Как сделать супергетеродинный приемник
Супергетеродинный радиоприёмник
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприемником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приема части приемного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.
Супергетеродинный приёмник изобрели почти одновременно немец Вальтер Шоттки и американец Эдвин Армстронг в 1918 году, основываясь на идее француза Л. Леви.
[править] Устройство
Упрощённая структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты показана на рисунке. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты — гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами усилителя ВЧ) — обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЕ), реже катушкой переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.
В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.
В обычных вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в бытовых ультракоротковолновых — 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используется промежуточная частота 38 МГц.
В связных и высококлассных вещательных приемниках применяют двойное (редко — тройное) преобразование частоты. О преимуществах такого решения и критериях выбора первой и второй ПЧ сказано ниже.
[править] Преимущества
[править] Недостатки
Наиболее значительным недостатком является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.
Помехи от зеркального канала уменьшают двумя путями. Во-первых, применяют более сложные и эффективные входные полосовые фильтры, состоящие из нескольких колебательных контуров. Это усложняет и удорожает конструкцию, так как входной фильтр нужно еще и перестраивать по частоте. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приема. В этом случае зеркальный канал приема оказывается относительно далеко по частоте от основного, и входной фильтр приемника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое «преобразование вверх»), и при этом ради упрощения приемника вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром низких частот. В высококачественных приемниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причем, если первую ПЧ выбирают высокой по описанным выше соображениям, то вторую делают низкой (сотни, иногда даже десятки килогерц [1] ), что позволяет более эффективно подавлять помехи от близких по частоте станций, то есть повысить избирательность приемника по соседнему каналу. Подобные приёмники, несмотря на достаточно высокую сложность построения и наладки, широко применяются в профессиональной и любительской радиосвязи (см. Р-250 (радиоприёмник), Трансивер UW3DI).
Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный прием станций, работающих на промежуточной частоте. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приемника в целом.
В целом супергетеродин требует гораздо большей тщательности в проектировании и наладке, чем приемник прямого усиления. Приходится применять довольно сложные меры, чтобы обеспечить стабильность частоты гетеродинов, так как от нее сильно зависит качество приема. Сигнал гетеродина не должен просачиваться в антенну, чтобы приемник сам не становился источником помех. Если в приемнике больше одного гетеродина, существует опасность, что биения между какими-то из их гармоник окажутся в полосе звуковых частот и дадут помеху в виде свиста на выходе приемника. С этим явлением борются, рационально выбирая частоты гетеродинов и тщательно экранируя узлы приемника друг от друга.
[править] История
Использовать в приемнике вспомогательный генератор колебаний впервые предложил американец Феденссен в 1901 г. Он же создал термин «гетеродин». В приемнике Феденссена гетеродин работал на частоте, очень близкой к частоте принимаемого сигнала, и возникающие при этом биения звуковой частоты позволяли принимать телеграфный сигнал (принцип, на котором работает приемник прямого преобразования). Гетеродинные приемники быстро усовершенствовались с изобретением в 1913 г. лампового генератора высокой частоты (до этого применялись электромашинные генераторы).
В 1917 г. французский инженер Л. Леви запатентовал принцип супергетеродинного приема. В его приемнике частота сигнала пребразовывалась не непосредственно в звуковую, а в промежуточную, которая выделялась на колебательном контуре и уже после него поступала на детектор. В 1918 г. В. Шоттки дополнил схему Леви усилителем промежуточной частоты. Схема супергетеродина была выгодна в то время еще и тем, что тогдашние лампы не обеспечивали нужного усиления на частотах выше нескольких сот килогерц. Сдвинув спектр сигнала в область более низких частот, можно было повысить чувствительность приемника. Независимо от Шоттки к аналогичной схеме пришел Э. Армстронг (его патент получен в декабре 1918 г, патентная заявка Шоттки сделана в июне). Армстронг впервые построил и испытал супергетеродин на практике. Он же указал на возможность многократного преобразования частоты.
В России и СССР первым серийным супергетеродином был, по одним источникам, приемник танковой радиостанции 71-ТК разработки 1932 г. [4] (завод № 203 в Москве), по другим — радиоприемник «Дозор», разработанный в конце 20-х годов в «Остехбюро» и переданный в серийное производство на завод им. Козицкого в Ленинграде. [5] Первый бытовой супергетеродин выпущен не позже 1931 г. (СГ-6, также завод им. Козицкого), [6] а первым, выпускавшимся в больших количествах, стал СВД 1936 года. Примерно с конца 1950-х гг. бытовые радиовещательные и телевизионные приемники в СССР строились исключительно по супергетеродинной схеме (кроме некоторых сувенирных приемников и радиоконструкторов.)
