Супергетеродинный приемник - Superheterodyne receiver

5-ламповый супергетеродинный приемник, изготовленный в Японии около 1955 года.

Супергетеродинный транзистор радио схема около 1975 года

А супергетеродинный приемник, часто сокращается до супергет, это тип радиоприемник который использует частотное смешение преобразовать полученный сигнал в фиксированный промежуточная частота (IF), который может быть обработан более удобно, чем исходный несущая 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 работают по супергетеродинному принципу.

История

Гетеродин

Рано азбука Морзе радиопередачи производились с использованием генератор подключен к разрядник. Выходной сигнал был на уровне несущая частота определяется физической конструкцией зазора, модулируется переменный ток сигнал от генератора. Поскольку выходная мощность генератора обычно находится в слышимом диапазоне, это производит слышимое амплитудно-модулированный (AM) сигнал. Простой радиодетекторы отфильтровал высокочастотную несущую, оставив модуляцию, которая была передана пользователю наушники как звуковой сигнал из точек и тире.

В 1904 г. Эрнст Александерсон представил Генератор Alexanderson, устройство, которое напрямую выдает 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 канадский изобретатель Реджинальд Фессенден придумал идею использовать два генератора переменного тока Alexanderson, работающих на близко расположенных частотах, для передачи сигналов вместо одного. Тогда приемник будет принимать оба сигнала, и в рамках процесса обнаружения только частота биений выйдет из приемника. 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 на 3 кГц, на выходе в наушниках будут отображаться точки или тире тона 3 кГц, что сделает их легко слышимыми.

Фессенден ввел термин "гетеродин, "значение" порожденное различием "(по частоте), чтобы описать эту систему. Слово происходит от греческих корней гетеро- "разные", и -dyne "мощность".

Регенерация

Азбука Морзе широко использовалась на заре радио, потому что ее было легко как создавать, так и принимать сигнал. 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 строительства ранних триод ламповые усилители. Если и пластина (анод), и сетка подключены к резонансным контурам, настроенным на одну и ту же частоту, емкостная связь между сеткой и пластиной вызовет колебания усилителя, если усиление каскада намного больше, чем единство.

В 1913 г. Эдвин Ховард Армстронг описал приемную систему, которая использовала этот эффект для создания звукового вывода кода Морзе с использованием одного триода. Выход анода, выходной сигнал после усиления, был подключен обратно ко входу через «тиклер», вызывая Обратная связь что привело к выходу входных сигналов далеко за пределы единицы. Это заставляло выход колебаться на выбранной частоте с большим усилением. Когда исходный сигнал обрывается в конце точки или тире, колебания снова затухают, и звук пропадает после небольшой задержки.

Армстронг назвал эту концепцию регенеративный приемник, и сразу же стала одной из самых 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 МКФ Марк II.

RDF

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

Регенеративная система была в высшей степени нелинейной, усиливая любой сигнал выше определенного порога в огромных количествах, иногда настолько больших, что он превращался в передатчик (что и 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 посчитал, что высокая стоимость оправдана.

Супергетеродинный

Один из прототипов супергетеродинных приемников, построенных в лаборатории Армстронга в Париже во время Первой мировой войны. Он состоит из двух секций: Смеситель и гетеродин (оставили) и три каскада усиления ПЧ и детекторный каскад (верно). Промежуточная частота 75 кГц.

Хотя ряд исследователей открыли концепцию супергетеродина, подавая заявки на патенты с разницей всего в несколько месяцев (см. Ниже), Армстронгу часто приписывают эту концепцию. Он натолкнулся на это, когда рассматривал более эффективные способы производства приемников RDF. Он пришел к выводу, что переход к более высоким «коротковолновым» частотам сделает RDF более полезным, и искал практические способы 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 любым ближайшим приемником. В этом приемнике два сигнала смешиваются так же, как и в исходной концепции гетеродина, создавая выходной сигнал, который представляет собой разность 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 микшироваться 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 слышна. 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 первоначальную 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 можно «уменьшить» 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 "гетеродин "или LO. 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.^[а] Когда сигнал гетеродина смешивается с сигналом станции, на одном из выходов будет разностная частота гетеродина, в данном случае 60 кГц. Он назвал это результирующее различие "промежуточная частота "часто сокращается до" ЕСЛИ ".

