микросхем в 1970–1980-х годах схемы с двойным преобразованием стали стандартом для высококачественных бытовых радиоприёмников (особенно в диапазонах КВ и УКВ), сканеров, трансиверов и измерительной техники (спектроанализаторы, селективные микровольтметры).

Принцип работы

В основе метода лежит последовательное смешивание входного сигнала с сигналами двух разных гетеродинов. Структурная схема включает следующие основные каскады:

Входные цепи и усилитель радиочастоты (УРЧ). Обеспечивают предварительную селекцию и усиление сигнала, принятого антенной.
Первый смеситель. На него подаётся сигнал с УРЧ и сигнал первого гетеродина (Г1). На выходе смесителя образуется сигнал первой промежуточной частоты (ПЧ1). Частота ПЧ1 равна разности (или сумме) частот сигнала и гетеродина: \( f_{ПЧ1} = |f_{сигнала} - f_{Г1}| \). Как правило, ПЧ1 выбирается относительно высокой (от 5 до 50 МГц и выше, в зависимости от диапазона).
Фильтр первой ПЧ. Обычно это высокодобротный полосовой фильтр (например, кварцевый, электромеханический или LC-фильтр), настроенный на частоту ПЧ1. Его задача — подавить зеркальный канал первого преобразования и ослабить сигналы мощных мешающих станций, находящихся вне полосы пропускания.
Усилитель первой ПЧ. Усиливает отфильтрованный сигнал ПЧ1 до уровня, необходимого для работы второго смесителя.
Второй смеситель. На него подаётся сигнал ПЧ1 и сигнал второго гетеродина (Г2). На выходе образуется сигнал второй промежуточной частоты (ПЧ2). Частота ПЧ2 значительно ниже ПЧ1 (обычно от 50 кГц до 500 кГц): \( f_{ПЧ2} = |f_{ПЧ1} - f_{Г2}| \).
Фильтр второй ПЧ. Это узкополосный фильтр (часто кварцевый или керамический), который определяет основную избирательность приёмника по соседнему каналу. Он формирует требуемую полосу пропускания (например, 2,4 кГц для телефонного режима или 500 Гц для телеграфного).
Усилитель второй ПЧ и демодулятор. Сигнал ПЧ2 усиливается, после чего подаётся на детектор (амплитудный, частотный, синхронный) для извлечения полезной информации.

Классификация и виды

Схемы с двойным преобразованием частоты можно классифицировать по нескольким признакам.

По типу используемых гетеродинов

С фиксированной настройкой. Оба гетеродина имеют фиксированные частоты. Перестройка приёмника по диапазону осуществляется за счёт изменения частоты первого гетеродина (или, реже, входных цепей). Такая схема типична для сканеров и некоторых профессиональных приёмников.
С синтезатором частоты. Один или оба гетеродина выполнены на основе цифрового синтезатора (DDS или PLL). Это позволяет точно устанавливать частоту приёма с малым шагом и обеспечивает высокую стабильность. Является стандартом для современных связных приёмников и трансиверов.

По соотношению частот гетеродинов

С высоким первым и низким вторым преобразованием. Классическая и наиболее распространённая схема, описанная выше. Обеспечивает наилучшее подавление зеркального канала.
С низким первым и высоким вторым преобразованием. Встречается реже, в основном в специализированных измерительных приборах или приёмниках прямого преобразования с дополнительным смесителем.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокое подавление зеркального канала. Благодаря высокой первой промежуточной частоте, зеркальная помеха отстоит от полезного сигнала на большое расстояние (2 × fПЧ1), что позволяет эффективно отфильтровать её простыми и доступными фильтрами.
Повышенная избирательность по соседнему каналу. Низкая вторая промежуточная частота даёт возможность использовать узкополосные и высокодобротные фильтры (например, кварцевые), которые на высокой частоте реализовать технически сложно и дорого.
Устойчивость к перегрузкам сильными сигналами. Распределение усиления между двумя трактами ПЧ снижает вероятность возникновения интермодуляционных искажений в смесителях.
Гибкость. Возможность независимо оптимизировать параметры каждого тракта ПЧ для решения конкретных задач (подавление помех, обеспечение требуемой полосы пропускания).

Недостатки

Сложность конструкции. Увеличение числа каскадов (два гетеродина, два смесителя, два фильтра) ведёт к усложнению схемы, её настройки и удорожанию устройства.
Проблема побочных каналов приёма. В схеме с двойным преобразованием возникает большее количество комбинационных частот на выходе смесителей, которые могут образовывать ложные каналы приёма (например, канал, проходящий через оба смесителя). Требуется тщательное экранирование и фильтрация.
Повышенное энергопотребление. Дополнительные активные элементы (гетеродины, усилители) потребляют больше энергии, что критично для портативных устройств.

Применение

Двойное преобразование частоты широко применяется в устройствах, где требуется высокая избирательность и чувствительность в широком диапазоне частот:

Профессиональные и любительские связные приёмники и трансиверы (КВ и УКВ диапазонов). Практически все современные трансиверы среднего и высокого класса (например, Icom IC-7300, Yaesu FT-991A, Elecraft K3) используют двойное, а иногда и тройное преобразование.
Радиовещательные приёмники высокого класса (особенно для приёма программ на коротких волнах).
Радиосканирующие приёмники (сканеры), работающие в диапазоне от 25 до 2000 МГц.
Измерительная техника: спектроанализаторы, измерители частоты, селективные вольтметры.
Радиолокационные станции и системы радионавигации.
Спутниковая связь (приёмники спутникового телевидения и модемы).

Интересные факты

В некоторых высококачественных радиоприёмниках применяется тройное преобразование частоты. Это позволяет ещё сильнее разнести рабочие частоты и побочные каналы, но значительно усложняет конструкцию.
В эпоху ламповой техники реализация двойного преобразования была сложной задачей из-за габаритов, нагрева и нестабильности ламповых гетеродинов. С появлением транзисторов и микросхем эта задача была решена.
В современных SDR (Software Defined Radio) приёмниках двойное преобразование часто реализуется программно-аппаратным способом: первое преобразование выполняется аналоговым смесителем на высокую ПЧ, а второе — цифровым способом (в цифровом понижающем преобразователе, DDC) после аналого-цифрового преобразования.

Источники

Горохов П. К. «Радиоприёмные устройства». — М.: Связь, 1978.
Радиоприёмные устройства: Учебник для вузов / Под ред. Н. Н. Фомина. — М.: Радио и связь, 1996.
Ред Э. Т. «Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике». — М.: Мир, 1990.
Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 2003.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →