Супергетеродинный приемник

Пятиламповый супергетеродинный ресивер производства Toshiba около 1955 года.

на супергетеродинном транзисторе, 1975 год. радиоприемника Схема

Супергетеродинный приемник , часто сокращаемый до супергетеродина , представляет собой тип радиоприемника , который использует смешивание частот для преобразования принятого сигнала в фиксированную промежуточную частоту (ПЧ), которую можно обрабатывать более удобно, чем исходную несущую частоту . Его изобрел французский радиоинженер и радиопроизводитель Люсьен Леви . Практически все современные радиоприемники используют супергетеродинный принцип.

История

Гетеродин

Ранние радиопередачи с азбукой 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. Поскольку выходная частота генератора обычно находилась в слышимом диапазоне, это создает звуковой амплитудно-модулированный (АМ) сигнал. 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 Александерсона , устройство, которое напрямую производило радиочастотный выходной сигнал с более высокой мощностью и гораздо более высоким КПД, чем старые системы с искровым разрядником. Однако, в отличие от искрового разрядника, выходной сигнал генератора представлял собой чистую несущую волну выбранной частоты. При обнаружении на существующих приемниках точки и тире обычно не слышны или являются «сверхзвуковыми». Из-за фильтрующего эффекта приемника эти сигналы обычно вызывали щелчок или стук, которые были слышны, но затрудняли определение точек по тире.

В 1905 году канадскому изобретателю Реджинальду Фессендену пришла в голову идея использовать два генератора переменного тока Александерсона, работающих на близко расположенных частотах, для передачи двух сигналов вместо одного. Затем приемник получит оба сигнала, и в рамках процесса обнаружения из только частота биений приемника выйдет . Выбрав две несущие достаточно близко, чтобы можно было услышать частоту биений, полученный код Морзе снова можно было легко услышать даже в простых приемниках. Например, если бы два генератора переменного тока работали на частотах с разницей в 3 кГц, выходной сигнал в наушниках был бы точками или тире с частотой 3 кГц, что делало бы их легко слышимыми.

Для описания этой системы Фессенден ввел термин « гетеродин », что означает «порожденный разницей» (в частоте). Слово происходит от греческих корней гетеро- «различный» и -дине «сила».

Регенерация

Азбука Морзе широко использовалась на заре радио, потому что ее было легко создавать и легко принимать. В отличие от голосовых трансляций, выходной сигнал усилителя не должен был точно соответствовать модуляции исходного сигнала. В результате можно было использовать любое количество простых систем усиления. В одном методе использовался интересный побочный эффект ранних ламповых триодных усилителей. Если бы и пластина (анод), и сетка были подключены к резонансным контурам, настроенным на одну и ту же частоту, и коэффициент усиления каскада был бы намного выше единицы , паразитная емкостная связь между сеткой и пластиной привела бы к возникновению колебаний усилителя.

В 1913 году Эдвин Говард Армстронг описал систему приемника, которая использовала этот эффект для создания слышимого вывода кода Морзе с использованием одного триода. Выход усилителя, взятый на аноде, был подключен обратно к входу через «тиклер», вызывая обратную связь , которая выводила входные сигналы далеко за пределы единицы. Это заставляло выходной сигнал колебаться на выбранной частоте с большим усилением. Когда исходный сигнал обрывался в конце точки или тире, колебания затухали, и звук исчезал после небольшой задержки.

Армстронг назвал эту концепцию регенеративным приёмником , и она сразу же стала одной из наиболее широко используемых систем своей эпохи. Многие радиосистемы 1920-х годов были основаны на регенеративном принципе, и он продолжал использоваться в специализированных целях до 1940-х годов, например, в IFF Mark II .

Радиопеленгация

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

Регенеративная система была очень нелинейной, усиливая любой сигнал выше определенного порога на огромную величину, иногда настолько большую, что она превращалась в передатчик (что было всей основой исходной системы IFF ). В RDF мощность сигнала используется для определения местоположения передатчика, поэтому требуется линейное усиление , чтобы можно было точно измерить мощность исходного сигнала, часто очень слабого.

Чтобы удовлетворить эту потребность, в системах RDF той эпохи использовались триоды, работающие ниже единицы. Чтобы получить полезный сигнал от такой системы, нужно было использовать десятки или даже сотни триодов, соединенных вместе анод-сетка. Эти усилители потребляли огромное количество энергии, и для поддержания их работы требовалась команда инженеров по техническому обслуживанию. Тем не менее, стратегическая ценность пеленгации по слабым сигналам была настолько высока, что Британское Адмиралтейство посчитало, что высокая стоимость оправдана.

Супергетеродин

Один из прототипов супергетеродинных приемников, построенных в лаборатории Корпуса связи Армстронга в Париже во время Первой мировой войны. Он состоит из двух секций: смесителя и гетеродина (слева) , трех каскадов усиления ПЧ и детекторного каскада (справа) . Промежуточная частота составляла 75 кГц.

