www.quad.ru

\главная\р.л. конструкции\трансиверы\...

Секреты преобразования частоты или как работает ключевой смеситель?

(Примечание автора – это исправленный и переработанный вариант статьи, опубликованной на форуме CQHAM.RU по приемникам прямого преобразования в декабре 2005 года, подготовлен специально для публикации на СКР)

Введение.

Одним из наиболее важных элементов любого приемника является первый смеситель. Параметры этого устройства фактически определяют наиболее важные параметры приемника, такие как чувствительность и динамический диапазон (ДД). Все радиолюбители в последнее время стремятся к одному – получить чувствительность в долях микровольта и динамический диапазон за 110-120 дБ, что само по себе простыми техническими решениями получить практически невозможно. Приходится существенно усложнять конструкцию. А всегда ли это так необходимо? Можно прикинуть – например, сигнал шумов диапазона у Вас составляет 0,5 мкВ, сигнал помехи от соседнего передатчика по S-метру составляет 59+50дБ (15 мВ), то динамический диапазон сигналов на входе приемника составит 90дБ. Следовательно, при наличии в приемнике смесителя с таким ДД, вы сможете нормально работать в эфире на одном диапазоне с соседом. И не испытывать проблем при условии, что передатчик соседа хорошо отлажен и не сыплет помехами по всему диапазону (тут уже ничего не спасет, даже входной аттенюатор, использование которого расширяет ДД сверху). Другое дело работа в контестах и вечером на 40 метров. Там сигналы станций могут проходить с уровнем S9+60 дБ и даже больше. А это уже 50 мВ и более. Вот здесь уже потребуется приемник с ДД по интермодуляции 100 дБ и даже больше и обязательно входной аттенюатор. А это будет стоить денег, иногда и не малых. В остальных случаях и на ВЧ диапазонах надобность в таких значениях ДД, как правило, отсутствует. На мой взгляд, исходя из данного примера, следует выбирать тот или иной вариант приемника под свои потребности и финансовые возможности…

Классические схемы смесителей, работающие на синусоидальных сигналах гетеродина, в последнее время повсеместно заменяются импульсными смесителями, работающими с сигналами гетеродина, имеющими форму прямоугольных импульсов. Происходит так потому, что такие смесители позволяют получить более высокие параметры приемника. Однако материалы нашего форума на СКР, посвященного прямому преобразованию частоты показывают, что иногда радиолюбители-конструкторы таких смесителей получают посредственные параметры и сталкиваются с проблемой плохой работы смесителя. Почему же так происходит? Что такого особенного нужно знать в схемотехнике ключевого смесителя, чтобы не попасть в такую ситуацию? Прежде всего, нужно помнить о том, что при замыкании ключа происходит непосредственное подключение источника сигнала к нагрузке, со всеми вытекающими отсюда последствиями. А их немало…

В отношении таких смесителей наиболее важным параметром, наряду с внутренним сопротивлением открытого ключа, является форма сигнала гетеродина. Вокруг смесителей этого типа появилось много различных легенд и толкований принципов их работы. Так это или не так – цель данной статьи. Объяснять закономерности работы таких смесителей при помощи формул будет сложно для восприятия широкой аудиторией, т.к. многие радиолюбители не имеют достаточной математической подготовки. Поэтому решено было попытаться изложить материал по теории работы ключевых смесителей в популярном изложении на примере наглядной математической модели, в которой реакция схемы смесителя на изменение своих параметров наглядно отображается на экране осциллографа. Автор использовал широко доступную программу-симулятор Electronics Workbench 5.12, которая достаточно хорошо работает только с несложными математическими моделями. Такой подход требует большого графического материала, но с этим придется примириться. Преимущество в том, что многие читатели смогут сами повторить описанные математические эксперименты на своих компьютерах и получить более полную информацию о смесителях, чем та, которую автор смог вместить в рамки относительно небольшой статьи.

1. Описание модели ключевого смесителя.

Автор решил не мудрить с моделированием параметров диодов, транзисторов или микросхем, и остановился на ключе в чистом виде – электромагнитном реле, точнее на его математической модели. Частота переключения идеального реле ничем не ограничена, параметры сопротивления ключа в проводящем состоянии можно задавать от сотых долей Ома до сотен кОм. Емкость проходная отсутствует. Сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико. Важно также то, что сигнал гетеродина полностью развязан от исходного сигнала и не оказывает на него никакого влияния. Практически идеальный вариант ключа, для того, чтобы увидеть на практике как зависят результаты работы смесителя от величины сопротивления нагрузки и «запоминающей» емкости (более точно ее называть интегрирующей или фильтрующей, но не будем спорить о терминологии – можно назвать её и иначе, т.к. она необходима для выделения полезного сигнала работы смесителя), а так же внутреннего сопротивления замкнутого ключа и зависимости формы выходного сигнала от формы сигнала гетеродина.

