W.7. PRZEMIANA
CZĘSTOTLIWOŚCI
W.7. PRZEMIANA
CZĘSTOTLIWOŚCI
Przebieg sinusoidalny lub zmodulowany w amplitudzie,
częstotliwości czy fazie oprócz reprezentacji w dziedzinie
czasu ma także równoważną reprezentację w dziedzinie
częstotliwości.
W dziedzinie częstotliwości napięcie zmienne w czasie
sinusoidalnie przedstawia się nam jako pojedynczy prążek w
tzw. widmie amplitudowym. Z kolei widmo amplitudowe
sygnału zmodulowanego zajmuje w dziedzinie częstotliwości
pewne pasmo skupione wokół częstotliwości zwanej nośną.
Układy przemiany częstotliwości, zwane też mieszaczami,
służą do przesuwania widma sygnału o pewien odcinek na osi
częstotliwości.
Przesunięcie takie jest stosowane między
innymi we współczesnych urządzeniach odbiorczych i to bez
względu na rodzaj modulacji. Na przedstawionym schemacie
blokowym mieszacza do układu są doprowadzone dwa
przebiegi napięciowe:
sygnał u
s
(t)
polegający przemianie oraz
przebieg pomocniczy
u
h
(t)
,najczęściej generowany lokalnie,
nazywany
sygnałem heterodyny
.
Podstawy przemiany
częstotliwości
Podstawy przemiany
częstotliwości
Uwidoczniony mieszacz jest układem nieliniowym. Na jego
wyjściu mamy przebieg
u
w
(t)
, zawierający zawsze oprócz
składowej użytecznej (przebieg o częstotliwości
f
p
) także
składowe niepożądane. Liczba składowych niepożądanych oraz
ich charakter zależą od budowy konkretnego mieszacza. Rolą
umieszczonego za mieszaczem filtru pasmowo - przepustowego
(tzw. filtr p.cz.) jest odpowiednie wytłumienie wszystkich
składowych niepożądanych. W następnych rozdziałach omówimy
kilka wybranych układów mieszaczy, przedstawimy dla nich
zależności analityczne, definicje parametrów oraz konstrukcję.
Podstawy przemiany
częstotliwości
pasmowy
filtr p. cz.
Mieszacz z układem
mnożącym
Mieszacz z układem mnożącym
c. d.
y
x
y
x
y
x
cos
2
1
cos
2
1
cos
cos
2
cos
1
2
1
cos
2
Mieszacz z układem mnożącym
c. d.
jak widać obwiednia modulacją sygnału
niepożądanego przedostała się do obwiedni sygnału
pożądanego, który tym samym został zniekształcony.
Zniekształcenia tego typu noszą nazwę zniekształceń
intermodulacyjnych.
Tranzystorowy mieszacz
zrównoważony
Tranzystorowy mieszacz
zrównoważony
Analizując działanie mieszacza, wejście
u
s
przyjmiemy za w
przybliżeniu liniowe, z tym, że zakres liniowości możemy oszacować
na Prądy wyjściowe można wtedy przedstawić w
postaci wyrażeń
jest transkonduktancją tranzystorów dolnej pary różnicowej.
)
2
(
)
(
t
s
U
IR
t
u
t
h
s
m
U
t
u
t
u
g
I
t
i
2
)
(
tanh
)
(
)
(
1
t
h
s
m
U
t
u
t
u
g
I
t
i
2
)
(
tanh
)
(
)
(
2
RI
U
I
du
di
du
di
g
t
s
s
m
2
4
3
Funkcja tanh(x) ma następujące właściwości:
tanh(x) x dla
tanh(x) sgn(x) dla
1
x
1
x
Tranzystorowy mieszacz
zrównoważony c. d.
Tranzystorowy mieszacz
zrównoważony c. d
Tranzystorowy mieszacz
zrównoważony c. d
)
cos(
4
)
(
s
p
s
m
p
t
RU
g
t
u
Tranzystorowy mieszacz
zrównoważony c. d
s
p
s
obc
m
p
t
U
R
G
t
u
cos
2
1
Mieszacz z dwuobwodowym tranzystorem
MOSFET
Mieszacz z dwuobwodowym
tranzystorem MOSFETc. D.