[править] См. также
[править] Примечания
[править] Литература
[править] Ссылки
 | В другом языковом разделе есть более полная статья Überlagerungsempfänger (нем.) Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода. |
Первые радиопередачи с использованием частотно-модулированного сигнала (1934 год).
Эдвин Говард Армстронг (Edwin Howard Armstrong), 1890–1954
Снимок с пропуска
в лаборатории «Western
Electric Engineering
Department». Перед
Первой Мировой войной
(1914-18).
Эдвин Говард Армстронг, американский изобретатель и инженер-электрик, внес фундаментальный вклад в развитие радио. Изобрел регенеративную схему (обратную связь), супергетеродинный приемник, частотную модуляцию (ЧМ). Армстронг был отцом ЧМ радио, дедушкой радара и прадедушкой космической связи, но никогда не пожинал плодов своего гения.
В юные годы Армстронг был заряжен энергией и полностью погружен в радио. Он любил девушек, но всегда был слишком занят для свиданий. Он забивал голову знаниями в Колумбийском Университете. Он управлял красным мотоциклом. Он любил взбираться на столбы и зависать там на ступнях. Он всегда был готов подвергнуть сомнению (и часто неправильно) высказывания преподавателей.
Армстронг не изобрел радио. Это заслуга принадлежит Попову и Маркони. Но в 1912, в возрасте 22 лет, Армстронг выяснил, как работает электронная лампа де Фореста и использовал ее в необычном виде. Он взял электрический сигнал, полученный с выхода усилительной лампы, и подал его обратно на вход. И так снова и снова, каждый раз увеличивая мощность.
Он назвал это явление «регенерацией». Это был очень важный вклад в развитие радио, потому что, когда обратная связь была увеличена выше критического уровня, то электронная лампа продолжала колебания, которые создавали собственные радиоволны. Это было не только усиление радиосигналов, но и их генерация. Армстронг установил аудион Фореста и в приемник, и в передатчик. Это небольшое с виду новшество позволило избавиться от 20-тонных генераторов.
Армстронг запатентовал свое открытие в 1913 и лицензировал его компании Маркони в 1914.
Затем он направился во Францию, чтобы сражаться на полях Первой Мировой войны. На фронте в Западной Европе капитан Армстронг с удивлением обнаружил, что Американский Экспедиционный корпус очень слабо оснащен радиосредствами. Практически в одиночку он постарался исправить ситуацию. Он лично снабжал радиооборудованием союзнические воздушные силы, зачастую самостоятельно усовершенствуя и испытывая аппаратуру непосредственно перед использованием.
«Эдвин Г. Армстронг объясняет принципы своего последнего изобретения – ‘суперрегенерации’,
на встрече в Радио Клубе Америки, проведенной в Колумбийском Университете, Нью-Йорк».
Находясь в Париже, Армстронг изобрел устройство, названное странным словом «супергетеродинный приемник». Сложный продукт электронного колдовства, которое и сейчас является основным принципом практически всех радиоприемников, телевизоров и радаров.
Он продал права на изобретения главным корпорациям США, включая «RCA». Внезапно на радио буме 20-х он стал миллионером.
В 1920 компания «Westinghouse», благодаря купленному у Армстронга патенту супергетеродинного приемника, запустила первую вещательную радиостанцию «KDKA» в Питсбурге. Другой пионер радио – Ли де Форест – возразил. Он сообщил, что регенерация была его идеей, и подал иск о нарушении патентных прав. Он проиграл дело, но все равно продолжал преследовать Армстронга в судах 14 лет. Форест все время проигрывал, но затем, по недоразумению, выиграл заключительное дело в Верховном суде. К великому сожалению сторонников Армстронга, ученых и инженеров, судья Верховного суда неправильно истолковал обращение и закончил разбирательство в пользу де Фореста.
Армстронг продолжал изобретать. Он начал работы над уменьшением статических помех, экспериментируя с тем, что позже станет известным как частотная модуляция. Эксперт из «Bell Laboratories» Джон Карсон (John Carson) безапелляционно заявил:
Я математически доказал, что этот тип модуляции дает неприемлемые искажения без каких-либо преимуществ. Статические помехи, как и бедность, будут всегда с нами.