Хотя ряд исследователей открыли концепцию супергетеродина, подав патенты с разницей всего в несколько месяцев (см. ниже), американскому инженеру Эдвину Армстронгу автор этой концепции часто приписывают . Он столкнулся с этим, когда обдумывал более эффективные способы производства приемников RDF. Он пришел к выводу, что переход на более высокие «коротковолновые» частоты сделает RDF более полезным, и искал практические способы создания линейного усилителя для этих сигналов. В то время короткие волны были чем-то выше 500 кГц, что превосходило возможности любого существующего усилителя.

Было замечено, что когда регенеративный приемник входил в колебание, другие близлежащие приемники также начинали принимать другие станции. Армстронг (и другие) в конечном итоге пришли к выводу, что это было вызвано «сверхзвуковым гетеродином» между несущей частотой станции и частотой колебаний регенеративного приемника. Когда первый приемник начинал генерировать высокие выходные сигналы, его сигнал возвращался через антенну и принимался любым ближайшим приемником. В этом приемнике два сигнала смешивались так же, как и в исходной концепции гетеродина, создавая на выходе разницу в частоте между двумя сигналами.

Например, рассмотрим одинокий приемник, настроенный на станцию ​​с частотой 300 кГц. Если рядом установить второй приемник и настроить его на частоту 400 кГц с высоким коэффициентом усиления, он начнет излучать сигнал частотой 400 кГц, который будет принят первым приемником. В этом приемнике два сигнала будут смешиваться для получения четырех выходных сигналов: один с исходной частотой 300 кГц, другой с полученной частотой 400 кГц и еще два: разница на частоте 100 кГц и сумма на частоте 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 и привело к названию супергетеродина.

Армстронг понял, что этот эффект был потенциальным решением проблемы «коротковолнового» усиления, поскольку «разностный» выходной сигнал по-прежнему сохранял свою первоначальную модуляцию, но на более низкой несущей частоте. В приведенном выше примере можно усилить сигнал биения частотой 100 кГц и извлечь из него исходную информацию, при этом приемнику не нужно настраиваться на исходную несущую с более высокой частотой 300 кГц. Выбрав соответствующий набор частот, даже очень высокочастотные сигналы можно «свести» до частоты, которую можно усилить существующими системами.

Например, чтобы получить сигнал с частотой 1500 кГц, что далеко за пределами диапазона эффективного усиления в то время, можно было настроить генератор, например, на 1560 кГц. Армстронг называл это « гетеродином » или LO. Поскольку его сигнал подавался на второй приемник того же устройства, он не обязательно должен был быть мощным: он генерировал ровно столько сигнала, чтобы его мощность была примерно такой же, как у принимаемой станции. Когда сигнал от гетеродина смешивается с сигналом станции, на одном из выходов будет разностная частота гетеродина, в данном случае 60 кГц. Он назвал эту полученную разницу « промежуточной частотой », которую часто сокращают до «ПЧ».

В декабре 1919 года майор Э. Х. Армстронг пропагандировал косвенный метод получения коротковолнового усиления, названный супергетеродинным. Идея состоит в том, чтобы уменьшить входную частоту, которая может составлять, например, 1 500 000 циклов (200 метров), до некоторой подходящей сверхзвуковой частоты, которую можно эффективно усилить, затем пропустить этот ток через усилитель промежуточной частоты и, наконец, выпрямить и провести на одну или две ступени усиления звуковой частоты.

«Фишка» супергетеродина в том, что, изменяя частоту гетеродина, вы можете настраиваться на разные станции. Например, чтобы получить сигнал частотой 1300 кГц, можно настроить гетеродин на частоту 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 гораздо проще сделать эффективно.

Разработка

Первый коммерческий супергетеродинный приемник. RCA Radiola AR-812, выпущенная 4 марта 1924 года, стоила 286 долларов (что эквивалентно 5080 долларам в 2023 году). В нем использовалось 6 триодов: смеситель, гетеродин, два каскада усилителя ПЧ и два каскада усилителя звука с частотой ПЧ 45 кГц. Это был коммерческий успех, с лучшими характеристиками, чем у конкурирующих приемников.

Армстронг применил свои идеи на практике, и вскоре этот метод был принят на вооружение военными. Когда в 1920-х годах началось коммерческое радиовещание , он был менее популярен , в основном из-за необходимости в дополнительной лампе (для генератора), как правило, более высокой стоимости приемника и уровня навыков, необходимых для его работы. Среди первых отечественных радиоприемников настроенные радиочастотные приемники (TRF) были более популярны, потому что они были дешевле, их было проще использовать нетехническому владельцу и дешевле в эксплуатации. Армстронг в конечном итоге продал свой патент на супергетеродин компании Westinghouse , которая затем продала его Radio Corporation of America (RCA) , последняя монополизировала рынок супергетеродинных приемников до 1930 года.