Примененная автором математическая модель ключевого смесителя представлена на рис.1 и содержит всего 6 элементов. Источник сигнала представляет собой генератор синусоидальной частоты (ГСЧ) с выходным сопротивлением 50 Ом (на схеме его не видно, но оно задано в описании параметров). Установлена частота 500 кГц и амплитуда 1 вольт. Выбор данной частоты произволен и автором выбран исключительно потому, что часто встречается в радиолюбительской практике. Функции гетеродина возложены на функциональный генератор (ФГ), способный вырабатывать синусоидальные, треугольные и прямоугольные сигналы, с возможностью изменения их частоты и скважности. Для того чтобы увидеть на экране осциллографа НЧ сигнал, частота установлена 499 кГц. В этом случае мы должны увидеть после смесителя синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц. Функции смесителя выполняет идеальное реле, у которого сопротивление замкнутого ключа равно 50 Ом (на схеме его не видно, но оно задано в описании параметров ключа).

Сопротивление нагрузки выбрано также 50 Ом. Конденсатор нагрузки установлен 2мкФ и будет иметь несколько значений, но об этом ниже. Для наблюдения за работой смесителя используется осциллограф. Таким образом, данная модель представляет собой идеальный ключевой смеситель (ИКС) для приемника прямого преобразования (ППП).

Напряжение срабатывания реле установлено 1 В, а напряжение ФГ – 2 вольта, чтобы обеспечивалось надежное переключение реле.

Рис.1 Математическая модель смесителя ключевого типа для ППП.

Рис.1. Модель смесителя ключевого типа для ППП

На что хотелось бы обратить внимание читателей, так это на то, что происходит при замыкании ключа. Большая по величине емкость разряжена в исходном состоянии до нуля вольт. Замкнутый ключ испытывает бросок тока заряда емкости. Величина его определяется выходным сопротивлением ГСЧ, внутренним сопротивлением ключа и величиной выходного напряжения ГСЧ. В дальнейшем при размыкании ключа накопленный емкостью заряд отдается в нагрузку. Величина тока в нагрузке определяется величиной напряжения на емкости и величиной сопротивления нагрузки. В дальнейшем замыкание и размыкание ключа периодически подключает емкость к выходу ГСЧ, тем самым, закорачивая его на землю, поскольку для токов ВЧ реактивное сопротивление емкости очень мало, и фактически представляет собой короткое замыкание. Понятно, что при этом источник сигнала испытывает крайне неприятный режим своей работы, т.е. в какие-то моменты времени он работает в режиме холостого хода, когда ключ разомкнут, а в другие моменты работает в режиме короткого замыкания на выходе. Именно поэтому величина внутреннего сопротивления замкнутого ключа играет существенную роль в ключевых смесителях. Условием согласования по мощности является равенство сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Только в этом случае происходит передача максимально возможной мощности сигнала в нагрузку, поскольку они работают в согласованном по мощности режиме. Т.е. напрашивается вывод о том, что оптимальным является вариант, когда внутреннее сопротивление ключа равно сопротивлению источника сигнала. Если оно не равно, то следует принять необходимые меры – поставить дополнительные уравнивающие резисторы последовательно с малым сопротивлением ключа, или установить на входе ключа согласующий повышающий трансформатор, если сопротивление ключа выше сопротивления источника сигнала, или понижающий – в противоположном случае. Это значительно упрощенный вариант пояснения особенностей работы смесителя, т.к. надо учесть еще и влияние резистора нагрузки и прочих факторов. Но суть дела от этого принципиально не изменяется, поскольку Rн зашунтировано малым реактивным сопротивлением емкости и на ВЧ его влияние минимально. Одновременно хочется обратить внимание и на такой факт, что внутреннее сопротивление ключа и емкость образуют RC-фильтр НЧ (ФНЧ), предотвращая проникновение ВЧ сигналов в нагрузку – исходного ВЧ сигнала и ВЧ продуктов преобразования, в данном случае с частотой в 2 раза выше исходной. Типовая амплитудная характеристика ФНЧ этого типа за частотой среза -6 дБ/октаву. Ясно, что в такой схеме емкость должна иметь вполне определенное значение, чтобы получить частоту среза выше верхней частоты модуляции исходного сигнала, иначе полезный сигнал будет ослабляться и коэффициент преобразования смесителя окажется ниже максимально возможного. При расчете частоты среза ФНЧ следует обязательно учитывать величину сопротивления нагрузки. Приведенные намеренно упрощенные рассуждения показывают, что все приведенные на математической модели элементы взаимосвязаны и все вместе определяют достижимые параметры смесителей этого типа. В том, что это действительно так, нам и предстоит убедиться.