В декабре 1919 г. 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 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.

Разработка

Первый коммерческий супергетеродинный ресивер,^[3] RCA Radiola AR-812, выпущенный 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 аудиоусилителя 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 коммерческий радиовещание началась в 1920-х годах, 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, настроенные радиочастотные приемники (TRF) были более популярны, потому что они были дешевле, проще в использовании для нетехнического владельца и менее затратны в эксплуатации. Армстронг в конце концов продал свой патент на супергетеродин компании Westinghouse, который затем продал его Радиокорпорация Америки (RCA), последний монополизировал рынок супергетеродинных приемников до 1930 года.^[4]

Ранние супергетеродинные приемники использовали ПЧ до 20 кГц, часто на основе собственного резонанса железного сердечника. трансформаторы. Это сделало их чрезвычайно восприимчивыми к частота изображения помехи, 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. Современные приемники обычно используют смесь керамический резонатор или же УВИДЕЛ резонаторы (поверхностные акустические волны), а также традиционные трансформаторы ПЧ с настраиваемой индуктивностью.

"Вся американская пятерка «Супергетеродинный радиовещательный AM-приемник на электронных лампах 1940-х годов был дешев в производстве, потому что для него требовалось всего пять ламп.

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 и высокопроизводительные приемники.

Развитие тетрод вакуумная трубка, содержащая сетка экрана привело к созданию многоэлементной трубки, в которой можно было комбинировать функции смесителя и генератора, впервые использованной в так называемой автодин Смеситель. За этим быстро последовало внедрение ламп, специально разработанных для работы в супергетеродине, в первую очередь ламп пентагридный преобразователь. 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 супергетеродинный радиовещательный AM-приемник на электронных лампах был переработан в дешевую в производстве конструкцию под названием "Вся американская пятерка ", потому что он использует пять электронных ламп: обычно преобразователь (микшер / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор / аудиоусилитель, аудиоусилитель мощности и выпрямитель. С этого времени супергетеродинный дизайн использовался практически во всех коммерческих радио и ТВ-приемники.

Патентные битвы

Французский инженер Люсьен Леви подала заявку на патент на принцип супергетеродинности в августе 1917 года с бреветом № 493660.^[5] Армстронг также подал патент в 1917 году.^[6][7][8] Леви подал свое первоначальное раскрытие за семь месяцев до Армстронга.^[9]Немецкий изобретатель Уолтер Х. Шоттки также подал патент в 1918 году.^[5]

Сначала США признали Армстронга изобретателем, и 8 июня 1920 г. был выдан его патент США 1342,885.^[9] После различных изменений и судебных слушаний Леви получил патент США № 1 734 938, который включал семь из девяти исков в заявке Армстронга, в то время как два оставшихся иска были удовлетворены Александерсоном из GE и Кендалл из AT&T.^[9]

Принцип действия

Блок-схема типичного супергетеродинного приемника. красный части - это те, которые обрабатывают входящий радиочастотный (RF) сигнал; зеленый части, которые работают на промежуточной частоте (ПЧ), а синий части работают на частоте модуляции (звука). Пунктирная линия указывает на то, что гетеродин и ВЧ-фильтр должны настраиваться одновременно.

Как работает супергетеродинное радио. Горизонтальные оси - частота ж. Синие графики показывают напряжения радиосигналов в различных точках цепи. Красные графики показывают передаточные функции фильтров в цепи; толщина красных полос показывает долю сигнала из предыдущего графика, которая проходит через фильтр на каждой частоте. Входящий радиосигнал от антенны (верхний график) состоит из желаемого радиосигнала S1 плюс другие на разных частотах. RF фильтр (2-й график) удаляет любой сигнал, такой как S2 на частота изображения LO - ЕСЛИ, которые в противном случае прошли бы через фильтр ПЧ и создали помехи. Оставшийся составной сигнал подается на смеситель вместе с сигналом гетеродина (LO) (3-й график). В смесителе сигнал S1 объединяется с частотой гетеродина для создания гетеродина на разности этих частот, промежуточной частоты (ПЧ) на выходе смесителя. (4-й график). Это 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 одним преобразованием. На схеме есть блоки, общие для супергетеродинных приемников,^[10] при этом только РЧ-усилитель является дополнительным.