Поскольку первоначальной мотивацией создания супергета была сложность использования триодного усилителя на высоких частотах, было преимущество в использовании более низкой промежуточной частоты. В то время многие приемники использовали частоту ПЧ всего 30 кГц. Эти низкие частоты ПЧ, часто с использованием трансформаторов ПЧ, основанных на собственном резонансе трансформаторов с железным сердечником , имели плохое подавление частоты изображения , но преодолевали трудности с использованием триодов на радиочастотах, что выгодно конкурировало с менее надежным нейтродинным приемником TRF. . Более высокие частоты ПЧ (455 кГц были обычным стандартом) стали использоваться в последующие годы, после изобретения тетрода и пентода в качестве усилительных ламп, что в значительной степени решило проблему отклонения изображения. Однако даже позже низкие частоты ПЧ (обычно 60 кГц) снова использовались во второй (или третьей) ступени ПЧ приемников связи с двойным или тройным преобразованием, чтобы воспользоваться преимуществами избирательности, которую легче достичь на более низких частотах ПЧ, с изображением. отклонение осуществляется на более ранних стадиях ПЧ, которые находились на более высокой частоте ПЧ.

В 1920-х годах на этих низких частотах коммерческие фильтры ПЧ выглядели очень похожими на трансформаторы межкаскадной связи аудио 1920-х годов, имели аналогичную конструкцию и были подключены почти идентично, поэтому их называли «трансформаторами ПЧ». К середине 1930-х годов в супергетеродинах, использующих гораздо более высокие промежуточные частоты (обычно около 440–470 кГц), использовались настроенные трансформаторы, более похожие на другие радиочастотные приложения. Однако название «трансформатор ПЧ» было сохранено и теперь означает «промежуточная частота». В современных приемниках обычно используется смесь керамических резонаторов или резонаторов поверхностных акустических волн и традиционных трансформаторов ПЧ с настроенной катушкой индуктивности.

« All American Five » 1940-х годов был дешев в производстве, поскольку для него требовалось всего пять ламп. Супергетеродинный AM-приемник вещания на электронных лампах

К 1930-м годам усовершенствования в технологии электронных ламп быстро свели на нет ценовые преимущества приемников TRF, а резкий рост числа радиовещательных станций создал спрос на более дешевые и более производительные приемники.

Введение дополнительной сетки в вакуумной лампе, но до более современного тетрода с экранной сеткой, включало тетрод с двумя управляющими сетками ; эта лампа объединила в себе функции смесителя и генератора, впервые использованные в так называемом автодинном смесителе. За этим быстро последовало появление ламп, специально разработанных для работы в супергетеродинном режиме, в первую очередь пентагридного преобразователя . Уменьшив количество ламп (причем каждая ламповая ступень была основным фактором, влияющим на стоимость в ту эпоху), это еще больше уменьшило преимущество конструкций TRF и регенеративных 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 усовершенствован до дешевой в производстве конструкции, получившей название « Всеамериканская пятерка », поскольку в нем использовалось пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор/усилитель звука, усилитель мощности звука и выпрямитель. С этого времени супергетеродинная конструкция стала использоваться практически во всех коммерческих радио- и телеприемниках.

Патентные баталии

Французский инженер Люсьен Леви подал заявку на патент на принцип супергетеродина в августе 1917 года под номером 493660. Армстронг также подал заявку на патент в 1917 году. Леви подал свое первоначальное заявление примерно на семь месяцев раньше Армстронга. Немецкий изобретатель Вальтер Х. Шоттки также подал патент в 1918 году.

Сначала США признали Армстронга изобретателем, и 8 июня 1920 года был выдан его патент США № 1 342 885. После различных изменений и судебных слушаний Леви получил патент США № 1 734 938, который включал семь из девяти требований в заявке Армстронга, а два оставшихся требования были предоставлены Александрсону из GE и Кендаллу из AT&T.

Принцип работы

Блок-схема типичного супергетеродинного приемника. Красные части — это те, которые обрабатывают входящий радиочастотный (РЧ) сигнал; зеленые части — это части, которые работают на промежуточной частоте (ПЧ), а синие части — на частоте модуляции (аудио). Пунктирная линия указывает на то, что гетеродин и ВЧ-фильтр должны быть настроены совместно.

Как работает супергетеродинное радио. Горизонтальные оси — это частота f . Синие графики показывают спектры напряжения радиосигналов в различных точках схемы. Красные графики показывают передаточные функции фильтров в схеме; толщина красных полос показывает долю сигнала с предыдущего графика, которая проходит через фильтр на каждой частоте. Входящий радиосигнал от антенны (верхний график) состоит из полезного радиосигнала S1 плюс других на разных частотах. Радиочастотный фильтр (2-й график) удаляет любой сигнал, такой как S2, на частоте изображения LO - IF , который в противном случае прошел бы через фильтр ПЧ и создал бы 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 разнице этих частот, промежуточной частоты (ПЧ), на выходе смесителя (4-й график) . Он проходит через полосовой фильтр ПЧ. (5-й график) , а затем 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 присутствуют блоки, общие для супергетеродинных приёмников, опциональным является только радиочастотный усилитель.