2. Проверка работоспособности модели.

Данная схема работоспособна и наглядно демонстрирует преобразование частоты 500кГц в частоту 1 кГц, что мы и видим на рис.2 .

Рис.2 . Выходной сигнал смесителя частотой 1 кГц.

Рис.2. Выходной сигнал смесителя частотой 1 кГц.

Зеленая синусоида – это сигнал, снимаемый с резистора нагрузки, а синяя полоса – это сигнал ФГ. Какие выводы можно сделать, глядя на осциллограмму? Сигнал действительно имеет форму синусоиды с частотой 1 кГц. Однако форма сигнала размыта из-за наличия шумов в сигнале. В данном случае - продуктов преобразования исходной частоты, т.к. других источников шумов в данной модели нет. При наличии параллельной емкости 2 мкФ величина этих помех довольно велика. Амплитуда сигнала от пика до пика равна примерно 1.65 вольта. Таким образом, коэффициент преобразования смесителя равен Кп =1,65/2=0,825 (- 1,67 дБ). Это вполне согласуется с данными классической теории преобразования. Эту величину следует назвать предельно достижимым коэффициентом преобразования смесителей ключевого типа. На практике реальная величина всегда будет меньше, но, по крайней мере, теперь ясно где находится теоретический предел для этой величины. Величина помехи на модели получилась примерно 180 мВ (см. рис. 3). Соотношение амплитуды сигнал/шум на выходе смесителя составляет примерно 9,18 или 19,2 дБ. Неплохо, но хотелось бы лучше. Вместе с тем, эта величина может быть названа типовой теоретической шумовой характеристикой смесителя при заданных исходных параметрах. При других значениях параметров эта величина может быть как меньше, так и больше. Нужно выяснить, при каких параметрах достигается улучшение.

Рис. 3. Форма сигнала помехи на конденсаторе С = 2мкФ.

Рис. 3. Форма сигнала помехи на "запоминающем" конденсаторе С=2мкФ.

Существует миф о том, что номинал этой емкости следует уменьшать. Так ли это? Сейчас проверим (рис. 4)… Осциллограмма показывает, что амплитуда помехи выросла до 296 мВ при сохранении амплитуды полезного сигнала. Сигнал/шум = 14,66 дБ.

Рис. 4. Форма сигнала помехи на конденсаторе С= 1 мкФ.

Рис.4. Фолрма сигнала помехи на "запоминающем" конденсаторе С=1мкФ.

Наверное, комментарии в данном случае излишни…

Причина в том, что интегрирующая цепочка, образованная сопротивлением ключа и емкостью, при уменьшении величины емкости увеличивает частоту среза в связи с уменьшением постоянной времени. Т.е. фильтрующие свойства ФНЧ ухудшились, что мы и наблюдаем на экране осциллографа.

Проверим, что будет, если емкость конденсатора увеличить (рис. 5) .

Рис. 5. Форма сигнала помехи на конденсаторе С = 3 мкФ.

Рис. 5. Форма сигнала помехи на "запоминающем" конденсаторе С=3мкФ.

Хорошо видно, что при сохранении амплитуды полезного сигнала величина помехи снизилась до величины 82 мВ. Соотношение сигнал/шум = 26,07 дБ.

Таким образом, не подтверждается, что целесообразно уменьшать величину этой емкости. Поскольку наглядно видно, что с увеличением емкости помеха ослабляется, т.е. емкость не только запоминает уровень сигнала по мощности, но и фильтрует помехи преобразования, очищая полезный сигнал от них. Классическая теория утверждает, что именно так и происходит. При этом сама емкость совместно с сопротивлением ключа смесителя образует RC-фильтр нижних частот (ФНЧ) и предотвращает проникновение входного сигнала и продуктов преобразования на вход УНЧ приемника прямого преобразования.

