СПОСОБ И УСТРОЙСТВО БЕСФИЛЬТРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
METHOD AND DEVICE FOR FILTER-FREE FREQUENCY CONVERSION

Изобретение относится к области радиотехники.
Все аналоговые тракты обработки радиосигналов, как правило, требуют преобразования частоты.
Классическая блок-схема преобразователя частоты приведена на фиг.1 и описана в (1).
Фиг.1 - классическая блок-схема преобразователя частоты
Перечень обозначений на фиг.1:
СМ - смеситель;
ГЕТ - гетеродин;
ФПЧ - фильтр промежуточной частоты.
c
г
c
г
c
г
Смеситель СМ должен выполнять операцию перемножения входного сигнала частоты f с сигналом гетеродина частоты f. Известно, что произведение двух гармонических сигналов равно полусумме сигналов с разностной (f- f) - преобразование вниз и суммарной частотами (f+f) - преобразование вверх.
Известно также, что чем ближе операция, выполняемая смесителем к произведению двух гармонических сигналов, тем меньше побочных продуктов преобразования на выходе смесителя. В настоящее время широко используется так называемый балансный смеситель, схема которого приведена на фиг.2 (2).
Фиг.2 - типовая схема балансового смесителя.
Приращения токов на Вых.1 и Вых.2 балансного смесителя пропорциональны произведению сигналов, подаваемых на Вх.1 и Вх.2, но имеют противоположные знаки. Будем называть Вых.1 - прямым, а Вых.2 - инверсным. Еще более строго операцию перемножения входных сигналов выполняет двойной балансный смеситель, в котором схемно компенсировано проникновение перемножаемых сигналов на выходы.
Необходимость применения ФПЧ является основным недостатком схемы преобразователя частот (фиг.1). Обычно ФПЧ выполняют многозвенными (LC контуры, объемные резонаторы, отрезки длинных линий, фильтры на ПАВ и т.д.) Это ограничивает возможности микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время известны транзисторные схемы фильтров (так называемые гираторы), что позволяет встраивать их в кристалл микросхемы. Однако стабильность их параметров (как фильтров) невысока, особенно сильно зависит частота от температуры кристалла. Устройства подстройки параметров гиратора достаточно сложны и в общем случае могут потребовать применения дополнительных навесных элементов.
Основной задачей предлагаемого способа и устройства бесфильтрового преобразования частоты является устранение указанных недостатков прототипа.
Данная задача решается тем, что в способ бесфильтрового преобразования частоты, включающий операцию перемножения входного сигнала с сигналом гетеродина и выделение нужного продукта преобразования в сигнал промежуточной частоты с разностью частот входного сигнала и гетеродина, или с их суммой, дополнительно вводят несколько операций, а именно, предварительно расщепляют на квадратурные проекции и входной сигнал и сигнал гетеродина - косинусную (опережающую) и синусную (запаздывающую), каждую составляющую входного сигнала перемножают с каждой составляющей гетеродина и в соответствии с формулами тригонометрии для косинуса и синуса суммы и разности двух углов, формируют косинусную и синусную квадратурные проекции сигнала промежуточной частоты.
H1
H2
Н1
Н2
Н1
Н2
Данная задача решается также тем, что в устройство, реализующее способ и включающее смеситель и гетеродин, дополнительно введены фазорасщепители входного действительного сигнала и сигнала гетеродина на квадратурные составляющие, косинусную и синусную, в качестве смесителя используют четыре одинаковых перемножителя - балансных смесителя, нагружаемые на первый и второй нагрузочные резисторы (первый R и второй R), причем первый выход (косинусный) фазорасщепителя входного сигнала соединяют с первыми входами первого и второго перемножителей - балансных смесителей, второй выход (синусный) этого фазорасщепителя соединяют с первыми входами третьего и четвертого перемножителей - балансных смесителей, первый выход фазорасщепителя гетеродина (косинусный) соединяют со вторыми входами первого и третьего перемножителей - балансных смесителей, второй выход этого фазорасщепителя - со вторыми входами второго и четвертого перемножителей - балансных смесителей; для преобразования частоты вниз первый нагрузочный резистор (R) соединяют с первыми выходами первого и четвертого перемножителей - балансных смесителей, второй нагрузочный резистор (R) с первым выходом третьего перемножителя-балансного смесителя и вторым выходом второго перемножителя-балансного смесителя, для преобразования частоты вверх первый нагрузочный резистор (R) соединяют с первым выходом первого перемножителя-балансного смесителя, второй нагрузочный резистор (R) с первым выходом третьего и первым выходом второго перемножителей - балансных смесителей.