Układy wielkiej
częstotliwości
w systemach
odbiorczych
Antena na wejściu
odbiornika radiowego
Schemat blokowy odbiornika
superheterodynowego
ω
p
=ω
h
–ω
s
Schemat blokowy odbiornika
superheterodynowego
z podwójną przemianą częstotliwości
• CECHY ODBIORNIKÓW REALIZOWANYCH W POSTACI
UKŁADU SCALONEGO:
Mały pobór mocy prądu stałego
Małe wymiary i masa
Niska cena
Odporność na czynniki zewnętrzne
Implementacja w zakresie częstotliwości 70 MHz – kilka GHz
Schemat blokowy cyfrowego
radiowego systemu
odbiorczego
Architektura typowego odbiornika radiowego w
systemach radiokomunikacji ruchomej
Z anteny sygnał zostaje podany na BFP – filtr pasmowo przepustowy, następnie
wzmocniony w LNA – wzmacniaczu niskoszumnym.
Po przemianie częstotliwości w mieszaczu z programowanym syntezerem
częstotliwości (najczęściej stosowana jest podwójna przemiana częstotliwości),
po wzmocnieniu w układzie ARW , następuje demodulacja do pasma
podstawowego z wydzieleniem składowej synfazowej (I) i kwadraturowej (Q).
Sygnały obu składowych są następnie próbkowane i przetworzone na postać
cyfrową.
Dalsze przetwarzanie w systemach radiokomunikacyjnych jest możliwe za
pomocą układów cyfrowego przetwarzania sygnałów DSP, z wykorzystaniem
procesorów sygnałowych lub układów ASIC. Cyfrowo dokonuje się korekcji
charakterystyki kanału, dekodowania kanałowego, deszyfracji danych i
dekodowanie źródła.
Architektura „front-end” nowoczesnego superheterodynowego
radia z podwójną przemianą, z niską częstotliwością pośrednią
I(t) – Tor synfazowy
Q(t) – Tor
kwadraturowy
Stosowane bloki:
Wzmacniacze w. cz. regulowanym wzmocnieniu, filtr
sygnału lustrzanego, mieszacze, oscylatory , filtry
pośredniej częstotliwości, wzmacniacz pośredniej
częstotliwości
FWCZ - filtr środkowoprzepustowy w.cz.
M - mieszacz
FDP - filtr dolnoprzepustowy
W - wzmacniacz sygnałów pasma podstawowego
WMS - wzmacniacz niskoszumny
LO - oscylator lokalny
90
o
– przesuwnik fazy
I(t) – Tor synfazowy
Q(t) – Tor
kwadraturowy
Odbiornik z bezpośrednią
przemianą częstotliwości
(OBP)
ω
p
=ω
h
–
ω
s
=0
a)przenikanie sygnału własnego oscylatora
b) odbiór silnego zakłócającego sygnału obcego
c) wypromieniowanie i odbiór sygnału własnego oscylatora lokalnego
Mechanizm powstawania składowej
stałej na wyjściu mieszacza
odbiornika OBP
f
LO
- częstotliwość oscylatora granicznego
f
L
, f
H
- dolna i górna częstotliwość pasma przenoszenia filtru
2(f
L
-
f
LO
)
MOC SYGNAŁU
SYGNAŁ
LUSTRZANY
SYGNAŁ
POŻĄDANY
CHARAKTERYSTYK
A TŁUMIENIA
FILTRU FSL
f
f
H
f
LO
f
L
Tłumienie sygnału
lustrzanego
a) układ Hartleya
b) układ Weavera
M – mieszacz
LO – lokalny oscylator
FDP – filtr
dolnoprzepustowy
US – układ sumujący
Schematy blokowe mieszaczy
jednowstęgowych
z eliminacją sygnału lustrzanego