Исходя из этого, становится ясно, что при известном сопротивлении ключа эта емкость должна иметь такую величину, чтобы получился ФНЧ с частотой среза, равной верхней полезной частоте, т.е. в случае SSB необходимо иметь 3кГц. Формула известна, и при сопротивлении ключа 50 Ом необходимо применять емкость порядка 1,06 мкФ, а при частоте среза 1 кГц – 3,18 мкФ. Что фактически мы и видим на приведенных выше осциллограммах (при других сопротивлениях ключа емкости будут иметь другой номинал). Главный вывод математической модели - в идеальном случае мы не можем получить смеситель с Кп > 0,825 и соотношение сигнал/шум лучше 27 дБ. Поскольку данный однотактный смеситель идеальный, то его динамический диапазон неограничен и для всего ППП будет определяться ДД первого каскада УНЧ. Об этом следует также помнить в реальных конструкциях, иначе не получите ожидаемого результата. Можно ли еще каким-нибудь способом уменьшить сигнал помехи, попадающий на вход первого каскада УНЧ? Да, есть еще один вариант – применить диплексер, который не просто отфильтрует помеху, но и поглотит её. Тем самым улучшит соотношение сигнал/шум и общую динамику сигнала на входе УНЧ. Но об этом ниже…

2. Зависимость от сопротивления нагрузки.

Попробуем увеличить нагрузку в 10 раз, т.е. 500 Ом (см. рис. 6 и 7). При этом амплитуда полезного сигнала практически не изменилась, т.е. Кп остался прежним. Это вполне объяснимо, т.к. на величину полезного сигнала в первую очередь влияет согласованность внутренних сопротивлений ГСЧ и ключа. Однако амплитуда помехи возросла с 82 до 145 мВ, т.е. почти на 5 дБ. Причем на осциллограмме видно, что амплитуда помехи возрастает именно вблизи точки перехода полезного сигнала через ноль. Данный результат показывает, что не следует стремиться к увеличению сопротивления нагрузки ключевого смесителя, т.к. это может привести к ухудшению параметра отношения сигнал/шум смесителя. Выигрыш в предполагавшемся увеличении Кп смесителя тоже не оправдался. Делайте из этого эксперимента правильные выводы! Уменьшение нагрузки до 25 Ом приводит к незначительному снижению амплитуды сигнала на 0,1 В и возрастанию сигнала помехи до 134 мВ. Практически это подтверждает требование классической науки о необходимости обязательного согласования сопротивлений смесителя по входу и по выходу. Любое рассогласование приводит к ухудшению максимально достижимых параметров смесителя по Кп и отношению С/Ш на выходе ключевого смесителя. В данном случае привязка должна осуществляться по сопротивлению источника сигнала, прямому сопротивлению ключа и нагрузки смесителя.

Рис. 6. Выходной сигнал при R=500 Ом.

Рис. 6. Выходной сигнал рпи R=500 Ом.

На осциллограмме рис.6 видно, что практически она не отличается от вида сигнала на рис.2., что собственно и должно быть на практике. Что происходит с амплитудой помехи показано на следующей осциллограмме рис.7. Обычно в этом месте задают вопрос - так ли уж необходимо всегда выполнять схемотехнику смесителей только в 50-омном исполнении? По данным нашей модели получается, что привязку по сопротивлениям следует сначала выполнить исходя из имеющейся величины сопротивления замкнутого ключа. Каждый ключевой элемент – диод, транзистор или микросхема имеет вполне определенную величину сопротивления в проводящем состоянии. Ее и следует брать за основу при определении схемотехники смесителя. Применение пассивных трансформирующих цепей (с учетом потерь в них) позволяет применить и другие значения. Например, диодные ключевые смесители могут иметь входное сопротивление в разных режимах от 100 Ом до 1 кОм. Следовательно, чтобы получить хороший результат, нужно трансформировать входное сопротивление источника сигнала 50 Ом в соответствующее входное сопротивление смесителя. Сделать это можно, применив резонансный контур с индуктивной или емкостной связью (узкополосный вариант) или широкополосный трансформатор на ферритовом кольце. При этом желательно сначала вычислить или фактически измерить, какое именно входное сопротивление имеет Ваш смеситель, чтобы сильно не ошибиться в конструкции того или другого способа согласования. Широкополосность не всегда является лучшим решением, т.к. в большинстве случаев с ростом частоты входное сопротивление смесителя уменьшается из-за влияния паразитных емкостей.

Рис.7. Сигнал помехи при R=500 Ом и С=3,18 мкФ.

Рис. 7. Сигнал помехи при R =500 ом и С=3,18 мкФ.

3. Зависимость параметров смесителя от сопротивления ключа.

