Superheterodynový přijímač - Superheterodyne receiver

5-trubičkový superheterodynový přijímač vyrobený v Japonsku kolem roku 1955
Superheterodynový tranzistorový rádiový obvod kolem roku 1975

Superhet , často se zkrátil k superhet , je druh rozhlasového přijímače , který používá frekvence míchání převést přijatý signál na pevnou mezifrekvenční kmitočet (IF), který může být více vhodně zpracovaného než původní nosné frekvence . Dlouho se věřilo, že byl vynalezen americkým inženýrem Edwinem Armstrongem , ale po nějaké kontroverzi je nejdříve patent pro tento vynález připsán francouzskému rádiovému inženýrovi a výrobci rádií Lucienu Lévymu . Prakticky všechny moderní rádiové přijímače používají princip superheterodynu.

Dějiny

Heterodyne

Časné rozhlasové vysílání Morseovy abecedy bylo vyrobeno pomocí alternátoru připojeného k jiskřišti . Výstupní signál měl nosnou frekvenci definovanou fyzickou konstrukcí mezery, modulovanou signálem střídavého proudu z alternátoru. Protože výstup alternátoru byl obecně ve slyšitelném rozsahu, vytváří to signál AM ( amplitudově modulovaný ). Jednoduché rádiové detektory odfiltrovaly vysokofrekvenční nosič a zanechaly modulaci, která byla přenesena do sluchátek uživatele jako zvukový signál teček a pomlček.

V roce 1904 představil Ernst Alexanderson alternátor Alexanderson , zařízení, které přímo produkovalo vysokofrekvenční výstup s vyšším výkonem a mnohem vyšší účinností než starší systémy jiskřiště. Na rozdíl od jiskřiště však byl výstup z alternátoru čistou nosnou vlnou na zvolené frekvenci. Když jsou tečky a čárky detekovány na stávajících přijímačích, normálně by byly neslyšitelné nebo „nadzvukové“. Vzhledem k filtračním účinkům přijímače tyto signály obecně vytvářely cvaknutí nebo bušení, které byly slyšitelné, ale ztížily určení tečky nebo pomlčky.

V roce 1905 kanadský vynálezce Reginald Fessenden přišel s nápadem použít dva alternátory Alexanderson pracující na blízko umístěných frekvencích k vysílání dvou signálů místo jednoho. Přijímač by poté přijímal oba signály a v rámci procesu detekce by přijímač opouštěla pouze tepová frekvence . Výběrem dvou nosných dostatečně blízko, aby byla slyšitelná frekvence úderů, byla výsledná Morseova abeceda opět snadno slyšet i v jednoduchých přijímačích. Pokud by například dva alternátory pracovaly na frekvencích 3 kHz od sebe, výstup ve sluchátkách by byl tvořen tečkami nebo čárkami o tónu 3 kHz, takže by byly snadno slyšitelné.

Fessenden k popisu tohoto systému vytvořil termín „ heterodyn “, což znamená „generováno rozdílem“ (ve frekvenci). Slovo je odvozeno z řeckých kořenů hetero- „odlišný“ a -dyne „síla“.

Regenerace

Morseova abeceda byla široce používána v počátcích rozhlasu, protože byla snadno vyrobitelná a snadno přijímatelná. Na rozdíl od hlasového vysílání nemusel výstup zesilovače těsně odpovídat modulaci původního signálu. V důsledku toho bylo možné použít libovolný počet jednoduchých zesilovacích systémů. Jedna metoda používala zajímavý vedlejší účinek raných triodových zesilovačů. Pokud by deska (anoda) i mřížka byly připojeny k rezonančním obvodům naladěným na stejnou frekvenci a zisk stupně by byl mnohem vyšší než jednota , zbloudilé kapacitní propojení mezi mřížkou a deskou by způsobilo, že zesilovač přejde do oscilace.

V roce 1913 popsal Edwin Howard Armstrong přijímací systém, který používal tento efekt k produkci slyšitelného výstupu Morseovy abecedy pomocí jediné triody. Výstup zesilovače odebraného na anodě byl připojen zpět na vstup pomocí „tickleru“, což způsobilo zpětnou vazbu, která hnala vstupní signály daleko za jednotu. To způsobilo, že výstup osciloval na zvolené frekvenci s velkým zesílením. Když se původní signál na konci tečky nebo pomlčky přerušil, oscilace se rozpadla a zvuk po krátké prodlevě zmizel.

Armstrong označoval tento koncept jako regenerační přijímač a okamžitě se stal jedním z nejpoužívanějších systémů své doby. Mnoho rádiových systémů 20. let 20. století bylo založeno na regeneračním principu a do čtyřicátých let se nadále používalo ve specializovaných rolích, například na MFF Mark II .

RDF

Existovala jedna role, kde regenerační systém nebyl vhodný, dokonce ani pro zdroje Morseovy abecedy, a to byl úkol hledání rádiového směru neboli RDF.

Regenerační systém byl vysoce nelineární a zesílil jakýkoli signál nad určitou prahovou hodnotu o obrovské množství, někdy tak velké, že to způsobilo, že se proměnil ve vysílač (což byl celý koncept IFF). V RDF se síla signálu používá k určení polohy vysílače, takže jeden vyžaduje lineární zesílení, aby bylo možné přesně změřit sílu původního signálu, často velmi slabého.

