В радиосвязи радиоприемник , , также известный как приемник , радиоприемник или просто радио представляет собой электронное устройство, которое принимает радиоволны и преобразует переносимую ими информацию в пригодную для использования форму. Используется с антенной . Антенна перехватывает радиоволны ( электромагнитные волны радиочастоты , ) и преобразует их в слабые переменные токи которые подаются на приемник, и приемник извлекает нужную информацию. Приемник использует электронные фильтры для отделения полезного радиочастотного сигнала от всех других сигналов, принимаемых антенной, электронный усилитель для увеличения мощности сигнала для дальнейшей обработки и, наконец, восстанавливает нужную информацию посредством демодуляции .
Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радиосвязь . Информация, создаваемая приемником, может быть в форме звука, видео ( телевидения ) или цифровых данных . [1] Радиоприемник может представлять собой отдельный элемент электронного оборудования или электронную схему внутри другого устройства. Наиболее привычным для большинства людей типом радиоприемника является радиовещательный радиоприемник, воспроизводящий звук, передаваемый радиовещательными станциями, что исторически является первым радиоприложением, предназначенным для массового рынка. Радиовещательный приемник обычно называют «радио». Однако радиоприемники очень широко используются и в других областях современной техники, в телевизорах , сотовых телефонах , беспроводных модемах , радиочасах и других компонентах связи, дистанционного управления и беспроводных сетевых системах.
Наиболее распространенной формой радиоприемника является вещательный приемник, часто называемый просто радио , который принимает аудиопрограммы , предназначенные для общественного приема, передаваемые местными радиостанциями . Звук воспроизводится либо динамиком радиоприемника , либо наушником , который подключается к разъему радиоприемника. Радиоприемнику требуется электроэнергия , обеспечиваемая либо батареями внутри радиоприемника, либо шнуром питания, который подключается к электрической розетке . Все радиоприемники имеют регулятор громкости для регулировки громкости звука и некоторый тип «настройки» для выбора принимаемой радиостанции.
FM- стереорадиостанции вещают в стереофоническом звуке (стерео), передавая два звуковых канала, представляющих левый и правый микрофоны . Стереоресивер содержит дополнительные схемы и параллельные пути прохождения сигнала для воспроизведения двух отдельных каналов. приемник Монофонический , напротив, принимает только один аудиоканал, который представляет собой комбинацию (сумму) левого и правого каналов. [2] [3] [4] Хотя стереопередатчики и приемники AM существуют, они не достигли популярности FM-стерео.
Большинство современных радиоприемников способны принимать радиостанции AM и FM и имеют переключатель для выбора диапазона приема; они называются радиоприемниками AM/FM .
Цифровое аудиовещание (DAB) — это передовая радиотехнология, которая дебютировала в некоторых странах в 1998 году и которая передает звук с наземных радиостанций в виде цифрового сигнала , а не аналогового сигнала, как это делают AM и FM. Его преимущества заключаются в том, что DAB потенциально может обеспечить более высокое качество звука, чем FM (хотя многие станции не предпочитают передавать с таким высоким качеством), имеет большую устойчивость к радиошуму и помехам, лучше использует ограниченную полосу радиоспектра и обеспечивает расширенные пользовательские функции, такие как электронная программа передач , спортивные комментарии и слайд-шоу. Его недостатком является то, что он несовместим с предыдущими радиоприемниками, поэтому необходимо приобрести новый приемник DAB. По состоянию на 2017 год 38 стран предлагают DAB, при этом 2100 станций обслуживают зоны прослушивания, в которых прослушивают 420 миллионов человек. США и Канада решили не внедрять DAB.
Радиостанции DAB работают иначе, чем станции AM или FM: одна станция DAB передает сигнал с широкой полосой пропускания 1500 кГц, который передает от 9 до 12 каналов, из которых слушатель может выбирать. Вещательные компании могут передавать канал с разной скоростью передачи данных , поэтому разные каналы могут иметь разное качество звука. В разных странах станции DAB вещают либо в диапазоне III (174–240 МГц), либо в диапазоне L (1,452–1,492 ГГц).
радиоволн Сила сигнала уменьшается по мере удаления от передатчика, поэтому радиостанцию можно принимать только в пределах ограниченного диапазона ее передатчика. Диапазон зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, атмосферного и внутреннего шума , а также любых географических препятствий, таких как холмы, между передатчиком и приемником. Радиоволны AM-диапазона распространяются как земные волны , повторяющие контур Земли, поэтому радиостанции AM можно надежно принимать на расстоянии сотен миль. Из-за своей более высокой частоты радиосигналы FM-диапазона не могут распространяться далеко за пределы визуального горизонта; расстояние приема ограничивается примерно 40 милями (64 км) и может быть заблокировано холмами между передатчиком и приемником. Однако FM-радио менее восприимчиво к помехам от радиошума ( RFI , сферические помехи , статические помехи) и имеет более высокую точность воспроизведения ; лучшая частотная характеристика и меньше искажений звука , чем у AM. Таким образом, в странах, где все еще транслируется AM-радио, серьезную музыку обычно транслируют только FM-станции, а AM-станции специализируются на радионовости , ток-радио и спортивное радио . Как и FM, сигналы DAB распространяются по прямой видимости , поэтому дальность приема ограничена визуальным горизонтом примерно до 30–40 миль (48–64 км).
Радиоприемники производятся в различных стилях и функциях:
Консольное радио — автономное радио с динамиком, предназначенное для установки на полу.
Настольное радио, также называемое « каминным радио », — автономное радио с динамиком, предназначенное для установки на столе, шкафу или каминной полке . [5] [6] Настольные радиоприемники обычно подключаются к сетевой розетке, хотя существуют некоторые «беспроводные» настольные радиоприемники с батарейным питанием.
Портативная радиостанция – радиоприемник, работающий от батареек , который можно носить с собой. Радио теперь часто интегрируется с другими источниками звука в проигрывателях компакт-дисков и портативных медиаплеерах . Портативные радиостанции обычно достаточно малы, чтобы их можно было держать в руке, а для более крупных радиостанций имеют ручку или ремень для переноски. Портативные радиостанции могут иметь устройство для питания от розетки, позволяющее экономить батареи, когда розетка доступна. Портативные «аварийные» радиостанции могут иметь питание от солнечной батареи и/или с помощью ручного привода. [7]
Транзисторное радио — старый термин, обозначающий портативный карманный радиоприемник. Транзисторные радиоприемники , ставшие возможными благодаря изобретению транзистора и разработанные в 1950-х годах, пользовались огромной популярностью в 1960-х и начале 1970-х годов и изменили привычки слушателей в обществе.
Автомобильное радио — радио, встроенное в приборную панель автомобиля и используемое для развлечения во время вождения. Практически все современные легковые и грузовые автомобили оснащены радиоприемниками, в состав которых обычно входит также проигрыватель компакт-дисков .
Спутниковый радиоприемник — абонентский радиоприемник, принимающий аудиопрограммы со спутника прямого вещания . Абонент должен платить ежемесячную абонентскую плату. В основном они разработаны как автомобильные радиоприемники.
AV- или стереоресивер (в контексте часто называемый просто ресивером ) — это компонент системы Hi-Fi или домашнего кинотеатра , объединяющий радио и аудиоусилитель в одном устройстве, который подключается к динамикам и часто к другим компонентам ввода и вывода (например, проигрыватель проигрывателей, телевизор, кассетная дека, проигрыватели компакт-дисков и DVD-дисков)
Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радиосвязь . Помимо описанных выше радиовещательных приемников, радиоприемники используются в огромном разнообразии электронных систем современной техники. Они могут представлять собой отдельное оборудование (радиоприемник ) или подсистему, встроенную в другие электронные устройства. Трансивер и приемник , – это передатчик объединенные в один блок. Ниже приведен список нескольких наиболее распространенных типов, сгруппированных по функциям.
Прием телевещания . Телевизоры принимают видеосигнал, представляющий движущееся изображение, состоящее из последовательности неподвижных изображений, и синхронизированный аудиосигнал , представляющий соответствующий звук. Телевизионный канал , принимаемый телевизором, занимает более широкую полосу пропускания , чем звуковой сигнал, от 600 кГц до 6 МГц.
Двусторонняя голосовая связь . Двусторонняя радиосвязь , представляет собой аудиопередатчик приемник и передатчик в одном устройстве, используемый для двунаправленной голосовой связи между людьми. Радиоканал может быть полудуплексным , используя один радиоканал, по которому одновременно может передавать данные только одно радио. поэтому разные пользователи по очереди разговаривают, нажимая кнопку «Нажми, чтобы поговорить» на своем радио, которая включает передатчик. Или радиосвязь может быть полнодуплексной , двунаправленной, использующей два радиоканала, поэтому оба человека могут говорить одновременно, как в сотовом телефоне.
Сотовый телефон — портативный телефон , подключаемый к телефонной сети посредством радиосигналов, обмен которыми осуществляется с помощью местной антенны, называемой вышкой сотовой связи . Мобильные телефоны имеют высокоавтоматизированные цифровые приемники, работающие в диапазонах УВЧ и СВЧ, которые принимают входящую сторону дуплексного голосового канала, а также канал управления, который обрабатывает набор вызовов и переключает телефон между вышками сотовой связи. Обычно у них также есть несколько других приемников, которые соединяют их с другими сетями: модем WiFi , модем Bluetooth и приемник GPS . Вышка сотовой связи оснащена сложными многоканальными приемниками, которые одновременно принимают сигналы от многих сотовых телефонов.
Гражданское радио - двустороннее полудуплексное радио, работающее в диапазоне 27 МГц, которое можно использовать без лицензии. Их часто устанавливают в транспортные средства и используют дальнобойщики и службы доставки.
Рация — портативная полудуплексная радиостанция ближнего действия.
Ручной сканер Сканер - приемник, который непрерывно отслеживает несколько частот или радиоканалов , многократно проходя каналы и кратковременно прослушивая каждый канал на предмет передачи. Когда передатчик найден, приемник останавливается на этом канале. Сканеры используются для мониторинга частот полиции экстренной помощи, пожарной охраны и скорой помощи, а также других радиочастот двусторонней связи, таких как гражданский диапазон . Возможности сканирования также стали стандартной функцией приемников связи, раций и других радиостанций двусторонней связи.
Радионяня. Приемник находится слева Радионяня - это устройство для родителей младенцев, которое передает звуки ребенка на приемник, который есть у родителей, чтобы они могли следить за ребенком, пока они находятся в других частях дома. Многие радионяни теперь оснащены видеокамерами, которые показывают изображение ребенка.
Передача данных
Беспроводной (WiFi) модем — автоматизированный передатчик и приемник цифровых данных ближнего действия на портативном беспроводном устройстве, который посредством микроволн связывается с ближайшей точкой доступа , маршрутизатором или шлюзом, подключая портативное устройство к локальной компьютерной сети ( WLAN ) для обмена данными. с другими устройствами.
