Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Superheterodyne )
Перейти к навигации Перейти к поиску
5-ламповый супергетеродинный ресивер, изготовленный в Японии около 1955 года.
Радиосхема на супергетеродинных транзисторах, 1975 год

Супергетеродинный приемник , часто сокращается до супергетеродинного , представляет собой тип радиоприемника , который использует частоты микширования для преобразования принятого сигнала к фиксированной промежуточной частоте (ПЧ) , которая может быть более удобно , чем обработанная исходная несущей частота . Долгое время считалось, что его изобрел американский инженер Эдвин Армстронг , но после некоторых разногласий патент теперь принадлежит французскому радиоинженеру и производителю радио Люсьену Леви. [1] Практически все современные радиоприемники используют принцип супергетеродина.

История [ править ]

Гетеродин [ править ]

Ранние радиопередачи кода Морзе производились с использованием генератора переменного тока, подключенного к искровому разряднику . Выходной сигнал имел несущую частоту, определяемую физической конструкцией зазора, и модулировался сигналом переменного тока от генератора переменного тока. Поскольку выходной сигнал генератора обычно находится в слышимом диапазоне, это дает слышимый сигнал с амплитудной модуляцией (AM). Простые радиодетекторы отфильтровывали высокочастотную несущую, оставляя модуляцию, которая передавалась в наушники пользователя в виде звукового сигнала из точек и тире.

В 1904 году Эрнст Александерсон представил генератор переменного тока Alexanderson , устройство, которое напрямую вырабатывало радиочастотный выход с более высокой мощностью и гораздо более высоким КПД, чем старые системы с искровым разрядником. Однако, в отличие от искрового промежутка, генератор на выходе представлял собой чистую несущую волну на выбранной частоте. При обнаружении на существующих приемниках точки и тире обычно не слышны или "сверхзвуковые". Из-за эффектов фильтрации приемника эти сигналы обычно производили щелчки или удары, которые были слышны, но затрудняли определение точки или тире.

В 1905 году канадскому изобретателю Реджинальду Фессендену пришла в голову идея использовать для передачи сигналов два генератора переменного тока Alexanderson, работающие на близкорасположенных частотах, вместо одного. Тогда приемник будет принимать оба сигнала, и как часть процесса обнаружения из приемника будет выходить только частота биений . Выбрав две несущие достаточно близко, чтобы можно было слышать частоту биений, полученный код Морзе снова можно было легко услышать даже в простых приемниках. Например, если два генератора переменного тока работают на частотах, разнесенных друг от друга на 3 кГц, на выходе в наушниках будут отображаться точки или тире тона 3 кГц, что сделает их легко слышимыми.

Фессенден ввел термин « гетеродин », означающий «порожденный разницей» (по частоте), для описания этой системы. Слово происходит от греческих корней гетеро- «разный» и -дин «власть».

Регенерация [ править ]

Азбука Морзе широко использовалась на заре радио, потому что с ее помощью было легко как производить сигнал, так и принимать его. Поскольку выходной сигнал усилителя не обязательно должен точно соответствовать исходной модуляции принятого сигнала, в отличие от голосового вещания, можно использовать любое количество простых систем усиления. Один из них был связан с интересным побочным эффектом конструкции первых ламп триодных усилителей. Если и пластина (анод), и сетка подключены к резонансным контурам, настроенным на одну и ту же частоту, паразитная емкостная связь между сеткой и пластиной вызовет колебания усилителя, если коэффициент усиления каскада намного больше единицы .

В 1913 году Эдвин Ховард Армстронг описал приемную систему, которая использовала этот эффект для получения слышимого вывода кода Морзе с помощью одного триода. Выход анода, выходной сигнал после усиления, был снова подключен к входу через «тиклер», вызывая обратную связь, которая выводила входные сигналы далеко за пределы единицы. Это заставляло выход колебаться на выбранной частоте с большим усилением. Когда исходный сигнал прерывается в конце точки или тире, колебания снова затухают, и звук пропадает после небольшой задержки.

Армстронг называл эту концепцию регенеративным ресивером , и она сразу же стала одной из наиболее широко используемых систем своего времени. Многие радиосистемы 1920-х годов были основаны на принципе регенерации, и они продолжали использоваться в специализированных ролях до 1940-х годов, например, в IFF Mark II .

RDF [ править ]

Была одна роль, в которой регенеративная система не подходила даже для источников кода Морзе, и это была задача радиопеленгации , или RDF.

Регенеративная система была в высшей степени нелинейной, усиливая любой сигнал выше определенного порога на огромную величину, иногда настолько большую, что он превращался в передатчик (что было всей концепцией IFF). В RDF сила сигнала используется для определения местоположения передатчика, поэтому требуется линейное усиление , чтобы можно было точно измерить силу исходного сигнала, часто очень слабого.

Чтобы удовлетворить эту потребность, в системах RDF того времени использовались триоды, работающие ниже единицы. Чтобы получить полезный сигнал от такой системы, нужно было использовать десятки или даже сотни триодов, соединенных анодом с сеткой. Эти усилители потребляли огромное количество энергии, и для их работы требовалась команда инженеров по техническому обслуживанию. Тем не менее, стратегическая ценность пеленгации по слабым сигналам была настолько высока, что британское адмиралтейство сочло такую ​​высокую стоимость оправданной.

Супергетеродин [ править ]

Один из прототипов супергетеродинных приемников, построенных в лаборатории Armstrong's Signal Corps в Париже во время Первой мировой войны. Он состоит из двух секций: смесителя и гетеродина (слева), трех каскадов усиления ПЧ и каскада детектора (справа) . Промежуточная частота 75 кГц.