Существует интуитивное предположение о том, что чем меньше сопротивление ключа – тем лучше работает смеситель. Поэтому все стремятся достать ключевые микросхемы с сопротивлением канала менее 10 Ом. Однако при этом забывают, что мультиплексор в данном случае (в качестве смесителя) отнюдь не линейное устройство, а скорее наоборот – нелинейное. Моделирование смесителя с сопротивлением канала 5 Ом нисколько не улучшает параметры, наоборот ухудшает их. Амплитуда выходного сигнала упала до 1,5 В, т.е. Кп = 0,75, а сигнал помехи увеличился до 128 мВ. Таким образом, зависимость оказалась прямо противоположной той, которая ожидалась. Что бы это значило? Вероятно фильтрация, получаемая за счет RC фильтра, образованного сопротивлением канала ключа и емкостью нагрузки, стала менее эффективной. Ведь частота среза фильтра выросла в 5 раз. При снижении сопротивления ключа происходит также ослабление развязки нагрузки от источника сигнала. Если ранее источник сигнала нагружался по ВЧ на сопротивление канала ключа, что также равно 50 Ом, то теперь этого не происходит. Фактически общее сопротивление замкнутой цепи для входного тока стало равным не 100 Ом, как было ранее, а 55 Ом. Следует учитывать и тот факт, что при замыкании ключа к выходу источника сигнала подключается довольно большая емкость конденсатора, которая сильно шунтирует выходные цепи источника сигнала. В реальных схемах там могут стоять контура, которые данная емкость будет сильно шунтировать. Поэтому нужно будет обязательно принимать меры к развязке низкоомного входа смесителя от ДПФ. Такую функцию обычно возлагают либо на усилитель с высоким ДД не ниже чем ДД смесителя, и небольшим коэффициентом усиления, либо на истоковый повторитель (какой вариант предпочтительнее выбирается самим конструктором). Снизить влияние низкоомного ключа можно также путем включения на его входе резистора, величина которого и будет определять входное сопротивление смесителя во ВЧ, а заодно и участвовать в процессе фильтрации продуктов преобразования. Можно увидеть влияние смесителя на источник сигнала, если подключить осциллограф к входу смесителя. То, что я там увидел совсем не похоже на идеальную синусоиду, которую выдает ГСЧ без смесителя. Там присутствует очень сложное по форме колебание, которое сформировалось в смесителе в результате преобразования частот. Обращаю Ваше внимание – НА ВХОДЕ СМЕСИТЕЛЯ! Это и есть результат неприятного свойства всех пассивных смесителей – двунаправленность. Активные смесители этим практически не страдают, т.к. у них выход существенно развязан от входа большим внутренним сопротивлением активного элемента. Поэтому оставим пока этот вопрос открытым. Нужно всегда помнить о том, что результирующий сигнал работы смесителя попадает не только в нагрузку, но и возвращается обратно в источник сигнала через замкнутый ключ. Увеличение сопротивления канала ключа, на удивление, не приводит к снижению Кп, но также ухудшает отношение С/Ш. В научных экспериментах в таких случаях обычно утверждают, что раз мало Ом – это плохо и много Ом – тоже плохо, значит, существует некое оптимальное значение, типа «золотая середина», которое следует использовать на практике. Почему наиболее часто применяется 50 или 75 Ом, мы обсуждать не будем. Ясно одно – для ключевых смесителей очень важно соблюдать равенство входного сопротивления смесителя сопротивлению источника сигнала. К чему приводит несоблюдение этого правила, мы только что показали на простой модели смесителя.

Рис.8. Сигнал помехи при Rключа=5 Ом и С=3,18 мкФ и Rн = 50 Ом.

Рис.8. Сигнал помехи при Rключа =5 Ом и С=3,18 мкФ и Rн =50 Ом.

Остается еще один чрезвычайно важный момент, ограничивающий достижимый ДД ключевого смесителя. Речь идет о собственной линейности амплитудной характеристики полупроводникового канала ключа. На моей модели его не смоделируешь. У меня ключ абсолютно линейный, чего на практике не бывает. Реальные ключи имеют вполне конкретные величины токов и напряжений, при которых величина сопротивления ключа остается постоянной, а затем начинается увеличение или уменьшение этой величины. Здесь мы также должны учитывать естественный разброс параметров ключей даже выращенных на одном кристалле. Есть очень простой путь улучшить линейность и уменьшить разброс параметров каналов ключей – установить последовательно с каналом ключа дополнительные резисторы. При этом общее сопротивление ключа возрастет и обязательно потребуется применить согласование любого типа по входу и по выходу под полученное новое значение параметра ключа. Потери при этом несколько возрастут, но их легко скомпенсировать увеличением усиления НЧ тракта. Но линейность повысится!

4. Зависимость от скважности сигнала гетеродина.

Существует миф о том, что укорочение длительности импульса гетеродина приводит к росту параметров ключевого смесителя. Вариантов ключевых смесителей много. У нас в данном случае испытывается смеситель, работающий на основной частоте. Но существуют и другие, работающие на гармониках частоты гетеродина, в частности, при частоте гетеродина в 2 раза меньшей, чем частота сигнала. О них позже.