Антенна . принимает радиосигнал Настроенный радиочастотный каскад с дополнительным радиочастотным усилителем обеспечивает некоторую первоначальную избирательность; это необходимо для подавления частоты изображения (см. ниже), а также может служить для предотвращения насыщения исходного усилителя сильными сигналами вне полосы пропускания. ; гетеродин Частоту микширования обеспечивает Обычно это генератор переменной частоты, который используется для настройки приемника на разные станции. Смеситель частот осуществляет фактическое гетеродинирование , которое и дало супергетеродину его название; он изменяет входящий радиочастотный сигнал на более высокую или более низкую фиксированную промежуточную частоту (ПЧ). ПЧ Полосовой фильтр и усилитель обеспечивают большую часть усиления и узкополосную фильтрацию радиосигнала. Демодулятор из извлекает звук или другую модуляцию радиочастоты ПЧ. Извлеченный сигнал затем усиливается аудиоусилителем.

Описание схемы

Для приема радиосигнала подходящая антенна необходима . Выходная мощность антенны может быть очень маленькой, часто всего несколько микровольт . Сигнал от антенны настраивается и может быть усилен в так называемом радиочастотном (РЧ) усилителе, хотя этот этап часто опускается. Одна или несколько настроенных схем на этом этапе блокируют частоты, которые сильно удалены от предполагаемой частоты приема. Для настройки приёмника на ту или иную станцию ​​частоту гетеродина регулируют ручкой настройки (например). Для настройки гетеродина и ВЧ каскада можно использовать конденсатор переменной емкости или варикап-диод . Настройка одной (или нескольких) настроенных цепей в ВЧ каскаде должна отслеживать настройку гетеродина.

Гетеродин и микшер

Затем сигнал подается в схему, где он смешивается с синусоидальной волной от генератора переменной частоты, известного как гетеродин (LO). В микшере используется нелинейный компонент для создания как суммарной, так и разностной частоты биений . сигналов каждый из них содержит модуляцию желаемого сигнала. Выходной сигнал смесителя может включать в себя 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. ПЧ В идеале полосовой фильтр удаляет весь сигнал ПЧ, кроме желаемого, на уровне f _IF . Сигнал ПЧ содержит исходную модуляцию (передаваемую информацию), которую имел принятый радиосигнал на f _RF .

Частота гетеродина f _LO устанавливается таким образом, чтобы желаемая радиочастота приема f _RF смешивалась с f _IF . Существует два варианта частоты гетеродина из-за соответствия между положительными и отрицательными частотами. 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 по верхнему плечу ( f _IF = f _LO − f _RF ).

Смеситель будет обрабатывать не только нужный входной сигнал на f _RF , но и все сигналы, присутствующие на его входах. Будет много смесителей (гетеродинов). Большинство других сигналов, создаваемых смесителем (например, сигналов станций на близлежащих частотах), могут быть отфильтрованы в настроенном усилителе ПЧ ; это дает супергетеродинному приемнику превосходные характеристики. Однако, если f _LO установлен на f _RF + f _IF , то входящий радиосигнал на f _LO + f _IF будет также создавать гетеродин на f _IF ; частота f _LO + f _IF называется частотой изображения и должна быть отвергнута настраиваемыми схемами в ВЧ каскаде. Частота изображения на 2 f _IF выше (или ниже) желаемой частоты f _RF , поэтому использование более высокой частоты f _IF приемником увеличивает подавление изображения , не требуя дополнительной избирательности на этапе RF.

Чтобы подавить нежелательное изображение, настройка ВЧ каскада и гетеродина может потребовать «отслеживания» друг друга. В некоторых случаях узкополосный приемник может иметь ВЧ-усилитель с фиксированной настройкой. В этом случае изменяется только частота гетеродина. В большинстве случаев входная полоса приемника шире, чем его центральная частота ПЧ. Например, типичный приемник диапазона AM-вещания охватывает диапазон от 510 кГц до 1655 кГц (входной диапазон примерно 1160 кГц) с частотой ПЧ 455 кГц; Приемник диапазона FM-вещания охватывает диапазон от 88 до 108 МГц с частотой ПЧ 10,7 МГц. В этой ситуации усилитель РЧ необходимо настроить так, чтобы усилитель ПЧ не «видел» две станции одновременно. Если бы LO приемника диапазона AM-вещания был установлен на 1200 кГц, он увидел бы станции как на 745 кГц (1200–455 кГц), так и на 1655 кГц. Следовательно, РЧ-ступенька должна быть спроектирована таким образом, чтобы любые станции, находящиеся на расстоянии вдвое большей частоты ПЧ, значительно ослаблялись. Отслеживание может осуществляться с помощью многосекционного переменного конденсатора или нескольких варакторов, управляемых общим управляющим напряжением. Радиочастотный усилитель может иметь настроенные схемы как на входе, так и на выходе, поэтому можно отслеживать три или более настроенных цепей. На практике частоты RF и LO должны совпадать, но не идеально.