Хотя ряд исследователей открыли концепцию супергетеродина, зарегистрировав патенты с разницей в несколько месяцев (см. Ниже), Армстронгу часто приписывают эту концепцию. Он натолкнулся на это, когда рассматривал лучшие способы производства приемников RDF. Он пришел к выводу, что переход к более высоким «коротковолновым» частотам сделает RDF более полезным, и искал практические средства для создания линейного усилителя для этих сигналов. В то время короткие волны были выше 500 кГц, что было за пределами возможностей любого существующего усилителя.

Было замечено, что когда регенеративный приемник переходит в колебание, другие близлежащие приемники также начинают принимать другие станции. Армстронг (и другие) в конце концов пришли к выводу, что это было вызвано «сверхзвуковым гетеродином» между несущей частотой станции и частотой колебаний регенеративного приемника. Когда первый приемник начинает колебаться на высоких выходах, его сигнал будет течь обратно через антенну, чтобы быть принятым на любой ближайший приемник. В этом приемнике два сигнала смешиваются так же, как и в исходной концепции гетеродина, создавая выходной сигнал, который представляет собой разницу частот между двумя сигналами.

Например, рассмотрим одиночный приемник, настроенный на станцию ​​на частоте 300 кГц. Если второй приемник установлен поблизости и настроен на 400 кГц с высоким коэффициентом усиления, он начнет издавать сигнал 400 кГц, который будет приниматься первым приемником. В этом приемнике два сигнала будут смешиваться для получения четырех выходных сигналов, один на исходной частоте 300 кГц, другой на принятой частоте 400 кГц и еще два, с разницей на 100 кГц и суммой на 700 кГц. Это тот же эффект, который предложил Фессенден, но в его системе две частоты были выбраны намеренно, чтобы частота биений была слышимой. В этом случае все частоты выходят далеко за пределы слышимого диапазона и, следовательно, являются «сверхзвуковыми», что дало начало названию супергетеродинных.

Армстронг понял, что этот эффект был потенциальным решением проблемы «коротковолнового» усиления, поскольку «разностный» выход все еще сохранял свою исходную модуляцию, но на более низкой несущей частоте. В приведенном выше примере можно усилить сигнал биений 100 кГц и извлечь из него исходную информацию, приемнику не нужно настраиваться на исходную несущую с более высокой частотой 300 кГц. Путем выбора подходящего набора частот даже очень высокочастотные сигналы могут быть «уменьшены» до частоты, которая может быть усилена существующими системами.

Например, для приема сигнала на частоте 1500 кГц, что намного превышает диапазон эффективного усиления в то время, можно установить генератор, например, на 1560 кГц. Армстронг назвал это « гетеродином » или гетеродином. Поскольку его сигнал подавался на второй приемник в том же устройстве, он не должен был быть мощным, генерируя только достаточно сигнала, чтобы быть примерно схожим по силе с принимаемой станцией. [a] Когда сигнал гетеродина смешивается с сигналом станции, на одном из выходов будет разностная частота гетеродина, в данном случае 60 кГц. Он назвал эту результирующую разницу « промежуточной частотой », часто сокращенно «IF».

В декабре 1919 года майор Э. Х. Армстронг опубликовал косвенный метод получения коротковолнового усиления, названный супергетеродином. Идея состоит в том, чтобы уменьшить входящую частоту, которая может составлять, например, 1500000 циклов (200 метров), до некоторой подходящей сверхзвуковой частоты, которую можно эффективно усилить, затем пропустить этот ток через усилитель промежуточной частоты и, наконец, выпрямить и перенести на один или два каскада усиления звуковой частоты. [2]

«Уловка» супергетеродина заключается в том, что, изменяя частоту гетеродина, вы можете настраиваться на разные станции. Например, чтобы получить сигнал на частоте 1300 кГц, можно настроить гетеродин на 1360 кГц, что приведет к той же ПЧ 60 кГц. Это означает, что секцию усилителя можно настроить для работы на одной частоте, проектной ПЧ, что намного проще сделать эффективно.

Развитие [ править ]

Первый коммерческий супергетеродинный приемник [3] RCA Radiola AR-812 был выпущен 4 марта 1924 года по цене 286 долларов (что эквивалентно 4270 долларам в 2019 году). В нем использовалось 6 триодов: смеситель, гетеродин, два каскада ПЧ и два каскада звукового усилителя с ПЧ 45 кГц. Это был коммерческий успех с лучшими характеристиками, чем у конкурирующих приемников.

Армстронг претворил свои идеи в жизнь, и вскоре этот метод был принят военными. Он был менее популярен, когда в 1920-х годах началось коммерческое радиовещание, в основном из-за необходимости в дополнительной лампе (для генератора), в целом более высокой стоимости приемника и уровня навыков, необходимых для его эксплуатации. Для ранних отечественных радиоприемников более популярными были настроенные радиоприемники (TRF), потому что они были дешевле, проще в использовании для нетехнического владельца и менее затратны в эксплуатации. Армстронг в конце концов продал свой супергетеродинный патент компании Westinghouse , которая затем продала его Radio Corporation of America (RCA) , последняя монополизировала рынок супергетеродинных приемников до 1930 года [4].

Ранние супергетеродинные приемники использовали ПЧ до 20 кГц, часто основанные на собственном резонансе трансформаторов с железным сердечником . Это сделало их чрезвычайно восприимчивыми к частотным помехам изображения , но в то время главной целью была чувствительность, а не избирательность. Используя эту технику, небольшое количество триодов могло выполнять работу, для которой раньше требовались десятки триодов.