Это достигается путем некоторого усложнения транзисторной части преобразователя с использованием квадратурных составляющих как входного сигнала (и выходного), так и гетеродина. Усложнение, связанное с использованием квадратур как входных сигналов, так и выходного сигнала преобразователя, не является недостатком, поскольку однократное расщепление входных сигналов на квадратурные проекции расширяет функциональные возможности дальнейшей обработки радиосигналов. При невысоких частотах входного сигнала (до сотен МГц) расщепление входного действительного сигнала на квадратуры реализуется с помощью известного RC моста, где разность фаз на его выходах поддерживается (≈90°) в достаточно широкой полосе частот входного модулированного сигнала (до 20%). При более высоких частотах (Гигагерцы) для тех же целей используют также широко известный волноводный микрополосковый кольцевой фазорасщепляющий мост, выполненный на фольгированном диэлектрике. Дополнительно такой мост выполняет функцию фильтра преселектора входного сигнала.
Для расщепления на квадратуры немодулированного сигнала гетеродина, можно использовать известные RLC фазосдвигающие, цепочка (на ±90°) или сформировать квадратуры при цифровом синтезе частоты гетеродина.
В любом случае фазорасщепители действительного сигнала на квадратурные составляющие имеют один вход и два выхода. Для определенности будем называть их выходы: опережающий (косинусный) Вых.1, запаздывающий (синусный) Вых.2.
Суть предлагаемого способа заключается в том, что с помощью четырех одинаковых балансных смесителей (двойных балансных) параллельно формируют 4 произведения квадратур входного и гетеродинного сигналов:
вх
гет
вх
гет
вх
гет
вх
гет
(cos·cos); (sin·sin); (sin·sin); (cos·sin).
вх
гет
вх
гет
Здесь условно обозначены опережающие квадратурные составляющие входного сигнала и гетеродина через cos и cos, запаздывающие - через sin и sin соответственно.
Далее в строгом соответствии с формулами тригонометрии формируют алгебраические суммы этих произведений:
Здесь, также для сокращения записи обозначено:
Δ
c
г
cos - опережающая (косинусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f-f;
c
г
cos - опережающая (косинусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f+f;
Δ
c
г
sin - запаздывающая (синусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f-f;
c
г
sin - запаздывающая (синусная) составляющая сигнала промежуточной частоты, равной f+f.
Устройство, реализующее данный способ, состоит из гетеродина, двух фазорасщепителей (входного и гетеродинного сигналов), четырех перемножителей-балансных (двойных балансных) смесителей и двух нагрузочных резисторов. Блок-схема его приведена на фиг.3.
Фиг.3 - блок - схема устройства.
Способ и устройство бесфильтрового преобразования частоты содержит следующие блоки:
1-4 - перемножители - балансные (двойные балансные) смесители;
5 - фазорасщепитель входного сигнала;
6 - фазорасщепитель сигнала гетеродина;
7 - гетеродин;
H1
H2
8, 9 (R, R) - нагрузочные резисторы.
Устройство работает следующим образом. Показанное на фиг.3 соединение квадратур входного сигнала (выходом 1 и 2 блока 5) и гетеродина (выходы 1 и 2 блока 6) обеспечивают в одинаковых перемножителях - балансных смесителях формирование следующих произведений, как показано в таблице.
Блок 1
Вых.1
<img file="00000004.tif" he="6" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вых.2
<img file="00000005.tif" he="6" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
Блок 2
Вых.1
<img file="00000006.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вых.2
<img file="00000007.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Блок 3
Вых.1
<img file="00000008.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вых.2
<img file="00000009.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Блок 4
Вых.1
<img file="00000010.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вых.2
<img file="00000011.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Н1
Н2
Н1
Н2
Для выбранного варианта преобразования частоты (вверх или вниз) необходимые алгебраические суммы произведений в соответствии с формулами (1) и таблицей формируются на общих нагрузочных резисторах 1 и 2 (R и R). На R образуется опережающая квадратурная проекция (косинусная) сигнала промежуточной частоты, а на R - запаздывающая (синусная).
Н1
тг
c
г
H2
тг
c
г
Н1
H2
c
г
n
Нагрузочные резисторы, показанные на фиг.3, обеспечивают формирование сигнала промежуточной частоты на R, равного cos2(f-f)t, на R, равного sin2(f-f)t. Нагрузочные резисторы R, подключенные к Вых. 1 перемножителя - балансного смесителя 1 и Вых.2 перемножителя - балансного смесителя 4, a R к Вых. 1 перемножителя - балансного смесителя 3 и Вых. 1 перемножителя - балансного смесителя 2, формируют сигнал суммарной промежуточной частоты(f+f). Свободные входы перемножителей - балансных смесителей подключены к шине питания U.
Данные способ и устройство бесфильтрового преобразования частоты можно реализовать в приемных устройствах и совмещенных приемниках спутниковой навигации с использованием прямого преобразования, а также упростит частотное разделение сигналов ГЛОНАСС.
Источники информации
1. Проектирование радиоприемных устройств. /Под редакцией А.П.Сиверса. Москва, «Советское радио», 1976 г.
2. Радиоприемные устройства. 3-е изд., авторы: Фомин Н.Н., Буга Н.Н. Издательство Горячая линия - Телеком, 2007 г.