Формулы показывают, что этого быть не должно. Такой же результат показывает и наша модель (см. рис.9). Укорочение длительности импульса в 2 раза (duty cicle = 25%, скважность равна 4)

Рис.9. Выходной сигнал при скважности импульса 4.

Рис.9. Выходной сигнал при скважности импульса 4.

Рис.10. Входные сигналы при скважности 4 (импульс короче полупериода сигнала).

Рис. 10. Входные сигналы при скважности 4.

приводит к снижению Кп с 0,825 до 0,46 (-6,7 дБ), что очень хорошо видно на осциллограмме рис. 9. Да и форма сигнала остается «загрязненной» продуктами преобразования. Чтобы понять, почему так происходит достаточно взглянуть на форму нормального меандра вместе с формой входного сигнала, а затем проделать то же самое с укороченными импульсами. Классическая теория утверждает, что для ППП оптимальным является случай, когда длительность импульса гетеродина близка к длительности полупериода входного сигнала. Т.е. работает одна полуволна сигнала. На время второй полуволны ключ должен быть закрыт, иначе емкость разрядится и не сможет запомнить уровень мощности принимаемого сигнала. Об этом забывают, когда гетеродины начинают работать на половинной частоте сигнала. Меандр половинной частоты имеет длительность импульса, равную (точнее очень близкую) длительности периода входного сигнала, а не его половины (как должно быть). Поэтому с переходом на пониженные частоты гетеродинов нужно принимать меры к тому, чтобы восстановить это оптимальное соотношение длительностей. Как только это условие выполняется, происходит «взрыв» роста чувствительности смесителя. Некоторые радиолюбители, увидев такой эффект, поспешили его запатентовать и назвать «Тайлое детектор» или как-нибудь еще (не суть важно). Некоторые пошли еще дальше и стали утверждать, что дальнейшее укорочение импульсов приводит к еще большему улучшению параметров ключевого смесителя. Так ли это? Скорее всего, не так. Причина в том, что емкость получает максимальную энергию при длительности именно в полпериода (фактически интегрирует сигнал). Укорочение импульса будет сокращать энергию сигнала, поступающую на емкость, т.е. должно привести к падению Кп. В этом легко убедиться на данной простой модели, что и предлагается сделать самим читателям самостоятельно.

5. Зачем нужен диплексер после смесителя?

Вопрос этот хорошо изучен теоретически и практически. Встречаются они в основном только в профессиональной аппаратуре. В первую очередь там, где используются диодные смесители. Радиолюбители в погоне за упрощением конструкции диплексерами обычно пренебрегают или используют самый примитивный их вариант – параллельно выходу смесителя подключают RC-цепочки, задача которых – выровнять величину нагрузки смесителя для ВЧ продуктов. Это несколько лучше, чем ничего, но это всего только полумера. Диплексеры специально придуманы были для пассивных смесителей, т.к. именно они обладают неприятным свойством двунаправленности. Это означает, что продукты преобразования и сигналы в смесителе свободно распространяются в обе стороны – от входа к нагрузке и от нагрузки к входу смесителя (и далее в антенну через ДПФ). Диплексеры бывают и на входе пассивных смесителей, особенно высокоуровневых. Там у них похожая задача – поглотить продукты преобразования за пределами рабочей частоты. В приемниках необходимо прежде всего развязать полезные НЧ сигналы смесителя от ВЧ продуктов преобразования, которые способны повлиять на искажение полезного сигнала во входных каскадах УНЧ. Сделать это можно простым поглощением этих продуктов на отдельном резисторе. Для этого достаточно поставить на выходе смесителя НЧ Г-образный фильтр для полезного сигнала и ВЧ Г-образный фильтр для продуктов преобразования со своим сопротивлением нагрузки в каждом из них – это и есть диплексер, устройство разделения нагрузки на два канала – высоко- и низкочастотный, схема которого и выходные сигналы представлена на рис.11.

Рис.11. Модель ИКС с диплексером в нагрузке.

Рис. 11. Модель ИКС с диплексером в нагрузке.

Схема диплексера взята из Интернета с одного из американских сайтов, посвященных разработке ППП, и предлагалась для установки после диодных кольцевых смесителей, о чем неоднократно говорилось на нашем форуме, но на практике в последних разработках ППП наших активистов применения не нашло. Обе индуктивности имеют по 10мГн, одна из которых в модели поставлена переменной для проведения экспериментов. Схему можно и упростить выбросив первую индуктивность и оставив только RC-цепочку на входе. Можно, но только следует принять меры к снижению паразитных индуктивностей. Наилучшим решением здесь будет применение СМД технологии. При использовании обычных компонентов их выводы должны быть укорочены до минимально возможной длины.