В 1920-х годах коммерческие фильтры ПЧ были очень похожи на трансформаторы межкаскадной связи звука 1920-х годов, имели аналогичную конструкцию и были подключены практически идентичным образом, поэтому их называли «трансформаторами промежуточной частоты». К середине 1930-х годов супергетеродины использовали гораздо более высокие промежуточные частоты (обычно около 440–470 кГц) с настроенными катушками, аналогичными по конструкции катушкам антенны и генератора. Название «трансформатор ПЧ» было сохранено и используется до сих пор. В современных приемниках обычно используется смесь керамических резонаторов или резонаторов на ПАВ (поверхностно-акустическая волна), а также традиционных трансформаторов ПЧ с настраиваемой индуктивностью.

« Все американские Пять » ламповый супергетеродинный AM радиовещательный приемник с 1940 - х годов был дешев в производстве , потому что требуется только пять трубок.

К 1930-м годам усовершенствования в технологии электронных ламп быстро подорвали экономические преимущества приемников TRF, а стремительный рост числа радиовещательных станций создал спрос на более дешевые приемники с более высокими характеристиками.

Разработка вакуумной трубки тетрода, содержащей сетку экрана, привела к созданию многоэлементной трубки, в которой можно было комбинировать функции смесителя и генератора, впервые использованной в так называемом автодинном смесителе. Вскоре за этим последовало внедрение ламп, специально разработанных для работы в супергетеродине, в первую очередь пентагридного преобразователя . За счет уменьшения количества трубок это еще больше уменьшило преимущество предыдущих конструкций приемников.

К середине 1930-х годов коммерческое производство приемников TRF было в значительной степени заменено супергетеродинными приемниками. К 1940-м годам ламповый супергетеродинный радиовещательный AM-приемник был переработан в дешевую в производстве конструкцию, названную « All American Five », потому что в ней использовалось пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор / аудиоусилитель, аудиоусилитель мощности и выпрямитель. С этого времени супергетеродинный дизайн использовался практически во всех коммерческих радио- и телевизионных приемниках.

Патентные битвы [ править ]

Французский инженер Люсьен Леви подал заявку на патент супергетеродинного принципа в августе 1917 года с бреветом № 493660. [5] Армстронг также подал свой патент в 1917 году. [6] [7] [8] Леви подал свое первоначальное раскрытие примерно за семь месяцев до этого. Армстронга. [9] Немецкий изобретатель Вальтер Х. Шоттки также подал патент в 1918 году. [5]

Сначала США признали Армстронга изобретателем, и его патент США 1342885 был выдан 8 июня 1920 года. [9] После различных изменений и судебных слушаний Леви получил патент США № 1734938, который включал семь из девяти требований в заявке Армстронга, в то время как две оставшиеся претензии были удовлетворены Александерсону из GE и Кендаллу из AT&T. [9]

Принцип работы [ править ]

Блок-схема типичного супергетеродинного приемника. Красные части - это те, которые обрабатывают входящий радиочастотный (RF) сигнал; зеленые - это части, которые работают на промежуточной частоте (IF), а синие части работают на частоте модуляции (аудио). Пунктирная линия указывает на то, что гетеродин и ВЧ-фильтр необходимо настраивать одновременно.
Как работает супергетеродинное радио. По горизонтальной оси отложена частота f . Синие графики показывают напряжения радиосигналов в различных точках цепи. Красные графики показывают передаточные функции фильтров в схеме; толщина красных полос показывает долю сигнала из предыдущего графика, которая проходит через фильтр на каждой частоте. Входящий радиосигнал от антенны (верхний график) состоит из полезного радиосигнала S1 и других радиосигналов на разных частотах. RF-фильтр (2-й график) удаляет любой сигнал, такой как S2, на частоте изображения LO  -  IF., которые в противном случае могли бы пройти через фильтр ПЧ и создать помехи. Оставшийся составной сигнал подается на смеситель вместе с сигналом гетеродина ( LO ) (3-й график) . В смесителе сигнал S1 комбинируется с частотой гетеродина для создания гетеродина на разности этих частот, промежуточной частоты (ПЧ) на выходе смесителя (4-й график) . Он проходит через полосовой фильтр ПЧ (5-й график) , усиливается и демодулируется (демодуляция не показана). Нежелательные сигналы создают гетеродины на других частотах (4-й график) , которые отфильтровываются фильтром ПЧ.

На диаграмме справа показана блок-схема типичного супергетеродинного приемника с однократным преобразованием. На схеме есть блоки, общие для супергетеродинных приемников [10], при этом только РЧ-усилитель является дополнительным.

Антенна собирает радиосигнал. Настроенный РЧ каскад с дополнительным РЧ усилителем обеспечивает некоторую начальную избирательность; необходимо подавить частоту изображения (см. ниже), а также может служить для предотвращения насыщения начального усилителя сильными сигналами вне полосы пропускания. Локальный генератор обеспечивает частоту перемешивания; Обычно это генератор переменной частоты, который используется для настройки приемника на разные станции. Смеситель частот делает фактическое гетеродинирование , что дает супергетеродину его имя; он изменяет входящий радиосигнал на более высокую или более низкую фиксированную промежуточную частоту (ПЧ). Полосовой фильтр ПЧи усилитель обеспечивает большую часть усиления и узкополосную фильтрацию для радио. Демодулятор извлекает аудио или другую модуляцию от ПЧ радиочастоты. Затем извлеченный сигнал усиливается аудиоусилителем.

Описание схемы [ править ]

Для приема радиосигнала требуется подходящая антенна . Выходная мощность антенны может быть очень маленькой, часто всего несколько микровольт . Сигнал от антенны настраивается и может быть усилен в так называемом усилителе радиочастоты (RF), хотя этот этап часто пропускается. Одна или несколько настроенных схем на этом этапе блокируют частоты, которые далеко удалены от предполагаемой частоты приема. Чтобы настроить приемник на конкретную станцию, частота гетеродина регулируется ручкой настройки (например). Для настройки гетеродина и ВЧ-каскада можно использовать переменный конденсатор или варикап-диод . [11] Настройка одной (или нескольких) настроенных схем в каскаде ВЧ должна отслеживать настройку гетеродина.