В антенна собирает радиосигнал. Настроенный РЧ каскад с дополнительным РЧ усилителем обеспечивает некоторую начальную избирательность; необходимо подавить частота изображения (см. ниже), а также может служить для предотвращения насыщения начального усилителя сильными сигналами вне полосы пропускания. А гетеродин обеспечивает частоту микширования; Обычно это генератор переменной частоты, который используется для настройки приемника на разные станции. В частотный смеситель действительно ли гетеродинирование это дало имя супергетеродину; он изменяет входящий радиочастотный сигнал на более высокий или низкий, фиксированный, промежуточная частота (ЕСЛИ). IF полосовой фильтр и усилитель обеспечивает большую часть усиления и узкополосную фильтрацию для радио. В демодулятор извлекает аудио или другие модуляция от радиочастоты ПЧ. Затем извлеченный сигнал усиливается звуковым усилителем.

Описание схемы

Для приема радиосигнала подходящее антенна необходимо. Выход антенны может быть очень маленьким, часто всего несколько микровольт. Сигнал от антенны настраивается и может быть усилен в так называемом усилителе радиочастоты (RF), хотя этот этап часто пропускается. Один или больше настроенные схемы на этом этапе блокируются частоты, далекие от предполагаемой частоты приема. Чтобы настроить приемник на конкретную станцию, частота гетеродина регулируется ручкой настройки (например). Для настройки гетеродина и ВЧ-каскада может использоваться переменный конденсатор, или же варикап диод.^[11] Настройка одной (или нескольких) настроенных схем в каскаде RF должна отслеживать настройку гетеродина.

Гетеродин и смеситель

Затем сигнал подается в схему, где он смешивается с синусоидальной волной от генератора переменной частоты, известного как гетеродин (LO). Смеситель использует нелинейный компонент для получения суммы и разницы. частоты биений сигналы,^[12] каждый содержит модуляция содержится в желаемом сигнале. Выход смесителя может включать исходный радиочастотный сигнал на ж_РФ, сигнал гетеродина на ж_LO, и две новые частоты гетеродина ж_РФ + ж_LO и ж_РФ − ж_LO. Смеситель может непреднамеренно создавать дополнительные частоты, такие как продукты интермодуляции третьего и более высокого порядка. В идеале IF полосовой фильтр удаляет все, кроме полезного сигнала ПЧ на ж_ЕСЛИ. Сигнал ПЧ содержит исходную модуляцию (передаваемую информацию), которую принимал радиосигнал на ж_РФ.

Частота гетеродина ж_LO настроена так, что желаемая частота приема ж_РФ смешивается с ж_ЕСЛИ. Есть два варианта выбора частоты гетеродина, поскольку преобладающие продукты смесителя находятся на ж_РФ ± ж_LO. Если частота гетеродина меньше желаемой частоты приема, это называется впрыск с нижней стороны (ж_ЕСЛИ = ж_РФ − ж_LO); если гетеродин выше, то он называется нагнетание на стороне высокого давления (ж_ЕСЛИ = ж_LO − ж_РФ).

Смеситель будет обрабатывать не только желаемый входной сигнал на f_РФ, но и все сигналы, присутствующие на его входах. Будет много микшеров (гетеродинов). Большинство других сигналов, создаваемых микшером (например, от станций на соседних частотах), могут быть фильтрованный в IF настроенный усилитель; что дает супергетеродинному ресиверу его превосходные характеристики. Однако если ж_LO установлен на ж_РФ + ж_ЕСЛИ, то входящий радиосигнал на ж_LO + ж_ЕСЛИ буду также производить гетеродин на ж_ЕСЛИ; Частота ж_LO + ж_ЕСЛИ называется частота изображения и должны быть отклонены настроенными схемами в каскаде RF. Частота изображения 2ж_ЕСЛИ выше (или ниже) желаемой частоты ж_РФ, поэтому использование более высокой частоты ПЧ ж_ЕСЛИ увеличивает приемник отклонение изображения не требуя дополнительной селективности в каскаде RF.^{[сомнительный ]}