Во времена ламповой (ламповой) электроники супергетеродинные приемники обычно совмещали функции гетеродина и смесителя в одной лампе, что приводило к экономии мощности, размеров и особенно стоимости. Одиночная пятисеточная преобразовательная лампа будет генерировать колебания, а также обеспечивать усиление сигнала и смешивание частот.

усилитель ПЧ

Каскады усилителя промежуточной частоты («усилитель ПЧ» или «полоса ПЧ») настроены на фиксированную частоту, которая не меняется при изменении частоты приема. Фиксированная частота упрощает оптимизацию усилителя ПЧ. Усилитель ПЧ избирательен относительно своей центральной частоты f _IF . Фиксированная центральная частота позволяет тщательно настраивать каскады усилителя ПЧ для достижения наилучших характеристик (эта настройка называется «выравниванием» усилителя ПЧ). Если бы центральная частота менялась вместе с частотой приема, то каскадам ПЧ пришлось бы отслеживать свою настройку. В супергетеродине дело обстоит иначе.

Обычно центральная частота f _IF выбирается меньшей, чем диапазон желаемых частот приема f _RF . Это связано с тем, что проще и дешевле добиться высокой избирательности на более низкой частоте, используя настроенные схемы. Полоса пропускания настроенной схемы с определенной добротностью пропорциональна самой частоте (более того, более высокая добротность достижима на более низких частотах), поэтому для достижения той же избирательности требуется меньшее количество ступеней фильтра ПЧ. Кроме того, проще и дешевле получить высокий коэффициент усиления на более низких частотах.

Однако во многих современных приемниках, предназначенных для приема в широком диапазоне частот (например, сканерах и анализаторах спектра), первая частота ПЧ выше частоты приема используется в конфигурации с двойным преобразованием . Например, приемник VLF/HF Rohde & Schwarz EK-070 охватывает диапазон от 10 кГц до 30 МГц. Он имеет радиочастотный фильтр с переключением полос и смешивает входной сигнал с первой ПЧ 81,4 МГц и второй ПЧ частотой 1,4 МГц. Частота первого гетеродина составляет от 81,4 до 111,4 МГц, что является разумным диапазоном для генератора. Но если бы исходный радиочастотный диапазон приемника был преобразован непосредственно в промежуточную частоту 1,4 МГц, частота гетеродина должна была бы покрывать диапазон 1,4–31,4 МГц, чего невозможно достичь с помощью настроенных схем (переменный конденсатор с фиксированной катушкой индуктивности потребовал бы диапазон емкости 500:1). Подавление изображения никогда не является проблемой при такой высокой частоте ПЧ. В первом каскаде ПЧ используется 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 ПЧ не является проблемой, поскольку полоса пропускания первой ПЧ значительно меньше 2,8 МГц.

Чтобы избежать помех приемникам, лицензирующие органы не будут назначать передающим станциям общие частоты ПЧ. Стандартные используемые промежуточные частоты: 455 кГц для средневолнового 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. Чтобы избежать затрат на инструменты, связанные с этими компонентами, большинство производителей затем стремились проектировать свои приемники с учетом предлагаемого фиксированного диапазона частот, что привело к фактической всемирной стандартизации промежуточных частот.

В ранних супергетах стадия ПЧ часто была регенеративной стадией, обеспечивающей чувствительность и селективность с меньшим количеством компонентов. Таких супергетов называли супергейнерами или регенеродинами. Это также называется множителем добротности и включает в себя небольшую модификацию существующего приемника, особенно с целью повышения избирательности.

Полосовой фильтр ПЧ

Каскад ПЧ включает в себя фильтр и/или несколько настроенных схем для достижения желаемой селективности . Эта фильтрация должна иметь полосу пропускания, равную или меньшую, чем разнос частот между соседними широковещательными каналами. В идеале фильтр должен иметь высокое затухание соседних каналов, но поддерживать равномерную характеристику по всему спектру желаемого сигнала, чтобы сохранить качество принимаемого сигнала. Этого можно добиться, используя один или несколько трансформаторов ПЧ с двойной настройкой, кварцевый фильтр или многополюсный керамический кристаллический фильтр .