K řešení této potřeby systémy RDF té doby používaly triody pracující pod jednotou. K získání použitelného signálu z takového systému musely být použity desítky nebo dokonce stovky triód, propojených dohromady anoda-mřížka. Tyto zesilovače čerpaly obrovské množství energie a vyžadovaly tým techniků údržby, aby je udrželi v provozu. Strategická hodnota zjišťování směru na slabých signálech však byla tak vysoká, že britská admiralita považovala vysoké náklady za oprávněné.

Superheterodyn

Jeden z prototypových superheterodynových přijímačů postavených v Armstrongově laboratoři Signal Corps v Paříži během první světové války. Je vyroben ze dvou částí, mixéru a místního oscilátoru (vlevo) a tří zesilovacích stupňů IF a stupně detektoru (vpravo) . Mezifrekvence byla 75 kHz.

Ačkoli řada vědců objevila superheterodynový koncept, který podával patenty jen s odstupem několika měsíců (viz níže), Armstrongovi se tento koncept často připisuje. Přišel na to při zvažování lepších způsobů výroby přijímačů RDF. Došel k závěru, že přechod na vyšší frekvence „krátkých vln“ by učinil RDF užitečnějším, a hledal praktické prostředky pro vybudování lineárního zesilovače pro tyto signály. V té době byla krátká vlna něco nad asi 500 kHz, mimo možnosti jakéhokoli stávajícího zesilovače.

Bylo zaznamenáno, že když regenerační přijímač přejde do oscilace, ostatní blízké přijímače začnou snímat i další stanice. Armstrong (a další) nakonec usoudil, že to bylo způsobeno „nadzvukovým heterodynem“ mezi nosnou frekvencí stanice a oscilační frekvencí regeneračního přijímače. Když první přijímač začal oscilovat na vysokých výstupech, jeho signál by proudil zpět ven přes anténu, aby byl přijímán na jakémkoli blízkém přijímači. Na tomto přijímači se oba signály mísily stejně jako v původním heterodynovém konceptu a vytvářely výstup, který je frekvenčním rozdílem mezi těmito dvěma signály.

Zvažte například osamělý přijímač, který byl naladěn na stanici s frekvencí 300 kHz. Pokud je poblíž nastaven druhý přijímač a nastaven na 400 kHz s vysokým ziskem, začne vydávat signál 400 kHz, který bude přijímán v prvním přijímači. V tomto přijímači se dva signály smíchají a vytvoří čtyři výstupy, jeden na původních 300 kHz, druhý na přijímaných 400 kHz a dva další, rozdíl na 100 kHz a součet na 700 kHz. Je to stejný efekt, jaký navrhoval Fessenden, ale v jeho systému byly tyto dvě frekvence záměrně zvoleny, aby byla slyšitelná frekvence úderů. V tomto případě jsou všechny frekvence daleko za slyšitelným rozsahem, a tedy „nadzvukové“, což dalo vzniknout názvu superheterodyn.

Armstrong si uvědomil, že tento efekt je potenciálním řešením problému se zesílením „krátkých vln“, protože „rozdílový“ výstup si stále zachoval původní modulaci, ale na nižší nosné frekvenci. Ve výše uvedeném příkladu je možné zesílit 100 kHz beat signál a získat z něj původní informace, přijímač nemusí naladit vyšší 300 kHz původní nosnou. Volbou vhodné sady frekvencí lze i velmi vysokofrekvenční signály „redukovat“ na frekvenci, kterou by mohly stávající systémy zesílit.

Například pro příjem signálu na 1500 kHz, což je daleko za rozsahem tehdejšího efektivního zesílení, je možné nastavit oscilátor například na 1560 kHz. Armstrong to označoval jako „ místní oscilátor “ nebo LO. Vzhledem k tomu, že jeho signál byl přiváděn do druhého přijímače ve stejném zařízení, nemusel být silný, generující pouze tolik signálu, aby byl svou silou zhruba podobný síle přijímané stanice. Když se signál z LO smíchá se signálem stanice, jedním z výstupů bude heterodynová rozdílová frekvence, v tomto případě 60 kHz. Tento výsledný rozdíl nazval „ mezifrekvence “ často zkráceně „IF“.

V prosinci 1919 major EH Armstrong zveřejnil nepřímou metodu získávání krátkovlnného zesílení, nazývanou superheterodyn. Cílem je snížit příchozí frekvenci, což může být například 1 500 000 cyklů (200 metrů), na nějakou vhodnou super slyšitelnou frekvenci, která může být efektivně zesílena, poté procházet tímto proudem mezifrekvenčním zesilovačem a nakonec usměrňovat a přenášet na jednom nebo dvou stupních zesílení zvukové frekvence.

„Trik“ superheterodynu je, že změnou frekvence LO můžete naladit různé stanice. Například pro příjem signálu na 1300 kHz lze naladit LO na 1360 kHz, což má za následek stejné 60 kHz IF. To znamená, že sekci zesilovače lze naladit tak, aby fungovala na jedné frekvenci, tedy v provedení IF, což je mnohem efektivnější.