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-радиовещания 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. Следовательно, РЧ-каскад должен быть спроектирован так, чтобы любые станции, которые вдвое превышают частоту ПЧ, значительно ослабляются. Отслеживание может осуществляться с помощью многосекционного переменного конденсатора или некоторых других варакторы управляется 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 конвертер. В вакуумная труба приемники, одиночные пентагридный преобразователь трубка будет колебаться, а также будет обеспечивать усиление сигнала, а также сдвиг частоты.^[15]

Усилитель ПЧ

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. ж_ЕСЛИ. 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 ж_ЕСЛИ выбирается меньше желаемой частоты приема ж_РФ. У выбора есть некоторые преимущества в производительности. Во-первых, проще 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 большего количества 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 постоянную произведение коэффициент усиления – пропускная способность (доминирующий полюс) характеристика. Если усилитель имеет произведение усиления на полосу пропускания 100 МГц, то 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 частоты приема. ж_РФ, 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, потому что 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. Используемые стандартные промежуточные частоты - 455 кГц для средневолновый AM-радио, 10,7 МГц для радиовещательных FM-приемников, 38,9 МГц (Европа) или 45 МГц (США) для телевидения и 70 МГц для спутникового и наземного микроволнового оборудования. Избежать затраты на инструменты связанных с этими компонентами, большинство производителей затем стремились проектировать свои приемники в фиксированном диапазоне предлагаемых частот, что привело к всемирному де-факто стандартизация промежуточных частот.

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

Полосовой фильтр ПЧ

Каскад ПЧ включает фильтр и / или несколько настроенных схем для достижения желаемого избирательность. Эта фильтрация должна иметь полосу пропускания, равную или меньшую, чем разнос частот 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 достигнуто с помощью одного или нескольких сдвоенных трансформаторов ПЧ, кварцевого кристаллический фильтр, или мультиполь керамический кристаллический фильтр.^[18]

В случае телевизионных приемников никакая другая техника не могла обеспечить точную Bandpass характеристика, необходимая для рудиментарная боковая полоса прием, например, используемый в NTSC Система была впервые одобрена в США в 1941 году. К 1980-м годам многокомпонентные конденсаторно-индукционные фильтры были заменены прецизионными электромеханическими. поверхностная акустическая волна (УВИДЕЛ) фильтры. Фильтры на ПАВ, изготовленные методом прецизионного лазерного фрезерования, дешевле в производстве, могут изготавливаться с очень жесткими допусками и очень стабильны в работе.

Демодулятор

Полученный сигнал теперь обрабатывается демодулятор этап, на котором звуковой сигнал (или другой основная полоса сигнал) восстанавливается и затем усиливается. Демодуляция AM требует простого исправление радиочастотного сигнала (так называемый обнаружение конверта ) и простой RC-фильтр нижних частот для удаления остатков промежуточной частоты.^[19] FM-сигналы могут быть обнаружены с помощью дискриминатора, детектор соотношения, или же ФАПЧ. Непрерывная волна и одинарная боковая полоса сигналы требуют детектор продукта используя так называемый генератор частоты биений, и есть другие методы, используемые для разных типов модуляция.^[20] Результирующий аудиосигнал (например) затем усиливается и приводит в действие громкоговоритель.

Когда так называемый нагнетание на стороне высокого давления был использован, где гетеродин находится на выше частоты, чем принимаемый сигнал (как обычно), 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

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием

Для преодоления препятствий, таких как ответ изображения, некоторые приемники используют несколько последовательных этапов преобразования частоты и несколько ПЧ разных значений. Приемник с двумя преобразованиями частоты и ПЧ называется супергетеродин с двойным преобразованием, а один с тремя IF называется супергетеродин с тройным преобразованием.

Основная причина, по которой это делается, заключается в том, что с одним IF существует компромисс между низким ответ изображения и избирательность. Разделение между принятой частотой и частотой частота изображения равна удвоенной частоте ПЧ, поэтому чем выше ПЧ, тем проще разработать РЧ-фильтр для удаления частоты изображения из входа и достижения низкого уровня. ответ изображения. Однако чем выше ПЧ, тем труднее добиться высокой избирательности в фильтре ПЧ. В коротковолновый частот и выше, сложность в достижении достаточной избирательности при настройке с высокими 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 должен быть 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 могла бы адекватно различать между 30 МГц и 30,91 МГц, поэтому один из подходов состоит в «массовом понижающем преобразовании» целых участков коротковолновых полос на более низкую частоту, где адекватная предварительная настройка проще. 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. Это часто выполняется сначала путем преобразования каждого «блока» до более высокой частоты (обычно 40 МГц), а затем с помощью второго смесителя 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

Микропроцессорная технология позволяет заменить конструкцию супергетеродинного приемника на программно определяемое радио архитектура, в которой обработка ПЧ после начального фильтра ПЧ реализована программно. Этот метод уже используется в определенных конструкциях, таких как очень недорогие FM-радиоприемники, встроенные в мобильные телефоны, поскольку в системе уже есть необходимые микропроцессор.