В случае телевизионных приемников ни один другой метод не мог обеспечить точную полосовую характеристику, необходимую для приема рудиментарной боковой полосы , например, тот, который использовался в системе NTSC, впервые одобренной в США в 1941 году. К 1980-м годам многокомпонентные конденсаторы-индукторы фильтры были заменены прецизионными электромеханическими на поверхностных акустических волнах (ПАВ) фильтрами . Фильтры SAW, изготовленные с помощью методов прецизионного лазерного фрезерования, дешевле в производстве, могут быть изготовлены с очень жесткими допусками и очень стабильны в работе.

Демодулятор

Полученный сигнал теперь обрабатывается на этапе демодулятора , где аудиосигнал (или другой сигнал основной полосы частот ) восстанавливается и затем дополнительно усиливается. Демодуляция АМ требует обнаружения огибающей , чего можно добиться с помощью выпрямления и фильтра нижних частот (который может быть таким же простым, как RC-цепь ) для удаления остатков промежуточной частоты. FM-сигналы могут быть обнаружены с помощью дискриминатора, детектора соотношения или системы фазовой автоподстройки частоты . Для сигналов непрерывной волны и одной боковой полосы требуется детектор продукта, использующий так называемый генератор частоты биений , а также существуют другие методы, используемые для различных типов модуляции . Результирующий аудиосигнал (например) затем усиливается и подается в громкоговоритель.

так называемая инжекция верхнего плеча Когда используется , когда гетеродин имеет более высокую частоту, чем принимаемый сигнал (как это обычно бывает), тогда частотный спектр исходного сигнала будет инвертирован. Это должно учитываться демодулятором (и при фильтрации ПЧ) в случае определенных типов модуляции, например однополосной .

Множественное преобразование

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием

Чтобы преодолеть такие препятствия, как отклик изображения , некоторые приемники используют несколько последовательных этапов преобразования частоты и несколько ПЧ разных значений. Приемник с двумя преобразованиями частоты и ПЧ называется супергетеродином с двойным преобразованием , а с тремя ПЧ — супергетеродином с тройным преобразованием .

Основная причина, по которой это делается, заключается в том, что при использовании одной ПЧ существует компромисс между низким откликом изображения и избирательностью. Разделение между принимаемой частотой и частотой изображения равно удвоенной частоте ПЧ, поэтому чем выше ПЧ, тем проще спроектировать ВЧ-фильтр для удаления частоты изображения со входа и достижения низкой чувствительности изображения . Однако чем выше ПЧ, тем сложнее добиться высокой избирательности в фильтре ПЧ. На коротковолновых частотах и ​​выше сложность получения достаточной избирательности при настройке с высокой ПЧ, необходимой для низкого отклика изображения, влияет на производительность. Для решения этой проблемы можно использовать две частоты ПЧ: сначала преобразовать входную частоту в высокую ПЧ для достижения низкой чувствительности изображения, а затем преобразовать 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 перестраиваться в диапазоне от 500 кГц до 30 МГц, можно использовать три преобразователя частоты. С ПЧ 455 кГц легко получить достаточную входную избирательность для сигналов радиовещательного диапазона (ниже 1600 кГц). Например, если принимаемая станция находится на частоте 600 кГц, гетеродин можно установить на частоту 1055 кГц, давая изображение на (-600+1055=) 455 кГц. Но станция на частоте 1510 кГц потенциально может также создавать изображение с частотой (1510-1055=) 455 кГц и, таким образом, вызывать помехи изображения. Однако, поскольку частоты 600 кГц и 1510 кГц настолько далеки друг от друга, легко спроектировать входную настройку так, чтобы отклонить частоту 1510 кГц.

Однако на частоте 30 МГц все по-другому. Генератор будет установлен на частоту 30,455 МГц для создания ПЧ 455 кГц, но станция на 30,910 также будет производить частоту 455 кГц, поэтому обе станции будут слышны одновременно. Но практически невозможно разработать радиочастотную настроенную схему, которая могла бы адекватно различать частоты от 30 МГц до 30,91 МГц, поэтому один из подходов заключается в «объемном преобразовании с понижением частоты» целых участков коротковолновых диапазонов в более низкую частоту, где адекватная входная настройка проще. устроить.

Например, диапазоны от 29 МГц до 30 МГц; Диапазоны от 28 МГц до 29 МГц и т. д. можно преобразовать в диапазон от 2 МГц до 3 МГц, тогда их можно будет настроить более удобно. Часто это делается путем сначала преобразования каждого «блока» в более высокую частоту (обычно 40 МГц), а затем с помощью второго смесителя для преобразования его в диапазон от 2 до 3 МГц. «ПЧ» от 2 до 3 МГц представляет собой, 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-определяемую архитектуру радиосвязи, где обработка ПЧ после начального фильтра ПЧ реализована программно. Этот метод уже используется в некоторых конструкциях, например, в очень недорогих FM-радиоприемниках, встроенных в мобильные телефоны, поскольку система уже имеет необходимый микропроцессор .