Bluetooth- модем - приемопередатчик данных 2,4–2,83 ГГц очень малого радиуса действия (до 10 м) на портативном беспроводном устройстве, используемый вместо проводного или кабельного соединения, в основном для обмена файлами между портативными устройствами и подключения мобильных телефонов и музыкальных плееров с помощью беспроводной связи. наушники.
Микроволновое реле - канал передачи данных «точка-точка» с высокой пропускной способностью на большие расстояния, состоящий из зеркальной антенны и передатчика, который передает луч микроволн на другую параболическую антенну и приемник. Поскольку антенны должны находиться в прямой видимости , расстояния ограничиваются визуальным горизонтом до 30–40 миль. Микроволновые линии используются для передачи частных деловых данных, глобальных компьютерных сетей (WAN), а также телефонными компаниями для передачи телефонных звонков и телевизионных сигналов между городами.
Спутниковая связь . Спутники связи используются для передачи данных между удаленными друг от друга точками Земли. Другие спутники используются для поиска и спасения, дистанционного зондирования , прогнозирования погоды и научных исследований. Радиосвязь со спутниками и космическими кораблями может включать очень большую длину трассы: от 35 786 км (22 236 миль) для геосинхронных спутников до миллиардов километров для межпланетных космических кораблей. Это, а также ограниченная мощность передатчика космического корабля означают, что необходимо использовать очень чувствительные приемники.
Радиолокация – это использование радиоволн для определения местоположения или направления объекта.
Радар — устройство, передающее узкий луч микроволн, отражающихся от цели, обратно в приемник, используемый для определения местоположения таких объектов, как самолеты, космические корабли, ракеты, корабли или наземные транспортные средства. Отраженные волны от цели принимаются приемником, обычно подключенным к той же антенне, указывающей направление на цель. Широко используется в авиации, судоходстве, навигации, прогнозировании погоды, космических полетах, системах предотвращения столкновений транспортных средств и в армии.
Приемник глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), например приемник GPS, США используемый с системой глобального позиционирования — наиболее широко используемым электронным навигационным устройством. Автоматизированный цифровой приемник, одновременно принимающий сигналы данных от нескольких спутников на низкой околоземной орбите. Используя чрезвычайно точные сигналы времени, он вычисляет расстояние до спутников и на основе этого местоположение приемника на Земле. Приемники GNSS продаются как портативные устройства, а также встраиваются в сотовые телефоны, транспортные средства и оружие, даже в артиллерийские снаряды .
Приемник VOR - навигационный прибор на самолете, который использует УКВ-сигнал навигационных маяков VOR в диапазоне от 108 до 117,95 МГц для очень точного определения направления на маяк для аэронавигации.
Приемник телеметрии - принимает сигналы данных для мониторинга условий процесса. Телеметрия используется для наблюдения за ракетами и космическими кораблями в полете, каротажа скважин во время бурения нефти и газа , а также для наблюдения за беспилотными научными приборами в отдаленных местах.
Измерительный приемник – калиброванный радиоприемник лабораторного класса, используемый для измерения характеристик радиосигналов. Часто включает в себя анализатор спектра .
Радиоприемник подключен к антенне , которая преобразует часть энергии входящей радиоволны в небольшое радиочастоты переменное напряжение , которое подается на вход приемника. Антенна обычно состоит из металлических проводников. Колеблющиеся электрические и магнитные поля радиоволны толкают электроны в антенне вперед и назад, создавая колебательное напряжение.
Обозначение полосового фильтра, используемого в структурных схемах радиоприемников.
Радиоволны от многих передатчиков проходят по воздуху одновременно, не мешая друг другу, и принимаются антенной. Их можно разделить в приемнике, поскольку они имеют разные частоты ; то есть радиоволна от каждого передатчика колеблется с разной скоростью. Чтобы выделить нужный радиосигнал, полосовой фильтр пропускает частоту желаемой радиопередачи и блокирует сигналы на всех других частотах.
Полосовой фильтр состоит из одного или нескольких резонансных контуров (настроенных контуров). Резонансный контур включается между входом антенны и землей. Когда входящий радиосигнал находится на резонансной частоте, резонансный контур имеет высокое сопротивление и радиосигнал от нужной станции передается на следующие каскады приемника. На всех других частотах резонансный контур имеет низкий импеданс, поэтому сигналы на этих частотах передаются на землю.
Пропускная способность и избирательность : см. графики. Информация ( модуляция ) при радиопередаче содержится в двух узких полосах частот, называемых боковыми полосами (SB), по обе стороны от несущей частоты (C) , поэтому фильтр должен пропускать полосу частот, а не только одну частоту. Полоса частот, принимаемая приемником, называется его полосой пропускания (PB) , а ширина полосы пропускания в килогерцах называется полосой пропускания (BW) . Полоса пропускания фильтра должна быть достаточно широкой, чтобы пропускать боковые полосы без искажений, но достаточно узкой, чтобы блокировать любые мешающие передачи на соседних частотах (например, S2 на диаграмме). Способность приемника отклонять нежелательные радиостанции, близкие по частоте к желаемой станции, является важным параметром, называемым избирательностью, определяемым фильтром. В современных приемниках часто используются кварцевые , керамические резонаторы или фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые обладают более высокой избирательностью по сравнению с цепями емкостно-индукторных настроенных схем.
Настройка : Для выбора конкретной станции радио « настраивается » на частоту нужного передатчика. Радио имеет циферблат или цифровой дисплей, показывающий частоту, на которую оно настроено. Настройка — это подстройка частоты полосы пропускания приёмника под частоту нужного радиопередатчика. Поворот ручки настройки изменяет резонансную частоту настраиваемого контура . Когда резонансная частота равна частоте радиопередатчика, настроенный контур колеблется согласно, передавая сигнал остальной части приемника.
Частотный спектр типичного радиосигнала от радиопередатчика AM или FM. Он состоит из компонента (C) на несущей волны частоте f C , при этом модуляция содержится в узких полосах частот, называемых боковыми полосами (SB), чуть выше и ниже несущей.
Как полосовой фильтр выбирает один радиосигнал S1 из всех радиосигналов S2, S3… полученных антенной. Сверху на графиках показано напряжение от антенны, приложенное к фильтру V in , передаточная функция фильтра T и напряжение на выходе фильтра V out как функция частоты f . Передаточная функция T — это количество сигнала, проходящего через фильтр на каждой частоте:
Мощность радиоволн, улавливаемых приемной антенной, уменьшается пропорционально квадрату ее расстояния от передающей антенны. Даже при использовании мощных передатчиков, используемых на радиовещательных станциях, если приемник находится на расстоянии более нескольких миль от передатчика, мощность, улавливаемая антенной приемника, очень мала, возможно, всего лишь пиковатт или фемтоватт . Чтобы увеличить мощность восстановленного сигнала, схема усилителя использует электроэнергию от батарей или сетевой вилки для увеличения амплитуды (напряжения или тока) сигнала. В большинстве современных приемников электронными компонентами, обеспечивающими усиление, являются транзисторы .
Приемники обычно имеют несколько ступеней усиления: радиосигнал от полосового фильтра усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для управления демодулятором, затем усиливается аудиосигнал от демодулятора, чтобы сделать его достаточно мощным для работы динамика. Степень усиления радиоприемника измеряется параметром, называемым его чувствительностью , который представляет собой минимальную силу сигнала станции на антенне, измеряемую в микровольтах , необходимую для четкого приема сигнала, с определенным соотношением сигнал/шум. . Поскольку сигнал легко усилить до любой желаемой степени, пределом чувствительности многих современных приемников является не степень усиления, а случайный электронный шум, присутствующий в схеме, который может заглушить слабый радиосигнал.
После того, как радиосигнал отфильтрован и усилен, приемник должен извлечь информационный сигнал модуляции из модулированной несущей радиочастоты . Это делается с помощью схемы, называемой демодулятором ( детектором ). Для каждого типа модуляции требуется свой тип демодулятора.
приемник FSK, который получает частотную манипуляцию (используется для передачи цифровых данных в беспроводных устройствах), использует демодулятор FSK
Многие другие типы модуляции также используются для специализированных целей.
См. графики. Амплитудно -модулированный радиосигнал от настроенной схемы показан как (А) . Быстрые колебания представляют собой несущую радиочастотную волну . Звуковой сигнал (звук) содержится в медленных изменениях ( модуляции ) амплитуды ( размера) волн. Если бы он был подан непосредственно на динамик, этот сигнал не мог быть преобразован в звук, поскольку отклонения звука одинаковы по обе стороны от оси, а их среднее значение равно нулю, что не привело бы к отсутствию чистого движения диафрагмы динамика. (B) Когда этот сигнал подается на вход V I детектора, диод (D) проводит ток в одном направлении, но не в противоположном, таким образом пропуская импульсы тока только на одной стороне сигнала. Другими словами, он преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный ток. Результирующее напряжение V O, приложенное к нагрузке R L, больше не равно нулю; его пиковое значение пропорционально аудиосигналу. (C) Развязывающий конденсатор (C) заряжается импульсами тока от диода, и его напряжение следует за пиками импульсов, огибающей звуковой волны. Он выполняет сглаживание ( фильтрация нижних частот , удаляющая радиочастотные импульсы несущей, оставляя низкочастотный аудиосигнал для прохождения через нагрузку R L. ) Аудиосигнал усиливается и подается на наушники или динамик.
Блок-схема настроенного радиочастотного приемника. Чтобы добиться достаточной избирательности для отклонения станций на соседних частотах, пришлось использовать несколько каскадных каскадов полосовых фильтров. Пунктирная линия указывает на то, что полосовые фильтры должны быть настроены вместе.
В простейшем типе радиоприемника, называемом настроенным радиочастотным (TRF) приемником , три вышеперечисленные функции выполняются последовательно: [9] (1) смесь радиосигналов антенны фильтруется для выделения сигнала нужного передатчика; (2) это колебательное напряжение передается через радиочастоты (РЧ) усилитель для увеличения его силы до уровня, достаточного для управления демодулятором; (3) демодулятор восстанавливает сигнал модуляции (который в вещательных приемниках представляет собой аудиосигнал , напряжение, колеблющееся со скоростью звуковой частоты , представляющей звуковые волны) из модулированной несущей радиоволны ; (4) сигнал модуляции дополнительно усиливается в аудиоусилителе , затем подается на громкоговоритель или наушники для преобразования его в звуковые волны.
Хотя приемник TRF используется в некоторых приложениях, он имеет практические недостатки, которые уступают ему супергетеродинному приемнику, указанному ниже, который используется в большинстве приложений. [9] Недостатки связаны с тем, что в TRF фильтрация, усиление и демодуляция выполняются на высокой частоте входящего радиосигнала. Полоса пропускания фильтра увеличивается вместе с его центральной частотой, поэтому, когда приемник TRF настроен на разные частоты, его полоса пропускания меняется. Самое главное, растущая перегруженность радиоспектра требует , чтобы радиоканалы располагались очень близко друг к другу по частоте. Крайне сложно создать фильтры, работающие на радиочастотах, имеющих достаточно узкую полосу пропускания для разделения близко расположенных радиостанций. Приемники TRF обычно должны иметь множество каскадных ступеней настройки для достижения адекватной избирательности. В разделе «Преимущества» ниже описывается, как супергетеродинный приемник преодолевает эти проблемы.