Rozvoj

První komerční superheterodynový přijímač, RCA Radiola AR-812, byl vydán 4. března 1924 za cenu 286 $ (ekvivalent 4 320 $ v roce 2020). Používá 6 triod: směšovač, lokální oscilátor, dva stupně IF a dva stupně zesilovače zvuku s IF 45 kHz. Byl to komerční úspěch s lepším výkonem než konkurenční přijímače.

Armstrong uplatnil své myšlenky v praxi a tato technika byla brzy přijata armádou. To bylo méně populární, když komerční rozhlasové vysílání začalo ve dvacátých létech, většinou kvůli potřebě další trubice (pro oscilátor), obecně vyšším nákladům na přijímač a úrovni dovednosti potřebné k jeho ovládání. U raných tuzemských rádií byly oblíbenější laděné vysokofrekvenční přijímače (TRF), protože byly levnější, pro netechnického majitele jednodušší na používání a provoz méně nákladný. Armstrong nakonec prodal svůj superheterodynový patent společnosti Westinghouse , která jej poté prodala společnosti Radio Corporation of America (RCA) , která do roku 1930 monopolizovala trh se superheterodynovými přijímači.

Protože původní motivací pro superhet byla obtížnost použití triodového zesilovače na vysokých frekvencích, byla výhoda v použití nižší střední frekvence. Během této éry používalo mnoho přijímačů frekvenci IF pouze 30 kHz. Tyto nízké frekvence IF, často využívající IF transformátory založené na vlastní rezonanci transformátorů se železným jádrem , měly špatné odmítnutí frekvence obrazu , ale překonaly potíže s používáním triód na rádiových frekvencích způsobem, který příznivě konkuroval méně robustnímu neutrodynovému přijímači TRF . Vyšší frekvence IF (455 kHz byl běžným standardem) se začaly používat v pozdějších letech, po vynálezu tetrody a pentody jako zesilovacích elektronek, do značné míry vyřeší problém odmítnutí obrazu. Ještě později však byly ve druhém (nebo třetím) IF stadiu komunikačních přijímačů s dvojitou nebo trojitou konverzí znovu použity nízké IF frekvence (typicky 60 kHz), aby se snáze dosáhlo selektivity dosažené na nižších frekvencích IF s obrazovým odmítnutí bylo provedeno v dřívějších fázích IF, které měly vyšší frekvenci IF.

Ve dvacátých letech minulého století vypadaly komerční filtry IF na těchto nízkých frekvencích velmi podobně jako mezistupňové spojovací transformátory audia z 20. let 20. století, měly podobnou konstrukci a byly zapojeny téměř identickým způsobem, proto byly označovány jako „IF transformátory“. V polovině 30. let používaly superheterodyny využívající mnohem vyšších mezifrekvencí (typicky kolem 440–470 kHz) vyladěné transformátory podobnější jiným RF aplikacím. Název „IF transformátor“ však zůstal zachován, nyní však znamená „střední frekvenci“. Moderní přijímače obvykle používají směs keramických rezonátorů nebo rezonátorů povrchových akustických vln a tradičních IF transformátorů s laděným induktorem.

Vysílačový superheterodynový AM přijímač „ All American Five “ ze 40. let byl na výrobu levný, protože vyžadoval pouze pět elektronek.

Do třicátých let minulého století vylepšení technologie elektronek rychle narušilo nákladové výhody přijímače TRF a exploze v počtu vysílacích stanic vyvolala poptávku po levnějších a výkonnějších přijímačích.

Zavedení další mřížky ve vakuové trubici, ale před modernější tetrodou s mřížkou obrazovky, zahrnovalo tetrodu se dvěma řídicími mřížkami ; tato trubice kombinovala funkce směšovače a oscilátoru, poprvé použité v takzvaném autodynovém mixéru. To bylo rychle následováno zavedením trubek speciálně navržených pro superheterodynový provoz, nejvíce pozoruhodně pentagridového převaděče . Snížením počtu trubic (přičemž každý stupeň trubice je hlavním faktorem ovlivňujícím náklady v této době), to dále snížilo výhodu návrhů TRF a regeneračních přijímačů.

V polovině třicátých let byla komerční výroba přijímačů TRF z velké části nahrazena superheterodynovými přijímači. Ve čtyřicátých letech minulého století byl superheterodynový AM přijímač vysavače s vakuovou elektronkou přepracován do levně vyrobitelného designu s názvem „ All American Five “, protože používal pět elektronek: obvykle převodník (mixér/místní oscilátor), zesilovač IF, detektor/audio zesilovač, audio výkonový zesilovač a usměrňovač. Od té doby byl superheterodynový design používán téměř pro všechny komerční rozhlasové a televizní přijímače.

Patentové bitvy

Francouzský inženýr Lucien Lévy podal v srpnu 1917 patentovou přihlášku na princip superheterodynu na brevet č. 493660. Armstrong také podal svůj patent v roce 1917. Levy podal své původní sdělení asi sedm měsíců před Armstrongovým. Německý vynálezce Walter H. Schottky také podal patent v roce 1918.

USA nejprve uznaly Armstronga jako vynálezce a jeho americký patent 1 342 885 byl vydán 8. června 1920. Po různých změnách a soudních jednáních byl Lévy udělen americký patent č. 1 734 938, který zahrnoval sedm z devíti nároků v Armstrongově přihlášce, zatímco zbývající dva nároky byly poskytnuty společnosti Alexanderson ze společnosti GE a Kendall ze společnosti AT&T.