Я никогда не мог принять результаты, основанные почти исключительно на математике. Это невежество, которое вызывает все неприятности в этом мире.
Но Карсон оказал Армстронгу неожиданную услугу – он убедил других исследователей отказаться от работ над частотной модуляцией, оставив Армстронгу чистое поле.
Армстронг работал. Он развивал новые теории и опровергал существующие. В своей лаборатории в Колумбии он строил принципиально новые передатчики и радикально новые приемники.
Армстронг с прототипом супергетеродинного
приемника, (Radio Broadcast 7/24)
Первые испытания были завершены 9 июня 1934 года. В Нью-Йорке с мачты «RCA» на крыше «Empire State Building» до дома своего надежного старого друга в Лонг-Айленде передавалась органная музыка методом АМ и ЧМ. Звучание частотно-модулированного органа было громким и чистым. АМ версия была в «сотни тысяч раз более зашумленной». В течение сезона «летней статики» (летние атмосферные помехи, связанные с солнечной активностью) он провел другие испытания, на более дальних расстояниях. Эксперименты показали великолепные результаты. Армстронг доказал что сигнал не пропадал во всей зоне охвата, как это было с AM.
Частотная модуляция не только устраняла статический шум, но и обеспечивала лучший звук – в три раза лучше, чем АМ. Слушатели могли различать даже интонации диктора. Кроме того, ЧМ обеспечивала передачу полного диапазона слышимости человеческого уха, от глубокого рокота барабана до тонких трелей флейты, охватывая диапазон от 50 Гц до 15 000 кГц. Амплитудная модуляция обеспечивала в лучшем случае 5 000 Гц. Армстронг обнаружил высококачественное воспроизведение. Он также определил, что на одной несущей ЧМ можно передавать сразу две радиопрограммы: телеграфное сообщение и факсимиле титульного листа «Нью-Йорк Таймс» – он обнаружил мультиплексирование.
В течение Второй Мировой войны, Армстронг вел важные исследования радара для военного ведомства и бесплатно передал военным свои патенты на частотную модуляцию. Важный подарок американским вооруженным силам, особенно после того как командование поняло, что переговоры германской армии, работающей на АМ, они могли легко глушить, а ЧМ в то время была неподавляема.
Предающее ЧМ оборудование Армстронга, «Empire State Building», 1934.
К концу войны Армстронг разработал ЧМ радар на незатухающих колебаниях, который позволил послать и принять сигнал на расстояние 238 000 миль – до Луны и обратно. Он доказал, что волны, модулированные частотно, в отличие от волн, модулированных амплитудно, могли проникать через ионосферу. Это проложило путь к радиосвязи в космосе и дало астрономам новый измерительный инструмент.
К концу Второй Мировой войны частотная модуляция полностью доказала свои преимущества. С нескрываемым презрением Дэвид Сарнов, директор «RCA», сказал:
Я считал, что Армстронг изобретет некий фильтр, чтобы удалить статический шум из нашего АМ радио. Я не думал, что он произведет революцию и создаст новое направление, конкурирующее с «RCA»… Новый вид радио – подобно новому виду ловушки для мышей. Мир не нуждается в другой мышеловке…
Сарнов тормозил работы Армстронга, поручая инженерам «RCA» дополнительные испытания и лоббируя Федеральную комиссию по связи в выдаче экспериментальной лицензии Армстронгу для проверки частотной модуляции. Он даже осуществил неудавшуюся попытку захватить ЧМ патенты Армстронга. Армстронг достойно отражал атаки по всем фронтам. Он полностью окунулся в свои планы относительно ЧМ, продав часть разработок «RCA» и сооружая собственную ЧМ радиостанцию в «New Jersey Palisades» вблизи Нью-Йорка.
Армстронг начал работу с «Дженерал Электрик». «GE» сделала его открытия своей собственностью.
Сигналы ЧМ не смешивались друг с другом, ЧМ радио просто принимало более сильный сигнал. Это подразумевало, что множество маломощных станций могло работать вблизи друг друга и использовать малую часть электромагнитного спектра.
