Шаг за шагом

В самой различной радиоаппаратуре важнейшую роль играют так называемые нелинейные процессы, к числу которых относятся уже знакомые нам детектирование, модуляция, выпрямление переменного тока, а также усиление сигнала в случае, когда появляются нелинейные искажения. Основным признаком всякого нелинейного процесса является изменение формы электрического сигнала, в результате чего в этом сигнале и появляются новые составляющие (рис. 77, 88, 107).

Так, например, при детектировании и выпрямлении переменного тока форма сигнала резко изменяется — переменный ток превращается в пульсирующий. При этом появляется возможность выделить низкочастотную (детектирование) или постоянную (выпрямление) составляющую сигнала. Изменяется форма сигнала в результате нелинейных искажений и в усилителе низкой частоты. Появляющиеся при этом новые составляющие воспринимаются нами в виде посторонних шумов и хрипов, искажающих передачу.

Нелинейный процесс можно получить лишь в том случае, если в цепи имеется какой-либо элемент, изменяющий форму сигнала (нелинейный элемент), например полупроводниковый или вакуумный диод, электронная усилительная лампа, работающая в определенном режиме, полупроводниковый триод и др. В обычных электрических цепях, не искажающих форму сигнала, нам никогда не удалось бы осуществить ни модуляцию, ни детектирование, ни выпрямление переменного тока.

К числу нелинейных процессов относится и преобразование частоты, которое лежит в основе работы супергетеродинного приемника.

Если к нелинейному элементу, например к полупроводниковому диоду или электронной лампе, одновременно подвести два электрических сигнала с разными частотами, то в цепи этого элемента появятся самые различные составляющие каждого из этих сигналов. Среди них будет и переменная составляющая c разностной или, как ее еще называют, промежуточной частотой. Такое название эта составляющая получила потому, что ее частота численно равна разности частот двух сигналов, подведенных к нелинейному элементу. Так, например, если к диоду подвести сигналы с частотами f₁=1800 кгц и f₂=1300 кгц, то в цепи диода появится новая переменная, составляющая с разностной (промежуточной) частотой f_пр=1800—1300=500 кгц. Выделить эту составляющую можно с помощью обычного колебательного контура L_прС_пр, настроенного на частоту 500 кгц.

Появление сигнала промежуточной частоты можно упрощенно объяснить с помощью графиков (рис. 122, 123). Протекая в общей цепи, переменные токи I₁, и I₂ различных частот f₁ и f₂ суммируются. В некоторый момент времени t₁ оба тока протекают в одном и том же направлении, и амплитуды их складываются. Но постепенно положительная амплитуда тока I₂ с меньшей частотой f₂ будет все больше и больше «запаздывать», и наконец наступит момент t₂ когда оба тока будут протекать в разных направлениях, а амплитуда общего тока I_общ будет равна разности I₁ и I₂. Дальнейшее «запаздывание» тока I₂ приведет к тому, что в момент t₃ направления обоих токов вновь совпадут, и общий ток возрастет. Таким образом, амплитуда общего тока I_общ будет периодически изменяться, чем-то напоминая модулированный сигнал (рис. 122). Частота изменения амплитуды общего тока как раз и равна разности частот f₂—f₁.

Зто легко доказывается простейшим примером: если частота f₁ равна 10 гц, а частота f₂=8 гц, то в течение каждой секунды второе колебание «отстает» от первого на два полных периода, или, иными словами, в течение каждой секунды второе колебание дважды отстает от первого на целый период. Это значит, что дважды в течение каждой секунды амплитуды токов I₁ и _I2 совпадут, и амплитуда общего тока достигнет наибольшей величины. Таким образом, частота изменения амплитуды общего тока равна 2 гц, то есть равна разности f₁ и f₂ (10—8=2 гц).

Рассмотренный нами пример относится к низким частотам, но совершенно то же самое произойдет, если f₁ и f₂ будут измеряться килогерцами или мегагерцами.