Радиопередатчики может также использовать каскад смесителя для создания выходной частоты, работающей более или менее как обратное преобразование супергетеродинного приемника.

Преимущества и недостатки

Супергетеродинные приемники по существу заменили все предыдущие конструкции приемников. Развитие современных полупроводник электроника свела на нет преимущества дизайна (например, регенеративный приемник ), в которых использовалось меньше электронных ламп. Супергетеродинный приемник обеспечивает превосходную чувствительность, стабильность частоты и избирательность. По сравнению с настроенный радиоприемник (TRF) супергерои обеспечивают лучшую стабильность, потому что настраиваемый генератор легче реализовать, чем настраиваемый усилитель. Фильтры ПЧ, работающие на более низкой частоте, могут дать более узкие полосы пропускания при том же Добротность чем эквивалентный фильтр RF. Фиксированная IF также позволяет использовать кристаллический фильтр^[10] или аналогичные технологии, которые нельзя настроить. Регенеративный и суперрегенеративные приемники обладают высокой чувствительностью, но часто страдают от проблем со стабильностью, что затрудняет их работу.

Несмотря на то, что преимущества конструкции супергеток огромны, есть несколько недостатков, которые необходимо устранить на практике.

Частота изображения (ж_{ИЗОБРАЖЕНИЕ})

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 ${\displaystyle f_{\text{IMAGE}}}$ также гетеродифицирован на частоту ПЧ ${\displaystyle f_{\text{IF}}}$ вместе с желаемым радиосигналом S1 (синий) в ${\displaystyle f_{\text{RF}}}$, поэтому они оба проходят через фильтр ПЧ (красный). Таким образом, S2 мешает S1.

Одним из основных недостатков супергетеродинного приемника является проблема частота 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 достаточным затухание по входящему сигналу фильтром усилителя ВЧ супергетеродинного приемника.

${\displaystyle f_{\mathrm {IMAGE} }={\begin{cases}f+2f_{\mathrm {IF} },&{\text{if }}f_{\mathrm {LO} }>f{\text{ (high side injection)}}\\f-2f_{\mathrm {IF} },&{\text{if }}f_{\mathrm {LO} }<f{\text{ (low side injection)}}\end{cases}}}$

Например, радиовещательная станция AM на частоте 580 кГц настраивается на приемник с ПЧ 455 кГц. Гетеродин настроен на 580 + 455 = 1035 кГц. Но сигнал на 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, чтобы значительно уменьшить амплитуду частотных сигналов изображения; кроме того, радиовещательным станциям в том же районе присвоены частоты, чтобы избежать появления таких изображений.

Нежелательная частота называется изображение желаемой частоты, потому что это "зеркальное отражение" желаемой частоты, отраженной ${\displaystyle f_{o}\!}$. Приемник с неадекватной фильтрацией на входе будет улавливать сигналы на двух разных частотах одновременно: желаемой частоте и частоте изображения. Любой шум или случайная радиостанция на частоте изображения может помешать приему желаемого сигнала.

Рано Autodyne приемники 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 генератора / смесителя, которые могли надежно работать с гораздо более высокими ПЧ, уменьшая проблему помех изображения и, таким образом, позволяя более простую и дешевую схему настройки антенны.

Sensitivity to the image frequency can be minimized only by (1) a filter that precedes the mixer or (2) a more complex mixer circuit ^[21] that suppresses the image. In most receivers, this is accomplished by a полосовой фильтр в RF front end. In many tunable receivers, the bandpass filter is tuned in tandem with the local oscillator.