Princip činnosti

Blokové schéma typického superheterodynového přijímače. Červené části jsou ty, které zpracovávají příchozí vysokofrekvenční (RF) signál; zelené jsou části, které pracují na střední frekvenci (IF), zatímco modré části pracují na modulační (zvukové) frekvenci. Tečkovaná čára označuje, že místní oscilátor a RF filtr musí být laděny v tandemu.
Jak funguje superheterodynové rádio. Horizontální osy jsou frekvence f . Modré grafy ukazují napětí rádiových signálů v různých bodech obvodu. Červené grafy ukazují přenosové funkce filtrů v obvodu; tloušťka červených pásem ukazuje zlomek signálu z předchozího grafu, který prochází filtrem při každé frekvenci. Příchozí rádiový signál z antény (horní graf) se skládá z požadovaného rádiového signálu S1 a dalších na různých frekvencích. RF filtr (2. graf) odstraní jakýkoli signál, jako je S2, na frekvenci obrazu LO  -  IF , který by jinak prošel filtrem IF a interferoval. Zbývající složený signál je aplikován na směšovač spolu se signálem místního oscilátoru ( LO ) (3. graf) . V mixéru se signál S1 kombinuje s frekvencí LO a vytváří heterodyn na rozdílu mezi těmito frekvencemi, mezifrekvencí (IF), na výstupu mixéru (4. graf) . Toto prochází IF pásmovým filtrem (5. graf) je zesílen a demodulován (demodulace není zobrazena). Nežádoucí signály vytvářejí heterodyny na jiných frekvencích (4. graf) , které jsou odfiltrovány filtrem IF.

Schéma vpravo ukazuje blokové schéma typického superheterodynového přijímače s jednou konverzí. Diagram má bloky, které jsou společné pro superheterodynové přijímače, přičemž pouze RF zesilovač je volitelný.

Anténa sbírá rádiový signál. Vyladěný RF stupeň s volitelným RF zesilovačem poskytuje určitou počáteční selektivitu; je nutné potlačit frekvenci obrazu (viz níže) a může také sloužit k zabránění silných signálů mimo pásmo saturovat počáteční zesilovač. Místní oscilátor obsahuje směšovací frekvence; obvykle je to oscilátor s proměnnou frekvencí, který se používá k naladění přijímače na různé stanice. Frekvence mixer dělá skutečné směšováním , jež dodává superheterodynový jeho jméno; mění příchozí vysokofrekvenční signál na vyšší nebo nižší, pevnou, střední frekvenci (IF). IF pásmový filtr a zesilovač dodávají většinu zisku a úzkopásmové filtrování pro rádio. Demodulátor výtažky audio nebo jiné modulace z IF rádiové frekvence. Extrahovaný signál je pak zesilován audio zesilovačem.

Popis obvodu

Pro příjem rádiového signálu je nutná vhodná anténa . Výstup antény může být velmi malý, často jen několik mikrovoltů . Signál z antény je naladěn a může být zesílen v takzvaném vysokofrekvenčním (RF) zesilovači, ačkoli tato fáze je často vynechána. Jeden nebo více laděných obvodů v této fázi blokuje frekvence, které jsou daleko od zamýšlené přijímací frekvence. Pro naladění přijímače na konkrétní stanici je frekvence místního oscilátoru ovládána ladicím knoflíkem (například). Ladění místního oscilátoru a RF stupně může využívat variabilní kondenzátor nebo varikapovou diodu . Ladění jednoho (nebo více) laděných obvodů v RF stupni musí sledovat ladění místního oscilátoru.

Místní oscilátor a mixér

Signál je poté přiveden do obvodu, kde je smíchán se sinusovou vlnou z oscilátoru s proměnnou frekvencí známého jako místní oscilátor (LO). Směšovač používá nelineární komponentu k produkci součtových i rozdílových signálů kmitočtových frekvencí , přičemž každý obsahuje modulaci obsaženou v požadovaném signálu. Výstup směšovače může zahrnovat původní RF signál na f RF , signál místního oscilátoru na f LO a dvě nové heterodynové frekvence f RF  +  f LO a f RF  -  f LO . Směšovač může nechtěně produkovat další frekvence, jako jsou intermodulační produkty třetího a vyššího řádu. V ideálním případě IF pásmový filtr IF odstraní všechny kromě požadovaného signálu IF na f IF . Signál IF obsahuje původní modulaci (vysílanou informaci), kterou přijímaný rádiový signál měl při f RF .

Frekvence místního oscilátoru f LO je nastavena tak, aby se požadovaná příjemová rádiová frekvence f RF míchala do f IF . Pro místní frekvenci oscilátoru existují dvě možnosti, protože produkty dominantního směšovače jsou na f RF  ±  f LO . Pokud je frekvence místního oscilátoru menší než požadovaná frekvence příjmu, nazývá se to injekce dolní strany ( f IF = f RF - f LO ); pokud je lokální oscilátor vyšší, pak se tomu říká high-side injection ( f IF = f LO - f RF ).

Mixér bude zpracovávat nejen požadovaný vstupní signál na f RF , ale také všechny signály přítomné na jeho vstupech. Bude existovat mnoho míchacích produktů (heterodynů). Většinu ostatních signálů produkovaných směšovačem (například kvůli stanicím na blízkých frekvencích) lze odfiltrovat v IF laděném zesilovači ; což dává superheterodynovému přijímači vynikající výkon. Pokud je však f LO nastaveno na f RF  +  f IF , pak příchozí rádiový signál na f LO  +  f IF bude také produkovat heterodyn na f IF ; frekvence f LO  +  f IF se nazývá frekvence obrazu a musí být odmítnuta laděnými obvody v RF stupni. Frekvence obrazu je o 2  f IF vyšší (nebo nižší) než požadovaná frekvence f RF , takže použití vyšší frekvence IF f IF zvyšuje odmítnutí obrazu přijímače bez nutnosti další selektivity v RF stupni.

Aby se potlačil nežádoucí obraz, může být nutné, aby se ladění RF stupně a LO navzájem „sledovalo“. V některých případech může mít úzkopásmový přijímač pevně naladěný RF zesilovač. V takovém případě se změní pouze místní frekvence oscilátoru. Ve většině případů je vstupní pásmo přijímače širší než střední frekvence IF. Například typický přijímač pásma vysílání v pásmu AM pokrývá 510 kHz až 1655 kHz (vstupní pásmo zhruba 1160 kHz) s frekvencí IF 455 kHz; přijímač pásma FM vysílání pokrývá pásmo 88 MHz až 108 MHz s frekvencí IF 10,7 MHz. V takové situaci musí být RF zesilovač naladěn, aby zesilovač IF neviděl dvě stanice současně. Pokud by přijímač LO v pásmu vysílání AM byl nastaven na 1200 kHz, viděl by stanice na 745 kHz (1200 - 455 kHz) a 1655 kHz. V důsledku toho musí být stupeň RF navržen tak, aby všechny stanice, které jsou dvakrát daleko od frekvence IF, byly výrazně zeslabeny. Sledování lze provádět pomocí vícedílného variabilního kondenzátoru nebo některých varaktorů poháněných společným řídicím napětím. RF zesilovač může mít laděné obvody na svém vstupu i na výstupu, takže lze sledovat tři nebo více naladěných obvodů. V praxi musí frekvence RF a LO sledovat přesně, ale ne dokonale.

V dobách elektronky elektronek (ventilů) bylo běžné, že superheterodynové přijímače kombinovaly funkce místního oscilátoru a směšovače v jediné trubici, což vedlo k úsporám energie, velikosti a zejména nákladů. Jedna trubice pentagridového měniče by oscilovala a také poskytovala zesílení signálu a míchání frekvencí.

IF zesilovač

Stupně mezifrekvenčního zesilovače („IF zesilovač“ nebo „IF pásmo“) jsou naladěny na pevnou frekvenci, která se nemění se změnou přijímací frekvence. Pevná frekvence zjednodušuje optimalizaci IF zesilovače. IF zesilovač je selektivní kolem své střední frekvence f IF . Pevná střední frekvence umožňuje pečlivě naladit stupně zesilovače IF pro nejlepší výkon (toto ladění se nazývá „zarovnání“ zesilovače IF). Pokud by se střední frekvence měnila s přijímací frekvencí, pak by stupně IF musely sledovat jejich ladění. To není případ superheterodynu.

Za normálních okolností, IF střední frekvenci f IF je zvolena menší, než je rozsah požadovaných přijímacích frekvencí f RF . Je to proto, že je snazší a levnější získat vysokou selektivitu na nižší frekvenci pomocí laděných obvodů. Šířka pásma laděného obvodu s určitým Q je úměrná samotné frekvenci (a co víc, vyšší Q je dosažitelné při nižších frekvencích), takže k dosažení stejné selektivity je zapotřebí méně fází IF filtru. Rovněž je snazší a levnější dosáhnout vysokého zisku při nižších frekvencích.

V mnoha moderních přijímačích navržených pro příjem v širokém frekvenčním rozsahu (např. Skenery a spektrální analyzátory) je však v konfiguraci dvojité konverze použita první frekvence IF vyšší než frekvence příjmu . Například přijímač Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF pokrývá 10 kHz až 30 MHz. Má pásmový spínaný RF filtr a mixuje vstup na první IF 81,4 MHz a druhý IF frekvenci 1,4 MHz. První frekvence LO je 81,4 až 111,4 MHz, což je rozumný rozsah pro oscilátor. Ale pokud by měl být původní RF rozsah přijímače převeden přímo na mezifrekvenci 1,4 MHz, frekvence LO by musela pokrýt 1,4-31,4 MHz, což nelze dosáhnout pomocí laděných obvodů (variabilní kondenzátor s pevným induktorem by potřeboval rozsah kapacity 500: 1). Odmítnutí obrazu není nikdy problém s tak vysokou frekvencí IF. První stupeň IF používá krystalový filtr s šířkou pásma 12 kHz. Existuje druhá frekvenční konverze (což je přijímač s trojitou konverzí), který kombinuje první IF 81,4 MHz s 80 MHz a vytváří druhý IF 1,4 MHz. Odmítnutí obrazu pro druhý IF není problém, protože první IF má šířku pásma mnohem menší než 2,8 MHz.

Aby se zabránilo rušení přijímačů, licenční úřady se vyhnou přiřazování běžných frekvencí IF vysílacím stanicím. Používají se standardní mezifrekvence 455 kHz pro středovlnné rádio AM, 10,7 MHz pro vysílací FM přijímače, 38,9 MHz (Evropa) nebo 45 MHz (USA) pro televizi a 70 MHz pro satelitní a pozemní mikrovlnná zařízení. Aby se vyhnuli nákladům na nástroje spojené s těmito součástmi, většina výrobců pak měla tendenci navrhovat své přijímače kolem pevného rozsahu nabízených frekvencí, což mělo za následek celosvětovou de facto standardizaci mezifrekvencí.

V raných superhetech byla fáze IF často regenerační fází poskytující citlivost a selektivitu s menším počtem složek. Takové superhety se nazývaly superzisky nebo regenerodyny. Toto se také nazývá multiplikátor Q , zahrnující malou úpravu stávajícího přijímače, zejména za účelem zvýšení selektivity.

IF pásmový filtr

Stupeň IF obsahuje filtr a/nebo více naladěných obvodů pro dosažení požadované selektivity . Toto filtrování musí mít pásmový průchod stejný nebo menší než frekvenční mezery mezi sousedními vysílacími kanály. V ideálním případě by měl filtr vysoký útlum na sousední kanály, ale udržoval by plochou odezvu napříč požadovaným spektrem signálu, aby byla zachována kvalita přijímaného signálu. Toho lze dosáhnout použitím jednoho nebo více duálně laděných IF transformátorů, křemenného krystalového filtru nebo vícepólového keramického krystalového filtru .

V případě televizních přijímačů nebyla žádná jiná technika schopna vytvořit přesnou charakteristiku pásmové propusti potřebnou pro zakrnělý příjem postranního pásma , jako je ten, který byl použit v systému NTSC poprvé schváleném USA v roce 1941. V 80. letech 20. století byl vícekomponentní kondenzátor-induktor filtry byly nahrazeny přesných elektromechanický s povrchovou akustickou vlnou (SAW) filtry . Filtry SAW, vyrobené precizním laserovým frézováním, jsou levnější na výrobu, lze je vyrobit v extrémně blízkých tolerancích a jsou velmi stabilní v provozu.

Demodulátor

Přijatý signál je nyní zpracován demodulátorovým stupněm, kde je obnoven zvukový signál (nebo jiný signál základního pásma ) a poté dále zesílen. AM demodulace vyžaduje jednoduchou rektifikaci RF signálu (takzvaná detekce obálky ) a jednoduchý RC dolní propust pro odstranění zbytků mezifrekvence. Signály FM lze detekovat pomocí diskriminátoru, poměrového detektoru nebo smyčky fázového závěsu . Signály s kontinuální vlnou a jedním postranním pásmem vyžadují detektor produktu využívající takzvaný oscilátor rytmu frekvence a pro různé typy modulace se používají i jiné techniky . Výsledný zvukový signál (například) je pak zesílen a pohání reproduktor.

Když bylo použito takzvané high-side injekce , kde je místní oscilátor na vyšší frekvenci než přijímaný signál (jak je běžné), pak bude frekvenční spektrum původního signálu obráceno. To musí brát v úvahu demodulátor (a při IF filtrování) v případě určitých typů modulace, jako je například jedno postranní pásmo .

Vícenásobná konverze

Blokový diagram superheterodynového přijímače s dvojitou konverzí

K překonání překážek, jako je odezva obrazu , některé přijímače používají několik po sobě jdoucích fází frekvenční konverze a více IF různých hodnot. Přijímač se dvěma frekvenčními převody a IF se nazývá superheterodyn s duální konverzí a jeden se třemi IF se nazývá superheterodyn s trojitou konverzí .

Hlavním důvodem, proč se to děje, je to, že s jediným IF existuje kompromis mezi nízkou odezvou obrazu a selektivitou. Oddělení mezi přijímanou frekvencí a frekvencí obrazu se rovná dvojnásobku frekvence IF, takže čím vyšší je IF, tím snazší je navrhnout RF filtr pro odstranění frekvence obrazu ze vstupu a dosažení nízké odezvy obrazu . Čím vyšší je však IF, tím obtížnější je dosáhnout vysoké selektivity v IF filtru. Na krátkovlnných frekvencích a výše ovlivňuje výkon obtížnost získání dostatečné selektivity při ladění s vysokými IF potřebnými pro nízkou odezvu obrazu. K vyřešení tohoto problému lze použít dvě IF frekvence, nejprve převádějící vstupní frekvenci na vysokou IF pro dosažení nízké obrazové odezvy a poté převádějící tuto frekvenci na nízkou IF pro dosažení dobré selektivity ve druhém IF filtru. Pro zlepšení ladění lze použít třetí IF.

Například pro přijímač, který může ladit od 500 kHz do 30 MHz, lze použít tři frekvenční měniče. S 455 kHz IF je snadné získat adekvátní přední selektivitu se signály pásma vysílání (pod 1600 kHz). Pokud je například přijímaná stanice na 600 kHz, místní oscilátor lze nastavit na 1055 kHz, což poskytuje obraz na (-600+1055 =) 455 kHz. Stanice na 1510 kHz by ale také mohla potenciálně vytvářet obraz na (1510-1055 =) 455 kHz a způsobit tak rušení obrazu. Protože jsou však 600 kHz a 1510 kHz tak daleko od sebe, je snadné navrhnout ladění předního konce tak, aby odmítlo frekvenci 1510 kHz.

Na frekvenci 30 MHz je však vše jinak. Oscilátor by byl nastaven na 30,455 MHz, aby produkoval 455 kHz IF, ale stanice na 30,910 by také produkovala 455 kHz beat, takže by byly slyšet obě stanice současně. Je však prakticky nemožné navrhnout RF laděný obvod, který dokáže adekvátně rozlišovat mezi 30 MHz a 30,91 MHz, takže jedním přístupem je „hromadné downconvertování“ celých částí krátkovlnných pásem na nižší frekvenci, kde je adekvátní ladění front-end snazší uspořádat.

Například rozsahy 29 MHz až 30 MHz; 28 MHz až 29 MHz atd. Lze převést na 2 MHz až 3 MHz, kde je lze pohodlněji naladit. To se často provádí tak, že se každý „blok“ nejprve převede na vyšší frekvenci (obvykle 40 MHz) a poté se pomocí druhého směšovače převede na rozsah 2 MHz až 3 MHz. 2 MHz až 3 MHz „IF“ je v podstatě další samostatný superheterodynový přijímač, s největší pravděpodobností se standardním IF 455 kHz.

Moderní design

Mikroprocesorová technologie umožňuje nahradit design superheterodynového přijímače softwarově definovanou rádiovou architekturou, kde je v softwaru implementováno zpracování IF po počátečním IF filtru. Tato technika se již používá v určitých provedeních, jako jsou velmi levné FM rádia zabudovaná do mobilních telefonů, protože systém již má potřebný mikroprocesor .

Rádiové vysílače mohou také používat směšovací stupeň k produkci výstupní frekvence, pracující víceméně jako zadní strana superheterodynového přijímače.

Výhody a nevýhody

Superheterodynové přijímače v podstatě nahradily všechny předchozí konstrukce přijímačů. Vývoj moderní polovodičové elektroniky popřel výhody konstrukcí (jako je regenerační přijímač ), které používaly méně elektronek. Superheterodynový přijímač nabízí vynikající citlivost, frekvenční stabilitu a selektivitu. Ve srovnání s designem laděného radiofrekvenčního přijímače (TRF) nabízejí superhety lepší stabilitu, protože laditelný oscilátor je snáze realizovatelný než laditelný zesilovač. IF filtry pracující na nižší frekvenci mohou poskytnout užší propustná pásma se stejným faktorem Q než ekvivalentní RF filtr. Fixní IF také umožňuje použití krystalového filtru nebo podobných technologií, které nelze naladit. Regenerační a super regenerační přijímače nabízely vysokou citlivost, ale často trpěly problémy se stabilitou, což ztěžovalo jejich provoz.

Přestože jsou výhody designu superhet ohromující, v praxi je třeba vyřešit několik nevýhod.

Frekvence obrazu ( f OBRÁZEK )

Grafy ilustrující problém odezvy obrazu v superheterodyně. Horizontální osy jsou frekvence a svislé osy jsou napětí. Bez adekvátního RF filtru je jakýkoli signál S2 (zelený) na frekvenci obrazu také heterodynován na frekvenci IF spolu s požadovaným rádiovým signálem S1 (modrý) na , takže oba procházejí filtrem IF (červený) . S2 tedy interferuje s S1.

Jednou velkou nevýhodou superheterodynového přijímače je problém frekvence obrazu . U heterodynových přijímačů je obrazová frekvence nežádoucí vstupní frekvencí rovnající se frekvenci stanice plus (nebo mínus) dvojnásobku střední frekvence. Výsledkem frekvence obrazu jsou dvě stanice přijímané současně, což způsobuje rušení. Proti příjmu na frekvenci obrazu lze bojovat laděním (filtrováním) na anténě a vysokofrekvenčním stupni superheterodynového přijímače.

Například vysílací stanice AM na 580 kHz je naladěna na přijímači s 455 kHz IF. Místní oscilátor je naladěn na 580 + 455 = 1035 kHz. Ale signál při 580 + 455 + 455 = 1490 kHz je také 455 kHz daleko od místního oscilátoru; takže požadovaný signál i obraz se po smíchání s místním oscilátorem objeví na mezifrekvenci. Tato frekvence obrazu je v pásmu vysílání AM. Praktické přijímače mají fázi ladění před převodníkem, aby se výrazně snížila amplituda signálů frekvence obrazu; vysílacím stanicím ve stejné oblasti jsou navíc přiděleny jejich frekvence, aby se takovým obrazům zabránilo.

Nežádoucí frekvence se nazývá obraz požadované frekvence, protože je to „zrcadlový obraz“ požadované frekvence, která se odráží . Přijímač s nedostatečným filtrováním na svém vstupu zachytí signály na dvou různých frekvencích současně: požadovaná frekvence a frekvence obrazu. Rádiový příjem, který je shodou okolností na frekvenci obrazu, může rušit příjem požadovaného signálu a šum (statický) kolem frekvence obrazu může snížit poměr signálu k šumu (SNR) přijímače až o 3dB.

Počáteční přijímače Autodyne obvykle používaly IF pouze 150 kHz nebo tak. V důsledku toho většina přijímačů Autodyne vyžadovala větší selektivitu front-end, často zahrnující dvojitě laděné cívky, aby se zabránilo rušení obrazu. S pozdějším vývojem elektronek schopných dobře zesílit na vyšších frekvencích se začaly používat vyšší frekvence IF, což zmenšovalo problém rušení obrazu. Typické spotřební rádiové přijímače mají pouze jeden vyladěný obvod ve vysokofrekvenčním stupni.

Citlivost na frekvenci obrazu lze minimalizovat pouze (1) filtrem, který předchází směšovači, nebo (2) složitějším směšovacím obvodem pro potlačení obrazu; toto se používá jen zřídka. Ve většině laditelných přijímačů využívajících jedinou frekvenci IF zahrnuje stupeň RF alespoň jeden laděný obvod v předním konci RF, jehož ladění se provádí v tandemu s místním oscilátorem. V přijímačích s dvojitou (nebo trojitou) konverzí, ve kterých první převod používá pevný lokální oscilátor, to může být spíše pevný pásmový filtr, který pojme frekvenční rozsah mapovaný do prvního frekvenčního rozsahu IF.

Odmítnutí obrazu je důležitým faktorem při výběru střední frekvence přijímače. Čím dále od sebe jsou pásmová frekvence a frekvence obrazu, tím více pásmový filtr zeslabí jakýkoli rušivý obrazový signál. Protože frekvenční oddělení mezi pásmovou propustí a frekvencí obrazu je , vyšší mezifrekvence zlepšuje odmítnutí obrazu. Může být možné použít dostatečně vysoký první IF, aby pevně naladěný RF stupeň mohl odmítnout jakýkoli obrazový signál.

Schopnost přijímače odmítat rušivé signály na frekvenci obrazu se měří poměrem odmítnutí obrazu . Toto je poměr (v decibelech ) výstupu přijímače ze signálu na přijímané frekvenci k jeho výstupu pro signál o stejné síle na frekvenci obrazu.

Místní záření oscilátoru

Další informace: Elektromagnetická kompatibilita

Může být obtížné udržet rozptýlené záření z místního oscilátoru pod úrovní, kterou může detekovat blízký přijímač. Pokud místní oscilátor přijímače dosáhne na anténu, bude fungovat jako vysílač s nízkou spotřebou CW . V důsledku toho může být přijímač sám o sobě rádiovým rušením.

Ve zpravodajských operacích poskytuje záření místního oscilátoru způsob detekce skrytého přijímače a jeho pracovní frekvence. Metodu používala MI5 během operace RAFTER . Stejnou techniku ​​používají i detektory radarových detektorů používané dopravní policií v jurisdikcích, kde jsou radarové detektory nezákonné.

Místní záření oscilátoru je nejvýraznější v přijímačích, ve kterých je anténní signál připojen přímo k směšovači (který sám přijímá signál místního oscilátoru), spíše než z přijímačů, ve kterých je mezi nimi použit stupeň zesilovače RF. Je to tedy spíše problém s levnými přijímači a s přijímači na tak vysokých frekvencích (zejména mikrovlnných), kde je obtížné implementovat vysokofrekvenční zesilovací stupně.

Místní hluk bočního pásma oscilátoru

Místní oscilátory obvykle generují signál s jednou frekvencí, který má zanedbatelnou amplitudovou modulaci, ale nějakou náhodnou fázovou modulaci, která šíří část energie signálu do frekvencí postranního pásma. To způsobí odpovídající rozšíření frekvenční odezvy přijímače, což by porazilo cíl vytvořit velmi úzký přijímač šířky pásma, který by přijímal digitální signály s nízkou rychlostí. Je třeba dbát na minimalizaci fázového šumu oscilátoru, obvykle zajištěním toho, že oscilátor nikdy nepřejde do nelineárního režimu.

Terminologie

První detektor, druhý detektor
Mixážní trubice nebo tranzistor se někdy nazývá první detektor , zatímco demodulátor, který extrahuje modulaci ze signálu IF, se nazývá druhý detektor . V superhetu s dvojitou konverzí existují dva směšovače, takže demodulátor se nazývá třetí detektor .
RF přední konec
Vztahuje se na všechny součásti přijímače až po směšovač včetně; všechny části, které zpracovávají signál na původní příchozí rádiové frekvenci. V blokovém schématu výše jsou komponenty frontendu RF zbarveny červeně.

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

  • Whitaker, Jerry (1996). Příručka elektroniky . Stiskněte CRC. p. 1172. ISBN 0-8493-8345-5.
  • US 706740 , Fessenden, Reginald A. , „Wireless Signaling“, publikováno 28. září 1901, vydáno 12. srpna 1902 
  • US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , „Electric Signaling Apparatus“, publikováno 27. července 1905, vydáno 14. ledna 1913 
  • US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , „Metoda signalizace“, publikováno 21. srpna 1906, vydáno 14. ledna 1913 
  • Witts, Alfred T. (1936). Přijímač Superheterodyne (2. vyd.). Londýn, Velká Británie: Sir Isaac Pitman & Sons.

externí odkazy