Радиопередатчики также могут использовать каскад смесителя для создания выходной частоты, работая более или менее как противоположность супергетеродинного приемника.

Преимущества и недостатки

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 настраиваемого радиочастотного приемника (TRF), супергетераторы обеспечивают лучшую стабильность, поскольку настраиваемый генератор легче реализовать, чем настраиваемый усилитель. Работая на более низкой частоте, фильтры ПЧ могут обеспечивать более узкую полосу пропускания при той же добротности, чем эквивалентный РЧ-фильтр. Фиксированная ПЧ также позволяет использовать кварцевый фильтр. или аналогичные технологии, которые невозможно настроить. Регенеративные и сверхрегенеративные приемники обладают высокой чувствительностью, но часто страдают от проблем со стабильностью, что затрудняет их эксплуатацию.

Хотя преимущества конструкции супергета огромны, существует несколько недостатков, которые необходимо устранить на практике.

Частота изображения ( f _{ИЗОБРАЖЕНИЕ} )

Графики, иллюстрирующие проблему отклика изображения в супергетеродине. Горизонтальные оси — это частота, а вертикальные оси — напряжение. Без соответствующего радиочастотного фильтра любой сигнал S2 (зеленый) на частоте изображения $f_{\text{IMAGE}}$ также гетеродинирован по частоте ПЧ $f_{\text{IF}}$ вместе с нужным радиосигналом S1 (синий) в $f_{\text{RF}}$, 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 одновременному приему двух станций, создавая тем самым помехи. С приемом на частоте изображения можно бороться путем настройки (фильтрации) на антенном и ВЧ каскаде супергетеродинного приемника.

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

Например, радиовещательная станция AM на частоте 580 кГц настроена на приемнике с ПЧ 455 кГц. Гетеродин настроен на частоту 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 появятся на промежуточной частоте. Эта частота изображения находится в диапазоне AM-вещания. Практические приемники имеют этап настройки перед преобразователем, позволяющий значительно уменьшить амплитуду сигналов частоты изображения; кроме того, радиовещательным станциям в том же районе присвоены частоты, чтобы избежать таких изображений. .

Нежелательную частоту называют образом полезной частоты, поскольку она представляет собой «зеркальное отражение» желаемой частоты, отраженное вокруг. $f_{LO}\!$. Приемник с недостаточной фильтрацией на входе будет принимать сигналы одновременно на двух разных частотах: желаемой частоте и частоте изображения. Радиоприем, который происходит на частоте изображения, может мешать приему полезного сигнала, а шум (статический) вокруг частоты изображения может уменьшить отношение сигнал/шум (SNR) приемника до 3 дБ.

Ранние приемники Autodyne обычно использовали ПЧ только 150 кГц или около того. Как следствие, большинству приемников Autodyne требовалась большая избирательность входного каскада, часто с использованием катушек с двойной настройкой, чтобы избежать помех изображения. С более поздним развитием ламп, способных хорошо усиливать более высокие частоты, стали использоваться более высокие частоты ПЧ, что уменьшило проблему интерференции изображения. Типичные бытовые радиоприемники имеют только одну настроенную схему на ВЧ-каскаде.

Чувствительность к частоте изображения можно минимизировать только с помощью (1) фильтра, предшествующего смесителю, или (2) более сложной схемы смесителя. подавить изображение; это используется редко. В большинстве перестраиваемых приемников, использующих одну частоту ПЧ, РЧ-каскад включает в себя по крайней мере одну настроенную схему на ВЧ-интерфейсе , настройка которой выполняется совместно с гетеродином. В приемниках с двойным (или тройным) преобразованием, в которых первое преобразование использует фиксированный гетеродин, это может быть фиксированный полосовой фильтр , который соответствует диапазону частот, отображаемому на первый диапазон частот ПЧ.

Подавление изображения является важным фактором при выборе промежуточной частоты приемника. Чем дальше находятся полоса пропускания от частоты изображения, тем больше полосовой фильтр будет ослаблять любой мешающий сигнал изображения. Поскольку частотное разделение между полосой пропускания и частотой изображения $2f_{\mathrm {IF} }\!$, более высокая промежуточная частота улучшает отклонение изображения. Возможно, можно использовать достаточно высокую первую ПЧ, чтобы фиксированно настроенный РЧ-каскад мог отклонять любые сигналы изображения.

Способность приемника подавлять мешающие сигналы на частоте изображения измеряется коэффициентом подавления изображения . Это отношение (в децибелах ) выходного сигнала приемника на принимаемой частоте к его выходному сигналу равной силы на частоте изображения.

Излучение гетеродина

Дополнительная информация: Электромагнитная совместимость.

Может быть трудно удержать паразитное излучение гетеродина ниже уровня, который может обнаружить ближайший приемник. Если гетеродин приемника может достичь антенны, он будет действовать как маломощный передатчик CW . Следовательно, то, что должно быть приемником, само по себе может создавать радиопомехи.