Блок-схема супергетеродинного приемника. Пунктирная линия указывает на то, что ВЧ-фильтр и гетеродин должны быть настроены последовательно.
Супергетеродинный . приемник, изобретенный в 1918 году Эдвином Армстронгом [10] такая конструкция используется практически во всех современных ресиверах [11] [9] [12] [13] за исключением нескольких специализированных приложений.
В супергетеродине радиочастотный сигнал от антенны сдвигается вниз до более низкой « промежуточной частоты » (ПЧ). перед обработкой [14] [15] [16] [17] Поступающий от антенны радиочастотный сигнал смешивается с немодулированным сигналом, генерируемым гетеродином ( LO) в приемнике. Смешивание осуществляется в нелинейной схеме, называемой « смесителем ». Результатом на выходе смесителя является гетеродин или частота биений на разнице этих двух частот. Этот процесс аналогичен тому, как две музыкальные ноты разной частоты, сыгранные вместе, образуют тактовую ноту . Эта более низкая частота называется промежуточной частотой (ПЧ). Сигнал ПЧ также имеет модуляции боковые полосы , которые несут информацию, которая присутствовала в исходном радиочастотном сигнале. Сигнал ПЧ проходит через каскады фильтра и усилителя. [12] затем демодулируется в детекторе, восстанавливая исходную модуляцию.
Приемник легко настраивается; для получения другой частоты необходимо лишь изменить частоту гетеродина. Ступени приемника после смесителя работают на фиксированной промежуточной частоте (ПЧ), поэтому полосовой фильтр ПЧ не нужно настраивать на разные частоты. Фиксированная частота позволяет современным приемникам использовать сложный кварцевый кристалл , керамический резонатор или фильтры ПЧ на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые имеют очень высокие коэффициенты добротности для улучшения избирательности.
Радиочастотный фильтр на входе приемника необходим для предотвращения помех от любых радиосигналов на частоте изображения . Без входного фильтра приемник может принимать входящие радиочастотные сигналы на двух разных частотах. [18] [13] [17] [19] Приемник может быть спроектирован для приема на любой из этих двух частот; если приемник предназначен для приема на одной частоте, любая другая радиостанция или радиошум на другой частоте могут пройти и помешать полезному сигналу. Один настраиваемый каскад радиочастотного фильтра подавляет частоту изображения; поскольку они относительно далеки от желаемой частоты, простой фильтр обеспечивает адекватное подавление. Подавление мешающих сигналов, гораздо более близких по частоте к полезному сигналу, осуществляется с помощью нескольких точно настроенных каскадов усилителей промежуточной частоты, которым не нужно менять свою настройку. [13] Этот фильтр не требует большой избирательности, но, поскольку приемник настроен на разные частоты, он должен «отслеживаться» в тандеме с гетеродином. Радиочастотный фильтр также служит для ограничения полосы пропускания радиочастотного усилителя, предотвращая его перегрузку сильными внеполосными сигналами.
Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием
Чтобы добиться как хорошего подавления изображения, так и избирательности, многие современные супергетеретные приемники используют две промежуточные частоты; это называется супергетеродином с двойным преобразованием или двойным преобразованием . [9] Входящий РЧ-сигнал сначала смешивается с одним сигналом гетеродина в первом смесителе, чтобы преобразовать его в высокую частоту ПЧ, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию частоты изображения, затем этот первый ПЧ смешивается со вторым сигналом гетеродина во втором смесителе. микшер для преобразования его в низкую частоту ПЧ для хорошей полосовой фильтрации. Некоторые ресиверы даже используют тройное преобразование .
За счет дополнительных каскадов супергетеродинный приемник обеспечивает большую избирательность, чем можно достичь с помощью конструкции TRF. Если используются очень высокие частоты, только начальная ступень приемника должна работать на самых высоких частотах; Остальные каскады могут обеспечить большую часть усиления приемника на более низких частотах, которыми может быть легче управлять. Настройка упрощена по сравнению с многоступенчатой конструкцией TRF, и только две ступени должны отслеживать диапазон настройки. Общее усиление приемника разделено между тремя усилителями на разных частотах; ВЧ, ПЧ и усилитель звука. Это уменьшает проблемы с обратной связью и паразитными колебаниями , возникающие в приемниках, где большинство каскадов усилителя работают на той же частоте, что и в приемнике TRF. [14]
Наиболее важным преимуществом является то, что лучшей избирательности можно добиться, выполняя фильтрацию на более низкой промежуточной частоте. [9] [12] [14] Одним из наиболее важных параметров приемника является его полоса пропускания , полоса частот, которую он принимает. Для подавления близлежащих мешающих станций или шума необходима узкая полоса пропускания. Во всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте, поэтому, выполняя фильтрацию на более низких частотах, , а не частота исходного радиосигнала , может быть достигнута более узкая полоса пропускания. Современное FM- и телевещание, мобильные телефоны и другие услуги связи с их узкой шириной канала были бы невозможны без супергетеродина. [12]
Сила сигнала ( амплитуда ) радиосигнала от антенны приемника резко меняется, на порядки, в зависимости от того, насколько далеко находится радиопередатчик, насколько он мощный и условий распространения по пути радиоволн. [20] Сила сигнала, полученного от данного передатчика, меняется со временем из-за изменения условий распространения пути, по которому проходит радиоволна, например, из -за многолучевой интерференции ; это называется затухание . [20] [9] В AM-приемнике амплитуда аудиосигнала от детектора и громкость звука пропорциональны амплитуде радиосигнала, поэтому затухание вызывает изменения громкости. Кроме того, поскольку приемник настроен на сильные и слабые станции, громкость звука из динамика будет сильно различаться. Без автоматической системы, способной справиться с этим, в АМ-приемнике потребовалась бы постоянная регулировка громкости.
При других типах модуляции, таких как FM или FSK, амплитуда модуляции не зависит от мощности радиосигнала, но во всех типах демодулятору для правильной работы требуется определенный диапазон амплитуды сигнала. [9] [21] Недостаточная амплитуда сигнала приведет к увеличению шума в демодуляторе, а чрезмерная амплитуда сигнала приведет к перегрузке (насыщению) каскадов усилителя, вызывая искажение (ограничение) сигнала.
Поэтому почти все современные приемники включают с обратной связью систему управления , которая контролирует средний уровень радиосигнала на детекторе и регулирует усиление усилителей , чтобы обеспечить оптимальный уровень сигнала для демодуляции. [9] [21] [20] Это называется автоматической регулировкой усиления (АРУ). АРУ можно сравнить с темновой адаптации механизмом человеческого глаза ; при входе в темную комнату усиление зрения увеличивается за счет открытия радужной оболочки. [20] В своей простейшей форме система АРУ состоит из выпрямителя , который преобразует радиочастотный сигнал в изменяющийся уровень постоянного тока, фильтра нижних частот для сглаживания изменений и получения среднего уровня. [21] Он подается в качестве управляющего сигнала на более ранний каскад усилителя для управления его коэффициентом усиления. В супергетеродинном приемнике АРУ обычно применяется к усилителю ПЧ , и может быть второй контур АРУ для управления коэффициентом усиления ВЧ-усилителя, чтобы также предотвратить его перегрузку.
В некоторых конструкциях приемников, таких как современные цифровые приемники, связанной проблемой является смещение сигнала по постоянному току. Это исправляется аналогичной системой обратной связи.
Радиоволны были впервые обнаружены в серии экспериментов немецкого физика Генриха Герца Джеймса Клерка Максвелла в 1887 году, призванных доказать электромагнитную теорию . Герц использовал дипольные антенны с искровым возбуждением для генерации волн и микрометровые искровые разрядники, прикрепленные к диполям и рамочным антеннам, для их обнаружения. [22] [23] [24] Эти примитивные устройства точнее описать как датчики радиоволн, а не «приемники», поскольку они могли обнаруживать радиоволны только в пределах примерно 100 футов от передатчика и использовались не для связи, а вместо этого в качестве лабораторных инструментов в научных экспериментах.
Гульельмо Маркони , который построил первые радиоприемники, со своим первым искровым передатчиком (справа) и когерерным приемником (слева) 1890-х годов. Приемник записывает азбуку Морзе на бумажную ленту. Типовая блок-схема радиоприемника без усилителя эпохи беспроводной телеграфии. [25] Пример трансатлантического радиотелеграфного сообщения, записанного на бумажную ленту сифонным самописцем в приемном центре RCA в Нью-Йорке в 1920 году. Под лентой приведен перевод азбуки Морзе.
Первые радиопередатчики , использовавшиеся в течение первых трех десятилетий радиосвязи с 1887 по 1917 год, периода, называемого эрой искры , были передатчиками с искровым разрядником , которые генерировали радиоволны путем разряда емкости через электрическую искру . [26] [27] [28] Каждая искра вызывала кратковременный импульс радиоволн, который быстро уменьшался до нуля. [22] [24] Эти затухающие волны нельзя было модулировать для передачи звука, как в современной AM и FM передаче . Таким образом, искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию посредством радиотелеграфии . Передатчик быстро включался и выключался оператором с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы затухающих радиоволн различной длины («точки» и «тире») для написания текстовых сообщений азбукой Морзе . [24] [27]
Поэтому первые радиоприемники не должны были выделять звуковой сигнал из радиоволны, как современные приемники, а просто обнаруживали наличие радиосигнала и производили звук во время «точек» и «тире». [24] Устройство, которое это делало, называлось « детектором ». Поскольку в то время еще не было усилительных устройств, чувствительность приемника во многом зависела от детектора. Было опробовано множество различных детекторных устройств. Радиоприемники в эпоху искры состояли из таких частей: [9]
Антенна электрические для перехвата радиоволн и преобразования их в крошечные токи радиочастоты .
, Настроенная схема состоящая из конденсатора, подключенного к катушке провода, который действует как полосовой фильтр для выбора нужного сигнала из всех сигналов, принимаемых антенной. Либо конденсатор, либо катушку можно было регулировать, чтобы настроить приемник на частоту различных передатчиков. Самые ранние приемники, выпущенные до 1897 года, не имели настроенных схем, они реагировали на все радиосигналы, принимаемые их антеннами, поэтому у них была небольшая способность различать частоты и они принимали любой передатчик поблизости. [29] В большинстве приемников использовалась пара настроенных цепей с магнитно связанными катушками , называемая резонансным трансформатором (трансформатором колебаний) или «свободной связью».
Детектор , который производил импульс постоянного тока для каждой полученной затухающей волны.
Сигнал от передатчика разрядника состоял из затухающих волн, повторяющихся со звуковой частотой, от 120 до, возможно, 4000 в секунду, поэтому в наушниках сигнал звучал как музыкальный тон или жужжание, а азбука Морзе «точки» и «тире» "звучало как гудки.