Image rejection is an important factor in choosing the intermediate frequency of a receiver. The farther apart the bandpass frequency and the image frequency are, the more the bandpass filter will attenuate any interfering image signal. Since the frequency separation between the bandpass and the image frequency is ${\displaystyle 2f_{\mathrm {IF} }\!}$, a higher intermediate frequency improves image rejection. It may be possible to use a high enough first IF that a fixed-tuned RF stage can reject any image signals.

The ability of a receiver to reject interfering signals at the image frequency is measured by the коэффициент отклонения изображения. This is the ratio (in децибелы ) of the output of the receiver from a signal at the received frequency, to its output for an equal-strength signal at the image frequency.

Local oscillator radiation

Дальнейшая информация: Электромагнитная совместимость

It is difficult to keep stray radiation from the local oscillator below the level that a nearby receiver can detect. The receiver's local oscillator can act like a low-power CW передатчик. Consequently, there can be mutual interference in the operation of two or more superheterodyne receivers in close proximity.

In intelligence operations, local oscillator radiation gives a means to detect a covert receiver and its operating frequency. The method was used by MI5 during Операция RAFTER.^[22] This same technique is also used in radar detector detectors used by traffic police in jurisdictions where radar detectors are illegal.

A method of significantly reducing the local oscillator radiation from the receiver's antenna is to use an RF amplifier between the receiver's antenna and its mixer stage.

Local oscillator sideband noise

Local oscillators typically generate a single frequency signal that has negligible amplitude modulation but some random phase modulation. Either of these impurities spreads some of the signal's energy into sideband frequencies. That causes a corresponding widening of the receiver's frequency response, which would defeat the aim to make a very narrow bandwidth receiver such as to receive low-rate digital signals. Care needs to be taken to minimize oscillator phase noise, usually by ensuring that the oscillator never enters a нелинейный режим.

Терминология

First detector, second detector

The mixer tube or transistor is sometimes called the first detector, while the demodulator that extracts the modulation from the IF signal is called the second detector. In a dual-conversion superhet there are two mixers, so the demodulator is called the third detector.

RF front end

Refers to all the components of the receiver up to and including the mixer; all the parts that process the signal at the original incoming radio frequency. In the block diagram above the RF front end components are colored red.

Примечания

1. Although, in practice, LOs tend to be relatively strong signals.

Смотрите также

• H2X radar
• Автоматическая регулировка усиления
• Демодулятор
• Приемник прямого преобразования
• VFO
• Single sideband modulation (demodulation)
• Настроенный радиочастотный приемник
• Приемник Reflex
• Обнаружение оптического гетеродина
• Передатчик супергетеродинный

Рекомендации

1. Клоостер, Джон В. (2009), Иконы изобретений: Создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса, ABC-CLIO, стр. 414, г. ISBN  978-0-313-34743-6, получено 2017-10-22
2. Leutz, C. R. (December 1922), "Notes on a Super-Heterodyne", QST, Hartford, CT: American Radio Relay League, VI (5): 11–14, п. 11
3. Malanowski, Gregory (2011). The Race for Wireless: How Radio Was Invented (or Discovered?). Авторский дом. п. 69. ISBN  978-1463437503.
4. Кац, Евгений. "Edwin Howard Armstrong". History of electrochemistry, electricity, and electronics. Eugenii Katz homepage, Hebrew Univ. Иерусалима. Архивировано из оригинал на 2009-10-22. Получено 2008-05-10.
5. Koster 2016.
6. Howarth 2017, п. 12.
7. "The History of Amateur Radio". Luxorion date unknown. Получено 19 января 2011.
8. Sarkar, Tapan K.; Mailloux, Robert J.; Олинер, Артур А .; Salazar-Palma, Magdalena; Sengupta, Dipak L. (2006), История беспроводной связи, John Wiley and Sons, ISBN  0-471-71814-9, p 110?
9. Klooster 2009, п. 414. sfn error: multiple targets (2×): CITEREFKlooster2009 (помощь)
10. Carr, Joseph J. (2002), RF Components and Circuits, Newnes, Chapter 3, ISBN  978-0-7506-4844-8
11. Radio-frequency electronics: circuits and applications By Jon B. Hagen -p.58 l. 12. Cambridge University Press, 1996 - Technology & Engineering. 13 November 1996. ISBN  9780521553568. Получено 17 января 2011.
12. Искусство электроники. Издательство Кембриджского университета. 2006. с. 886. ISBN  9780521370950. Получено 17 января 2011.
13. Terman, Frederick Emmons (1943), Справочник радиоинженера, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. Pages 649–652 describes design procedure for tracking with a pad capacitor in the Chebyshev sense.
14. Rohde, Ulrich L .; Bucher, T. T. N. (1988), Communications Receivers: Principles & Design, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, ISBN  0-07-053570-1. Pages 155–160 discuss frequency tracking. Pages 160–164 discuss image rejection and include an RF filter design that puts transmission zeros at both the local oscillator frequency and the unwanted image frequency.
15. F. Langford Smith, Radiotron Designer's Handbook Third Edition, RCA, 1940, page 102
16. Rohde & Bucher 1988, pp. 44–55
17. http://www.qsl.net/wd4nka/TEXTS/REGENf~1.HTM A Three Tube Regenerodyne Receiver retrieved January 27, 2018
18. "Crystal filter types". QSL RF Circuit Design Ideas Date unknown. Получено 17 января 2011.
19. "Reception of Amplitude Modulated Signals - AM Demodulation" (PDF). BC Internet education 6/14/2007. Получено 17 января 2011.
20. "Basic Radio Theory". TSCM Handbook Ch.5 date unknown. Получено 17 января 2011.
21. United States Patent 7227912: Receiver with mirror frequency suppression by Wolfdietrich Georg Kasperkovitz, 2002/2007
22. Wright, Peter (1987), Spycatcher: откровенная автобиография старшего офицера разведки, Penguin Viking, ISBN  0-670-82055-5

