Преимущества промежуточной частоты в радиочастотных системах
Узнайте о «ПЧ» (IF) – широко распространенном и полезном техническом приеме, используемом во многих беспроводных системах.
До сих пор мы обсуждали радиочастотные сигналы в терминах частотных диапазонов: низкочастотный (базовый) диапазон и радиочастотный диапазон. Этот подход обеспечивает простую концептуальную структуру, в которой RF схемы в основном являются средством преобразования низкочастотного информационного сигнала в высокочастотный передаваемый сигнал, или высокочастотного принимаемого сигнала в низкочастотный информационный сигнал. Эта модель не является неправильной, и предыдущие статьи полностью уместны для систем, которые в дополнение к низкочастотному и радиочастотному сигналам содержат сигнал «промежуточной частоты».
Что такое ПЧ (IF)?
Аббревиатура «ПЧ» (или IF, intermediate frequency) относится к самой промежуточной частоте или, в более общем смысле, к методам на основе промежуточных частот. Как следует из названия, промежуточная частота находится где-то между частотой базового диапазона частот и несущей частотой. Схемотехника ПЧ может быть включена и в передатчик, и в приемник, хотя преимущества технических приемов ПЧ более важны для приемников. Мы обсудим ПЧ в контексте разработки RF приемника, но при чтении имейте в виду, что эти полезные характеристики могут применяться и к передатчикам.
Возможно, вы слышали слово «гетеродин» или «супергетеродин». Эти термины относятся к радиочастотному приемнику, который включает в себя промежуточную частоту. Технологии ПЧ были разработаны в первой половине двадцатого века, и в настоящее время системы на основе ПЧ очень распространены.
Несущих много, ПЧ одна
Одним из наиболее интуитивных преимуществ ПЧ является возможность разработать приемник, в котором большее количество схем будет разработано для одного неизменного диапазона частот. До сих пор мы предполагали, что приемник может быть разработан для одной неизменной частоты передатчика, но любой, кто использовал автомобильный радиоприемник, должен понимать, что это далеко от реальности. Фактически, одна из наиболее знакомых характеристик радиочастотного приемника заключается в том, что он может передавать пользователю информацию только одной станции (для радио) или только одного канала (для телевидения) – другими словами, он может быть настроен на разные частоты несущих, и этот процесс настройки позволяет ему выбирать один из передаваемых сигналов и игнорировать все остальные.
Если перестраиваемый приемник не использует промежуточную частоту, все высокочастотные схемы должны быть совместимы с полным диапазоном возможных несущих частот; это нежелательно, потому что проще проектировать радиочастотные компоненты и схемы, оптимизированные для небольшого диапазона частот сигнала. Кроме того, для настройки потребуется несколько регуляторов, потому что будет необходимо подстроить несколько подсхем в соответствии с выбранной частотой. Гетеродинный приемник сначала сдвигает вниз принимаемый спектр в полосу, центрированную относительно промежуточной частоты, а затем работает оставшаяся схема, оптимизированная для этого частотного диапазона.
Минимизация высокочастотной обработки
Еще одним интуитивным преимуществом архитектуры приемника с ПЧ является уменьшенное количество компонентов, которые должны работать на высокой (а иногда и на очень высокой) частоте принимаемого сигнала. Всё становится труднее, когда частоты поднимаются в диапазон гигагерц: транзисторы дают меньшее усиление, пассивные компоненты всё больше отличаются от своих идеализированных моделей, влияние линий передачи становится более заметным.
Конечно, у нас всегда будет, по крайней мере, несколько компонентов, которые совместимы с принимаемой несущей частотой: нам нужен смеситель, который выполняет преобразование РЧ в ПЧ, а перед смесителем может стоять малошумящий усилитель и фильтр подавления зеркального канала (проблема зеркального канала обсуждается в следующей статье). Но подход с промежуточной частотой позволяет нам выполнять в радиочастотном диапазоне только самую необходимую обработку.
Меньшая добротность
Фильтрация является общим требованием для всех типов радиочастотных систем, но в некоторых ситуациях имеют место особенно высокие требования к схемам фильтров. Рассмотрим следующий сценарий: приемник должен извлечь информацию из узкополосного радиочастотного сигнала, который сопровождается сильными мешающими сигналами с частотами, близкими к краям спектра необходимого сигнала.
Полосовой фильтр используется для подавления этих мешающих сигналов, чтобы они не искажали демодулированные данные; однако создание эффективного полосового фильтра в этих условиях непросто.
Проблема заключается в добротности, которая соответствует тому, насколько избирательным является полосовой фильтр. Например:
Комбинация высокочастотной работы и узкой полосы пропускания требует очень высокой добротности (Q), и в итоге мы достигаем точки, в которой просто невозможно создать полосовой фильтр с достаточной избирательностью. Добротность полосового фильтра определяется следующим образом:
\[Q = {центральная \, частота \over полоса \, пропускания}\]
Таким образом, мы видим, что простым способом уменьшить требуемую добротность является снижение центральной частоты, и именно это позволяет нам сделать технология ПЧ. Ширина спектра сигнала не изменяется, но центральная частота сдвигается до промежуточной частоты.
Более простая квадратурная демодуляция
Из предыдущей главы мы знаем, что квадратурная демодуляция является важной технологией в современных радиочастотных системах. Математические выражения, которые определяют квадратурную демодуляцию и обработку I/Q сигналов, всегда предполагают идеальный сдвиг фазы на 90°. Но в реальной жизни совершенство достигается не так легко, и квадратурная схема не является исключением. Отклонения от идеализированной разности фаз 90°, а также несоответствия амплитуд между каналами I и Q приводят к ошибкам в демодулированных данных.
Это может показаться проблемой квадратурной модуляции в целом; какова связь с приемниками с ПЧ? Оказывается, что эти источники ошибок наиболее заметны в архитектурах без промежуточной частоты, поскольку разделение I/Q происходит на более высоких частотах, и потому что требуются дополнительные компоненты усиления и фильтрации после разделения.
Почему бы не преобразовывать напрямую в низкочастотный сигнал?
Если приемник с ПЧ должен включать в себя высокочастотные схемы для преобразования частоты из РЧ в ПЧ, почему бы просто не использовать частоту основной полосы (НЧ) вместо промежуточной частоты?
Приемник, который сдвигает сигнал на НЧ вместо ПЧ, относится к архитектуре прямого преобразования (гомодинный приемник, приемник с нулевой ПЧ). Являются ли традиционные преимущества промежуточной частоты (в контексте современных радиочастотных систем) причиной, достаточной для выбора ПЧ вместо метода прямого преобразования? Ответ на этот вопрос несколько сложен, и он выходит за рамки тем, представленных в данной статье. В следующей статье мы рассмотрим более подробную информацию о приемниках с ПЧ, а также обсудим сравнение гетеродинного приемника с приемником прямого преобразования.
Резюме
- Многие радиочастотные системы включают в себя промежуточную частоту (ПЧ, IF), которая ниже несущей частоты и выше частоты базовой полосы частот сигнала. Приемник с ПЧ известен как гетеродинный приемник.
- Использование ПЧ упрощает проектирование перестраиваемых приемников и уменьшает количество компонентов, которые должны быть совместимы с высокими частотами.
- Архитектуры ПЧ упрощают проектирование полосовых фильтров, поскольку уменьшенная центральная частота приводит к требованию более низкой добротности.
- Система на основе ПЧ позволяет реализовать более надежную квадратурную демодуляцию.