Первым человеком, который использовал радиоволны для связи, был Гульельмо Маркони . [27] [30] Маркони мало что изобрел сам, но он был первым, кто поверил, что радио может быть практическим средством связи, и в одиночку разработал первые системы беспроводной телеграфии , передатчики и приемники, начиная с 1894–1895 годов. [30] главным образом за счет совершенствования технологий, изобретенных другими. [27] [31] [32] [33] [34] [35] Оливер Лодж и Александр Попов также экспериментировали с аналогичным устройством для приема радиоволн одновременно в 1894–1895 годах. [32] [36] но неизвестно, передавали ли они азбуку Морзе в этот период, [27] [30] просто цепочки случайных импульсов. Поэтому Маркони обычно приписывают создание первых радиоприемников.
Один из первых когерерных приемников Маркони, использованный в его демонстрации «черного ящика» в Тойнби-холле, Лондон, 1896 год. Когерер справа, за ним «тапер», реле слева, батареи на заднем плане.
Типичный коммерческий радиотелеграфный приемник первого десятилетия ХХ века. Когерер сифонного (справа) обнаруживает импульсы радиоволн, а «точки» и «тире» азбуки Морзе были записаны чернилами на бумажной ленте с помощью записывающего устройства (слева) и расшифрованы позже.
Схема первого когерерного радиоприемника Маркони 1896 года.
Когерер 1904 года, разработанный Маркони.
Первые радиоприемники, изобретенные Маркони, Оливером Лоджем и Александром Поповым радиоволн в 1894-1895 годах, использовали примитивный детектор , называемый когерером , изобретенный в 1890 году Эдуардом Бранли и усовершенствованный Лоджем и Маркони. [22] [27] [29] [32] [36] [37] [38] Когерер представлял собой стеклянную трубку с металлическими электродами на каждом конце и рыхлым металлическим порошком между электродами. [22] [27] [39] Изначально он имел высокое сопротивление . Когда на электроды было подано высокочастотное напряжение, их сопротивление упало, и они стали проводить электричество. В приемнике когерер был подключен непосредственно между антенной и землей. Помимо антенны когерер был включен в цепь постоянного тока с аккумулятором и реле . Когда пришедшая радиоволна уменьшала сопротивление когерера, ток от батареи протекал через него, включая реле для звонка в колокольчик или создания отметки на бумажной ленте в сифонном самописце . Чтобы вернуть когерер в его предыдущее непроводящее состояние для приема следующего импульса радиоволн, по нему нужно было механически постучать, чтобы потревожить металлические частицы. [22] [27] [36] [40] Это было сделано с помощью «декогерера», хлопушки, ударявшей в трубку, управляемой электромагнитом , питаемым от реле.
В ходе длинной серии экспериментов Маркони обнаружил, что, используя приподнятую проволочную монопольную антенну вместо дипольных антенн Герца , он может передавать сигналы на большие расстояния, за пределы Земли, демонстрируя, что радио — это не просто лабораторная диковинка, а коммерчески жизнеспособный метод связи. Кульминацией этого стала его историческая трансатлантическая беспроводная передача 12 декабря 1901 года из Полдху, Корнуолл, в Сент-Джонс, Ньюфаундленд , на расстояние 3500 км (2200 миль), которую принял когерер. [31] [35] Однако обычная дальность действия когерерных приемников даже с мощными передатчиками той эпохи была ограничена несколькими сотнями миль.
Когерер оставался доминирующим детектором, использовавшимся в первых радиоприемниках около 10 лет. [39] до тех пор, пока его не заменили кристаллическим детектором и электролитическим детектором примерно в 1907 году. Несмотря на большую исследовательскую работу, это было очень грубое и неудовлетворительное устройство. [22] [27] Он был не очень чувствителен и также реагировал на импульсивный радиошум ( RFI ), например, на включение или выключение ближайшего света, а также на предполагаемый сигнал. [27] [39] Из-за громоздкого механического механизма «обратного ответа» скорость передачи данных кода Морзе составляла около 12-15 слов в минуту , в то время как передатчик с искровым разрядником мог передавать Морзе со скоростью до 100 слов в минуту с помощью бумажной ленты. [42] [43]
Эксперимент по использованию человеческого мозга в качестве детектора радиоволн, 1902 год.
Плохая работа когерера побудила провести множество исследований по поиску более совершенных детекторов радиоволн, и многие из них были изобретены. Были опробованы какие-то странные устройства; исследователи экспериментировали с использованием лягушачьих лапок [44] и даже человеческий мозг [45] из трупа в качестве детекторов. [22] [46]
К первым годам 20 века эксперименты по использованию амплитудной модуляции (АМ) для передачи звука по радио ( радиотелефонии проводились ). Поэтому второй целью исследования детекторов было найти детекторы, которые могли бы демодулировать AM-сигнал, извлекая аудиосигнал (звуковой) сигнал из несущей радиоволны . Методом проб и ошибок было обнаружено, что это можно сделать с помощью детектора, обладающего «асимметричной проводимостью»; устройство, проводящее ток в одном направлении, но не в другом. [47] Это выпрямило радиосигнал переменного тока, удалив одну сторону несущих циклов, оставив пульсирующий постоянный ток, амплитуда которого менялась в зависимости от сигнала аудиомодуляции. При применении к наушнику это будет воспроизводить передаваемый звук.
Ниже приведены детекторы, которые широко использовались до того, как примерно в 1920 году на смену пришли электронные лампы. [48] [49] Все, кроме магнитного детектора, могли выпрямлять и, следовательно, принимать AM-сигналы:
Магнитный детектор
Магнитный детектор . Разработанный Гульельмо Маркони в 1902 году на основе метода, изобретенного Эрнестом Резерфордом и использовавшийся компанией Marconi Co. до тех пор, пока она не приняла вакуумную лампу Audion примерно в 1912 году. Это механическое устройство, состоящее из бесконечной ленты железных проводов, проходящих между двумя шкивы, вращаемые заводным механизмом. [50] [51] [52] [53] Железные провода проходили через катушку из тонкой проволоки, прикрепленную к антенне, в магнитном поле, создаваемом двумя магнитами . Гистерезис железа вызывал импульс тока в сенсорной катушке каждый раз , когда радиосигнал проходил через катушку возбуждения. Магнитный детектор использовался на корабельных приемниках из-за его нечувствительности к вибрации. Один из них был частью беспроводной станции « Титаника » , которая использовалась для вызова помощи во время его знаменитого затопления 15 апреля 1912 года. [54]
Электролитический детектор
Электролитический детектор (« жидкий барреттер ») — изобретенный в 1903 году Реджинальдом Фессенденом , он состоял из тонкой посеребренной платиновой проволоки, заключенной в стеклянный стержень, кончик которого контактировал с поверхностью чашки с азотной кислотой . [22] [51] [55] [56] [57] Электролитическое действие приводило к тому, что ток проводился только в одном направлении. Детектор использовался примерно до 1910 года. [51] Электролитические детекторы, которые Фессенден установил на кораблях ВМС США, приняли первую радиопередачу AM в канун Рождества 1906 года, в вечер рождественской музыки, которую Фессенден транслировал с помощью своего нового передатчика переменного тока. [22]
Ранний клапан Флеминга.
Ресивер клапана Маркони для использования на кораблях имел два клапана Флеминга (вверху) на случай, если один перегорит. Он использовался на корабле RMS Titanic .
Термоэлектронный диод ( клапан Флеминга ) — первая вакуумная лампа , изобретенная в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , состояла из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: катод, состоящий из нити накаливания, аналогичной нити в лампе накаливания, и металлического пластинчатый анод . [29] [58] [59] [60] Флеминг, консультант Маркони, изобрел клапан как более чувствительный детектор трансатлантического беспроводного приема. Нить нагревалась проходящим через нее отдельным током и испускала электроны в трубку за счет термоэлектронной эмиссии — эффект, открытый Томасом Эдисоном . Радиосигнал подавался между катодом и анодом. Когда анод был положительным, ток электронов тек от катода к аноду, но когда анод был отрицательным, электроны отталкивались, и ток не текла. Клапан Флеминга использовался ограниченно, но не пользовался популярностью, поскольку был дорогим, имел ограниченный срок службы нити и не был таким чувствительным, как электролитические или кристаллические детекторы. [58]
Кристаллический детектор ( детектор кошачьих усов ) — изобретенный примерно в 1904–1906 годах Генри Данвуди и Гринлифом Уиттиером Пикардом на основе открытия Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году «асимметричной проводимости» в кристаллах. Это были наиболее успешные и широко используемые детекторы до эпоха электронных ламп [47] [48] и дали свое имя кристаллическому ( радиоприемнику внизу) . [51] [61] [62] Одно из первых полупроводниковых электронных устройств , кристаллический детектор, представлял собой камешек кристаллического полупроводникового минерала размером с горошину, такого как галенит ( сульфид свинца ), к поверхности которого прикасалась тонкая пружинистая металлическая проволока, установленная на регулируемом рычаге. [29] Он функционировал как примитивный диод , проводивший электрический ток только в одном направлении. Помимо использования в кристаллических радиоприемниках, детекторы на кристаллах карборунда также использовались в некоторых ранних радиоламповых радиоприемниках, поскольку они были более чувствительными, чем детектор утечки сетки вакуумной трубки .
В эпоху электронных ламп термин «детектор» изменился с обозначения детектора радиоволн на демодулятор , устройство, которое могло извлекать сигнал звуковой модуляции из радиосигнала. В этом его смысл сегодня.
«Настройка» означает настройку частоты приемника на частоту желаемой радиопередачи. Первые приемники не имели настраиваемой схемы, детектор подключался непосредственно между антенной и землей. Из-за отсутствия каких-либо частотно-селективных компонентов, кроме антенны, полоса пропускания приемника была равна широкой полосе пропускания антенны. [28] [29] [37] [63] Это было приемлемо и даже необходимо, поскольку первые искровые передатчики Герца также не имели настроенной схемы. Благодаря импульсному характеру искры энергия радиоволн распространялась в очень широком диапазоне частот. [64] [65] Чтобы получить достаточно энергии от этого широкополосного сигнала, приемник также должен был иметь широкую полосу пропускания.
Когда в определенной области излучалось более одного искрового передатчика, их частоты перекрывались, поэтому их сигналы мешали друг другу, что приводило к искажению приема. [28] [63] [66] Требовался какой-то метод, позволяющий приемнику выбирать, сигнал какого передатчика принимать. [66] [67] Несколько длин волн, создаваемые плохо настроенным передатчиком, приводили к «затуханию» или затуханию сигнала, что значительно уменьшало мощность и дальность передачи. [68] В 1892 году Уильям Крукс прочитал лекцию. [69] по радио, в котором он предложил использовать резонанс для уменьшения полосы пропускания передатчиков и приёмников. Затем разные передатчики можно было «настроить» для передачи на разных частотах, чтобы они не создавали помех. [35] [64] [70] Приемник также будет иметь резонансный контур (настроенный контур) и сможет принимать определенную передачу, «настраивая» свой резонансный контур на ту же частоту, что и передатчик, аналогично настройке музыкального инструмента на резонанс с другим. Эта система используется во всех современных радиостанциях.