ЧМ станции начали свое распространение. В 1939 их насчитывалось уже 40. В мае 1940 FCC выделила диапазон 42–50 МГц для ЧМ радио. Через два месяца можно было принимать более 500 ЧМ радиостанций, и они продолжали строиться. Национальный комитет телевизионных стандартов (National Television Standards Committee) решил, что ЧМ должна стать стандартом для звуковой части телевизионного радиовещательного сигнала. Армстронг был счастлив. Он предсказывал: «Через 3–4 года количество слушателей ЧМ будет превышать число слушателей АМ в настоящее время». Он оказался прав. Но Армстронг не получил никакой личной выгоды за свои работы и свою гениальность. Он понял, что «RCA» и другие гиганты связи были одной командой. Они душили развитие частотной модуляции. Армстронг ждал. Он ждал авторских отчислений на изготовление приемников с ЧМ. Он ждал заключения контрактов с журналистами ЧМ. Он ждал авторских отчислений за каждый проданный телевизор.
Сенатор Чарльз Тоби направил в Конгресс запрос:
«RCA» сделала все, чтобы убрать Армстронга с дороги. Они применяли самые изощренные меры, чтобы задавить частотную модуляцию… В то же время они бесплатно снабжали телевизорами уполномоченных FCC…
Портрет и статья об Армстронге
в журнале «American Magazine»,
в рубрике «Interesting People in the
American Scene» («Интересные люди
в американской жизни»), 1940.
Истощенный надеждами, разбитый судебной тяжбой Армстронг пребывал в гневе. Играя в покер с Мэрион, он ударил ее по руке. Мэрион уехала к сестре в Коннектикут. Армстронг разрушил счастливое единение, продлившееся почти 30 лет. Он провел Рождество и Новый год один в своей нью-йоркской квартире. 31 января 1954 он написал последнее письмо Мэрион:
Я убитый горем, потому что я не могу увидеть тебя еще раз.
Я глубоко сожалею том, что случилось между нами.
Я не могу понять, как мог сделать больно самому дорогому мне человеку в мире.
Я отдал бы жизнь, чтобы повернуть время вспять, в то время когда мы были так счастливы и беззаботны.
Да хранит тебя Бог и может Бог пощадит мою душу.
На следующее утро Эдвин Говард Армстронг надел шляпу и пальто, обернул вокруг шеи шарф… и выбросился из окна своей квартиры на 13-ом этаже.
Мистер Сарнов заявил журналистам: «Я не убивал Армстронга».
Адвокаты Армстронга вместе с его вдовой продолжили борьбу с «RCA» пока не выиграли дело. Мэрион получила немногим более миллиона долларов – ту самую сумму, что Сарнов предложил Армстронгу в 1940. Наконец-то Сарнов получил ответ на вопрос: «Вы хотите, чтобы я заплатил вам или вашей вдове?»
С годами человечество оценило заслуги Армстронга в науке и изобретениях. Частотная модуляция теперь основная система в радиовещании, в канале звукового сопровождения телевидения, в подвижной и спутниковой радиосвязи, в радиорелейных станциях. 98% всех радиоприемных устройств работают на принципах изобретенных Армстронгом.
При жизни за открытие цепи обратной связи Армстронг был награжден Золотой медалью Института Радиоинженеров и Медалью Франклина (самая высокая из научных наград США). Посмертно был избран в пантеон Международного Телекоммуникационного союза (ITU) наряду с такими учеными как Ампер, Белл, Фарадей и Маркони.
Супергетеродинный приемник
Для получения желаемой информации принятые радиолокатором высокочастотные (иногда употребляют термин «радиочастотные») эхо-сигналы должны быть преобразованы в видеосигналы. Такое преобразование выполняется в приемнике радиолокатора. Радиолокационный приемник может быть реализован по разным схемам. Наиболее распространенной схемой является схема супергетеродинного приемника. Основные компоненты типовой схемы супергетеродинного приемника приведены на Рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника
Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника
Рисунок 1. Структурная схема супергетеродинного приемника
Особенностью супергетеродинного приемника является то, что в нем сигналы высокой частоты вначале преобразуются в сигналы промежуточной частоты, обработка сигналов на которой более проста. Затем сигналы промежуточной частоты усиливаются и детектируются для получения видеосигналов.