Гетеродин и смеситель [ править ]

Затем сигнал подается в схему, где он смешивается с синусоидальной волной от генератора переменной частоты, известного как гетеродин (гетеродин). Смеситель использует нелинейный компонент для создания сигналов суммарной и разностной частот биений [12], каждый из которых содержит модуляцию, содержащуюся в полезном сигнале. Выход смесителя может включать исходный радиочастотный сигнал на f RF , сигнал гетеродина на f LO и две новые частоты гетеродина f RF  +  f LO и f RF  -  f LO.. Смеситель может непреднамеренно создавать дополнительные частоты, такие как продукты интермодуляции третьего и более высокого порядка. В идеале полосовой фильтр ПЧ удаляет все, кроме полезного сигнала ПЧ на f IF . Сигнал ПЧ содержит исходную модуляцию (передаваемую информацию), которая была у принятого радиосигнала на f RF .

Частота гетеродина f LO устанавливается так, чтобы желаемая радиочастота приема f RF смешивалась с f IF . Есть два варианта выбора частоты гетеродина, поскольку преобладающие составляющие смесителя имеют f RF  ±  f LO . Если частота гетеродина меньше желаемой частоты приема, это называется инжекцией нижнего плеча ( f IF = f RF - f LO ); если гетеродин выше, то это называется инжекцией верхнего плеча ( f IF = fЛО - ф РФ ).

Смеситель будет обрабатывать не только желаемый входной сигнал на f RF , но и все сигналы, присутствующие на его входах. Будет много микшерных продуктов (гетеродинов). Большинство других сигналов, создаваемых смесителем (например, от станций на соседних частотах), можно отфильтровать в настроенном усилителе ПЧ ; что дает супергетеродинному ресиверу его превосходные характеристики. Однако, если для f LO установлено значение f RF  +  f IF , то входящий радиосигнал на f LO  +  f IF также будет создавать гетеродин на f IF ; частота fLO  +  f IF называется частотой изображения и должен подавляться настроенными схемами в РЧ-каскаде. Частота изображения на 2  f IF выше (или ниже) желаемой частоты f RF , поэтому использование более высокой частоты IF f IF увеличивает отклонение изображения приемником, не требуя дополнительной селективности на этапе RF. [ сомнительно - обсудить ]

Чтобы подавить нежелательное изображение, при настройке РЧ-каскада и гетеродина может потребоваться «отслеживать» друг друга. В некоторых случаях узкополосный приемник может иметь фиксированный настроенный радиочастотный усилитель. В этом случае изменяется только частота гетеродина. В большинстве случаев полоса входного сигнала приемника шире, чем его центральная частота ПЧ. Например, типичный приемник AM диапазона вещания покрывает диапазон от 510 кГц до 1655 кГц (входной диапазон примерно 1160 кГц) с частотой ПЧ 455 кГц; Приемник FM-вещания покрывает диапазон от 88 МГц до 108 МГц с частотой ПЧ 10,7 МГц. В этой ситуации РЧ-усилитель должен быть настроен так, чтобы усилитель ПЧ не видел две станции одновременно. Если бы LO приемника AM диапазона вещания был установлен на 1200 кГц, он бы видел станции как на 745 кГц (1200–455 кГц), так и на 1655 кГц. Как следствие,ВЧ-каскад должен быть спроектирован таким образом, чтобы любые станции, которые находятся на расстоянии вдвое большей частоты ПЧ, были значительно ослаблены. Отслеживание может быть выполнено с помощью многосекционного переменного конденсатора или какого-либо другого.варакторы, управляемые общим управляющим напряжением. РЧ-усилитель может иметь настроенные цепи как на входе, так и на выходе, поэтому можно отслеживать три или более настроенных схемы. На практике частоты RF и LO необходимо отслеживать точно, но не идеально. [13] [14]

Во многих супергетеродинных приемниках один и тот же каскад используется как в качестве гетеродина, так и в качестве смесителя для экономии затрат, мощности и размера. Это называется конвертером . В ламповых приемниках одиночная пятигранная преобразовательная трубка будет генерировать колебания, а также обеспечивать усиление сигнала, а также сдвиг частоты. [15]

Усилитель ПЧ [ править ]

Каскады усилителя промежуточной частоты («усилитель ПЧ» или «полоса ПЧ») настроены на фиксированную частоту, которая не изменяется при изменении частоты приема. Фиксированная частота упрощает оптимизацию усилителя ПЧ. [10] Усилитель ПЧ селективен в отношении своей центральной частоты f ПЧ . Фиксированная центральная частота позволяет тщательно настраивать каскады усилителя ПЧ для достижения наилучших характеристик (такая настройка называется «выравниванием» усилителя ПЧ). Если бы центральная частота изменялась вместе с частотой приема, каскады ПЧ должны были бы отслеживать свою настройку. С супергетеродином дело обстоит иначе.

Обычно центральная частота ПЧ f IF выбирается меньше желаемой частоты приема f RF . У выбора есть некоторые преимущества в производительности. Во-первых, легче и дешевле получить высокую избирательность на более низкой частоте. Для той же полосы пропускания настроенная схема на более низкой частоте требует более низкого Q. Другими словами, для той же технологии фильтрации более высокая центральная частота потребует больше каскадов фильтра ПЧ для достижения той же ширины полосы избирательности. Во-вторых, легче и дешевле получить высокий коэффициент усиления на более низкой частоте. При использовании на высоких частотах многие усилители показывают постоянное произведение коэффициента усиления и ширины полосы.(доминирующий полюс) характеристика. Если усилитель имеет произведение усиления на полосу пропускания 100 МГц, тогда он будет иметь усиление по напряжению 100 на 1 МГц и только 10 на 10 МГц. Если усилителю ПЧ необходимо усиление по напряжению 10 000, тогда потребуется только два каскада с ПЧ на 1 МГц, но четыре каскада на 10 МГц.