Настройка использовалась в оригинальных экспериментах Герца. [71] Практическое применение настройки появилось в начале-середине 1890-х годов в беспроводных системах, не предназначенных специально для радиосвязи. Лекция Николы Теслы в марте 1893 года, демонстрирующая беспроводную передачу энергии для освещения (в основном за счет того, что, по его мнению, было заземляющей проводимостью). [72] ) включены элементы тюнинга. Беспроводная система освещения состояла из заземленного резонансного трансформатора с искровым возбуждением и проволочной антенной, которая передавала мощность через всю комнату на другой резонансный трансформатор, настроенный на частоту передатчика, который освещал трубку Гейсслера . [32] [70] Использование настройки в свободном пространстве «волны Герца» (радио) было объяснено и продемонстрировано в лекциях Оливера Лоджа 1894 года о работах Герца. [73] В то время Лодж демонстрировал физику и оптические свойства радиоволн вместо того, чтобы пытаться построить систему связи, но он продолжил разработку методов (запатентованных в 1897 году) настройки радио (то, что он назвал «синтонией»), включая использование переменных индуктивность для настройки антенн. [74] [75] [76]
К 1897 году преимущества настроенных систем стали очевидны, и Маркони и другие исследователи беспроводной связи включили настроенные схемы , состоящие из соединенных вместе конденсаторов и индукторов . в свои передатчики и приемники [28] [32] [35] [37] [63] [75] Настроенная схема действовала как электрический аналог камертона . Он имел высокий импеданс на резонансной частоте , но низкий импеданс на всех остальных частотах. Подключенный между антенной и детектором, он служил полосовым фильтром , пропуская сигнал нужной станции на детектор, но направляя все остальные сигналы на землю. [29] Частота принимаемого станцией f определялась емкостью C и индуктивностью L в настроенном контуре:
Когерерный приемник Маркони с индуктивной связью из его скандального патента на «четыре цепи» от апреля 1900 года №. 7777.
Приемный трансформатор Брауна 1904 года.
Кристаллический приёмник 1914 года с настроечным трансформатором со свободной связью. Вторичную катушку (1) можно вставлять или вынимать из первичной обмотки (в коробке) для регулировки муфты. Другие компоненты: (2) первичный настроечный конденсатор, (3) вторичный настроечный конденсатор, (4) нагрузочная катушка, (5) кварцевый детектор, (8) наушники.
Чтобы отклонить радиошум и помехи от других передатчиков, близких по частоте к нужной станции, полосовой фильтр (настроенная схема) в приемнике должен иметь узкую полосу пропускания , пропускающую только узкую полосу частот. [28] [29] Полосовой фильтр, который использовался в первых приемниках и продолжал использоваться в приемниках до недавнего времени, представлял собой схему с индуктивной связью с двойной настройкой , или резонансный трансформатор ( трансформатор колебаний или ВЧ-трансформатор). [28] [32] [35] [37] [75] [77] Антенна и земля были подключены к катушке провода, которая была магнитно связана со второй катушкой с конденсатором поперек, которая была подключена к детектору. [29] Переменный радиочастотный ток, идущий от антенны через первичную катушку, создавал магнитное поле , которое индуцировало ток во вторичной катушке, питавшей детектор. И первичная, и вторичная цепи были настроенными; [63] первичная катушка резонировала с емкостью антенны, а вторичная катушка резонировала с конденсатором на ней. Оба были настроены на одну и ту же резонансную частоту .
Эта схема имела два преимущества. [29] Во-первых, при использовании правильного соотношения витков импеданс антенны можно было согласовать с импедансом приемника, чтобы передать на приемник максимальную радиочастотную мощность. Согласование импеданса было важно для достижения максимальной дальности приема в приемниках без усилителя той эпохи. [25] [29] Катушки обычно имели отводы, которые можно было выбирать с помощью многопозиционного переключателя. Вторым преимуществом было то, что из-за «слабой связи» она имела гораздо более узкую полосу пропускания, чем простая настроенная схема , и полосу пропускания можно было регулировать. [28] [77] В отличие от обычного трансформатора, две катушки были «слабо связаны»; физически разделены, поэтому не все магнитное поле первичной обмотки проходит через вторичную обмотку, что снижает взаимную индуктивность . Это дало связанным настроенным схемам гораздо более «острую» настройку и более узкую полосу пропускания, чем одиночная настроенная схема. В свободной муфте «типа ВМФ» (см. рисунок) , широко используемой с кварцевыми приемниками , меньшая вторичная катушка устанавливалась на стойке, которую можно было вдвигать в первичную катушку или вынимать из нее, чтобы изменять взаимную индуктивность между катушками. [28] [78] Когда оператор сталкивался с мешающим сигналом на ближайшей частоте, вторичную обмотку можно было выдвинуть дальше от первичной, уменьшая связь, что сужало полосу пропускания и подавляло мешающий сигнал. Недостаток заключался в том, что все три регулировки свободной муфты — первичная настройка, вторичная настройка и связь — были интерактивными; изменение одного изменило и другие. Таким образом, настройка новой станции представляла собой процесс последовательных корректировок.
Селективность стала более важной, поскольку искровые передатчики были заменены передатчиками непрерывного излучения , которые передавали в узком диапазоне частот, а радиовещание привело к увеличению количества близко расположенных радиостанций, заполняющих радиоспектр. [29] Резонансные трансформаторы продолжали использоваться в качестве полосовых фильтров в ламповых радиоприемниках, были изобретены новые формы, такие как вариометр . [78] [79] Еще одним преимуществом трансформатора с двойной настройкой для приема AM было то, что при правильной настройке он имел кривую частотной характеристики с «плоской вершиной» в отличие от «пиковой» характеристики одинарной настроенной схемы. [80] Это позволило ему проходить боковые полосы AM-модуляции по обе стороны от несущей с небольшими искажениями, в отличие от одинарной настроенной схемы, которая ослабляла более высокие звуковые частоты. До недавнего времени полосовые фильтры в супергетеродинной схеме, используемые во всех современных приемниках, изготавливались на основе резонансных трансформаторов, называемых трансформаторами ПЧ .
Первоначальная радиосистема Маркони имела относительно плохую настройку, что ограничивало ее радиус действия и увеличивало помехи. [81] Чтобы преодолеть этот недостаток, он разработал четырехконтурную систему с настроенными катушками в « синтонии » как на передатчиках, так и на приемниках. [81] Его британский патент № 7777 (четыре семерки) на настройку 1900 года, поданный в апреле 1900 года и выданный годом позже, открыл дверь для патентных споров, поскольку он нарушал патенты Syntonic Оливера Лоджа, впервые поданные в мае 1897 года, а также патенты, поданные Фердинанд Браун . [81] Маркони смог получить патенты в Великобритании и Франции, но американская версия его настроенного четырехсхемного патента, поданная в ноябре 1900 года, была первоначально отклонена на том основании, что она была предусмотрена системой настройки Лоджа, а повторно поданные версии были отклонены из-за предыдущих патентов. Браун и Лодж. [82] Дальнейшие разъяснения и повторная подача были отклонены, поскольку они нарушали части двух предыдущих патентов, полученных Теслой на его систему беспроводной передачи энергии. [83] Юристам Маркони удалось добиться повторного рассмотрения патента другим экспертом, который первоначально отклонил его из-за ранее существовавшего патента Джона Стоуна Стоуна на настройку, но он был окончательно одобрен в июне 1904 года на основании уникальной системы настройки переменной индуктивности, которая была отличается от Стоуна [84] [85] кто настраивал изменяя длину антенны. [82] Когда в 1911 году патент Лоджа Syntonic был продлен еще на 7 лет, компания Marconi согласилась урегулировать этот патентный спор, купив в 1912 году радиокомпанию Лоджа с ее патентом, предоставив им необходимый им приоритетный патент. [86] [87] В течение многих лет возникали и другие патентные споры, в том числе постановление Верховного суда США в 1943 году о возможности компании Marconi подать в суд на правительство США за нарушение патентных прав во время Первой мировой войны. Суд отклонил иск компании Marconi, заявив, что они не могут подать в суд за нарушение патентных прав, когда их собственные патенты, похоже, не имели приоритета перед патентами Лоджа, Стоуна и Теслы. [32] [70]
До 1920 года кварцевый приемник был основным типом, используемым на станциях беспроводной телеграфии, и производились сложные модели, такие как Marconi Type 106 1915 года.
Семья слушает первые передачи около 1920 года с помощью кварцевого приемника. Мать и отец должны делить наушники
После того, как примерно в 1920 году появились ламповые приемники, кристаллический набор стал простым дешевым альтернативным радиоприемником, используемым молодежью и бедняками.
Простое кристаллическое радио. Конденсатором в настроенной цепи служит емкость проволочной антенны, подключенной к катушке.
Типичная кварцевая радиосхема со "свободной связью"
Хотя кристаллический радиоприемник был изобретен в 1904 году в эпоху беспроводной телеграфии, он также мог исправлять AM-передачи и служил мостом в эпоху радиовещания. Помимо того, что это был основной тип приемника, использовавшийся на коммерческих станциях в эпоху беспроводной телеграфии, это был первый приемник, широко использовавшийся публикой. [88] В течение первых двух десятилетий 20-го века, когда радиостанции начали передавать голос AM ( радиотелефония ) вместо радиотелеграфии, прослушивание радио стало популярным хобби, а кристалл стал самым простым и дешевым детектором. Миллионы людей, которые приобрели или самостоятельно изготовили эти недорогие и надежные приемники, создали массовую аудиторию, слушающую первые радиопередачи , которые начались примерно в 1920 году. [89] К концу 1920-х годов кварцевый приемник был заменен ламповыми приемниками и стал коммерчески устаревшим. Однако его продолжали использовать молодежь и бедняки до Второй мировой войны . [88] Сегодня эти простые радиоприемники конструируются студентами в рамках образовательных научных проектов.
В кристаллическом радиоприемнике использовался детектор кошачьих усов , изобретенный Харрисоном Данвуди и Гринлифом Уиттиером Пикардом в 1904 году, для извлечения звука из радиочастотного сигнала. [29] [51] [90] Он состоял из минерального кристалла, обычно галенита , к которому слегка прикасалась тонкая пружинистая проволока («кошачий ус») на регулируемом рычаге. [51] [91] Полученный грубый полупроводниковый переход функционировал как диод с барьером Шоттки , проводя только в одном направлении. Только отдельные участки поверхности кристалла работали как детекторные контакты, и контакт мог быть нарушен малейшей вибрацией. Таким образом, перед каждым использованием методом проб и ошибок находился пригодный для использования сайт; оператор водил кошачьим усом по кристаллу, пока радио не начинало работать. Фредерик Зейтц, более поздний исследователь полупроводников, писал:
Такая изменчивость, граничащая с тем, что казалось мистическим, отравляла раннюю историю кристаллических детекторов и заставила многих экспертов по электронным лампам более позднего поколения считать искусство выпрямления кристаллов почти постыдным. [92]
Кристаллическое радио не имело усиления и потребляло мощность радиоволн, принимаемых от радиостанции, поэтому его приходилось слушать в наушниках ; он не мог управлять громкоговорителем . [29] [91] Для этого требовалась длинная проволочная антенна, а ее чувствительность зависела от размера антенны. В эпоху беспроводной связи он использовался на коммерческих и военных длинноволновых станциях с огромными антеннами для приема радиотелеграфного трафика на большие расстояния, включая даже трансатлантический трафик. [93] [94] Однако при приеме радиовещательных станций типичный домашний кристаллический набор имел более ограниченный радиус действия - около 25 миль. [95] использовалась индуктивно настроенная схема со «свободной связью» В сложных кристаллических радиоприемниках для увеличения добротности . Однако он по-прежнему имел плохую избирательность по сравнению с современными приемниками. [91]
Радиоприемник с поульсеновским «тиккером», состоящим из коллекторного диска, вращаемого двигателем для прерывания несущей.
