В радиосвязи радиоприемник , также известный как приемник , беспроводной или просто радио , представляет собой электронное устройство, которое принимает радиоволны и преобразует передаваемую ими информацию в пригодную для использования форму. Он используется с антенной . Антенна перехватывает радиоволны ( электромагнитные волны радиочастоты ) и преобразует их в крошечные переменные токи , которые подаются на приемник, а приемник извлекает нужную информацию. Приемник использует электронные фильтры для отделения нужного 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 важнейшими компонентами всех систем, использующих радио . Информация, выдаваемая приемником, может быть в форме звука, видео ( телевидение ) или цифровых данных . [1] Радиоприемник может быть отдельным элементом электронного оборудования или электронной схемой в другом устройстве. Наиболее знакомым типом радиоприемника для большинства людей является вещательный радиоприемник, который воспроизводит звук, передаваемый радиовещательными станциями, исторически первое массовое применение радио. Трансляционный приемник обычно называют «радио». Однако радиоприемники очень широко используются в других областях современных технологий, в телевизорах , сотовых телефонах , беспроводных модемах , радиочасах и других компонентах связи, дистанционного управления и беспроводных сетевых систем.
Наиболее знакомая форма радиоприемника — это вещательный приемник, часто называемый просто радио , который принимает аудиопрограммы , предназначенные для общественного приема, передаваемые местными радиостанциями . Звук воспроизводится либо громкоговорителем в радио, либо наушниками , которые подключаются к разъему на радио. Радиоприемнику требуется электропитание , которое обеспечивается либо батареями внутри радиоприемника, либо шнуром питания, который подключается к электрической розетке . Все радиоприемники имеют регулятор громкости для регулировки громкости звука и некоторый тип управления «настройкой» для выбора принимаемой радиостанции.
Модуляция — это процесс добавления информации к несущей радиоволне .
В системах аналогового радиовещания используются два типа модуляции: АМ и ЧМ.
При амплитудной модуляции (АМ) сила радиосигнала изменяется с помощью аудиосигнала. АМ-вещание разрешено в диапазонах АМ-вещания , которые находятся между 148 и 283 кГц в длинноволновом диапазоне и между 526 и 1706 кГц в диапазоне средних частот (СЧ) радиоспектра . АМ-вещание также разрешено в диапазонах коротких волн , примерно между 2,3 и 26 МГц, которые используются для международного вещания на большие расстояния.
При частотной модуляции (FM) частота радиосигнала слегка изменяется аудиосигналом. FM-вещание разрешено в диапазонах FM-вещания между 65 и 108 МГц в диапазоне очень высоких частот (VHF). Точные диапазоны частот несколько различаются в разных странах.
Стерео FM- радиостанции вещают в стереофоническом звуке (стерео), передавая два звуковых канала, представляющих левый и правый микрофоны . Стереоприемник содержит дополнительные схемы и параллельные пути сигнала для воспроизведения двух отдельных каналов. Монофонический приемник , напротив, принимает только один аудиоканал, который является комбинацией (суммой) левого и правого каналов. [2] [3] [4] Хотя существуют стереопередатчики и приемники AM , они не достигли популярности стерео FM.
Большинство современных радиоприемников способны принимать радиостанции как AM, так и FM-диапазонов и имеют переключатель для выбора диапазона приема; такие радиоприемники называются AM/FM-радио .
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. Ее преимущества заключаются в том, что DAB 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 пропускания радиоспектра и предоставляет расширенные пользовательские функции, такие как электронная программа передач , спортивные комментарии и слайд-шоу изображений. Ее недостаток заключается в том, что она несовместима 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 проживает 420 миллионов человек. Соединенные Штаты 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 содержит от 9 до 12 каналов, из которых слушатель может выбирать. Вещатели могут передавать канал с различными скоростями 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).
Мощность сигнала радиоволн уменьшается по мере удаления от передатчика, поэтому радиостанция может быть принята только в пределах ограниченного диапазона ее передатчика. Диапазон зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, атмосферных и внутренних шумов , а также любых географических препятствий, таких как холмы между передатчиком и приемником. Радиоволны вещательного диапазона AM распространяются как земные волны , которые следуют контуру Земли, поэтому радиостанции AM могут надежно приниматься на расстоянии сотен миль. Из-за своей более высокой частоты радиосигналы диапазона FM не могут распространяться далеко за пределы визуального горизонта; ограничивая расстояние приема примерно 40 милями (64 км), и могут быть заблокированы холмами между передатчиком и приемником. Однако радио FM менее восприимчиво к помехам от радиошумов ( RFI , сферики , статика) и имеет более высокую точность ; лучшую частотную характеристику и меньше искажений звука , чем AM. Поэтому в странах, где все еще вещают радио AM, серьезная музыка, как правило, транслируется только станциями FM, а станции AM специализируются на новостях по радио , разговорном радио и спортивном радио . Как и FM, сигналы DAB распространяются по линии прямой видимости , поэтому дальность приема ограничена видимым горизонтом примерно до 30–40 миль (48–64 км).
Радиоприемники производятся в различных стилях и с различными функциями:
Радиоприемники являются важнейшими компонентами всех систем, использующих радио . Помимо описанных выше вещательных приемников, радиоприемники используются в огромном количестве электронных систем в современных технологиях. Они могут быть отдельным элементом оборудования ( радио ) или подсистемой, встроенной в другие электронные устройства. Приемопередатчик — это передатчик и приемник, объединенные в одном блоке. Ниже приведен список нескольких наиболее распространенных типов, организованных по функциям.
Радиоприемник подключен к антенне , которая преобразует часть энергии входящей радиоволны в крошечное напряжение переменного тока радиочастоты , которое подается на вход приемника. Антенна обычно состоит из набора металлических проводников. Колеблющиеся электрические и магнитные поля радиоволны толкают электроны в антенне вперед и назад, создавая колебательное напряжение.
Антенна может быть заключена внутри корпуса приемника, как в случае с ферритовыми рамочными антеннами AM -радиоприемников и плоской перевернутой F-антенной сотовых телефонов; прикреплена к внешней стороне приемника, как в случае со штыревыми антеннами, используемыми в FM-радиоприемниках , или установлена отдельно и подключена к приемнику с помощью кабеля, как в случае с телевизионными антеннами на крыше и спутниковыми антеннами .
Практические радиоприемники выполняют три основные функции сигнала с антенны: фильтрация , усиление и демодуляция : [8]
Радиоволны от многих передатчиков проходят через воздух 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 нужной радиопередачи и блокирует сигналы на всех других частотах.
Полосовой фильтр состоит из одного или нескольких резонансных контуров (настроенных контуров). Резонансный контур подключается 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 низкое сопротивление, поэтому сигналы на этих частотах проводятся на землю.
Мощность радиоволн, принимаемых приемной антенной, уменьшается пропорционально квадрату ее расстояния от передающей антенны. Даже с мощными передатчиками, используемыми на радиовещательных станциях, если приемник находится на расстоянии более нескольких миль от передатчика, мощность, перехваченная антенной приемника, очень мала, возможно, всего лишь пиковатт или фемтоватт . Чтобы увеличить мощность восстановленного сигнала, схема усилителя использует электроэнергию от батарей или настенной розетки для увеличения амплитуды (напряжения или тока) сигнала. В большинстве современных приемников электронные компоненты, которые фактически усиливают, представляют собой транзисторы .