На рис. 11 зеленым цветом представлен полезный сигнал, очищенный НЧ фильтром диплексера, а синим цветом представлен тот же сигнал на входе диплексера. Невооруженным взглядом видно, как существенно очистился полезный сигнал от имеющихся помех. Измерения показывают, что величина помехи может уменьшиться примерно в 10 раз, т.е. на -20 дБ. По-моему, это неплохой результат, который вполне заслуживает применения в реальных наших конструкциях.

Известно множество различных схем диплексеров для применения как в ППП, так и в обычных супергетеродинах. Не все они одинаково эффективны и на самом деле не так просты, как кажется на первый взгляд. Они часто встречаются в профессиональной аппаратуре, но в радиолюбительских разработках они почти не встречаются, и совершенно напрасно. Как именно нужно строить «правильные» диплексеры – выходит за рамки этой статьи и требует отдельного обсуждения. Этот вопрос можно посмотреть в многочисленных материалах по Интернету. Однако у меня сложилось убеждение в том, что отсутствие применения диплексеров в ключевых смесителях отчасти связано с тем, что в самом смесителе все-таки содержится простой ФНЧ, о котором мы говорили выше. Более того, в ППП помеха в смесителе имеет частоту, значительно превышающую полезную НЧ частоту сигнала, и существенно ослабляется по сравнению с тем, что мы имеем в обычных типовых балансных схемах с применением синусоидальной формы гетеродина. У них спектр преобразования значительно «грязнее», чем у ключевых смесителей, за счет наличия четных гармоник. Это факт, который также является преимуществом ключевых смесителей, у которых четные гармоники в преобразовании практически отсутствуют.

6. ИКС на гармониках.

Выше мы уже показали, что ключевой смеситель может работать на гармониках частоты гетеродина. Преимущества такого варианта обсуждались на форуме, осталось только уточнить кое-какие детали. Как и следует ожидать, при работе на 2-й гармонике гетеродина (частота гетеродина в два раза ниже принимаемой частоты) со скважностью 4 импульсного сигнала гетеродина Кп смесителя в этом случае ниже и составляет примерно 0,34 и сигнал помехи имеет уровень тоже выше. При этом отношение С/Ш составляет примерно13-14 дБ. Сравните с теми же параметрами, приведенными выше для основной гармоники, и выводы сделайте сами. В этом случае диплексер просто крайне необходим для существенного улучшения соотношения сигнал/шум на выходе смесителя.

Существует заблуждение, что смеситель может хорошо работать только не меандровых сигналах гетеродина. Это не так. Скважность можно сделать и 10 и 20, но при этом важно выполнить одно главное условие – длительность импульса должна быть близкой к половине периода преобразуемого сигнала. Смеситель будет работать по одной простой причине – частота гетеродина в любом случае остается в десятки раз выше верхней частоты полезного НЧ сигнала, сколько бы ее не прореживали. А это непременное условие для нормальной работы смесителя. Но параметры ключевого смесителя всегда будут хуже максимально теоретически достижимых. К достоинствам ИКС следует отнести тот факт, что он фактически не преобразует на четных гармониках гетеродина, потому что их в меандре нет. ИКС может вполне прилично работать на нечетных гармониках гетеродина с ослаблением приема по мере роста номера гармоники. Это справедливо если исходная форма сигнала гетеродина является меандром. При укорочении длительности импульса происходит обогащение спектра сигнала гетеродина четными гармониками, на которых становится возможным преобразование сигнала, т.е. появляется множество паразитных каналов приема. О применении таких смесителей на передачу лучше забыть – они не пригодны из-за сильного загрязнения сигнала продуктами преобразования, избавиться от которых очень и очень сложно. Проще сделать классический балансный смеситель активного типа и получить прекрасный чистый выходной SSB-сигнал приличной мощности, снизив тем самым количество последующих высоко линейных каскадов усиления по мощности. А это тоже важно, т.к. упрощает конструкцию передающего тракта в целом.

7. Основные выводы.

Заключение.