Обычно промежуточная частота ниже, чем частота приема f RF , но в некоторых современных приемниках (например, сканерах и анализаторах спектра) используется более высокая частота ПЧ, чтобы минимизировать проблемы с отклонением изображения или получить преимущества фиксированной настройки каскадов. Приемник Rohde & Schwarz EK-070 VLF / HF работает с диапазоном частот от 10 кГц до 30 МГц. [16]Он имеет РЧ-фильтр с переключением полос и смешивает входной сигнал с первой ПЧ 81,4 МГц. Частота первого гетеродина составляет от 81,4 до 111,4 МГц, поэтому первичные изображения находятся далеко. Первый каскад ПЧ использует кварцевый фильтр с полосой пропускания 12 кГц. Существует второе преобразование частоты (создание приемника с тройным преобразованием), которое смешивает первую ПЧ 81,4 МГц с 80 МГц для создания второй ПЧ 1,4 МГц. Подавление изображения для второй IF не является серьезной проблемой, поскольку первая IF обеспечивает адекватное подавление изображения, а второй смеситель настроен фиксированно.

Чтобы избежать помех для приемников, лицензирующие органы будут избегать назначения общих частот ПЧ передающим станциям. Стандартные промежуточные частоты: 455 кГц для средневолнового AM-радио, 10,7 МГц для широковещательных FM-приемников, 38,9 МГц (Европа) или 45 МГц (США) для телевидения и 70 МГц для спутникового и наземного микроволнового оборудования. Чтобы избежать затрат на инструменты, связанные с этими компонентами, большинство производителей затем стремились разрабатывать свои приемники для фиксированного диапазона предлагаемых частот, что привело к фактической стандартизации промежуточных частот во всем мире .

В ранних супергетях стадия ПЧ часто была регенеративной стадией, обеспечивающей чувствительность и селективность с меньшим количеством компонентов. Такие супергереты получили название супергайнеров или регенераторов. [17] Еще одна схема, добавленная к цепи промежуточной частоты, - это умножитель добротности .

Полосовой фильтр ПЧ [ править ]

Каскад ПЧ включает фильтр и / или несколько настроенных схем для достижения желаемой селективности . Эта фильтрация должна иметь полосу пропускания, равную или меньшую, чем частотный интервал между соседними широковещательными каналами. В идеале фильтр должен иметь высокое затухание в соседних каналах, но поддерживать ровный отклик по всему спектру полезного сигнала, чтобы сохранить качество принятого сигнала. Это может быть получено с использованием одного или нескольких сдвоенных преобразователей ПЧ, кварцевого фильтра или многополюсного керамического кристаллического фильтра . [18]

В случае телевизионных приемников ни один другой метод не смог обеспечить точную характеристику полосы пропускания, необходимую для рудиментарного приема боковой полосы , например, используемую в системе NTSC , впервые одобренной США в 1941 году. К 1980-м годам многокомпонентный конденсатор-индуктор фильтры были заменены прецизионными электромеханическими фильтрами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) . Фильтры на ПАВ, изготовленные методом прецизионного лазерного фрезерования, дешевле в производстве, могут изготавливаться с очень жесткими допусками и очень стабильны в работе.

Демодулятор [ править ]

Принятый сигнал теперь обрабатывается каскадом демодулятора, где аудиосигнал (или другой сигнал основной полосы частот ) восстанавливается и затем дополнительно усиливается. Демодуляция AM требует простого выпрямления RF-сигнала (так называемое обнаружение огибающей ) и простого RC-фильтра нижних частот для удаления остатков промежуточной частоты. [19] ЧМ-сигналы могут быть обнаружены с помощью дискриминатора, детектора отношения или фазовой автоподстройки частоты . Для непрерывных сигналов и сигналов с одной боковой полосой требуется детектор продукта, использующий так называемый генератор частоты биений., и есть другие методы, используемые для разных типов модуляции . [20] Результирующий аудиосигнал (например) затем усиливается и запускает громкоговоритель.

Когда используется так называемая инжекция на стороне высокого напряжения , когда гетеродин работает на более высокой частоте, чем принимаемый сигнал (что является обычным явлением), тогда частотный спектр исходного сигнала будет инвертирован. Это должно быть принято во внимание демодулятором (и при фильтрации ПЧ) в случае определенных типов модуляции, таких как одинарная боковая полоса .

Множественное преобразование [ править ]

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием

Чтобы преодолеть препятствия, такие как отклик изображения , некоторые приемники используют несколько последовательных этапов преобразования частоты и несколько IF с разными значениями. Приемник с двумя преобразованиями частоты и ПЧ называется супергетеродином с двойным преобразованием , а приемник с тремя ПЧ - супергетеродином с тройным преобразованием .

Основная причина, по которой это делается, заключается в том, что при использовании единственной IF существует компромисс между низким откликом изображения и избирательностью. Разделение между принятой частотой и частотой изображения равно удвоенной частоте ПЧ, поэтому, чем выше ПЧ, тем проще разработать РЧ фильтр для удаления частоты изображения из входного сигнала и достижения низкого отклика изображения . Однако чем выше ПЧ, тем труднее добиться высокой избирательности в фильтре ПЧ. На короткой волнечастоты и выше, сложность в достижении достаточной избирательности при настройке с высокими значениями ПЧ, необходимыми для низкого отклика изображения, влияет на производительность. Для решения этой проблемы можно использовать две частоты ПЧ, сначала преобразовывая входную частоту в высокую ПЧ для достижения низкого отклика изображения, а затем преобразовывая эту частоту в низкую ПЧ для достижения хорошей избирательности во втором фильтре ПЧ. Для улучшения настройки можно использовать третью ПЧ.