Приемники обычно имеют несколько ступеней усиления: радиосигнал от полосового фильтра усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для управления демодулятором, затем аудиосигнал от демодулятора усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для работы динамика. Степень усиления радиоприемника измеряется параметром, называемым его чувствительностью , которая представляет собой минимальную силу сигнала станции на антенне, измеряемую в микровольтах , необходимую для четкого приема сигнала с определенным отношением сигнал/шум . Поскольку усилить сигнал до любой желаемой степени легко, 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 схемой, называемой демодулятором ( детектором ). Каждый тип модуляции требует своего типа демодулятора
Многие другие типы модуляции также используются для специальных целей.
Выходной сигнал модуляции демодулятора обычно усиливается для увеличения его силы, затем информация преобразуется обратно в форму, пригодную для использования человеком, с помощью некоторого типа преобразователя . Аудиосигнал , представляющий звук, как в радиовещании, преобразуется в звуковые волны с помощью наушников или громкоговорителя . Видеосигнал , представляющий движущиеся изображения, как в телевизионном приемнике , преобразуется в свет с помощью дисплея . Цифровые данные , как в беспроводном модеме , применяются в качестве входных данных для компьютера или микропроцессора , который взаимодействует с пользователями-людьми.
_receiver_block_diagram_2.svg/1280px-Tuned_radio_frequency_(TRF)_receiver_block_diagram_2.svg.png)
В простейшем типе радиоприемника, называемом приемником настроенной радиочастоты (TRF) , три функции, указанные выше, выполняются последовательно: [9] (1) смесь радиосигналов от антенны фильтруется для извлечения сигнала нужного передатчика; (2) это колебательное напряжение посылается через усилитель радиочастоты (РЧ) для увеличения его силы до уровня, достаточного для управления демодулятором; (3) демодулятор восстанавливает сигнал модуляции (который в вещательных приемниках является аудиосигналом , напряжением, колеблющимся со скоростью звуковой частоты , представляющим звуковые волны) из модулированной несущей радиоволны ; (4) сигнал модуляции дополнительно усиливается в аудиоусилителе , затем подается на громкоговоритель или наушник для преобразования его в звуковые волны.
Хотя приемник TRF используется в нескольких приложениях, у него есть практические недостатки, которые делают его хуже супергетеродинного приемника, представленного ниже, который используется в большинстве приложений. [9] Недостатки вытекают из того факта, что в TRF фильтрация, усиление и демодуляция выполняются на высокой частоте входящего радиосигнала. Полоса пропускания фильтра увеличивается с его центральной частотой, поэтому, когда приемник TRF настроен на разные частоты, его полоса пропускания меняется. Самое важное, растущая перегрузка радиоспектра требует , чтобы радиоканалы были расположены очень близко друг к другу по частоте. Чрезвычайно сложно построить фильтры, работающие на радиочастотах, которые имеют достаточно узкую полосу пропускания, чтобы разделить близко расположенные радиостанции. Приемники TRF обычно должны иметь много каскадных ступеней настройки для достижения адекватной селективности. В разделе «Преимущества» ниже описывается, как супергетеродинный приемник преодолевает эти проблемы.
Супергетеродинный приемник, изобретенный в 1918 году Эдвином Армстронгом [10], является конструкцией, используемой почти во всех современных приемниках [11] [ 9 ] [12] [13] , за исключением нескольких специализированных приложений.
В супергетеродине радиочастотный сигнал от антенны смещается вниз на более низкую « промежуточную частоту » (ПЧ) перед его обработкой. [14] [15] [16] [17] Входящий радиочастотный сигнал от антенны смешивается с немодулированным сигналом, генерируемым локальным генератором (ЛО) в приемнике. Смешивание выполняется в нелинейной схеме, называемой « смесителем ». Результатом на выходе смесителя является гетеродин или частота биений на разнице между этими двумя частотами. Процесс похож на то, как две музыкальные ноты на разных частотах, сыгранные вместе, создают ноту биений . Эта более низкая частота называется промежуточной частотой (ПЧ). Сигнал ПЧ также имеет боковые полосы модуляции , 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 приема другой частоты необходимо только изменить частоту гетеродина. Каскады 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 сложные кварцевые кристаллы , керамические резонаторы или фильтры ПЧ на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые имеют очень высокие добротности , для улучшения селективности.
Фильтр ВЧ на передней части приемника необходим для предотвращения помех от любых радиосигналов на частоте изображения . Без входного фильтра приемник может принимать входящие сигналы ВЧ на двух разных частотах. [18] [13] [17] [19] Приемник может быть разработан для приема на любой из этих двух частот; если приемник разработан для приема на одной, любая другая радиостанция или радиошум на другой частоте могут пройти и помешать желаемому сигналу. Один настраиваемый каскад фильтра ВЧ отклоняет частоту изображения; поскольку они относительно далеки от желаемой частоты, простой фильтр обеспечивает адекватное отклонение. Отклонение мешающих сигналов, гораздо более близких по частоте к желаемому сигналу, осуществляется несколькими остро настроенными каскадами 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 «отслеживать» совместно с локальным генератором. Фильтр ВЧ также служит для ограничения полосы пропускания усилителя ВЧ, предотвращая его перегрузку сильными внеполосными сигналами.
Чтобы достичь как хорошего подавления изображения, так и селективности, многие современные супергетеродинные приемники используют две промежуточные частоты; это называется двойным преобразованием или супергетеродином с двойным преобразованием . [9] Входящий радиочастотный сигнал сначала смешивается с одним сигналом локального генератора в первом смесителе для преобразования его в высокую ПЧ частоту, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию частоты изображения, затем эта первая ПЧ смешивается со вторым сигналом локального генератора во втором смесителе для преобразования его в низкую ПЧ частоту для хорошей полосовой фильтрации. Некоторые приемники даже используют тройное преобразование .
За счет дополнительных каскадов супергетеродинный приемник обеспечивает преимущество большей селективности, чем может быть достигнуто с конструкцией TRF. Там, где используются очень высокие частоты, только начальный каскад приемника должен работать на самых высоких частотах; остальные каскады могут обеспечить большую часть усиления приемника на более низких частотах, которыми может быть легче управлять. Настройка упрощается по сравнению с многокаскадной конструкцией TRF, и только два каскада должны отслеживать диапазон настройки. Общее усиление приемника делится между тремя усилителями на разных частотах: РЧ, ПЧ и аудиоусилитель. Это уменьшает проблемы с обратной связью и паразитными колебаниями , которые встречаются в приемниках, где большинство каскадов усилителя работают на той же частоте, что и в приемнике TRF. [14]
Самым важным преимуществом является то, что можно достичь лучшей избирательности , выполняя фильтрацию на более низкой промежуточной частоте. [9] [12] [14] Одним из важнейших параметров приемника является его полоса пропускания , диапазон частот, которые он принимает. Чтобы отсечь близлежащие мешающие станции или шум, требуется узкая полоса пропускания. Во всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте, поэтому, выполняя фильтрацию на более низкой частоте , а не на частоте исходного радиосигнала , можно добиться более узкой полосы пропускания. Современное FM- и телевизионное вещание, сотовые телефоны и другие службы 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 каковы условия распространения по пути радиоволн. [20] Сила сигнала, полученного от данного передатчика, меняется со временем из-за изменяющихся условий распространения по пути, по которому проходит радиоволна, таких как многолучевая интерференция ; это называется замиранием . [20] [9] В AM-приемнике амплитуда аудиосигнала от детектора и громкость звука пропорциональны амплитуде радиосигнала, поэтому замирание вызывает изменения громкости. Кроме того, когда приемник настраивается между сильными и слабыми станциями, громкость звука из динамика будет резко меняться. Без автоматической системы для этого в AM-приемнике потребовалась бы постоянная регулировка громкости.
При других типах модуляции, таких как FM или FSK, амплитуда модуляции не меняется в зависимости 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, в то время как чрезмерная амплитуда сигнала приведет к перегрузке (насыщению) каскадов усилителя, что приведет к искажению (ограничению) сигнала.