Примерно с 1905 года передатчики непрерывного излучения (CW) начали заменять искровые передатчики для радиотелеграфии, поскольку они имели гораздо большую дальность действия. Первыми передатчиками непрерывного излучения были дуга Поульсена, изобретенная в 1904 году, и генератор переменного тока Александерсона, разработанный в 1906–1910 годах, которые примерно с 1920 года были заменены передатчиками на электронных лампах. [24]
Сигналы непрерывной радиотелеграфии, вырабатываемые этими передатчиками, требовали другого метода приема. [96] [97] Сигналы радиотелеграфии, вырабатываемые передатчиками с искровым разрядником, состояли из цепочек затухающих волн, повторяющихся со звуковой скоростью, поэтому «точки» и «тире» азбуки Морзе были слышны в наушниках приемников как тон или жужжание. Однако новые непрерывные радиотелеграфные сигналы просто состояли из импульсов немодулированной несущей ( синусоидальных волн ). В наушниках приемника их было не слышно. Чтобы принять этот новый тип модуляции, приемник должен был воспроизводить какой-то тон во время импульсов несущей.
Первым грубым устройством, которое сделало это, был тиккер , изобретенный в 1908 году Вальдемаром Поульсеном . [48] [96] [98] Это был вибрирующий прерыватель с конденсатором на выходе тюнера, который служил элементарным модулятором , прерывая несущую на звуковой частоте, создавая таким образом гул в наушниках, когда несущая присутствовала. [11] Похожим устройством было изобретенное Рудольфом Гольдшмидтом «тоновое колесо» — колесо, вращаемое двигателем с расположенными по его окружности контактами, которые контактировали с неподвижной щеткой.
Схема гетеродинного радиоприемника Фессендена.
В 1901 году Реджинальд Фессенден изобрел лучший способ добиться этого. [96] [98] [99] [100] В его гетеродинном приемнике немодулированный синусоидальный радиосигнал на частоте f O, смещенной от входящей несущей радиоволны f C, подавался на выпрямляющий детектор, такой как кварцевый детектор или электролитический детектор , вместе с радиосигналом от антенны. В детекторе два сигнала смешиваются, создавая две новые частоты гетеродина ( биений ) в сумме f C + f O и разнице f C − f O между этими частотами. При правильном выборе f O нижний гетеродин f C − f O находился в диапазоне звуковых частот , поэтому он был слышен в наушниках в виде тона всякий раз, когда присутствовала несущая. Таким образом, «точки» и «тире» азбуки Морзе были слышны как музыкальные «гудки». Основная привлекательность этого метода в период предварительного усиления заключалась в том, что гетеродинный приемник фактически несколько усиливал сигнал, а детектор имел «усиление смесителя». [98]
Приемник опередил свое время, поскольку на момент его изобретения не было генератора, способного генерировать радиочастотный синусоидальный сигнал f O с необходимой стабильностью. [101] Фессенден впервые использовал свой большой радиочастотный генератор переменного тока . [11] но для обычных приемников это было непрактично. Гетеродинный приемник оставался лабораторной диковинкой, пока не появился дешевый компактный источник непрерывных волн — электронный генератор на электронных лампах. [98] изобретен Эдвином Армстронгом и Александром Мейснером в 1913 году. [48] [102] После этого он стал стандартным методом приема радиотелеграфии CW. Гетеродинный генератор является предшественником генератора частоты биений (BFO), который сегодня используется для приема радиотелеграфии в приемниках связи . Гетеродинный генератор приходилось перенастраивать каждый раз, когда приемник настраивался на новую станцию, но в современных супергетеродинных приемниках сигнал BFO бьется с фиксированной промежуточной частотой , поэтому генератор частоты биений может быть фиксированной частотой.
Позже Армстронг использовал гетеродинный принцип Фессендена в своем супергетеродинном приемнике (ниже) . [98] [11]
В отличие от сегодняшнего дня, когда почти все радиоприемники используют разновидность супергетеродинной конструкции, в 1920-х годах в радиоламповых радиоприемниках использовалось множество конкурирующих схем. Во время « Золотого века радио » (с 1920 по 1950 год) семьи собирались по вечерам, чтобы послушать домашнее радио, например, консоль Zenith модели 12-S-568 1938 года, 12-ламповый супергетеродин с кнопочной настройкой и 12-ламповым супергетеродином. -дюймовый конусный динамик.
Усилительная электронная лампа использовала энергию батареи или электрической розетки для увеличения мощности радиосигнала, поэтому ламповые приемники могли быть более чувствительными и иметь больший диапазон приема, чем предыдущие приемники без усиления. Увеличенная выходная мощность звука также позволила им использовать громкоговорители вместо наушников , что позволило слушать более чем одному человеку. Первые громкоговорители были произведены примерно в 1915 году. Эти изменения привели к тому, что прослушивание радио стремительно превратилось из одиночного хобби в популярное социальное и семейное времяпрепровождение. Развитие амплитудной модуляции (АМ) и передатчиков на электронных лампах во время Первой мировой войны, а также наличие дешевых приемных трубок после войны подготовили почву для начала AM-вещания , которое возникло спонтанно примерно в 1920 году.
Появление радиовещания значительно увеличило рынок радиоприемников и превратило их в потребительский продукт. [103] [104] [105] В начале 1920-х годов радиоприемник представлял собой устрашающее высокотехнологичное устройство со множеством загадочных ручек и органов управления, требующих технических навыков для работы, помещенное в непривлекательный черный металлический ящик с громко звучащим рупорным громкоговорителем . [104] К 1930-м годам вещательный приемник превратился в предмет мебели, помещенный в привлекательный деревянный корпус со стандартными элементами управления, которыми мог пользоваться каждый, и занимал почетное место в домашней гостиной. В ранних радиоприемниках несколько настраиваемых схем требовали регулировки нескольких ручек для настройки на новую станцию. Одним из наиболее важных нововведений, упрощающих использование, была «настройка одной ручкой», достигаемая за счет механического соединения настроечных конденсаторов. [104] [105] Громкоговоритель с динамическим диффузором, изобретенный в 1924 году, значительно улучшил частотную характеристику звука по сравнению с предыдущими рупорными динамиками, позволяя воспроизводить музыку с хорошей точностью. [104] [106] такие удобные функции, как большие подсвеченные циферблаты, регуляторы тембра , кнопка настройки, индикаторы настройки и автоматическая регулировка усиления (АРУ). Были добавлены [103] [105] Рынок приемников был разделен на вышеупомянутые вещательные приемники и приемники связи , которые использовались для двусторонней радиосвязи , такой как коротковолновое радио . [107]
Для приемника на электронных лампах требовалось несколько источников питания с разным напряжением, которые в ранних радиоприемниках питались от отдельных батарей. К 1930 году были разработаны соответствующие выпрямительные лампы, а дорогие батареи были заменены трансформаторным источником питания, работавшим от домашнего тока. [103] [104]
Электронные лампы были громоздкими, дорогими, имели ограниченный срок службы, потребляли большое количество энергии и выделяли много тепла, поэтому количество ламп, которые экономически мог иметь приемник, было ограничивающим фактором. Таким образом, целью разработки лампового приёмника было получить максимальную производительность от ограниченного числа ламп. Основные конструкции радиоприемников, перечисленные ниже, были изобретены в эпоху электронных ламп.
Дефектом многих ранних ламповых приемников было то, что усилительные каскады могли колебаться, действовать как генератор , создавая нежелательные переменные радиочастотные токи. [29] [108] [109] Эти паразитные колебания смешивались с несущей радиосигнала в детекторной трубке, создавая слышимые ноты биения ( гетеродины ); надоедливые свисты, стоны и завывания в динамике. Колебания были вызваны обратной связью в усилителях; Одним из основных путей обратной связи была емкость между пластиной и сеткой в ранних триодах . [108] [109] Проблема была решена с помощью нейтродинной схемы, а затем примерно в 1930 году были разработаны тетрод и пентод .
Первый коммерческий приемник Audion от Де Фореста, RJ6, выпущенный в 1914 году. Трубка Audion всегда устанавливалась вверх дном, а тонкая нить накаливания свисала вниз, чтобы она не провисала и не касалась других электродов в трубке.
Пример однолампового триодного приемника с утечкой сетки 1920 года, первого типа усиливающего радиоприемника. В схеме утечки сетки электроны, притягиваемые к сетке во время положительных полупериодов радиосигнала, заряжают конденсатор сетки отрицательным напряжением в несколько вольт, смещая сетку вблизи напряжения отсечки , поэтому лампа проводит ток только во время положительной половины. -циклы, выпрямляющие радионесущую.
Первая усилительная электронная лампа, Audion , грубый триод , была изобретена в 1906 году Ли Де Форестом в качестве более чувствительного детектора для радиоприемников путем добавления третьего электрода к термоэлектронному диодному детектору, лампе Флеминга . [58] [79] [110] [111] Он не получил широкого распространения до тех пор, пока его усиливающая способность не была признана примерно в 1912 году. [58] Первые ламповые приемники, изобретенные Де Форестом и построенные любителями до середины 1920-х годов, использовали один аудион, который функционировал как детектор утечки в сети , который одновременно выпрямлял и усиливал радиосигнал. [79] [108] [112] Существовала неопределенность в отношении принципа работы Audion, пока Эдвин Армстронг не объяснил его функции усиления и демодуляции в статье 1914 года. [113] [114] [115] Схема детектора утечки в сетке также использовалась в регенеративных , TRF и ранних супергетеродинных приемниках (ниже) до 1930-х годов.
Чтобы обеспечить достаточную выходную мощность для управления громкоговорителем, для усиления звука требовались 2 или 3 дополнительных ламповых каскада. [79] Многие первые любители могли позволить себе только один ламповый ресивер и слушали радио через наушники, поэтому первые ламповые усилители и динамики продавались как дополнения.