На Рисунке 1 приведена типовая структурная схема супергетеродинного приемника. Сигнал несущей частоты с антенны поступает в приемник и попадает в полосовой фильтр. Параметры фильтра подбираются таким образом, чтобы на его выход проходили бы только спектральные составляющие, соответствующие полосе частот ожидаемых сигналов. Часто после фильтра помещают малошумящий усилитель высокой частоты, предназначенный для усиления слабых эхо-сигналов. По причине низкой мощности высокочастотных эхо-сигналов такой усилитель должен иметь низкий уровень собственных шумов, отчего его и называют малошумящим. Далее сигнал высокой частоты поступает на смеситель, на второй вход которого подается сигнал местного гетеродина. В смесителе возникают биения колебаний этих двух частот и выделяется сигнал промежуточной частоты (ПЧ, англ. Intermedia Frequency, IF ). Данный процесс называют гетеродинированием. Разница между несущей частотой и частотой местного гетеродина поддерживается постоянной путем подстройки частоты последнего. Эта разница и является промежуточной частотой. Сигнал промежуточной частоты поступает на фильтр и с него на усилитель промежуточной частоты. После усиления сигнал подается на детектор. На выходе детектора наблюдается видеосигнал, представляющий собой огибающую исходного высокочастотного сигнала.
Фильтр зеркальной частоты
Малошумящий усилитель, который располагается на входе приемного тракта до цепей (устройств) преобразования частоты, обеспечивает низкий уровень шума и определяет, в основном, чувствительность всего приемника. Однако это не единственная его функция. Кроме этого, он выполняет функцию подавления сигналов на зеркальных частотах. Граничные частоты полосы пропускания этого усилителя подбираются так, чтобы в нее не попадали мешающие сигналы на зеркальных частотах.
Во многих устаревших радиолокаторах в приемниках отсутствуют малошумящие предварительные усилители (на несущей частоте) и принятый эхо-сигнал поступает сразу на смеситель. Недостатком такой схемы является то, что такой приемник, будучи настроен на определенную частоту, будет принимать сигналы, кроме нее еще и на совершенно другой частоте, которую называют зеркальной.
Наличие же фильтра зеркальных частот приводит к тому, что ширина полосы частот приемника не может быть существенно больше, чем его промежуточная частота. Для устранения данного недостатка приемник строят по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Такой приемник имеет два каскада преобразования частоты и, соответственно, две промежуточные частоты.
Смеситель
Смеситель используется для переноса принятого эхо-сигнала с несущей частоты на промежуточную. Для этого на второй вход смесителя подается сигнал местного гетеродина. В смесителе возникают биения колебаний этих двух частот и на его выходе наблюдается сумма двух сигналов: на разностной частоте и на суммарной. Чтобы в этом убедиться, достаточно вспомнить формулу произведения двух тригонометрических функций (например, синусов), имеющих разные частоты. Разностная частота, то есть разница несущей частоты и частоты местного гетеродина, является промежуточной частотой. При этом, сигнал на прмежуточной частоте будет возникать как в случае, когда несущая частота выше частоты местного гетеродина, так и в противоположном случае, то есть: f IF = | f local oscillator – f RF | Этим объясняется эффект возникновения зеркального канала приема — канала приема на «зеркальной» частоте.
После преобразования частоты и выделения промежуточной частоты сигнал подается на усилитель промежуточной частоты, затем на детектор и далее на видеоусилитель.
Фильтр промежуточной частоты (ПЧ)
Этот фильтр настраивается на требуемое значение промежуточной частоты и, таким образом, отфильтровывает сигнал на этой частоте от сигналов на других частотах, возникающих в смесителе. Он выполняется в виде одного или нескольких полосовых фильтров.
Обычно полосу пропускания фильтра ПЧ делают как можно более узкой, но такой, чтобы она не влияла на фактическую энергию сигнала. Это значит, что полоса пропускания фильтра должна охватывать почти всю полосу частот спектра ожидаемого сигнала. При использовании в радиолокаторе зондирующих сигналов разной длительности (например, короткого и длинного) полоса пропускания фильтра ПЧ должна соответствовать спектрам обоих сигналов.
Усилитель ПЧ
Основное усиление сигнала в приемнике выполняется в усилителе промежуточной частоты. Он же определяет полосу пропускания приемника. Усилитель ПЧ может содержать несколько каскадов усиления, а также может иметь изменяемый коэффициент усиления. Благодаря последнему обеспечивается одинаковый уровень сигналов на выходе усилителя при разных уровнях сигналов на его входе. Тем самым обеспечивается требуемый динамический диапазон приемника.
Детектор
Рисунок 2. Вид радиоимпульса на экране осциллографа