Поэтому почти все современные приемники включают в себя систему управления с обратной связью , которая отслеживает 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 механизмом адаптации к темноте в человеческом глазу ; при входе в темную комнату усиление глаза увеличивается за счет открытия радужной оболочки. [20] В своей простейшей форме система АРУ состоит из выпрямителя , который преобразует РЧ-сигнал в переменный уровень постоянного тока, фильтра нижних частот для сглаживания изменений и получения среднего уровня. [21] Это применяется в качестве управляющего сигнала к более раннему каскаду усилителя для управления его усилением. В супергетеродинном приемнике АРУ обычно применяется к усилителю ПЧ , и может быть вторая петля АРУ для управления усилением РЧ-усилителя, чтобы также предотвратить его перегрузку.
В некоторых конструкциях приемников, таких как современные цифровые приемники, сопутствующей проблемой является смещение постоянного тока сигнала. Это исправляется аналогичной системой обратной связи.
Радиоволны были впервые обнаружены в серии экспериментов немецкого физика Генриха Герца 1887 года, направленных на доказательство электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла . Герц использовал возбуждаемые искрой дипольные антенны для генерации волн и микрометровые искровые промежутки, прикрепленные к дипольным и рамочным антеннам, для их обнаружения. [22] [23] [24] Эти примитивные устройства точнее было бы назвать датчиками радиоволн, а не «приемниками», поскольку они могли обнаруживать радиоволны только в пределах около 100 футов от передатчика и использовались не для связи, а в качестве лабораторных приборов в научных экспериментах.
Первые радиопередатчики , использовавшиеся в течение первых трех десятилетий радио с 1887 по 1917 год, периода, называемого эрой искры , были передатчиками с искровым зазором , которые генерировали радиоволны путем разряда емкости через электрическую искру . [26] [27] [28] Каждая искра производила кратковременный импульс радиоволн, который быстро уменьшался до нуля. [22] [24] Эти затухающие волны не могли быть модулированы для передачи звука, как в современной передаче AM и FM . Поэтому искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию по радиотелеграфу . Передатчик быстро включался и выключался оператором с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы разной длины затухающих радиоволн («точки» и «тире») для записи текстовых сообщений в коде Морзе . [24] [27]
Поэтому первым радиоприемникам не нужно было извлекать аудиосигнал из радиоволны, как современным приемникам, а просто обнаруживали наличие радиосигнала и производили звук во время «точек» и «тире». [24] Устройство, которое делало это, называлось « детектор ». Поскольку в то время не было усилительных устройств, чувствительность приемника в основном зависела от детектора. Было испробовано много различных детекторных устройств. Радиоприемники в эпоху искры состояли из следующих частей: [9]
Сигнал от передатчика с искровым разрядником состоял из затухающих волн, повторяющихся с частотой звукового сигнала, от 120 до, возможно, 4000 в секунду, поэтому в наушниках сигнал звучал как музыкальный тон или жужжание, а «точки» и «тире» азбуки Морзе звучали как гудки.
Первым человеком, использовавшим радиоволны для связи, был Гульельмо Маркони . [27] [30] Сам Маркони изобрел немного, но он был первым, кто поверил, что радио может быть практическим средством связи, и в одиночку разработал первые беспроводные телеграфные системы, передатчики и приемники, начиная с 1894–1895 гг., [30] в основном путем совершенствования технологий, изобретенных другими. [27] [31] [32] [33] [34] [35] Оливер Лодж и Александр Попов также экспериментировали с аналогичными приемниками радиоволн в то же время в 1894–1895 гг., [32] [36] но, как известно, они не передавали код Морзе в этот период, [27] [30] только строки случайных импульсов. Поэтому Маркони обычно приписывают создание первых радиоприемников.
Первые радиоприемники, изобретенные Маркони, Оливером Лоджем и Александром Поповым в 1894-5 годах, использовали примитивный детектор радиоволн , 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, с сыпучим металлическим порошком между электродами. [22] [27] [39] Первоначально он имел высокое сопротивление . Когда к электродам подавалось напряжение радиочастоты, его сопротивление падало, и он проводил электричество. В приемнике когерер был подключен непосредственно между антенной и землей. Помимо антенны, когерер был подключен в цепь постоянного тока с батареей и реле . Когда входящая радиоволна уменьшала сопротивление когерера, ток от батареи протекал через него, включая реле, чтобы зазвонить в звонок или сделать отметку на бумажной ленте в сифонном самописце . Чтобы вернуть когерер в его предыдущее непроводящее состояние для приема следующего импульса радиоволн, его нужно было механически постучать, чтобы встряхнуть металлические частицы. [22] [27] [36] [40] Это делалось с помощью «декогерера» — язычка, который ударял по трубке и управлялся электромагнитом, питаемым реле.
Когерер — малоизвестное старинное устройство, и даже сегодня существует некоторая неопределенность относительно точного физического механизма, с помощью которого работали различные типы. [22] [31] [41] Однако можно заметить, что по сути это было бистабильное устройство, переключатель, работающий на радиоволнах, и поэтому у него не было возможности выпрямлять радиоволны для демодуляции более поздних амплитудно-модулированных (АМ) радиопередач, которые переносили звук. [22] [31]
В длинной серии экспериментов Маркони обнаружил, что, используя приподнятую проволочную монопольную антенну вместо дипольных антенн Герца , он может передавать на большие расстояния, за пределы кривизны Земли, демонстрируя, что радио было не просто лабораторной диковинкой, а коммерчески жизнеспособным методом связи. Это достигло кульминации в его исторической трансатлантической беспроводной передаче 12 декабря 1901 года из Полдху, Корнуолл , в Сент-Джонс, Ньюфаундленд , на расстояние 3500 км (2200 миль), которая была принята когерером. [31] [35] Однако обычный диапазон приемников когерера даже с мощными передатчиками этой эпохи был ограничен несколькими сотнями миль.
Когерер оставался доминирующим детектором, используемым в ранних радиоприемниках в течение примерно 10 лет, [39] пока его не заменили кристаллический детектор и электролитический детектор около 1907 года. Несмотря на большую работу по разработке, это было очень грубое неудовлетворительное устройство. [22] [27] Он был не очень чувствительным, а также реагировал на импульсный радиошум ( RFI ), такой как включение или выключение близлежащих огней, а также на предполагаемый сигнал. [27] [39] Из-за громоздкого механического механизма «отстукивания» он был ограничен скоростью передачи данных около 12-15 слов в минуту кода Морзе , в то время как передатчик с искровым разрядником мог передавать Морзе со скоростью до 100 слов в минуту с помощью бумажной ленточной машины. [42] [43]
Плохая работа когерера побудила провести множество исследований по поиску лучших детекторов радиоволн, и многие из них были изобретены. Были опробованы некоторые странные устройства; исследователи экспериментировали с использованием лягушачьих лапок [44] и даже человеческого мозга [45] от трупа в качестве детекторов. [22] [46]
К первым годам 20-го века проводились эксперименты по использованию амплитудной модуляции (АМ) для передачи звука по радио ( радиотелефония ). Поэтому второй целью исследований детекторов было найти детекторы, которые могли бы демодулировать АМ-сигнал, извлекая аудио (звуковой) сигнал из несущей радиоволны . Методом проб и ошибок было обнаружено, что это может быть сделано детектором, который демонстрирует «асимметричную проводимость»; устройство, которое проводит ток в одном направлении, но не в другом. [47] Это выпрямляло переменный ток радиосигнала, удаляя одну сторону циклов несущей, оставляя пульсирующий постоянный ток, амплитуда которого изменялась в зависимости от аудиомодуляционного сигнала. При подаче на наушник это воспроизводило передаваемый звук.