Если в общую цепь, где протекает суммарный ток I_общ, включить детектор, то переменный ток будет преобразован в пульсирующий (рис. 123) и можно будет выделить сигнал с разностной частотой, подобно тому как мы выделяли низкочастотную составляющую продетектированного сигнала. Напомним, что без детектора или другого нелинейного элемента получить сигнал промежуточной частоты невозможно, точно так же как без детектора из модулированного сигнала невозможно получить низкочастотную составляющую. Объясняется это тем, что сигнал промежуточной частоты, как и низкочастотная составляющая, при детектироаании появляется лишь в результате изменения формы сигнала, то есть в результате нелинейных процессов. До того как модулированный сигнал попал на детектор, это был только высокочастотный сигнал, не содержащий никакой низкочастотной составляющей. Да это и понятно. Ведь низкая частота, если бы она даже поступила в антенну передатчика, не образовала бы радиоволн и тем более не прошла бы через контуры приемника. Точно так же без нелинейного элемента в общей цепи двух генераторов протекал суммарный ток, который с помощью фильтров можно только разделить на две составляющие I₁ и I₂. Выделив эти две составляющие, мы не обнаружили бы в цепи никаких признаков сигнала промежуточной частоты. Этот сигнал может появиться только после включения в цепь нелинейного элемента.

Сигнал промежуточной (разностной) частоты несет на себе следы каждого из «породивших» его двух сигналов: если один из этих двух сигналов будет модулированным, то и сигнал промежуточной частоты окажется промодулированным точно так же (риc. 124).

Используя преобразование частоты, можно построить приемник по супергетеродинной схеме (см. рис. 124, 134). В таком приемнике сигнал принимаемой станции U_c (раньше это обозначение соответствовало напряжению на сетке) с частотой f_с подается на преобразователь частоты, в качестве которого в простейшем случае может быть использован точечный полупроводниковый диод. Одновременно к преобразователю подводится еще один высокочастотный сигнал U_г с частотой f_г. Этот сигнал создается специальным вспомогательным генератором (гетеродином), расположенным в самом приемнике.

В результате нелинейных процессов в цепи преобразователя появляется сигнал промежуточной частоты U_пр с частотой f_пр, равной разности частот f_г—f_с, или, наоборот, f_с—f_г (в зависимости от того, какая из частот больше). Так, например, если мы принимаем станцию с частотой f_с=1300 кгц, а частота гетеродина составляет f_г=1800 кгц, то мы получим промежуточную частоту f_пр=500 кгц (1800—1300). Такую же промежуточную частоту мы получим если возьмем частоту гетеродина f_г=800 кгц (1300—800). При этом очень важно eme раз отметить, что если сигнал принимаемой станции (1300 кгц) окажется модулированным, то сигнал промежуточной частоты (500 кгц) будет промодулирован точно так же. Сигнал промежуточной частоты выделяется специальным колебательным контуром L_прС_пр и подается на вход усилителя промежуточной частоты (усилитель ПЧ).

Усилитель промежуточной частоты ничем не отличается от обычного приемника прямого усиления с фиксированной настройкой на одну частоту. Фиксированная настройка позволяет сравнительно легко установить в усилителе ПЧ значительное количество колебательных контуров (обычно от трех до шести). После усиления сигнал промежуточной частоты U_пр подводится к обычному детектору, и полученная в результате детектирования низкочастотная составляющая U_нч ничем не отличается от НЧ составляющей, которую мы получили бы после детектирования сигнала, поступившего в антенну (рис. 124).

Таким образом, вместо непосредственного усиления и детектирования сигнала, как это делалось в приемнике прямого усиления, в супергетеродине мы сначала преобразовали сигнал принимаемой станции U_с в сигнал промежуточной частоты U_пр, а затем усилили и продетектировали этот сигнал. Конечно, введение преобразователя частоты и вспомогательного генератора (гетеродина) заметно усложнило приемник. Оправдано ли такое усложнение?

На этот вопрос мы сможем ответить лишь после того, как более подробно познакомимся с работой супергетеродина, с его достоинствами и недостатками.