Источники

• Howarth, Richard J. (2017-05-27), Dictionary of Mathematical Geosciences: With Historical Notes, Спрингер, ISBN  978-3-319-57315-1, получено 2017-10-22
• Клоостер, Джон В. (2009), Иконы изобретений: Создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса, ABC-CLIO, ISBN  978-0-313-34743-6, получено 2017-10-22
• Koster, John (3 December 2016), "Radio Lucien Lévy", Vintage Radio Web, получено 2017-10-22

дальнейшее чтение

• Whitaker, Jerry (1996). The Electronics Handbook. CRC Press. п. 1172. ISBN  0-8493-8345-5.
• US 706740, Fessenden, Reginald A., "Wireless Signaling", published September 28, 1901, issued August 12, 1902 
• US 1050441, Fessenden, Reginald A., "Electric Signaling Apparatus", published July 27, 1905, issued January 14, 1913 
• US 1050728, Fessenden, Reginald A., "Method of Signaling", published August 21, 1906, issued January 14, 1913 
• Witts, Alfred T. (1936). The Superheterodyne Receiver (2-е изд.). Лондон: сэр Исаак Питман и сыновья.

внешняя ссылка

• http://ethw.org/Superheterodyne_Receiver
• Douglas, Alan (November 1990). "Who Invented the Superheterodyne?". Proceedings of the Radio Club of America. 64 (3): 123–142.. An article giving the history of the various inventors working on the superheterodyne method.
• Hogan, John L., Jr. (September 1915). "Developments of the Heterodyne Receiver". Труды IRE. 3 (3): 249–260. Дои:10.1109/jrproc.1915.216679. S2CID  51639962.
• Champeix (March–April 1979). "Qui a Inventé le Superhétérodyne?". La Liaison des Transmissions (На французском). 116.
  Champeix (April–May 1979). "Qui a Inventé le Superhétérodyne?". La Liaison des Transmissions (На французском). 117. Raises Paul Laüt published six months before Lévy; Étienne published the memo.
• Schottky, Walter H. (October 1926). «К вопросу о происхождении супергетеродинного метода». Proceedings of the I.R.E. 14 (5): 695–698. Дои:10.1109 / JRPROC.1926.221074. ISSN  0731-5996. S2CID  51646766.
• Morse, A. M. (July 31, 1925). "needed". Электрик. Describes English efforts.
• 29F(2d)953. Armstrong v. Lévy, decided Dec. 3, 1928 http://www.leagle.com/decision/192898229F2d953_1614/ARMSTRONG%20v.%20LEVY
• An in-depth introduction to superheterodyne receivers
• Superheterodyne receivers from microwaves101.com
• Multipage tutorial describing the superheterodyne receiver and its technology