Ниже приведены детекторы, которые широко применялись до того, как около 1920 года на смену им пришли электронные лампы. [48] [49] Все они, за исключением магнитного детектора, могли выпрямлять и, следовательно, принимать АМ-сигналы:
.jpg/1280px-D%C3%89TECTEUR_MAGN%C3%89TIQUE_(radio).jpg)
.jpg/1280px-Kristallradio_(3).jpg)
В эпоху электронных ламп термин «детектор» изменился с обозначения детектора радиоволн на обозначение демодулятора , устройства, которое могло извлекать сигнал аудиомодуляции из радиосигнала. Таково его значение сегодня.
«Настройка» означает настройку частоты приемника на частоту желаемой радиопередачи. Первые приемники не имели настроенной цепи, 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 передатчики с искрой Герца также не имели настроенной цепи. Из-за импульсной природы искры энергия радиоволн распределялась по очень широкой полосе частот. [64] [65] Чтобы получить достаточно энергии от этого широкополосного сигнала, приемник также должен был иметь широкую полосу пропускания.
Когда в данной области излучалось более одного искрового передатчика, их частоты перекрывались, поэтому их сигналы мешали друг другу, что приводило к искаженному приему. [28] [63] [66] Требовался какой-то метод, позволяющий приемнику выбирать, какой сигнал передатчика принимать. [66] [67] Несколько длин волн, создаваемых плохо настроенным передатчиком, заставляли сигнал «заглушаться» или затухать, что значительно уменьшало мощность и дальность передачи. [68] В 1892 году Уильям Крукс прочитал лекцию [69] по радио, в которой он предложил использовать резонанс для уменьшения полосы пропускания передатчиков и приемников. Затем различные передатчики можно было «настроить» для передачи на разных частотах, чтобы они не мешали. [35] [64] [70] Приемник также имел резонансный контур (настроенный контур) и мог принимать определенную передачу, «настраивая» свой резонансный контур на ту же частоту, что и передатчик, аналогично настройке музыкального инструмента на резонанс с другим. Это система, используемая во всех современных радиоприемниках.
Настройка использовалась в оригинальных экспериментах Герца [71] , а практическое применение настройки проявилось в начале-середине 1890-х годов в беспроводных системах, специально не предназначенных для радиосвязи. Лекция Николы Теслы в марте 1893 года, демонстрирующая беспроводную передачу энергии для освещения (в основном, как он думал, через заземление [72] ), включала элементы настройки. Беспроводная система освещения состояла из возбуждаемого искрой заземленного резонансного трансформатора с проволочной антенной, которая передавала энергию через 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 работе Герца. [73] В то время Лодж демонстрировал физические и оптические свойства радиоволн вместо того, чтобы пытаться построить систему связи, но он продолжил разрабатывать методы (запатентованные в 1897 году) настройки радио (то, что он называл «синтонией»), включая использование переменной индуктивности 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 конденсаторов и катушек индуктивности, соединенных вместе, в свои передатчики и приемники. [28] [32] [35] [37] [63] [75] Настроенная схема действовала как электрический аналог камертона . Она имела высокое сопротивление на своей резонансной частоте , но низкое сопротивление на всех других частотах. Подключенная между антенной и детектором, она служила полосовым фильтром , пропуская сигнал нужной станции на детектор, но направляя все остальные сигналы на землю. [29] Частота принимаемой станции f определялась емкостью C и индуктивностью L в настроенной схеме:
Для того чтобы отсечь радиошум и помехи от других передатчиков, близких по частоте к желаемой станции, полосовой фильтр (настроенный контур) в приемнике должен иметь узкую полосу пропускания , пропуская только узкую полосу частот. [28] [29] Форма полосового фильтра, которая использовалась в первых приемниках, которая продолжала использоваться в приемниках до недавнего времени, представляла собой двухнастроенный индуктивно-связанный контур или резонансный трансформатор ( колебательный трансформатор или ВЧ-трансформатор). [28] [32] [35] [37] [75] [77] Антенна и заземление были подключены к катушке провода, которая была магнитно связана со второй катушкой с конденсатором поперек нее, которая была подключена к детектору. [29] Переменный ВЧ-ток от антенны через первичную катушку создавал магнитное поле , которое индуцировало ток во вторичной катушке, которая питала детектор. И первичная, и вторичная обмотки были настроенными контурами; [63] первичная катушка резонировала с емкостью антенны, а вторичная катушка резонировала с конденсатором через нее. Обе были настроены на одну и ту же резонансную частоту .
Эта схема имела два преимущества. [29] Одно из них заключалось в том, что при использовании правильного соотношения витков сопротивление антенны можно было согласовать с сопротивлением приемника, чтобы передать максимальную мощность РЧ приемнику. Согласование сопротивлений было важно для достижения максимального диапазона приема в неусиленных приемниках этой эпохи. [25] [29] Катушки обычно имели отводы, которые можно было выбирать с помощью многопозиционного переключателя. Второе преимущество заключалось в том, 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»; разделены физически, поэтому не все магнитное поле от первичной обмотки проходило через вторичную, что уменьшало взаимную индуктивность . Это давало связанным настроенным схемам гораздо более «острую» настройку, более узкую полосу пропускания, чем одиночная настроенная схема. В свободном соединителе «типа Navy» (см. рисунок) , широко используемом с кристаллическими приемниками , меньшая вторичная катушка была установлена на стойке, которая могла вдвигаться или выдвигаться из первичной катушки, чтобы изменять взаимную индуктивность между катушками. [28] [78] Когда оператор сталкивался с мешающим сигналом на близлежащей частоте, вторичная катушка могла быть выдвинута дальше от первичной, уменьшая связь, что сужало полосу пропускания, отклоняя мешающий сигнал. Недостатком было то, что все три настройки в свободном соединителе — первичная настройка, вторичная настройка и связь — были интерактивными; изменение одной из них изменяло другие. Таким образом, настройка на новую станцию была процессом последовательных настроек.
Избирательность стала более важной, поскольку искровые передатчики были заменены передатчиками непрерывной волны , которые передавали в узкой полосе частот, а вещание привело к быстрому увеличению числа близко расположенных радиостанций, заполонивших радиоспектр. [29] Резонансные трансформаторы продолжали использоваться в качестве полосового фильтра в радиоприемниках с электронными лампами, и были изобретены новые формы, такие как вариометр . [78] [79] Еще одним преимуществом двухнастроенного трансформатора для приема AM было то, что при правильной настройке он имел «плоскую вершину» частотной характеристики в отличие от «пиковой» характеристики одинарной настроенной схемы. [80] Это позволяло ему пропускать 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, используемой во всех современных приемниках, изготавливались с помощью резонансных трансформаторов, называемых трансформаторами IF .
Первоначальная радиосистема Маркони имела относительно плохую настройку, что ограничивало ее диапазон и добавляло помех. [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 1900 года № 7777 (четыре семерки) на настройку, поданный в апреле 1900 года и выданный годом позже, открыл дверь патентным спорам, поскольку он нарушал синтонические патенты Оливера Лоджа, впервые поданные в мае 1897 года, а также патенты, поданные Фердинандом Брауном . [81] Маркони смог получить патенты в Великобритании и Франции, но американская версия его настроенного четырехконтурного патента, поданная в ноябре 1900 года, была первоначально отклонена на основании того, что она предвосхищалась системой настройки Лоджа, а повторно поданные версии были отклонены из-за предыдущих патентов Брауна и Лоджа. [82] Дальнейшее разъяснение и повторная подача были отклонены, поскольку они нарушали части двух предыдущих патентов, которые Тесла получил для своей системы беспроводной передачи энергии. [83] Юристы Маркони сумели добиться повторного рассмотрения патента другим экспертом, который изначально отклонил его из-за уже существующего патента на настройку Джона Стоуна Стоуна , но в конечном итоге он был одобрен в июне 1904 года на основании того, что он имел уникальную систему настройки переменной индуктивности, которая отличалась от системы Стоуна [84] [85] , который настраивался путем изменения длины антенны. [82] Когда патент Лоджа Syntonic был продлен в 1911 году еще на 7 лет, компания Marconi согласилась урегулировать этот патентный спор, купив радиокомпанию Лоджа вместе с ее патентом в 1912 году, что дало им приоритетный патент, в котором они нуждались. [86] [87] На протяжении многих лет возникали и другие патентные споры, включая постановление Верховного суда США от 1943 года 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, поскольку их собственные патенты, по-видимому, не имеют приоритета над патентами Лоджа, Стоуна и Теслы. [32] [70]
Хотя он был изобретен в 1904 году в эпоху беспроводной телеграфии, кристаллический радиоприемник также мог выпрямлять AM-передачи и служил мостом к эпохе вещания. Помимо того, что он был основным типом, используемым на коммерческих станциях в эпоху беспроводной телеграфии, он был первым приемником, который широко использовался общественностью. [88] В течение первых двух десятилетий 20-го века, когда радиостанции начали передавать голосом AM ( радиотелефония ) вместо радиотелеграфии, прослушивание радио стало популярным хобби, а кристалл был самым простым и дешевым детектором. Миллионы людей, которые купили или изготовили эти недорогие надежные приемники, создали массовую аудиторию слушателей для первых радиопередач , которые начались около 1920 года. [89] К концу 1920-х годов кристаллический приемник был заменен приемниками на электронных лампах и стал коммерчески устаревшим. Однако он продолжал использоваться молодежью и бедными вплоть до Второй мировой войны . [88] Сегодня эти простые радиоприемники конструируются студентами в качестве образовательных научных проектов.
Кристаллическое радио использовало детектор «кошачий ус» , изобретенный Харрисоном Х. К. Данвуди и Гринлифом Уиттьером Пикардом в 1904 году, для извлечения звука из радиочастотного сигнала. [29] [51] [90] Он состоял из минерального кристалла, обычно галенита , которого слегка касались тонкой пружинистой проволокой («кошачий ус») на регулируемом рычаге. [51] [91] Полученный грубый полупроводниковый переход функционировал как диод с барьером Шоттки , проводя только в одном направлении. Только определенные участки на поверхности кристалла работали как детекторные переходы, и переход мог быть нарушен малейшей вибрацией. Таким образом, пригодное для использования место находилось методом проб и ошибок перед каждым использованием; оператор проводил кошачий ус по кристаллу, пока радио не начинало работать. Фредерик Зейтц, более поздний исследователь полупроводников, писал:
Такая изменчивость, граничащая с чем-то мистическим, была бичом ранней истории кристаллических детекторов и заставила многих экспертов по электронным лампам более позднего поколения считать искусство кристаллической ректификации почти постыдным. [92]
Кристаллический радиоприемник не имел усилителя и работал от мощности радиоволн, принимаемых от радиостанции, поэтому его приходилось слушать в наушниках ; он не мог управлять громкоговорителем . [29] [91] Для него требовалась длинная проволочная антенна, а его 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 использовании для приема вещательных станций типичный домашний кристаллический набор имел более ограниченный диапазон около 25 миль. [95] В сложных кристаллических радиоприемниках для увеличения добротности использовалась индуктивно связанная настроенная схема «свободного ответвителя» . Однако она все еще имела плохую селективность по сравнению с современными приемниками. [91]
Начиная примерно с 1905 года, передатчики непрерывной волны (CW) начали заменять искровые передатчики для радиотелеграфии, потому что они имели гораздо большую дальность. Первыми передатчиками непрерывной волны были дуга Поульсена, изобретенная в 1904 году, и генератор Александерсона, разработанный в 1906–1910 годах, которые были заменены передатчиками на вакуумных лампах, начиная примерно с 1920 года. [24]
Радиотелеграфные сигналы непрерывной волны, производимые этими передатчиками, требовали другого метода приема. [96] [97] Радиотелеграфные сигналы, производимые передатчиками с искровыми разрядниками, состояли из строк затухающих волн, повторяющихся со скоростью звука, поэтому «точки» и «тире» кода Морзе были слышны как тон или жужжание в наушниках приемников. Однако новые радиотелеграфные сигналы непрерывной волны просто состояли из импульсов немодулированной несущей ( синусоидальных волн ). Они были неслышны в наушниках приемника. Чтобы принять этот новый тип модуляции, приемник должен был производить какой-то тон во время импульсов несущей.
Первым грубым устройством, которое делало это, был тиккер , изобретенный в 1908 году Вальдемаром Поульсеном . [48] [96] [98] Это был вибрирующий прерыватель с конденсатором на выходе тюнера, который служил в качестве элементарного модулятора , прерывая несущую частоту со звуковой частотой, таким образом производя жужжание в наушниках при наличии несущей. [11] Похожим устройством было «тональное колесо», изобретенное Рудольфом Гольдшмидтом , колесо, вращаемое двигателем с контактами, расположенными по его окружности, которые контактировали с неподвижной щеткой.
В 1901 году Реджинальд Фессенден изобрел лучший способ достижения этого. [96] [98] [99] [100] В его гетеродинном приемнике немодулированный синусоидальный радиосигнал на частоте f O, смещенной относительно входящей несущей радиоволны f C, подавался на выпрямляющий детектор, такой как кристаллический детектор или электролитический детектор , вместе с радиосигналом от антенны. В детекторе два сигнала смешивались, создавая две новые гетеродинные ( биения ) частоты в сумме f C + f O и разности f C − f O между этими частотами. При правильном выборе f O нижняя гетеродинная f C − f O находилась в диапазоне звуковых частот , поэтому она была слышна как тон в наушниках всякий раз, когда присутствовала несущая. Таким образом, «точки» и «тире» кода Морзе были слышны как музыкальные «бипы». Главной привлекательностью этого метода в период предварительного усиления было то, что гетеродинный приемник фактически несколько усиливал сигнал, детектор имел «усиление смесителя». [98]
Приемник опередил свое время, потому что, когда он был изобретен, не было генератора, способного производить синусоидальную волну радиочастоты f O с требуемой стабильностью. [101] Фессенден впервые использовал свой большой генератор радиочастот , [11] но это было непрактично для обычных приемников. Гетеродинный приемник оставался лабораторной диковинкой, пока не появился дешевый компактный источник непрерывных волн, электронный генератор на вакуумной лампе [98], изобретенный Эдвином Армстронгом и Александром Мейсснером в 1913 году. [48] [102] После этого он стал стандартным методом приема CW-радиотелеграфии. Гетеродинный генератор является предком генератора частоты биений (BFO), который используется для приема радиотелеграфии в приемниках связи сегодня. 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 частота биений генератора может быть фиксированной.
Армстронг позже использовал принцип гетеродина Фессендена в своем супергетеродинном приемнике (ниже) . [98] [11]
_Dial,_Circa_1941_(8655513293).jpg/1280px-Vintage_Zenith_Console_Radio,_Model_12S-568,_With_the_Zenith_Robot_(or_Shutter)_Dial,_Circa_1941_(8655513293).jpg)
Электронная лампа Аудион ( триод ) , изобретенная Ли Де Форестом в 1906 году, была первым практическим усилительным устройством и произвела революцию в радио. [58] Электронные ламповые передатчики заменили искровые передатчики и сделали возможными четыре новых типа модуляции : непрерывная волна (CW) радиотелеграфии, амплитудная модуляция (AM) около 1915 года, которая могла передавать аудио (звук), частотная модуляция (FM) около 1938 года, которая значительно улучшила качество звука, и однополосная связь (SSB).
Усилительная вакуумная лампа использовала энергию от батареи или электрической розетки для увеличения мощности радиосигнала, поэтому приемники на вакуумных лампах могли быть более чувствительными и иметь больший диапазон приема, чем предыдущие приемники без усилителя. Увеличенная выходная мощность звука также позволяла им управлять громкоговорителями вместо наушников , позволяя слушать более чем одному человеку. Первые громкоговорители были произведены около 1915 года. Эти изменения привели к тому, что прослушивание радио стремительно превратилось из одиночного хобби в популярное общественное и семейное времяпрепровождение. Развитие амплитудной модуляции (АМ) и передатчиков на вакуумных лампах во время Первой мировой войны, а также доступность дешевых приемных ламп после войны подготовили почву для начала АМ-вещания , которое возникло спонтанно около 1920 года.
Появление радиовещания значительно увеличило рынок радиоприемников и превратило их в потребительский товар. [103] [104] [105] В начале 1920-х годов радиоприемник был неприступным высокотехнологичным устройством со множеством загадочных ручек и элементов управления, требующих технических навыков для работы, помещенным в непривлекательную черную металлическую коробку с жестяным рупорным громкоговорителем . [104] К 1930-м годам радиоприемник превратился в предмет мебели, помещенный в привлекательный деревянный корпус со стандартизированными элементами управления, которыми мог пользоваться каждый, и занимавший почетное место в домашней гостиной. В ранних радиоприемниках для настройки на новую станцию требовалось несколько ручек. Одним из самых важных нововведений в плане простоты использования была «настройка одной ручкой», достигаемая путем механического соединения конденсаторов настройки. [104] [105] Динамический конусный громкоговоритель, изобретенный в 1924 году, значительно улучшил частотную характеристику звука по сравнению с предыдущими рупорными громкоговорителями, что позволило воспроизводить музыку с хорошей точностью. [104] [106] Были добавлены такие удобные функции, как большие подсвеченные циферблаты, регуляторы тембра , кнопочная настройка, индикаторы настройки и автоматическая регулировка усиления (АРУ). [103] [105] Рынок приемников был разделен на вышеупомянутые вещательные приемники и приемники связи , которые использовались для двусторонней радиосвязи, такой как коротковолновое радио . [107]
Приемник на вакуумной лампе требовал нескольких источников питания с разным напряжением, которые в ранних радиоприемниках питались от отдельных батарей. К 1930 году были разработаны соответствующие выпрямительные трубки, а дорогие батареи были заменены трансформаторным источником питания, который работал от домашнего тока. [103] [104]
Электронные лампы были громоздкими, дорогими, имели ограниченный срок службы, потребляли большое количество энергии и производили много тепла, поэтому количество ламп, которые мог иметь приемник экономически выгодно, было ограничивающим фактором. Поэтому целью проектирования ламповых приемников было получить максимальную производительность от ограниченного количества ламп. Основные конструкции радиоприемников, перечисленные ниже, были изобретены в эпоху электронных ламп.
Дефектом многих ранних ламповых приемников было то, что каскады усиления могли колебаться, действовать как генератор , создавая нежелательные переменные токи радиочастоты. [29] [108] [109] Эти паразитные колебания смешивались с носителем радиосигнала в детекторной трубке, создавая слышимые биения ( гетеродины ); раздражающие 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] Эта проблема была решена с помощью схемы нейтродина , а позднее — с разработкой тетрода и пентода около 1930 года.
Эдвин Армстронг является одной из важнейших фигур в истории радиоприёмников, и в этот период он изобрел технологию, которая продолжает доминировать в радиосвязи. [11] Он был первым, кто дал правильное объяснение того, как работала триодная лампа Де Фореста. Он изобрел генератор с обратной связью , регенеративный приемник , сверхрегенеративный приемник , супергетеродинный приемник и современную частотную модуляцию (ЧМ).
Первая усилительная вакуумная лампа, Аудион , грубый триод , была изобретена в 1906 году Ли Де Форестом в качестве более чувствительного детектора для радиоприемников путем добавления третьего электрода к термоионному диодному детектору, лампе Флеминга . [58] [79] [110] [111] Она не получила широкого распространения, пока ее усиливающая способность не была признана около 1912 года. [58] Первые ламповые приемники, изобретенные Де Форестом и построенные любителями до середины 1920-х годов, использовали один Аудион, который функционировал как детектор утечки сетки , который и выпрямлял , и усиливал радиосигнал. [79] [108] [112] Существовала неопределенность относительно принципа работы Аудиона, пока Эдвин Армстронг не объяснил его как усиливающую, так и демодулирующую функции в статье 1914 года. [113] [114] [115] Схема детектора утечки сетки также использовалась в регенеративных , TRF и ранних супергетеродинных приемниках (ниже) до 1930-х годов.
Чтобы обеспечить достаточную выходную мощность для работы громкоговорителя, для усиления звука требовались 2 или 3 дополнительных каскада вакуумных ламп. [79] Многие ранние любители могли позволить себе только одноламповый приемник и слушали радио через наушники, поэтому ранние ламповые усилители и динамики продавались как дополнения.
В дополнение к очень низкому коэффициенту усиления около 5 и короткому сроку службы около 30–100 часов, примитивный Audion имел нестабильные характеристики, поскольку был не полностью откачан. Де Форест считал, что ионизация остаточного воздуха была ключом к работе Audion. [116] [117] Это делало его более чувствительным детектором [116] , но также приводило к изменению его электрических характеристик во время использования. [79] [110] По мере нагрева трубки газ, выделяемый металлическими элементами, изменял давление в трубке, изменяя ток анода и другие характеристики, поэтому требовалась периодическая регулировка смещения , чтобы поддерживать его в правильной рабочей точке. Каждый каскад Audion обычно имел реостат для регулировки тока накала и часто потенциометр или многопозиционный переключатель для управления напряжением анода. Реостат накала также использовался в качестве регулятора громкости. Множество элементов управления усложняли эксплуатацию многоламповых приемников Audion.
К 1914 году Гарольд Арнольд из Western Electric и Ирвинг Ленгмюр из GE поняли, что остаточный газ не нужен; Audion мог работать только на электронной проводимости. [110] [116] [117] Они откачали трубки до более низкого давления 10−9 атм , создав первые триоды «жесткого вакуума». Эти более стабильные трубки не требовали регулировки смещения, поэтому радиоприемники имели меньше элементов управления и были проще в эксплуатации. [110] Во время Первой мировой войны гражданское использование радио было запрещено, но к 1920 году началось крупномасштабное производство радиоприемников на электронных лампах. «Мягкие» не полностью откачанные трубки использовались в качестве детекторов до 1920-х годов, а затем устарели.
