Как мы уже знаем, гетеродины в приемниках предназначены для применения в составе смесителей для переноса спектра входного сигнала на более низкую частоту. От параметров гетеродинов зависит качество преобразованного сигнала и в общем случае параметры всего радиоприемного устройства в целом.

Основные параметры гетеродина:

Частота или диапазон частот выходного сигнала
Шаг перестройки частоты гетеродина
Мощность выходного сигнала
Относительная нестабильность частоты:

кратковременная
долговременная

Точность установки частоты
Относительный уровень гармоник на выходе
Спектральная плотность мощности фазовых шумов

Рабочая частота или диапазон частот определяются, исходя из полосы частот принимаемого сигнала. Например, для стандарта сотовой связи GSM 900 диапазон принимаемых частот для мобильных аппаратов составляет 935 ... 960 МГц. При номинале промежуточной частоты 45 МГц, диапазон рабочих частот гетеродина будет равен 980 ... 1005 МГц.

Шаг перестройки гетеродина задается шириной радиоканала, принятой в системе связи, в составе которой будет работать приемник. Например, шаг перестройки гетеродина для стандарта сотовой связи GSM будет составлять 200 кГц.

Мощность на выходе гетеродина (в дБм) определяется, исходя из требуемой для работы смесителя мощности плюс запас в 2 ... 4 дБ, необходимый на компенсацию потерь в тракте гетеродин-смеситель и на рассогласование по входу смесителя. Обычно уровень сигнала гетеродина составляет +16 дБм.

Относительная нестабильность частоты — характеристика, показывающая отклонение частоты генератора (уход частоты) от номинального значения. Эта величина определяется отношением

где — уход частоты,

f₀ — номинальная частота.

Различают кратковременную (например, за 1 секунду) и долговременную (например, за 1 год).

Пусть за 1 год уход частоты гетеродина с номинальной частотой 10 ГГц составляет 1 кГц. Тогда долговременная относительная нестабильность частоты будет равна:

10³/10¹⁰ = 10^-7

Существует еще один способ задания нестабильности частоты. Пусть в диапазоне температур (-40 С⁰ ... +50 С⁰) температурная нестабильность задается следующим образом: +1 ppm/С⁰, где ppm означает миллионную часть целого. Тогда температурный уход частоты для гетеродина с частотой 10 ГГц составит:

+1 ppm/С⁰ х 10¹⁰ Гц = +10^-6/С⁰ х 10¹⁰ =10 кГц/С⁰,

при этом относительная нестабильность частоты будет равна:

10⁴/10¹⁰ = 10^-6

Уход частоты при изменении напряжения питания (pushing) может быть минимизирован применением стабилизаторов напряжения.

Для уменьшения относительной нестабильности частоты от изменения нагрузки (pulling) на выходе гетеродина применяются развязывающие устройства (вентили) или буферные усилители, которые кроме этого обеспечивают требуемую мощность гетеродина.

Точность установки частоты задается резонансной частотой резонатора в цепи обратной связи генератора. В случае применения в качестве гетеродина синтезатора частот, точность установки частоты гетеродина определяется частотой опорного генератора. Обычно это значение составляет 10 ... 1000 Гц.

Относительный уровень гармоник на выходе зависит от схемы генератора и наличия фильтра на его выходе. Обычно на выходе гетеродина требуется, чтобы уровень гармоник не превышал -25 дБ.

Спектральная плотность мощности фазовых шумов характеризует кратковременную фазовую нестабильность частоты гетеродина за счет шумовых свойств генератора.

Перечисленные выше факторы приводят к тому, что в спектре выходного сигнала гетеродина мы видим не одиночную частотную составляющую, как нам хотелось бы, а целый спектр. Пример спектра гетеродина приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Спектр выходного сигнала гетеродина

Не следует при этом считать, что сигнал гетеродина во временной области будет сильно искажен. На рисунке 2 приведена временная диаграмма сигнала, спектр которого показан на рисунке 1.

Рисунок 2. Временная диаграмма выходного сигнала гетеродина

Как видно из этого рисунка, форма выходного колебания гетеродина практически не отличается от синусоидальной. Поэтому при оценке качества выходного сигнала гетеродина обычно рассматривается его спектр.

Как это уже обсуждалось при изучении особенностей работы смесителя, гармоники гетеродина при определенных условиях не оказывают влияния на перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточную или нулевую частоту. Кроме того, они могут быть легко отфильтрованы. Поэтому в дальнейшем мы будем в основном оценивать шумовые характеристики гетеродина и его нестабильность.

Фазовый шум гетеродина

Важный механизм, который ограничивает динамический диапазон приемника это преобразование шумов гетеродина в тракт промежуточной частоты (Reciprocal mixing). Пример распределения плотности шумов гетеродина в зависимости от отстройки от генерируемой частоты приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 — зависимость шумов гетеродина от отстройки от генерируемой частоты для микросхемы ADF4360-7.

На этом рисунке приведена зависимость, рассчитанная программой ADIsimPLL для синтезатора частот ADF4360-7. По оси Y отложена плотность шумов по отношению к основной гармонике гетеродина в логарифмическом масштабе:

где P_PN — мощность фазовых шумов гетеродина;

P_г — мощность сигнала на выходе гетеродина.

В реальной схеме за счет неидеальности конструкции и источников питания, плотность шумов гетеродина в дальней зоне может оказаться еще хуже.

Фазовый шум гетеродина ничем не отличается от колебания на частоте настройки синтезатора. При взаимодействии с ним сигнал помехи преобразуется в промежуточную частоту, но так как преобразование производится с шумовым сигналом, то результат воспринимается как шум.

Это явление приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе приемника. Таким образом, используемые гетеродины должны иметь настолько низкий фазовый шум, чтобы при наличии сильной внеполосной помехи они создавали шумы, меньше уровня шума приемника.

Вместе со статьей "Параметры гетеродина" читают: