Jump to content

Гетеродин

(Перенаправлен из радиочастотного повышения )

Символ частотного микшера, используемый в схематических диаграммах

Гетеродина - это сигнала частота , которая создается путем объединения или смешивания двух других частот с использованием метода обработки сигнала , называемого гетеродининг , которая была изобретена канадским изобретателем-инженером Реджинальдом Фессенденом . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Гетеродининг используется для переключения сигналов из одного диапазона частот в другую, а также участвует в процессах модуляции и демодуляции . [ 2 ] [ 4 ] Две входные частоты объединяются в нелинейном устройстве обработки сигналов, таким как вакуумная трубка , транзистор или диод , обычно называемый смесителем . [ 2 ]

В наиболее распространенном приложении два сигнала на частотах F 1 и F 2 смешаны, создавая два новых сигнала, один на сумму двух частот F 1 + F 2 , а другой - в разнице между двумя частотами f 1 - F 2 . [ 3 ] Новые частоты сигнала называются гетеродинесами . Как правило, требуется только один из гетеродинов, а другой сигнал отфильтрован из выхода микшера. Гетеродиновые частоты связаны с явлением « ударов » в акустике. [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]

Основное применение гетеродинового процесса заключается в схеме приемника с надхетеродином , которая используется практически во всех современных радиоприемниках.

Схема приемника Гетеродина Фессендена. Входящая радиочастотная и локальная частотная смесь осциллятора в детекторе кристаллического диода.

В 1901 году Реджинальд Фессенден продемонстрировал приемник прямого конверсии или приемник бит в качестве метода обеспечения непрерывной волновой радиотелеграфии сигналов слышимым. [ 7 ] Приемник Фессендена не видел большого применения из -за проблемы стабильности его локального генератора. Стабильный, но недорогой местный осциллятор не был доступен до тех пор, пока Ли де Форест не изобрел триод вакуумную трубку . [ 8 ] В патенте 1905 года Фессенден заявил, что стабильность частоты его местного осциллятора была одной частью на тысячу. [ 9 ]

В радио -телеграфии символы текстовых сообщений переводятся в короткие точки и длительные черты кода Морса , которые транслируются как радиосигналы. Радиолеграфия была очень похожа на обычную телеграфию . Одной из проблем была создание высоких передатчиков с технологией дня. Ранние передатчики были передатчиками Spark Gap . Механическое устройство сделало бы искры по фиксированной, но слышимой скорости; Спарки будут положить энергию в резонансную схему, которая затем позвонит на желаемой частоте передачи (которая может быть 100 кГц). Это звон быстро распадается, поэтому выход передатчика будет последовательности затухающих волн . Когда эти затухающие волны были получены простым детектором, оператор услышит звуковой звук, который можно было бы транскрибировать обратно в альфа-нулевые символы.

При разработке ARC Converter радиопередатчика в 1904 году модуляция непрерывной волны (CW) начала использоваться для радиотелеграфии. Сигналы кода CW Morse не являются амплитудными модулированными, а скорее состоят из всплесков синусоидальной частоты носителей. Когда сигналы CW получают приемником AM, оператор не слышит звук. Детектор прямого конверсии (гетеродина) был изобретен для того, чтобы сделать непрерывные волновые радиочастотные сигналы слышимыми. [ 10 ]

Приемник «гетеродина» или «бит» имеет локальный генератор , который дает радиосигнал, регулируемый, чтобы быть близким по частоте к полученному входящему сигналу. Когда два сигнала смешаны, создается частота «удара», равную разнице между двумя частотами. Регулировка локальной частоты осциллятора правильно помещает частоту битов в диапазон аудио приемника , где ее можно услышать как тон в наушниках всякий раз, когда присутствует сигнал передатчика. Таким образом, код Морзе «точки» и «тире» слышен как звуки звука. Этот метод все еще используется в радиотелеграфии, локальный генератор теперь называется « частот -ритм -генератор» или BFO. Фессенден придумал слово гетеродины из греческих корней, гетеро- «разных» и дин- «власти» (ср. Δύναμις или Dunamis ). [ 11 ]

Супергетеринный приемник

[ редактировать ]
Блок -схема типичного супергетеринного приемника. Красные детали - это те, которые обрабатывают входящий радиочастотный сигнал (RF); Зеленые - это части, которые работают на промежуточной частоте (если), в то время как синие детали работают на частоте модуляции (аудио).

Важным и широко используемым применением гетеродиновой техники является приемник супергетерин (SuperHet). В типичном суперхете входящий радиочастотный сигнал от антенны смешивается (гетеродируется) с сигналом из локального генератора (LO), чтобы получить более низкую частотную частотную сигнал, называемый промежуточным частотным сигналом (IF). Сигнал IF усиливается и отфильтрован, а затем применяется к детектору , который извлекает аудиосигнал; Аудио в конечном итоге отправляется на громкоговоритель приемника.

Улицевой приемник имеет несколько преимуществ по сравнению с предыдущими конструкциями приемника. Одним из преимуществ легче настраивать; Только радиочастотный фильтр и LO настроены оператором; фиксированная частота, если настроен («выровнен») на заводе и не скорректируется. В более старых конструкциях, таких как настроенный радиочастотный приемник (TRF), все этапы приемника должны были быть настроены одновременно. Кроме того, поскольку фильтры IF устанавливаются фиксированными, селективность приемника одинакова по всей полосе частоты приемника. Другое преимущество заключается в том, что сигнал, если сигнал может быть на гораздо более низкой частоте, чем входящий радиосигнал, и это позволяет каждому этапу усилителя, обеспечивающим больше усиления. В первый заказ у усиливающего устройства есть продукт фиксированной пропускной способности . Если устройство имеет продукт ширины усиления 60 МГц, то оно может обеспечить усиление напряжения 3 при РЧ 20 МГц или усиление напряжения 30 при IF 2 МГц. В более низком уровне, если бы потребовалось бы меньше устройств усиления для достижения той же усиления. Регенеративный радиоприемник Получил больше усиления от одного устройства усиления с использованием положительной обратной связи, но это требовало тщательной корректировки оператором; Эта корректировка также изменила селективность регенеративного приемника. Супергетерин обеспечивает большой, стабильный усиление и постоянную селективность без проблемной настройки.

Верхняя система супергетеродинов заменила более ранние конструкции TRF и регенеративного приемника, и с 1930 -х годов большинство коммерческих радиоприемников были супергеродинами.

Приложения

[ редактировать ]

Гетеродининг, также называемый конверсией частоты , очень широко используется в инженерии связи для генерации новых частот и перемещения информации из одного частотного канала в другой. во всех радио и телевизионных приемниках, он используется в радиопередатчиках , модемах , спутниковой связи и серийных коробках, радарных , радиотелесопах , телеметрических системах, сотовых телефонах, кабельном телевидении Помимо его использования в схеме супергетеродина, обнаруженной почти , Микроволновые эстафеты и металлоискатели , атомные часы системы военной электронной контрмеры (ямки).

Конвертеры вверх и вниз

[ редактировать ]

В крупномасштабных телекоммуникационных сетях, таких как компоновки телефонных сетевых сетей , сети микроволновых реле , кабельные телевизионные системы и спутниковые связи связи, большие связи пропускной способности используются многими отдельными каналами связи, используя гетеродининг для перемещения частоты отдельных сигналов на разные частоты на разные частоты на разные частоты. , которые делятся каналом. Это называется мультиплексированием частотного деления (FDM).

Например, коаксиальный кабель, используемый кабельной телевизионной системой, может нести 500 телевизионных каналов одновременно, потому что каждому дается другая частота, поэтому они не мешают друг другу. На источнике кабеля или головке электронные выпчатели конвертируют каждый входящий телевизионный канал в новую, более высокую частоту. Они делают это, смешивая частоту телевизионного сигнала, F CH с локальным генератором на гораздо более высокой частоте F LO , создавая гетеродину на сумме F CH + F LO , которая добавляется в кабель. В доме потребителя в верхней коробке с набором кабеля есть нисходящий конвертер, который смешивает входящий сигнал на частоте f ch + f lo с той же локальной частотой осциллятора f lo, создавая разницу гетеродиновую частоту, преобразуя телевизионный канал обратно на его первоначальную частоту: ( f ch + f lo ) - f lo = f ch . Каждый канал перемещается на другую более высокую частоту. Исходная более низкая основная частота сигнала называется основной полосы , в то время как более высокий канал, на который он перемещается, называется полоса прохождения .

Аналоговая видеозапись записи

[ редактировать ]

Многие аналоговые видеозаписные системы полагаются на пониженную цветовую поднесущую для записи информации о цвете в их ограниченной полосе пропускания. Эти системы называются «гетеродинными системами» или «системами цветовых и подходов». Например, для NTSC видеосистемы система записи VHS S-VHS ) преобразует цветной поднесер из стандарта NTSC от 3,58 МГц в ~ 629 кГц. [ 12 ] PAL VHS Color Subcarrier аналогичным образом понижен (но от 4,43 МГц). В настоящее время obsolete 3/4 " U-Matic Systems использует гетеродированный подложник ~ 688 кГц для записей NTSC (как и , Betamax Sony . который на основе является потребительской версией 1/2 ″ U-Matic), в то время как PAL является PAL низкая диапазона. различными частотами поднесущего , известными как Hi-Gans и несовместимых сортах, с U-матические палубы поставлялись в двух взаимно [ 13 ]

Гетеродиновая система в этих случаях используется для преобразования квадратурных фазодированных и амплитудных модулированных синусоидальных волн от частот вещания в частоты, записываемые менее чем 1 МГц. При воспроизведении информация о записанной цвете гетеродируется к стандартным частотам поднесущего для отображения по телевизору и для обмена с другим стандартным видеооборудованием.

Некоторые колоды U-Matic (3/4 ″) оснащены 7-контактными мини- разъемами , позволяющими назвать ленты без преобразования, как и некоторые промышленные VHS, S-VHS и HI8-рекордеры.

Музыкальный синтез

[ редактировать ]

Термен в , электронный музыкальный инструмент , традиционно использует принцип гетеродина для создания переменной аудиочастоты ответ на движение рук музыканта поблизости одного или нескольких антенн, которые действуют как плиты конденсаторов. Выход фиксированного радиочастотного осциллятора смешивается с выходом осциллятора, частота которого влияет переменная емкость между антенной и рукой музыканта, когда он перемещается вблизи антенны управления шагом. Разница между двумя частотами осцилляторов дает тон в диапазоне аудио.

Модулятор кольца -это тип частотного микшера , включенного в некоторые синтезаторы или используется в качестве автономного аудиоэффекта.

Оптическое гетеродининг

[ редактировать ]

Оптическое обнаружение гетеродинов (область активных исследований) является расширением метода гетеродизирующейся на более высоких (видимых) частотах. Герра [ 14 ] (1995) сначала опубликовали результаты того, что он назвал «формой оптического гетеродинирования», в которой свет, созданный на 50 нм, освещал вторую решетку шага 50 нм, причем сражения вращаются по отношению друг к другу на угловую сумму необходимо для достижения увеличения. Несмотря на то, что длина освещающей волны составляла 650 нм, решетка 50 нм было легко разрешено. Это показало почти 5-кратное улучшение по сравнению с пределом разрешения ABBE 232 нм, которое должно было быть наименьшим полученным для численной апертуры и длины волны. Эта микроскопическая визуализация сверхразрешения с помощью оптического гетеродинирования позже стала известна многими как «структурированная микроскопия освещения».

В дополнение к оптической микроскопии сверхразрешения, оптическое гетеродининг может значительно улучшить оптические модуляторы , увеличивая плотность информации, переносимой оптическими волокнами . Он также применяется при создании более точных атомных часов на основе непосредственно измерения частоты лазерного луча. См. NIST Subtopic 9.07.9-4.r для описания исследований в одной системе для этого. [ 15 ] [ 16 ]

Поскольку оптические частоты далеко за пределами манипуляционной способности любой возможной электронной схемы, все детекторы видимых частотных фотонов являются по своей природе детекторов энергии, а не колебания детекторов электрического поля. Однако, поскольку обнаружение энергии по своей природе является обнаружением квадратного закона , он по сути смешивает любые оптические частоты, присутствующие на детекторе. Таким образом, чувствительное обнаружение специфических оптических частот требует обнаружения оптического гетеродина, в котором две разные (близкие) длины волн света освещают детектор, так что колеблющийся электрический выход соответствует разнице между их частотами. Это обеспечивает чрезвычайно узкое обнаружение полос (намного более узкое, чем может достичь любой возможный цветовой фильтр), а также точные измерения фазы и частоты светового сигнала относительно эталонного источника света, как в лазерном доплеровском виброметре .

Это обнаружение чувствительного к фазе было применено для допплеровских измерений скорости ветра и визуализации с помощью плотной среды. Высокая чувствительность к фоновому свету особенно полезна для LiDAR .

В спектроскопии оптического эффекта Kerr (OKE) оптическое гетеродининг сигнала OKE и небольшая часть сигнала зонда дают смешанный сигнал, состоящий из зонда, гетеродинного оке-зондового и гомодинного сигнала OKE. Сигналы зонда и гомодина могут быть отфильтрованы, оставляя гетеродинный частотный сигнал для обнаружения.

Обнаружение гетеродинов часто используется в интерферометрии, но обычно ограничивается обнаружением одной точки, а не интерферометрией широкополосной, однако, широко полевой гетеродиновой интерферометрии возможна с использованием специальной камеры. [ 17 ] Используя этот метод, который эталонный сигнал, извлеченный из одного пикселя, можно построить очень стабильный широкоустроенный гетеродинный интерферометр, удалив компонент поршня вызвано микрофоникой или вибрациями оптических компонентов или объекта. [ 18 ]

Математический принцип

[ редактировать ]

Гетеродининг основан на тригонометрической идентичности :

Продукт на левой стороне представляет собой умножение («смешивание») синусоидальной волны с другой синусоидальной волной (оба произведены функциями косинуса ). Правая сторона показывает, что полученный сигнал представляет собой сумму двух синусоидальных терминов, один на сумму двух оригинальных частот, и одна из различий, с которыми можно решить отдельно, поскольку их (большая) разница частот облегчает его Чистое отфильтрование частоты одного сигнала, оставляя другой сигнал без изменений.

Используя эту тригонометрическую идентичность, результат умножения двух сигналов косинусной волны и на разных частотах и можно рассчитать:

Результатом является сумма двух синусоидальных сигналов, одна в сумме F 1 + F 2 и один в разнице F 1 - F 2 исходных частот.

Два сигнала объединены в устройстве, называемом миксером . Как видно в предыдущем разделе, идеальным миксером будет устройство, которое умножает два сигнала. Некоторые широко используемые смесители, такие как ячейка Гилберта , работают таким образом, но они ограничены более низкими частотами. Тем не менее, любой нелинейный электронный компонент также умножает сигналы, применяемые к нему, производя гетеродинные частоты в его выходе, поэтому различные нелинейные компоненты служат в качестве смесителей. Нелинейный компонент - это тот, в котором выходной ток или напряжение является нелинейной функцией его входа. Большинство элементов схемы в цепях связи предназначены для линейных . Это означает, что они подчиняются принципу суперпозиции ; если вывод линейного элемента с вводом :

Таким образом, если к линейному устройству применяются два синусоидальных сигнала на частотах F 1 и F 2 , выход - это просто сумма выходов, когда два сигнала применяются отдельно без терминов продукта. Таким образом, функция Должен быть нелинейным для создания продуктов микшера. Идеальный мультипликатор производит только микшерные продукты на частотах суммы и разности ( F 1 ± F 2 ) , но более общие нелинейные функции производят продукты смесителя более высокого порядка: n F 1 + M F 2 для целых N и M. чисел Некоторые конструкции миксеров, такие как двойные сбалансированные смесители, подавляют некоторые нежелательные продукты высокого порядка, в то время как другие конструкции, такие как гармонические микшеры, используют различия в высоком порядке.

Примеры нелинейных компонентов, которые используются в качестве смесителей, представляют собой вакуумные трубки и транзисторы, смещенные вблизи отсечения ( класс C ) и диоды . ферромагнитного ядра Индукторы , приведенные в насыщенность, также могут использоваться на более низких частотах. В нелинейной оптике кристаллы, которые имеют нелинейные характеристики, используются для смешивания лазерных световых лучей для создания оптических гетеродиновых частот .

Вывод микшера

[ редактировать ]

Чтобы математически продемонстрировать, как нелинейный компонент может умножить сигналы и генерировать гетеродиновые частоты, нелинейная функция может быть расширен в серии Power ( серия Maclaurin ):

Чтобы упростить математику, термины более высокого порядка выше α 2 обозначены эллипсисом ( ) и только первые термины показаны. Применение двух синусоидальных волн на частотах ω 1 = 2 π f 1 и ω 2 = 2 π f 2 к этому устройству:

Видно, что второй термин выше содержит продукт двух синусоидальных волн. Упрощение с тригонометрической идентичностью :

Что оставляет две гетеродиновые частоты как две среди многих терминов:

наряду со многими другими терминами, не показанными.

Среди многих других частот выход содержит синусоидальные термины с частотами на сумме ω 1 + ω 2 и разницей ω 1 - ω 2 из двух исходных частот. Он также содержит термины на исходных частотах и ​​терминах на кратных исходных частот 2 ω 1 , 2 ω 2 , 3 ω 1 , 3 ω 2 и т . Д., называемые гармониками . Он также содержит гораздо более сложные термины на частотах m ω 1 + n ω 2 , называемых продуктами интермодуляции . Эти нежелательные частоты, наряду с нежелательной гетеродиновой частотой, должны быть удалены из выхода микшера с помощью электронного фильтра , чтобы оставить желаемую гетеродинную частоту.

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Кристофер Э. Купер (январь 2001 г.). Физика . Фицрой Дирборн издатели. С. 25–. ISBN  978-1-57958-358-3 .
  2. ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Бюро военно -морского персонала Соединенных Штатов (1973). Основная электроника . США: Курьер Дувр. п. 338. ISBN  978-0-486-21076-6 .
  3. ^ Jump up to: а беременный Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники (7 -е изд.). США: Ньюнес. п. 344. ISBN  978-0-7506-9866-5 .
  4. ^ Горовиц, Пол ; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2 -е изд.). Лондон: издательство Кембриджского университета. с. 885, 897. ISBN  978-0-521-37095-0 .
  5. ^ Странно, Аллен ; Странно, Патриция (2003). Современная скрипка: расширенные методы производительности . Пресс чучела. п. 216. ISBN  978-0-520-22409-4 .
  6. ^ Ingard, Uno (2008). Акустика . Джонс и Бартлетт. С. 18–21. ISBN  978-1-934015-08-7 .
  7. ^ Обсуждение истории некоторых оснований современной радиоэлектронической технологии , комментарии Ллойда Эспеншиеда, Труды IRE, июль 1959 г. (том 47, № 7), с. 1254, 1256. Критика. «... Корни наших современных технологий отслеживают, как правило, к источникам, кроме лаборатории Хаммонда». Комментарий. Многие из корней, которые питали работу группы Hammond и ее современников, были записаны в нашей статье: новаторская работа Уилсона и Эванса, Теслы, Шумейкера, в основной радиодинамике; Полем Полем Полем Тесла и Фессенден, ведущего к разработке основной промежуточной частоты.
  8. ^ Nahin 2001 , p. 91, заявив, что «схема Фессендена опередила свое время, так как просто не было никакой доступной технологии для создания необходимого локального генератора с необходимой стабильностью частоты». На рисунке 7.10 показан упрощенный детектор гетеродина 1907 года.
  9. ^ Фессен 1905 , с. 4
  10. ^ Эшли, Чарльз Гриннелл; Хейворд, Чарльз Брайан (1912). Беспроводная телеграфия и беспроводная телефония . Чикаго: Американская школа переписки. С. 103/15–104/16.
  11. ^ Тапан К. Саркар, История беспроводной связи, стр. 372
  12. ^ Форматы видеозаписей с использованием 1 ~ 2 -килограммовая (13 мм) лента, архивная 16 июня 2006 года на машине Wayback ; Получено 2007-01-01
  13. ^ Чарльз, Пойнтон (2003). Цифровое видео и HDTV: алгоритмы и интерфейсы . Сан -Франциско: издатели Морган Кауфманн. С. 582–3. ISBN  978-1-55860-792-7 .
  14. ^ Герра, Джон М. (26 июня 1995 г.). «Супер-разрешение посредством освещения путем дифракционных волн отеццарных волн» . Прикладные физические буквы . 66 (26): 3555–3557. Bibcode : 1995Apphl..66.3555g . doi : 10.1063/1.1138814 . ISSN   0003-6951 .
  15. ^ Подробная информация о контракте: надежная платформа для нанопного керамического микросенсора
  16. ^ Подробности контракта: Высокоэлектрированная мощность множителей варианта мощности для визуализации
  17. ^ Патель, Р.; Achamfuo-Yeboah, S.; Свет R.; Кларк М. (2011). «Широкая гетеродиновая интерферометрия с использованием пользовательской модулированной световой камеры CMOS» . Optics Express . 19 (24): 24546–24556. BIBCODE : 2011OEXPR..1924546P . doi : 10.1364/OE.19.024546 . PMID   22109482 .
  18. ^ Патель, Р.; Achamfuo-Yeboah, S.; Свет R.; Кларк М. (2012). «Ультрастабильная система гетеродинового интерферометра с использованием модулированной световой камеры CMOS» . Optics Express . 20 (16): 17722–17733. BIBCODE : 2012OEXPR..2017722P . doi : 10.1364/OE.20.017722 . PMID   23038324 .

Общие и цитируемые ссылки

[ редактировать ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e0168edb97c94d9e3f77070822821b2f__1721798100
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e0/2f/e0168edb97c94d9e3f77070822821b2f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Heterodyne - 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.)