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 одноламповый радиоприемник. Сегодня транзисторные версии схемы все еще используются в нескольких недорогих приложениях, таких как рации . В регенеративном приемнике усиление (коэффициент усиления) электронной лампы или транзистора увеличивается с помощью регенерации ( положительной обратной связи ); часть энергии из выходной цепи лампы возвращается во входную цепь с помощью петли обратной связи . [29] [108] [120] [121] [122] Ранние электронные лампы имели очень низкий коэффициент усиления (около 5). Регенерация могла не только значительно увеличить усиление лампы, в 15 000 раз или больше, она также увеличивала добротность настроенного контура, уменьшая (обостряя) полосу пропускания приемника в том же размере, значительно улучшая селективность . [108] [120] [121] Приемник имел элемент управления для регулировки обратной связи. Лампа также действовала как детектор утечки сетки для выпрямления сигнала AM. [108]
Другим 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 радиотелеграфные передачи CW . [108] [120] [121] Этот режим назывался автодинным приемником. Для приема радиотелеграфии обратная связь увеличивалась до тех пор, пока трубка не колебалась, затем частота колебаний настраивалась на одну сторону передаваемого сигнала. Входящий радионесущий сигнал и локальный колебательный сигнал смешивались в трубке и производили слышимый гетеродинный (биения) тон на разнице между частотами.
Широко используемой конструкцией была схема Армстронга , в которой катушка «щекочущего» в схеме пластины была соединена с катушкой настройки в схеме сетки для обеспечения обратной связи. [29] [108] [122] Обратная связь контролировалась переменным резистором или поочередно перемещением двух обмоток физически ближе друг к другу для увеличения усиления контура или раздвижением для его уменьшения. [120] Это делалось с помощью регулируемого трансформатора с воздушным сердечником, называемого вариометром (вариокаплером). Регенеративные детекторы иногда также использовались в TRF и супергетеродинных приемниках.
Одной из проблем с регенеративной схемой было то, что при использовании большого количества регенерации селективность (Q) настроенной схемы могла быть слишком острой, ослабляя боковые полосы AM, тем самым искажая звуковую модуляцию. [123] Обычно это было ограничивающим фактором для количества обратной связи, которое можно было использовать.
Более серьезным недостатком было то, что он мог действовать как непреднамеренный радиопередатчик , создавая помехи ( RFI ) в соседних приемниках. [29] [108] [120] [121] [122] [124] При приеме AM, чтобы получить максимальную чувствительность, трубка работала очень близко к нестабильности и могла легко сорваться в колебание (а при приеме CW колебалась ), и полученный радиосигнал излучался ее проволочной антенной. В соседних приемниках сигнал регенеративного устройства бился с сигналом станции, принимаемой детектором, создавая раздражающие гетеродины ( биения ), завывания и свисты. [29] Ранние регенеративные устройства, которые легко колебались, назывались «ляпами». Одной из профилактических мер было использование каскада усиления ВЧ перед регенеративным детектором, чтобы изолировать его от антенны. [108] [120] Но к середине 1920-х годов «регены» больше не продавались основными производителями радиоприемников. [29]
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, а 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, но была близка к колебанию, давая большое усиление. [125] В сверхрегенеративном приемнике коэффициент усиления контура был сделан равным единице, поэтому усилительное устройство фактически начинало колебаться, но колебания периодически прерывались. [109] [12] Это позволяло одной лампе производить усиление более 10 6 .
Настраиваемый радиочастотный приемник (TRF) , изобретенный в 1916 году Эрнстом Александерсоном , улучшил как чувствительность, так и селективность, используя несколько каскадов усиления перед детектором, каждый с настроенной схемой , все из которых были настроены на частоту станции. [29] [109] [12] [129] [130]
Основной проблемой ранних приемников TRF было то, что их было сложно настраивать, потому что каждый резонансный контур должен был быть настроен на частоту станции, прежде чем радио заработало. [29] [109] В более поздних приемниках TRF настроечные конденсаторы были связаны вместе механически («объединены») на общем валу, так что их можно было настраивать одной ручкой, но в ранних приемниках частоты настроенных контуров не могли быть достаточно хорошо «отслеживаемы», чтобы это было возможно, и каждый настроенный контур имел свою собственную ручку настройки. [12] [131] Поэтому ручки приходилось поворачивать одновременно. По этой причине большинство наборов TRF имели не более трех настроенных каскадов ВЧ. [108] [123]
Вторая проблема заключалась в том, что многочисленные радиочастотные каскады, настроенные на одну и ту же частоту, были склонны к колебаниям [131] [132] , а паразитные колебания смешивались с несущей радиостанции в детекторе, создавая слышимые гетеродины ( биения ), свисты и стоны в динамике. [29] [108] [109] [130] Эта проблема была решена изобретением схемы нейтродина (ниже) и разработкой тетрода позднее , около 1930 года, а также лучшим экранированием между каскадами. [130]
Сегодня конструкция TRF используется в нескольких интегральных (IC) чипах приемников. С точки зрения современных приемников недостатком TRF является то, что усиление и полоса пропускания настроенных каскадов RF не являются постоянными, а изменяются при настройке приемника на разные частоты. [132] Поскольку полоса пропускания фильтра с заданной добротностью пропорциональна частоте, то при настройке приемника на более высокие частоты его полоса пропускания увеличивается. [14] [18]
Приемник Neutrodyne, изобретенный в 1922 году Луисом Хазелтином , [133] [134] представлял собой приемник TRF с «нейтрализующей» схемой, добавленной к каждому каскаду радиоусиления для устранения обратной связи и предотвращения колебаний, вызывающих раздражающий свист в TRF. [29] [109] [130] [131] [135] В нейтрализующей схеме конденсатор подавал ток обратной связи из анодной схемы в сеточную схему, который был на 180° сдвинут по фазе с обратной связью, вызывающей колебания, подавляя их. [108] Neutrodyne был популярен до появления дешевых тетродных ламп около 1930 года.
Рефлекторный приемник , изобретенный в 1914 году Вильгельмом Шлемильхом и Отто фон Бронком [136] и вновь открытый и расширенный до нескольких ламп в 1917 году Мариусом Латуром [136] [137] и Уильямом Х. Приссом, был конструкцией, использовавшейся в некоторых недорогих радиоприемниках 1920-х годов [138] , которая возродилась в небольших портативных ламповых радиоприемниках 1930-х годов [139] и снова в нескольких первых транзисторных радиоприемниках в 1950-х годах. [109] [140] Это еще один пример гениальной схемы, изобретенной для получения максимальной отдачи от ограниченного числа активных устройств. В рефлекторном приемнике радиочастотный сигнал из настроенной схемы передается через одну или несколько усилительных ламп или транзисторов, демодулируется в детекторе , затем полученный аудиосигнал снова передается через те же каскады усилителя для усиления звука. [109] Раздельные радио- и аудиосигналы, присутствующие одновременно в усилителе, не мешают друг другу, поскольку они находятся на разных частотах, что позволяет усилительным лампам выполнять «двойную функцию». В дополнение к одноламповым рефлексным приемникам, некоторые TRF и супергетеродинные приемники имели несколько каскадов «рефлексных». [140] Рефлексные радиоприемники были подвержены дефекту, называемому «проигрывание», который означал, что громкость звука не падала до нуля, когда регулятор громкости был убавлен. [140]
Супергетеродин , изобретенный в 1918 году во время Первой мировой войны Эдвином Армстронгом [ 10] , когда он служил в Корпусе связи , представляет собой конструкцию, используемую почти во всех современных приемниках, за исключением нескольких специализированных приложений. [11] [ 12] [13] Это более сложная конструкция, чем другие приемники, указанные выше, и когда он был изобретен, требовалось 6–9 электронных ламп, что выходило за рамки бюджета большинства потребителей, поэтому изначально он использовался в основном на коммерческих и военных станциях связи. [15] Однако к 1930-м годам «супергетеродин» заменил все другие типы приемников, указанные выше.
В супергетеродине используется метод « гетеродина », изобретенный Реджинальдом Фессенденом, для смещения частоты радиосигнала на более низкую « промежуточную частоту » (ПЧ) перед его обработкой. [14] [15] [16] Его работа и преимущества по сравнению с другими радиоконструкциями в этом разделе описаны выше в разделе «Конструкция супергетеродина».