Например, для приемника, который может настраиваться от 500 кГц до 30 МГц, можно использовать три преобразователя частоты. [10] С ПЧ 455 кГц легко получить адекватную избирательность входного каскада с сигналами диапазона вещания (ниже 1600 кГц). Например, если принимаемая станция находится на частоте 600 кГц, гетеродин может быть установлен на 1055 кГц, давая изображение на (-600 + 1055 =) 455 кГц. Но станция на частоте 1510 кГц также потенциально может создавать изображение на частоте (1510-1055 =) 455 кГц и, таким образом, вызывать помехи изображения. Однако, поскольку 600 кГц и 1510 кГц так далеко друг от друга, легко спроектировать настройку входного каскада, чтобы отклонить частоту 1510 кГц.

Однако на 30 МГц все по-другому. Генератор будет установлен на 30,455 МГц для получения ПЧ 455 кГц, но станция на 30,910 также будет производить биение 455 кГц, так что обе станции будут слышны одновременно. Но практически невозможно спроектировать настроенную радиочастотную схему, которая может адекватно различать между 30 МГц и 30,91 МГц, поэтому один из подходов состоит в «массовом понижающем преобразовании» целых участков коротковолновых диапазонов на более низкую частоту, где легче выполнить адекватную предварительную настройку. устроить.

Например, диапазоны от 29 МГц до 30 МГц; 28 МГц до 29 МГц и т. Д. Могут быть преобразованы в 2 МГц до 3 МГц, там их можно будет настроить более удобно. Часто это делается путем первого преобразования каждого «блока» до более высокой частоты (обычно 40 МГц), а затем использования второго микшера для преобразования его в диапазон от 2 МГц до 3 МГц. «ПЧ» от 2 до 3 МГц - это, по сути, еще один автономный супергетеродинный приемник, скорее всего, со стандартной ПЧ 455 кГц.

Современный дизайн [ править ]

Микропроцессорная технология позволяет заменить конструкцию супергетеродинного приемника программно-определяемой архитектурой радио , где обработка ПЧ после начального фильтра ПЧ реализуется программно. Этот метод уже используется в определенных конструкциях, таких как очень недорогие FM-радиоприемники, встроенные в мобильные телефоны, поскольку в системе уже есть необходимый микропроцессор .

Радиопередатчики также могут использовать ступень смесителя для получения выходной частоты, работающей более или менее как обратное преобразование супергетеродинного приемника.

Преимущества и недостатки [ править ]

Супергетеродинные приемники по существу заменили все предыдущие конструкции приемников. Развитие современной полупроводниковой электроники свело на нет преимущества конструкций (таких как регенеративный приемник ), в которых использовалось меньше электронных ламп. Супергетеродинный приемник обеспечивает превосходную чувствительность, стабильность частоты и избирательность. По сравнению с конструкцией настроенного радиочастотного приемника (TRF), супергерои обеспечивают лучшую стабильность, поскольку настраиваемый генератор легче реализовать, чем настраиваемый усилитель. Фильтры ПЧ, работающие на более низкой частоте, могут дать более узкие полосы пропускания при той же добротности, чем эквивалентные фильтры RF. Фиксированная ПЧ также позволяет использовать кварцевый фильтр [10]или аналогичные технологии, которые нельзя настроить. Приемники с регенерацией и супервосстановлением обладают высокой чувствительностью, но часто страдают от проблем со стабильностью, затрудняющих работу.

Хотя преимущества конструкции супергеток огромны, есть несколько недостатков, которые необходимо устранить на практике.

Частота изображения ( f ИЗОБРАЖЕНИЕ ) [ редактировать ]

Графики, иллюстрирующие проблему отклика изображения в супергетеродине. По горизонтальной оси отложена частота, а по вертикальной оси - напряжение. Без соответствующего радиочастотного фильтра любой сигнал S2 (зеленый) на частоте изображения также гетеродируется на частоту ПЧ вместе с желаемым радиосигналом S1 (синий) на частоте , поэтому они оба проходят через фильтр ПЧ (красный) . Таким образом, S2 мешает S1.

Одним из основных недостатков супергетеродинного приемника является проблема частоты изображения . В гетеродинных приемниках частота изображения - это нежелательная входная частота, равная частоте станции плюс (или минус) удвоенная промежуточная частота. Частота изображения приводит к тому, что две станции принимаются одновременно, что создает помехи. Частоты изображения могут быть устранены путем достаточного ослабления входящего сигнала фильтром усилителя ВЧ супергетеродинного приемника.

Например, радиовещательная станция AM на частоте 580 кГц настраивается на приемник с ПЧ 455 кГц. Гетеродин настроен на 580 + 455 = 1035 кГц. Но сигнал с частотой 580 + 455 + 455 = 1490 кГц также находится на расстоянии 455 кГц от гетеродина; поэтому и полезный сигнал, и изображение при смешивании с гетеродином будут появляться на промежуточной частоте. Эта частота изображения находится в диапазоне вещания AM. Практические приемники имеют перед преобразователем ступень настройки для значительного уменьшения амплитуды частотных сигналов изображения; кроме того, радиовещательным станциям в том же районе присвоены частоты, чтобы избежать появления таких изображений.