Помимо очень низкого коэффициента усиления (около 5) и короткого срока службы (около 30–100 часов), примитивный Аудион имел нестабильные характеристики, поскольку он был не полностью вакуумирован. Де Форест считал, что ионизация остаточного воздуха является ключом к работе Audion. [116] [117] Это сделало его более чувствительным детектором. [116] но также приводило к изменению его электрических характеристик во время использования. [79] [110] По мере нагревания трубки газ, выделяющийся из металлических элементов, менял давление в трубке, изменяя ток пластины и другие характеристики, поэтому требовалась периодическая регулировка смещения , чтобы поддерживать правильную рабочую точку. Каждый каскад Audion обычно имел реостат для регулировки тока накала и часто потенциометр или многопозиционный переключатель для управления напряжением на пластине. Накальный реостат также использовался в качестве регулятора громкости. Множество органов управления усложняли эксплуатацию многоламповых ресиверов Audion.
К 1914 году Гарольд Арнольд из Western Electric и Ирвинг Ленгмюр из GE поняли, что остаточный газ не нужен; Аудион мог работать только за счет электронной проводимости. [110] [116] [117] Они вакуумировали трубки до более низкого давления в 10 бар. −9 atm, производя первые триоды «жесткого вакуума». Эти более стабильные лампы не требовали регулировки смещения, поэтому радиоприемники имели меньше органов управления и ими было легче управлять. [110] Во время Первой мировой войны использование радио в гражданских целях было запрещено, но к 1920 году началось крупномасштабное производство ламповых радиоприемников. «Мягкие» не полностью вакуумированные трубки использовались в качестве детекторов до 1920-х годов, а затем устарели.
«тиклерная» катушка (L3) , соединенная с входными настроечными катушками. Самодельный регенеративный приемник Армстронга, 1922 год. На передней панели видна
Коммерческий регенеративный приемник начала 1920-х годов, Paragon RA-10 (в центре) с отдельным одноламповым ВЧ-усилителем 10R (слева) , трехламповым детектором DA-2 и двухкаскадным усилителем звука (справа) . 4 цилиндрические сухие батареи «А» (справа сзади) питали нити накала трубки, а 2 прямоугольные батареи «В» обеспечивали напряжение пластины.
Самодельный одноламповый регенеративный ресивер Армстронга 1940-х годов. Катушка тикера представляет собой обмотку вариометра, установленную на валу внутри катушки настройки (вверху справа), которую можно вращать с помощью ручки на передней панели.
Регенеративный приемник , изобретенный Эдвином Армстронгом. [118] в 1913 году, когда он был 23-летним студентом колледжа, [119] использовался очень широко до конца 1920-х годов, особенно любителями, которые могли позволить себе только одноламповое радио. Сегодня транзисторные версии схемы все еще используются в нескольких недорогих устройствах, таких как рации . В регенеративном приемнике коэффициент усиления (усиления) электронной лампы или транзистора увеличивается за счет регенерации ( положительная обратная связь ); часть энергии из выходной цепи лампы возвращается во входную цепь с помощью контура обратной связи . [29] [108] [120] [121] [122] Ранние электронные лампы имели очень низкий коэффициент усиления (около 5). Регенерация могла не только значительно увеличить коэффициент усиления лампы, в 15 000 и более раз, но также увеличить добротность настроенной схемы, уменьшив (улучшив) полосу пропускания приемника в тот же коэффициент, значительно улучшив избирательность . [108] [120] [121] Приёмник имел регулятор для регулировки обратной связи. Трубка также действовала как детектор утечки сетки для исправления AM-сигнала. [108]
Еще одним преимуществом схемы было то, что трубку можно было заставить колебаться, и, таким образом, одна трубка могла служить как генератором частоты биений, так и детектором, функционируя как гетеродинный приемник, чтобы сделать слышимыми передачи CW радиотелеграфии . [108] [120] [121] Этот режим получил название автодинного приемника. Для приема радиотелеграфии обратную связь увеличивали до тех пор, пока трубка не колебалась, затем частоту колебаний настраивали в одну сторону передаваемого сигнала. Поступающий радиосигнал и сигнал локальных колебаний смешивались в трубке и создавали слышимый гетеродинный тон (биение) на разнице частот.
Широко используемой конструкцией была схема Армстронга , в которой «щекочущая» катушка в цепи пластины была соединена с катушкой настройки в цепи сетки для обеспечения обратной связи. [29] [108] [122] Обратная связь контролировалась переменным резистором или, попеременно, физическим перемещением двух обмоток ближе друг к другу, чтобы увеличить коэффициент усиления контура, или друг от друга, чтобы уменьшить его. [120] Это было сделано с помощью регулируемого трансформатора с воздушным сердечником, называемого вариометром. [ сломанный якорь ] (вариопара). Регенеративные детекторы иногда также использовались в TRF и супергетеродинных приемниках.
Одна из проблем с регенеративной схемой заключалась в том, что при использовании с большой степенью регенерации избирательность (Q) настроенной схемы могла быть слишком высокой, ослабляя боковые полосы AM и тем самым искажая звуковую модуляцию. [123] Обычно это было ограничивающим фактором для количества обратной связи, которую можно было использовать.
Более серьезным недостатком было то, что он мог действовать как непреднамеренный радиопередатчик , создавая помехи ( RFI ) в близлежащих приемниках. [29] [108] [120] [121] [122] [124] При приеме AM, чтобы получить максимальную чувствительность, трубка работала очень близко к нестабильности и могла легко начать колебаться (а при приеме CW действительно колебалась), а результирующий радиосигнал излучался ее проволочной антенной. В близлежащих приемниках сигнал регенератива бился с принимаемым в детекторе сигналом станции, создавая раздражающие гетеродины , ( биения ), завывания и свисты. [29] Ранние регенеративы, которые легко колебались, назывались «ляпами». Одной из профилактических мер было использование каскада радиочастотного усиления перед регенеративным детектором, чтобы изолировать его от антенны. [108] [120] Но к середине 1920-х годов крупные производители радиоприемников больше не продавали «регены». [29]
Армстронг представляет свой сверхрегенеративный приемник, 28 июня 1922 года, Колумбийский университет.
Это был приемник, изобретенный Эдвином Армстронгом в 1922 году, в котором регенерация использовалась более сложным способом для получения большего усиления. [109] [125] [126] [127] [128] Он использовался в нескольких коротковолновых приемниках в 1930-х годах и сегодня используется в нескольких дешевых высокочастотных устройствах, таких как рации и устройства открывания гаражных ворот .
В регенеративном приемнике коэффициент усиления контура обратной связи был меньше единицы, поэтому лампа (или другое усилительное устройство) не колебалась, а была близка к колебанию, что давало большой коэффициент усиления. [125] В сверхрегенеративном приемнике коэффициент усиления контура был сделан равным единице, поэтому усилительное устройство действительно начало колебаться, но колебания периодически прерывались. [109] [12] Это позволило одной лампе обеспечить прирост более чем в 10 раз. 6 .
Ранний 6-ламповый приемник TRF примерно 1920 года. 3 большие ручки регулируют 3 настроенные схемы для настройки на станции.
TRF-приемник Этуотера-Кента 1920-х годов с двумя ВЧ-каскадами (слева) , детектором и двумя лампами усилителя звука (справа) . Громкоговоритель состоит из наушника, соединенного с акустическим рупором, который усиливает звук.
Настройка всех трех ступеней TRF в унисон. Этот синхрофазный приемник Grebe 1925 года имеет колесики вместо ручек, которые можно поворачивать пальцем, поэтому третья рука не требуется.
Основная проблема первых приемников TRF заключалась в том, что их было сложно настроить, поскольку каждый резонансный контур нужно было настроить на частоту станции, прежде чем радио заработало. [29] [109] В более поздних приемниках TRF настроечные конденсаторы были соединены между собой механически («соединены») на общем валу, поэтому их можно было регулировать с помощью одной ручки, но в ранних приемниках частоты настроенных цепей нельзя было заставить «отслеживаться» достаточно хорошо, чтобы это допускалось, и каждая настраиваемая схема имела свою собственную ручку настройки. [12] [131] Поэтому ручки приходилось поворачивать одновременно. По этой причине большинство наборов TRF имели не более трех настроенных RF-ступеней. [108] [123]
Вторая проблема заключалась в том, что несколько радиочастотных каскадов, настроенных на одну и ту же частоту, были склонны к колебаниям. [131] [132] и паразитные колебания, радиостанции смешанные с несущей в детекторе, производят слышимые гетеродины ( ноты ), свист и стоны в динамике. [29] [108] [109] [130] Проблема была решена благодаря изобретению нейтродинной схемы (ниже) и разработке тетрода позже , примерно в 1930 году, а также улучшенному экранированию между каскадами. [130]
Сегодня конструкция TRF используется в нескольких интегрированных микросхемах приемников. С точки зрения современных приемников недостатком TRF является то, что коэффициент усиления и полоса пропускания настроенных РЧ каскадов не являются постоянными, а меняются по мере настройки приемника на разные частоты. [132] Поскольку полоса пропускания фильтра с заданной добротностью пропорциональна частоте, по мере настройки приемника на более высокие частоты его полоса пропускания увеличивается. [14] [18]
Прототип нейтродинного приемника Хейзелтайна, представленный 2 марта 1923 года на собрании Радиосообщества Америки в Колумбийском университете.
Настройка приемника Neutrodyne TRF с тремя настроенными схемами (большими ручками) , 1924 год. Для каждой станции нужно было записать индексные номера на циферблатах, чтобы можно было снова найти станцию.
Нейтродиновый приемник, изобретенный в 1922 году Луи Хейзелтайном . [133] [134] представлял собой приемник TRF со схемой «нейтрализации», добавленной к каждой ступени радиоусиления для подавления обратной связи и предотвращения колебаний, вызывающих раздражающие свисты в TRF. [29] [109] [130] [131] [135] В цепи нейтрализации конденсатор подавал ток обратной связи от цепи пластины к цепи сетки, который был на 180 ° сдвинут по фазе с обратной связью, которая вызывала колебания, подавляя их. [108] Нейтродин был популярен до появления дешевых тетродных ламп примерно в 1930 году.
Рефлекторный приемник , изобретенный в 1914 году Вильгельмом Шлёмильхом и Отто фон Бронком. [136] и заново открыт и расширен до нескольких трубок в 1917 году Мариусом Латуром. [136] [137] и Уильям Х. Присс - конструкция, использовавшаяся в некоторых недорогих радиоприемниках 1920-х годов. [138] который возродился в небольших портативных ламповых радиоприемниках 1930-х годов. [139] и снова в некоторых первых транзисторных радиоприемниках 1950-х годов. [109] [140] Это еще один пример гениальной схемы, изобретенной для того, чтобы максимально эффективно использовать ограниченное количество активных устройств. В рефлекторном приемнике радиочастотный сигнал из настроенной схемы проходит через одну или несколько усилительных ламп или транзисторов, демодулируется в детекторе , затем результирующий аудиосигнал снова проходит через те же каскады усилителя для усиления звука. [109] Отдельные радио- и аудиосигналы, присутствующие одновременно в усилителе, не мешают друг другу, поскольку они имеют разные частоты, что позволяет усилительным лампам выполнять «двойную функцию». Помимо одноламповых рефлексных приемников, некоторые TRF и супергетеродинные приемники имели несколько «рефлекторных» каскадов. [140] Радиоприемники Reflex были склонны к дефекту, называемому «проигрыванием», который означал, что громкость звука не падала до нуля при выключении регулятора громкости. [140]
Первый супергетеродинный приемник, построенный в лаборатории Корпуса связи Армстронга в Париже во время Первой мировой войны. Он состоит из двух секций: смесителя и гетеродина (слева) , а также трех каскадов усиления ПЧ и детекторного каскада (справа) . Промежуточная частота составляла 75 кГц.