В разведывательных операциях излучение гетеродина дает возможность обнаружить скрытый приемник и его рабочую частоту. Метод использовался МИ5 во время операции RAFTER . Этот же метод также используется в радар-детекторах, используемых дорожной полицией в юрисдикциях, где радар-детекторы запрещены законом.

Излучение гетеродина наиболее заметно в приемниках, в которых сигнал антенны подключен непосредственно к смесителю (который сам принимает сигнал гетеродина), а не в приемниках, в которых между ними используется каскад радиочастотного усилителя. Таким образом, это скорее проблема с недорогими приемниками и приемниками на таких высоких частотах (особенно микроволновых), где сложно реализовать каскады радиочастотного усиления.

Шум боковой полосы гетеродина

Гетеродины обычно генерируют одночастотный сигнал с незначительной амплитудной модуляцией , но с некоторой случайной фазовой модуляцией , которая распределяет часть энергии сигнала по боковым частотам. Это вызывает соответствующее расширение частотной характеристики приемника. , что противоречило бы цели создать приемник с очень узкой полосой пропускания, способный принимать низкоскоростные цифровые сигналы. Необходимо позаботиться о минимизации фазового шума генератора, обычно путем обеспечения что генератор никогда не переходит в нелинейный режим.

Терминология

Первый детектор, второй детектор

Смесительную лампу или транзистор иногда называют первым детектором , а демодулятор, извлекающий модуляцию из сигнала ПЧ, называют вторым детектором . В супергете с двойным преобразованием имеется два смесителя, поэтому демодулятор называется третьим детектором .

RF-интерфейс

Относится ко всем компонентам ресивера, включая микшер; все части, обрабатывающие сигнал на исходной входящей радиочастоте. На блок-схеме выше компоненты RF-интерфейса окрашены в красный цвет.

См. также

• Автоматическая регулировка усиления
• Демодулятор
• Приемник прямого преобразования
• Радар H2X
• Оптическое гетеродинное обнаружение
• Рефлекторный приемник
• Однополосная модуляция (демодуляция)
• Супергетеродинный передатчик
• Настроенный радиочастотный приемник
• VFO

Дальнейшее чтение

• Уитакер, Джерри (1996). Справочник по электронике . ЦРК Пресс. п. 1172. ИСБН  0-8493-8345-5 .
• США 706740 , Фессенден, Реджинальд А. , «Беспроводная сигнализация», опубликовано 28 сентября 1901 г., выдано 12 августа 1902 г.  
• US 1050441 , Фессенден, Реджинальд А. , «Электрический сигнальный аппарат», опубликован 27 июля 1905 г., выдан 14 января 1913 г.  
• US 1050728 , Фессенден, Реджинальд А. , «Метод сигнализации», опубликован 21 августа 1906 г., выдан 14 января 1913 г.  
• Уиттс, Альфред Т. (1936). Супергетеродинный приемник (2-е изд.). Лондон, Великобритания: Сэр Исаак Питман и сыновья.

Внешние ссылки

• http://ethw.org/Superheterodyne_Receiver
• Дуглас, Алан (ноябрь 1990 г.). «Кто изобрел супергетеродин?» . Труды Радиоклуба Америки . 64 (3): 123–142. . Статья, рассказывающая историю различных изобретателей, работавших над супергетеродинным методом.
• Хоган, Джон Л. младший (сентябрь 1915 г.). «Разработки гетеродинного приёмника» . Труды ИРЭ . 3 (3): 249–260. дои : 10.1109/jrproc.1915.216679 . S2CID   51639962 .
• Шампей (март – апрель 1979 г.). «Кто изобрел супергетеродин?». Линия передачи (на французском языке). 116 .
  Шампей (апрель – май 1979 г.). «Кто изобрел супергетеродин?». Линия передачи (на французском языке). 117 . «Рейзы Поля Лаута» опубликованы за шесть месяцев до «Леви»; Этьен опубликовал записку.
• Шоттки, Уолтер Х. (октябрь 1926 г.). «О происхождении супергетеродинного метода». Труды ИРЭ . 14 (5): 695–698. дои : 10.1109/JRPROC.1926.221074 . ISSN   0731-5996 . S2CID   51646766 .
• Морс, AM (31 июля 1925 г.). "нужный". Электрик . Описывает усилия английского языка.
• 29Ф(2д)953. Армстронг против Леви, решение принято 3 декабря 1928 г. http://www.leagle.com/decision/192898229F2d953_1614/ARMSTRONG%20v.%20LEVY
• Углубленное введение в супергетеродинные приемники.
• Супергетеродинные приемники с сайта microsofts101.com. Архивировано 26 ноября 2010 г. на Wayback Machine.
• Многостраничное руководство, описывающее супергетеродинный приемник и его технологию.