Нежелательная частота называется изображением желаемой частоты, потому что она является «зеркальным отображением» отраженной желаемой частоты . Приемник с неадекватной фильтрацией на входе будет улавливать сигналы на двух разных частотах одновременно: на желаемой частоте и частоте изображения. Любой шум или случайная радиостанция на частоте изображения может помешать приему желаемого сигнала.

Ранние приемники Autodyne обычно использовали ПЧ только 150 кГц или около того, так как было трудно поддерживать надежную генерацию при использовании более высоких частот. Как следствие, большинству приемников Autodyne требовались довольно сложные схемы настройки антенны, часто включающие катушки с двойной настройкой, чтобы избежать помех изображения. В более поздних супергетах использовались лампы, специально разработанные для использования в генераторах / смесителях, которые могли надежно работать с гораздо более высокими промежуточными частотами, уменьшая проблему интерференции изображения и, таким образом, позволяя более простую и дешевую схему настройки антенны.

Чувствительность к частоте изображения может быть минимизирована только (1) фильтром, который предшествует смесителю, или (2) более сложной схемой смесителя [21] , подавляющей изображение. В большинстве приемников это достигается с помощью полосового фильтра во входном РЧ- диапазоне . Во многих перестраиваемых приемниках полосовой фильтр настраивается вместе с гетеродином.

Подавление изображения - важный фактор при выборе промежуточной частоты приемника. Чем дальше друг от друга находятся полоса пропускания и частота изображения, тем больше полосовой фильтр будет ослаблять любой мешающий сигнал изображения. Поскольку частотное разделение между полосой пропускания и частотой изображения составляет , более высокая промежуточная частота улучшает отклонение изображения. Возможно, будет возможно использовать достаточно высокую первую ПЧ, чтобы РЧ-каскад с фиксированной настройкой мог отклонять любые сигналы изображения.

Способность приемника отклонять мешающие сигналы на частоте изображения измеряется коэффициентом отклонения изображения . Это отношение (в децибелах ) выхода приемника из сигнала на принятой частоте к его выходу для сигнала равной мощности на частоте изображения.

Излучение гетеродина [ править ]

Дополнительная информация: Электромагнитная совместимость

Трудно удержать паразитное излучение гетеродина ниже уровня, который может обнаружить ближайший приемник. Гетеродин приемника может действовать как маломощный передатчик CW . Следовательно, могут возникнуть взаимные помехи в работе двух или более супергетеродинных приемников, находящихся в непосредственной близости.

В разведывательных операциях излучение гетеродина позволяет обнаружить скрытый приемник и его рабочую частоту. Этот метод использовался MI5 во время операции RAFTER . [22] Этот же метод также используется в детекторах радар-детекторов, используемых дорожной полицией в юрисдикциях, где детекторы радаров являются незаконными.

Метод значительного уменьшения излучения гетеродина от антенны приемника заключается в использовании ВЧ-усилителя между антенной приемника и его каскадом смесителя.

Шум боковой полосы гетеродина [ править ]

Локальные генераторы обычно генерируют одночастотный сигнал с незначительной амплитудной модуляцией, но с некоторой случайной фазовой модуляцией . Любая из этих примесей распространяет часть энергии сигнала на частоты боковых полос. Это вызывает соответствующее расширение частотной характеристики приемника, что противоречит цели создания приемника с очень узкой полосой пропускания, такого как прием цифровых сигналов с низкой скоростью. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы минимизировать фазовый шум генератора, обычно гарантируя, что генератор никогда не перейдет в нелинейный режим.

Терминология [ править ]

Первый детектор, второй детектор
Смесительную трубку или транзистор иногда называют первым детектором , а демодулятор, который извлекает модуляцию из сигнала ПЧ, называют вторым детектором . В супергетике с двойным преобразованием есть два смесителя, поэтому демодулятор называется третьим детектором .
RF передний конец
Относится ко всем компонентам ресивера, включая смеситель; все части, которые обрабатывают сигнал на исходной входящей радиочастоте. На приведенной выше блок-схеме компоненты РЧ-интерфейса окрашены в красный цвет.

Заметки [ править ]

  1. ^ Хотя на практике гетеродины обычно являются относительно сильными сигналами.

См. Также [ править ]

  • H2X радар
  • Автоматическая регулировка усиления
  • Демодулятор
  • Приемник прямого преобразования
  • VFO
  • Модуляция с одной боковой полосой (демодуляция)
  • Настроенный радиочастотный приемник
  • Рефлекторный приемник
  • Оптическое гетеродинное обнаружение
  • Передатчик супергетеродинный

Ссылки [ править ]