В 1940-х годах супергетеродинный приемник на электронных лампах был усовершенствован до дешевой в производстве формы, получившей название « Всеамериканская пятерка », поскольку для него требовалось всего 5 ламп, которые использовались почти во всех радиовещательных радиостанциях до конца ламповой эры в 1970-х годах. .
Супергетеродин . , изобретенный в 1918 году во время Первой мировой войны Эдвином Армстронгом [10] когда он служил в войсках связи , эта конструкция использовалась почти во всех современных приемниках, за исключением нескольких специализированных приложений. [11] [12] [13] Это более сложная конструкция, чем другие приемники, описанные выше, и когда он был изобретен, требовалось 6–9 электронных ламп, что выходило за рамки бюджета большинства потребителей, поэтому первоначально он использовался в основном на коммерческих и военных станциях связи. [15] Однако к 1930-м годам «супергеты» заменили все остальные типы приемников, описанные выше.
К 1940-м годам супергетеродинный вещательный AM-приемник был усовершенствован до дешевой в производстве конструкции, получившей название « Всеамериканская пятерка », поскольку в нем использовалось всего пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор. /усилитель звука, усилитель мощности звука и выпрямитель. Эта конструкция использовалась практически во всех коммерческих радиоприемниках, пока в 1970-х годах транзистор не заменил электронную лампу.
Изобретение транзистора в 1947 году произвело революцию в радиотехнике, сделав возможным создание по-настоящему портативных приемников, начиная с транзисторных радиоприемников в конце 1950-х годов. Хотя портативные радиолампы были созданы, лампы были громоздкими и неэффективными, потребляли большое количество энергии и требовали нескольких больших батарей для создания напряжения накала и пластины. Транзисторы не требовали нагрева нити накала, что снижало энергопотребление, они были меньше и гораздо менее хрупкими, чем электронные лампы.
Компании впервые начали производить радиоприемники, рекламируемые как портативные, вскоре после начала коммерческого вещания в начале 1920-х годов. Подавляющее большинство ламповых радиоприемников той эпохи использовали батарейки и могли быть установлены и работать где угодно, но большинство из них не имели функций, предназначенных для портативности, таких как ручки и встроенные динамики. Одними из первых портативных ламповых радиоприемников были Winn «Portable Wireless Set No. 149», появившийся в 1920 году, и модель Grebe KT-1, появившаяся годом позже. Кристаллические наборы, такие как Westinghouse Aeriola Jr. и RCA Radiola 1, также рекламировались как портативные радиоприемники. [141]
Благодаря миниатюрным электронным лампам, впервые разработанным в 1940 году, на рынке появились портативные радиоприемники меньшего размера от таких производителей, как Zenith и General Electric . Линейка портативных радиостанций Zenith Trans-Oceanic , впервые представленная в 1942 году, была разработана для обеспечения развлекательных передач, а также для возможности настройки на метеостанции, морские и международные коротковолновые станции. К 1950-м годам «золотой век» портативных ламповых портативных радиоприемников включал в себя ламповые радиоприемники размером с коробку для завтрака, такие как Emerson 560, в литых пластиковых корпусах. Так называемые «карманные портативные» радиоприемники, такие как RCA BP10, существовали с 1940-х годов, но их фактический размер помещался только в самые большие карманы пальто. [141] Но некоторые из них, например карманные радиоприемники Privat-ear и Dyna-mite, были достаточно маленькими, чтобы поместиться в кармане. [142] [143]
Разработка биполярного переходного транзистора в начале 1950-х годов привела к тому, что лицензия на его использование была передана ряду электронных компаний, таких как Texas Instruments , которые производили ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Regency TR-1 , созданный Regency Division IDEA (Industrial Development Engineering Associates) в Индианаполисе, штат Индиана, был выпущен в 1951 году. Наступила эра настоящих портативных радиоприемников размером с карман рубашки, с появлением таких производителей, как Sony , Zenith, RCA, DeWald и Crosley предлагают различные модели. [141] Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, стал первым транзисторным радиоприемником массового производства , что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок. [144]
Разработка микросхем на интегральных схемах (ИС) в 1970-х годах произвела еще одну революцию, позволив разместить на микросхеме целый радиоприемник. Микросхемы изменили экономику конструкции радиоприемников, используемой в ламповых приемниках. Поскольку предельные затраты на добавление в чип дополнительных усилительных устройств (транзисторов) были практически нулевыми, размер и стоимость приемника зависели не от количества используемых активных компонентов, а от пассивных компонентов; катушки индуктивности и конденсаторы, которые невозможно было легко интегрировать в чип. [22] Разработка радиочастотных КМОП- чипов, впервые начатая Асадом Али Абиди из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1980-х и 1990-х годах, позволила создавать беспроводные устройства с низким энергопотреблением. [146]
Текущая тенденция в приемниках заключается в использовании цифровых схем на чипе для выполнения функций, которые раньше выполнялись аналоговыми схемами , требующими пассивных компонентов. В цифровом приемнике сигнал ПЧ дискретизируется и оцифровывается, а функции полосовой фильтрации и обнаружения выполняются посредством цифровой обработки сигнала (DSP) на кристалле. Еще одним преимуществом DSP является то, что свойства приемника; частота канала, полоса пропускания, усиление и т. д. могут быть динамически изменены программным обеспечением, чтобы реагировать на изменения в окружающей среде; эти системы известны как программно-определяемые радиостанции или когнитивное радио .
Вместо этого многие функции, выполняемые аналоговой электроникой, могут выполняться программным обеспечением . Преимущество состоит в том, что на программное обеспечение не влияют температура, физические переменные, электронные шумы и производственные дефекты. [147]
Цифровая обработка сигналов позволяет использовать методы обработки сигналов, которые были бы громоздкими, дорогостоящими или иным образом невозможными при использовании аналоговых методов. Цифровой сигнал — это, по сути, поток или последовательность чисел, которые передают сообщение через какую-то среду, например провод. Аппаратное обеспечение DSP может адаптировать полосу пропускания приемника к текущим условиям приема и типу сигнала. Типичный аналоговый приемник может иметь ограниченное количество фиксированных полос пропускания или только одну, но приемник DSP может иметь 40 или более индивидуально выбираемых фильтров. DSP используется в системах сотовой связи для снижения скорости передачи данных, необходимой для передачи голоса.
«Радиосистемы ПК» или радиостанции, предназначенные для управления стандартным ПК, управляются специальным программным обеспечением для ПК с использованием последовательного порта, подключенного к радиостанции. «ПК-радио» может вообще не иметь передней панели и быть предназначено исключительно для управления компьютером, что снижает стоимость.
Большим преимуществом некоторых радиостанций для ПК является то, что владелец может обновлять их на месте. DSP Новые версии прошивки можно скачать с сайта производителя и загрузить во флэш-память магнитолы. Фактически производитель может со временем добавлять к радиостанции новые функции, такие как добавление новых фильтров, шумоподавление DSP или просто исправление ошибок.
Полнофункциональная программа радиоуправления позволяет осуществлять сканирование и множество других функций и, в частности, интеграцию баз данных в режиме реального времени, например, возможность типа «ТВ-Гид». Это особенно полезно для обнаружения всех передач на всех частотах конкретной радиовещательной компании в любой момент времени. Некоторые разработчики управляющего программного обеспечения даже интегрировали Google Earth в базы данных коротковолновых волн, так что можно «перелететь» к заданному местоположению передатчика одним щелчком мыши. Во многих случаях пользователь может видеть передающие антенны, от которых исходит сигнал.
Поскольку графический интерфейс пользователя радиостанции обладает значительной гибкостью, разработчик программного обеспечения может добавлять новые функции. Функции, которые сегодня можно найти в передовых программах управления, включают таблицу диапазонов, элементы управления графическим интерфейсом, соответствующие традиционным средствам радиоуправления, часы местного времени и часы UTC , измеритель уровня сигнала, базу данных для прослушивания на коротких волнах с возможностью поиска, возможность сканирования или текст. -речевой интерфейс.
Следующим уровнем интеграции является « программно-определяемая радиосвязь », где вся фильтрация, модуляция и манипулирование сигналами выполняются программно. Это может быть звуковая карта ПК или выделенное оборудование DSP. Будет предусмотрен RF- интерфейс для подачи промежуточной частоты на программно-определяемую радиостанцию. Эти системы могут предоставлять дополнительные возможности по сравнению с «аппаратными» приемниками. Например, они могут записывать большие участки радиоспектра на жесткий диск для последующего «воспроизведения». Тот же SDR, который в одну минуту демодулирует простую передачу AM, может также быть в состоянии декодировать передачу HDTV в следующую минуту. Проект с открытым исходным кодом под названием GNU Radio посвящен развитию высокопроизводительной SDR.
Полностью цифровые радиопередатчики и приемники открывают возможность расширения возможностей радио. [149]
^ Мавер, Уильям младший (август 1904 г.). «Беспроводная телеграфия сегодня» . Американский ежемесячный обзор обзоров . 30 (2): 192 . Проверено 2 января 2016 г.
^ Джед З. Бухвальд, Научная достоверность и технические стандарты в Германии и Великобритании XIX и начала XX веков, Springer Science & Business Media - 1996, стр. 158
^ Питер Роулендс, Оливер Лодж и Ливерпульское физическое общество, Liverpool University Press - 1990, стр. 117
^ Джед З. Бухвальд, Научная достоверность и технические стандарты в Германии и Великобритании XIX и начала XX веков, Springer Science & Business Media - 1996, страницы 158-159
^ В начале 1920-х годов Армстронг, Дэвид Сарнофф, глава RCA, и другие пионеры радио свидетельствовали перед Конгрессом США о необходимости принятия законодательства против излучающих регенеративных приемников. Винг, Уиллис К. (октябрь 1924 г.). «Дело против излучающего приемника» (PDF) . Радиовещание . 5 (6): 478–482 . Проверено 16 января 2016 г.
Приемники связи, третье издание, Ульрих Л. Роде, Джерри Уитакер, МакГроу Хилл, Нью-Йорк, 2001 г., ISBN 0-07-136121-9
Буга, Н.; Фалько А.; Чистяков Н.И. (1990). Чистяков Н.И. (ред.). Теория радиоприемника . Перевод с русского Бориса Васильевича Кузнецова. Москва : Издательство «Мир» . ISBN 978-5-03-001321-3 First published in Russian as «Радиоприёмные устройства» {{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: d684c6192e04f59ef79dd4fb3c6b2695__1722390360 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d6/95/d684c6192e04f59ef79dd4fb3c6b2695.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Radio receiver - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
Схема первого когерерного радиоприемника Маркони 1896 года.
Когерер 1904 года, разработанный Маркони.