К 1940-м годам супергетеродинный AM-вещательный приемник был усовершенствован до дешевой в производстве конструкции, названной « All American Five », поскольку в ней использовалось всего пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель/гетеродин), усилитель ПЧ, детектор/аудиоусилитель, аудиоусилитель мощности и выпрямитель. Эта конструкция использовалась практически во всех коммерческих радиоприемниках, пока транзистор не заменил электронную лампу в 1970-х годах.
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 радиоприемники на электронных лампах уже были созданы, лампы были громоздкими и неэффективными, потребляли большое количество энергии и требовали нескольких больших батарей для создания напряжения накала и пластины. Транзисторам не требовалась нагретая нить накала, что снижало потребление энергии, и они были меньше и гораздо менее хрупкими, чем электронные лампы.
.jpg/1280px-Vintage_Zenith_Royal_2000_Trans-Oceanic_Transistor_Radio,_Chassis_11ET40Z2,_Made_in_the_USA_(12125632465).jpg){kind=spacer}
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 батареи и могли быть установлены и использованы где угодно, но большинство из них не имели функций, предназначенных для портативности, таких как ручки и встроенные динамики. Некоторые из самых ранних портативных ламповых радиоприемников были Winn "Portable Wireless Set No. 149", появившиеся в 1920 году, и Grebe Model KT-1, появившиеся годом позже. Кристаллические радиоприемники, 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 небольшие портативные радиоприемники от таких производителей, как Zenith и General Electric . Впервые представленная в 1942 году линейка портативных радиоприемников Trans-Oceanic от Zenith была разработана для обеспечения развлекательных передач, а также для настройки на метеорологические, морские и международные коротковолновые станции. К 1950-м годам «золотой век» портативных ламповых радиоприемников включал в себя ламповые радиоприемники размером с ланч-бокс, такие как Emerson 560, которые имели литые пластиковые корпуса. Так называемые «карманные портативные» радиоприемники, такие как RCA BP10, существовали с 1940-х годов, но их фактический размер был совместим только с самыми большими карманами пальто. [141] Но некоторые, такие как карманные радиоприемники Privat-ear и Dyna-mite, были достаточно малы, чтобы поместиться в кармане. [142] [143]
Разработка биполярного транзистора в начале 1950-х годов привела к тому, что он был лицензирован рядом электронных компаний, таких как Texas Instruments , которая выпустила ограниченную партию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Regency TR-1 , произведенный Regency Division of IDEA (Industrial Development Engineering Associates) из Индианаполиса, штат Индиана, был выпущен в 1951 году. Затем последовала эра настоящих портативных радиоприемников размером с карман рубашки, и такие производители, как Sony , Zenith, RCA, DeWald и Crosley , предложили различные модели. [141] Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым серийно выпускаемым транзисторным радиоприемником , что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок. [144]
.jpg/1280px-HA0478-006_(6011470974).jpg)
Разработка интегральных схем (ИС) в 1970-х годах создала еще одну революцию, позволив поместить целый радиоприемник на ИС-чип. ИС-чипы изменили экономику радиодизайна, используемого с ламповыми приемниками. Поскольку предельная стоимость добавления дополнительных усилительных устройств (транзисторов) к чипу была по сути нулевой, размер и стоимость приемника зависели не от того, сколько активных компонентов использовалось, а от пассивных компонентов: индукторов и конденсаторов, которые нельзя было легко интегрировать в чип. [22] Разработка СВЧ - КМОП- чипов, пионером которых был Асад Али Абиди в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1980-х и 1990-х годах, позволила производить маломощные беспроводные устройства. [146]
Текущая тенденция в приемниках заключается в использовании цифровых схем на чипе для выполнения функций, которые ранее выполнялись аналоговыми схемами , требующими пассивных компонентов. В цифровом приемнике сигнал ПЧ дискретизируется и оцифровывается, а функции полосовой фильтрации и обнаружения выполняются цифровой обработкой сигнала (DSP) на чипе. Еще одним преимуществом DSP является то, что свойства приемника; частота канала, полоса пропускания, усиление и т. д. могут динамически изменяться программным обеспечением для реагирования на изменения в окружающей среде; эти системы известны как программно-определяемые радиостанции или когнитивное радио .
Многие из функций, выполняемых аналоговой электроникой, могут быть выполнены программным обеспечением . Преимущество в том, что программное обеспечение не подвержено влиянию температуры, физических переменных, электронного шума и производственных дефектов. [147]
Цифровая обработка сигнала позволяет использовать методы обработки сигнала, которые были бы громоздкими, дорогостоящими или иным образом невозможными с аналоговыми методами. Цифровой сигнал по сути представляет собой поток или последовательность чисел, которые передают сообщение через некую 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.
В системах цифрового радиовещания, таких как цифровое аудиовещание (DAB), аналоговый аудиосигнал оцифровывается и сжимается , как правило, с использованием формата аудиокодирования с модифицированным дискретным косинусным преобразованием (MDCT), например AAC+ . [148]
"ПК-радио", или радио, разработанные для управления стандартным ПК, управляются специализированным программным обеспечением ПК с использованием последовательного порта, подключенного к радио. "ПК-радио" может вообще не иметь передней панели и может быть разработано исключительно для управления компьютером, что снижает стоимость.
Некоторые радиостанции для ПК имеют большое преимущество в том, что владелец может модернизировать их в полевых условиях. Новые версии прошивки DSP можно загрузить с веб-сайта производителя и загрузить во флэш-память радиостанции. Затем производитель может со временем добавлять новые функции в радиостанцию, например, добавлять новые фильтры, шумоподавление DSP или просто исправлять ошибки.
Полнофункциональная программа управления радио позволяет сканировать и выполнять множество других функций, в частности, интеграцию баз данных в режиме реального времени, например, возможности типа "TV-Guide". Это особенно полезно для определения местоположения всех передач на всех частотах конкретного вещателя в любой момент времени. Некоторые разработчики программного обеспечения управления даже интегрировали Google Earth в базы данных коротких волн, так что можно "лететь" к указанному местоположению передатчика одним щелчком мыши. Во многих случаях пользователь может видеть передающие антенны, откуда исходит сигнал.
Поскольку графический пользовательский интерфейс радио обладает значительной гибкостью, разработчик программного обеспечения может добавлять новые функции. Функции, которые можно найти в современных программах управления, включают таблицу диапазонов, элементы управления GUI, соответствующие традиционным элементам управления радио, местные часы и часы UTC , измеритель уровня сигнала, базу данных для прослушивания коротких волн с возможностью поиска, возможность сканирования или интерфейс преобразования текста в речь .
Следующий уровень интеграции — это « программно-определяемое радио », где вся фильтрация, модуляция и манипуляция сигналами выполняются программно. Это может быть звуковая карта ПК или выделенная часть оборудования DSP. Будет присутствовать RF- интерфейс для подачи промежуточной частоты на программно-определяемое радио. Эти системы могут предоставлять дополнительные возможности по сравнению с «аппаратными» приемниками. Например, они могут записывать большие полосы радиоспектра на жесткий диск для «воспроизведения» позднее. Тот же SDR, который в одну минуту демодулирует простую трансляцию AM, в следующую минуту может также декодировать трансляцию HDTV. Проект с открытым исходным кодом под названием GNU Radio посвящен разработке высокопроизводительной SDR.
Полностью цифровые радиопередатчики и приемники предоставляют возможность расширения возможностей радио. [149]
selective signaling.
свободная муфта вариометр вариокаплер.
гетеродин tikker.
.jpg/1280px-Cohere(Ag-Ni).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: postscript (link)