  1. ^ Клоостер, Джон В. (2009), Иконы изобретений: Создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса , ABC-CLIO, стр. 414, ISBN 978-0-313-34743-6, получено 22.10.2017
  2. ^ Leutz, CR (декабрь 1922), "Заметки о супер гетеродина" , QST , Хартфорд, штат Коннектикут: American Radio Relay League, VI (5): 11-14, п. 11
  3. ^ Malanowski Грегори (2011). Гонка за беспроводную связь: как было изобретено (или открыто?) Радио . Авторский дом. п. 69. ISBN. 978-1463437503.
  4. ^ Кац, Евгений. «Эдвин Ховард Армстронг» . История электрохимии, электричества и электроники . Домашняя страница Евгения Каца, Hebrew Univ. Иерусалима. Архивировано из оригинала на 2009-10-22 . Проверено 10 мая 2008 .
  5. ^ а б Костер 2016 .
  6. ^ Ховарт 2017 , стр. 12.
  7. ^ "История любительского радио" . Дата люксориона неизвестна . Проверено 19 января 2011 года .
  8. ^ Саркар, Тапан К .; Mailloux, Robert J .; Олинер, Артур А .; Салазар-Пальма, Магдалена; Сенгупта, Дипак Л. (2006), История беспроводной связи , John Wiley and Sons, ISBN 0-471-71814-9, стр 110?
  9. ^ a b c Клоостер 2009 , стр. 414.
  10. ^ a b c d Карр, Джозеф Дж. (2002), RF Components and Circuits , Newnes, Chapter 3, ISBN 978-0-7506-4844-8
  11. ^ Радиочастотная электроника: схемы и приложения Джон Б. Хаген -p.58 l. 12 . Издательство Кембриджского университета, 1996 - Технология и инженерия. 13 ноября 1996 г. ISBN 9780521553568. Проверено 17 января 2011 года .
  12. ^ Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. 2006. с. 886. ISBN. 9780521370950. Проверено 17 января 2011 года .
  13. ^ Терман, Фредерик Эммонс (1943), Справочник радиоинженеров , Нью-Йорк: McGraw-Hill. На страницах 649–652 описана процедура расчета трекинга с контактным конденсатором в чебышевском смысле.
  14. ^ Rohde, Ulrich L .; Бухер, TTN (1988), приемники связи: принципы и дизайн , Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 0-07-053570-1. На страницах 155–160 обсуждается отслеживание частоты. На страницах 160–164 обсуждается подавление изображения и описывается конструкция РЧ-фильтра, которая устанавливает нули передачи как на частоте гетеродина, так и на частоте нежелательного изображения.
  15. ^ Ф. Лэнгфорд Смит, Руководство разработчика радиотронов, третье издание , RCA, 1940, стр. 102
  16. ^ Rohde & Bucher 1988 , стр. 44-55
  17. ^ http://www.qsl.net/wd4nka/TEXTS/REGENf~1.HTM Трехтрубный регенераторный ресивер, полученный 27 января 2018 г.
  18. ^ "Типы кристаллических фильтров" . QSL RF Circuit Design Ideas Дата неизвестна . Проверено 17 января 2011 года .
  19. ^ "Прием сигналов с амплитудной модуляцией - AM демодуляция" (PDF) . Британская Колумбия Интернет-образование 14.06.2007 . Проверено 17 января 2011 года .
  20. ^ "Основная теория радио" . Руководство TSCM, глава 5, дата неизвестна . Проверено 17 января 2011 года .
  21. ^ Патент США 7227912 : Приемник с подавлением зеркальной частоты Вольфдитрих Георг Касперковиц, 2002/2007
  22. ^ Райт, Питер (1987), Spycatcher: откровенная автобиография старшего офицера разведки , Penguin Viking, ISBN 0-670-82055-5

Источники [ править ]

  • Ховарт, Ричард Дж. (27 мая 2017 г.), Словарь математических наук о Земле: с историческими примечаниями , Springer, ISBN 978-3-319-57315-1, получено 22.10.2017
  • Клоостер, Джон В. (2009), Иконы изобретений: Создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса , ABC-CLIO, ISBN 978-0-313-34743-6, получено 22.10.2017
  • Костер, Джон (3 декабря 2016 г.), "Radio Lucien Lévy" , Vintage Radio Web , данные получены 22 октября 2017 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уитакер, Джерри (1996). Справочник по электронике . CRC Press. п. 1172. ISBN 0-8493-8345-5.
  • US 706740 , Фессенден, Реджинальд А. , «Беспроводная сигнализация», опубликовано 28 сентября 1901 г., опубликовано 12 августа 1902 г. 
  • US 1050441 , Фессенден, Реджинальд А. , «Электрические сигнальные устройства», опубликовано 27 июля 1905 г., выпущено 14 января 1913 г. 
  • US 1050728 , Фессенден, Реджинальд А. , «Метод сигнализации», опубликовано 21 августа 1906 г., опубликовано 14 января 1913 г. 
  • Виттс, Альфред Т. (1936). Супергетеродинный приемник (2-е изд.). Лондон: сэр Исаак Питман и сыновья.

Внешние ссылки [ править ]

  • http://ethw.org/Superheterodyne_Receiver
  • Дуглас, Алан (ноябрь 1990 г.). "Кто изобрел супергетеродин?" . Материалы Радиоклуба Америки . 64 (3): 123–142.. Статья, рассказывающая об истории различных изобретателей, работающих над супергетеродинным методом.
  • Хоган, Джон Л. младший (сентябрь 1915 г.). "Разработки приемника гетеродина" . Труды ИРЭ . 3 (3): 249–260. DOI : 10,1109 / jrproc.1915.216679 . S2CID  51639962 .
  • Шампей (март – апрель 1979 г.). «Qui a Inventé le Superhétérodyne?». La Liaison des Transmissions (на французском языке). 116 .
    Шампекс (апрель – май 1979 г.). «Qui a Inventé le Superhétérodyne?». La Liaison des Transmissions (на французском языке). 117 .Raises Пауль Лот опубликовал за шесть месяцев до Леви; Этьен опубликовал меморандум.
  • Шоттки, Уолтер Х. (октябрь 1926 г.). «О происхождении супергетеродинного метода». Труды ИРЭ . 14 (5): 695–698. DOI : 10.1109 / JRPROC.1926.221074 . ISSN  0731-5996 . S2CID  51646766 .
  • Морс, AM (31 июля 1925 г.). "нужный". Электрик . Описывает английские усилия.
  • 29F (2д) 953. Армстронг против Леви, решение 3 декабря 1928 г. http://www.leagle.com/decision/192898229F2d953_1614/ARMSTRONG%20v.%20LEVY
  • Углубленное введение в супергетеродинные приемники
  • Супергетеродинные ресиверы от microwaves101.com
  • Многостраничный учебник с описанием супергетеродинного приемника и его технологии.