Автор в данной статье не преследовал никакой иной цели, кроме как в популярном виде изложить некоторые принципиальные особенности теории работы смесителей ключевого типа. И тем самым дать возможность многочисленным радиолюбителям-конструкторам избежать явных ошибок. Удалось ли это мне, или нет, - судить моим читателям. Популяризатором быть крайне сложно и далеко не у всех получается… Если мне это не удалось, то прошу меня извинить. С удовольствием приму конструктивную критику. Понимаю, что кому-то что-то будет не до конца понятно. Я сразу оговорился, что использовал сильно упрощенную модель и старался не выходить за ее рамки. Много на самом деле просто осталось, что называется, «за кадром». Нельзя объять необъятное, хотя можно к этому стремиться всю жизнь… На самом деле модели могут быть более сложными и результаты будут несколько иными и более точными в части конкретных величин – коэффициента преобразования и отношения сигнал/шум. Но суть дела они не изменят, поскольку математический аппарат анализа таких цепей останется прежним.

На самом деле ничего принципиально нового в данной статье нет. Да и принятая автором форма изложения материала тоже не является чем-то новым. Возможно, новыми для читателя покажутся некоторые выводы в статье, полученные автором, которые на первый взгляд противоречат интуитивным предположениям некоторых радиолюбителей о тех или иных свойствах ключевых смесителей. В частности это касается оптимизации длительности импульсов гетеродина. Это верно только отчасти, т.к. целый ряд результатов в этом направлении ранее был получен и другими радиолюбителями, только применялся для конкретной конструкции смесителей и не рассматривался в таком контексте. Все это известно на основании классической теории радиоцепей и результатов практических разработок как наших, так и зарубежных радиолюбителей. В конце статьи обычно принято давать перечень использованной литературы. Я этого не делаю потому, что использовал только материалы, опубликованные в Интернете, и нисколько не претендую на свое авторство тех идей, которые явным или неявным образом попали в эту статью. В основе лежат материалы, с которыми можно ознакомиться на форуме СКР http://forum.cqham.ru/viewtopic.php?t=4032, а также целого ряда других форумов и радиолюбительских сайтов не только СНГ, но и многих других стран, посвященных технике прямого преобразования. Поводом для написания статьи послужило также множество других материалов, количество файлов которых на моем компьютере перевалило за 300 наименований, перечислять их все, скорее всего, никому не нужно. Возможно в статье не все в полном порядке с общепринятой терминологией, принятой для публикации в строгих научных изданиях такого рода. Но ведь это не строго научная статья, а всего лишь попытка популярного изложения общеизвестных теоретических принципов. Поэтому прошу простить мне некоторую вольность в изложении и не судить меня строго.

В итоге хочу выразить свою признательность В.Т. Полякову и всем другим истинным приверженцам техники прямого преобразования, а также всем моим коллегам по форуму, прежние и новые работы которых вдохновили меня и сделали убежденным приверженцем техники прямого преобразования. Уверен, что очень скоро с применением новейших компьютерных технологий техника прямого преобразования станет в один ряд с традиционной супергетеродинной технологией и даже в чем-то превзойдет ее. Первые ласточки, в смысле реальные конструкции, в этом направлении уже есть. Правда, пока все это очень дорого и большинству наших радиолюбителей недоступно. Зато простых конструкций ППП, с прекрасными параметрами и доступных для массового повторения, авторами которых являются мои коллеги по форуму, становится все больше. Это очевидный факт, который радует всех нас, любителей техники прямого преобразования!

Валерий Лифарь (RW3DKB)
г.Королёв, январь 2006 года



Глас народа
19.05.2011 20:37 Не мог бы кто-нибудь подсказать литературу или материалы по расче...  --  UB9WAC
23.12.2009 02:14 Статья полезна коренным раскрытием сути смесителя впринципе. Что ...  --  Sergey
22.04.2008 23:56 А я поддеожеваю автора так как этот вопрос меня долго мучал а он ...  --  ivan219
03.03.2006 19:10 Статья действительно полезная, как первый шаг к пониманию процесс...  --  RV6AFC
10.02.2006 02:55 С таким же успехом можно описать и смоделировать «лом» который с ...  --  US7AW
04.02.2006 23:11 Спасибо всем, кто откликнулся! По причине отсутствия интернета в ...  --  RW3DKB
31.01.2006 19:53 По поводу Кп=1,65/2=0,825 Попробуйте увеличить скважность, скаже...  --  UB200
31.01.2006 15:25 По поводу согласования. Для ключевых смесителей существует вполне...  --  Петр
31.01.2006 01:07 Господа! До сего момента существовала лишь одна основополагающая ...  --  резюме
30.01.2006 18:38 1. То, что автор называет шумом, на самом деле никакой не шум (сл...  --  dmj
30.01.2006 00:02 Валерий, все изложенное, в шутку или в серьез?...  --  km6z
29.01.2006 23:54 использование Workbench как симулятора нелинейного элемента в сме...  --  n0qr

Возврат