Промежуточная частота

Частота, на которую смещается несущая волна во время передачи или приема.

Сцена ПЧ от телевизора Motorola 19K1, около 1949 года.

В коммуникациях и электронной технике промежуточная частота ( ПЧ ) — это частота , на которую смещается несущая волна на промежуточном этапе передачи или приема. ^[1] Промежуточная частота создается путем смешивания несущего сигнала с сигналом гетеродина в процессе, называемом гетеродинированием , в результате чего получается сигнал с разницей или частотой биений . Промежуточные частоты используются в супергетеродинных радиоприемниках , в которых входящий сигнал сдвигается на ПЧ для усиления перед окончательным обнаружением .

Преобразование в промежуточную частоту полезно по нескольким причинам. Когда используются несколько ступеней фильтров, все они могут быть установлены на фиксированную частоту, что упрощает их сборку и настройку. Транзисторы с более низкой частотой обычно имеют более высокий коэффициент усиления, поэтому требуется меньше каскадов. Проще сделать резко селективные фильтры на нижних фиксированных частотах.

Таких каскадов промежуточной частоты в супергетеродинном приемнике может быть несколько; две или три стадии называются двойной (альтернативно двойной ) или тройной конверсией соответственно.

Обоснование

Промежуточные частоты используются по трем общим причинам. ^{[2] [3]} На очень высоких ( гигагерцевых ) частотах схемы обработки сигналов работают плохо. Активные устройства, такие как транзисторы, не могут обеспечить большое усиление ( коэффициент усиления ). ^[1] Обычные схемы, использующие конденсаторы и катушки индуктивности , должны быть заменены громоздкими высокочастотными методами, такими как полосковые линии и волноводы . Таким образом, высокочастотный сигнал преобразуется в более низкую ПЧ для более удобной обработки. Например, в спутниковых антеннах микроволновый сигнал нисходящей линии связи, принимаемый антенной, преобразуется в гораздо более низкую ПЧ на антенне, так что относительно недорогой коаксиальный кабель может передавать сигнал к приемнику внутри здания. Для передачи сигнала на исходной микроволновой частоте потребуется дорогой волновод .

В приемниках, которые можно настроить на разные частоты, вторая причина заключается в преобразовании различных частот станций в общую частоту для обработки. Трудно создать многокаскадные усилители , фильтры и детекторы , все каскады которых могут отслеживать настройку различных частот, но сравнительно легко построить перестраиваемые генераторы . Супергетеродинные приемники настраиваются на разные частоты, регулируя частоту гетеродина на входном каскаде, и вся последующая обработка выполняется на одной и той же фиксированной частоте: ПЧ. Без использования ПЧ все сложные фильтры и детекторы в радио или телевидении пришлось бы настраивать в унисон каждый раз при изменении частоты, как это было необходимо в ранних настраиваемых радиочастотных приемниках (TRF). Более важным преимуществом является то, что он обеспечивает приемнику постоянную полосу пропускания во всем диапазоне настройки. Полоса пропускания фильтра пропорциональна его центральной частоте. В приемниках типа TRF, в которых фильтрация осуществляется на входящей радиочастотной частоте, по мере того как приемник настраивается на более высокие частоты, его полоса пропускания увеличивается.

Основной причиной использования промежуточной частоты является улучшение частотной избирательности . ^[1] В схемах связи очень распространенной задачей является выделение или извлечение сигналов или компонентов сигнала, близких по частоте. Это называется фильтрацией . Вот некоторые примеры: выбор радиостанции среди нескольких близких по частоте или извлечение поднесущей цветности из телевизионного сигнала. При всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте. Таким образом, более узкая полоса пропускания и большая избирательность могут быть достигнуты путем преобразования сигнала в более низкую ПЧ и выполнения фильтрации на этой частоте. FM- и телевещание с их узкой шириной канала, а также более современные телекоммуникационные услуги, такие как сотовые телефоны и кабельное телевидение , были бы невозможны без использования преобразования частоты. ^[4]

Использование

Вероятно, наиболее часто используемые промежуточные частоты для приемников вещания составляют около 455 кГц для приемников AM и 10,7 МГц для приемников FM. В приемниках специального назначения могут использоваться и другие частоты. Приемник с двойным преобразованием может иметь две промежуточные частоты: более высокую для улучшения подавления изображения и вторую, более низкую, для желаемой избирательности. Первая промежуточная частота может даже быть выше входного сигнала, так что все нежелательные отклики можно легко отфильтровать с помощью РЧ-каскада с фиксированной настройкой. ^[5]

В цифровом приемнике аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает с низкой частотой дискретизации, поэтому для обработки входной RF необходимо свести к ПЧ. Промежуточная частота имеет тенденцию находиться в более низкочастотном диапазоне по сравнению с передаваемой радиочастотной частотой. Однако выбор ПЧ больше всего зависит от доступных компонентов, таких как смеситель, фильтры, усилители и другие, которые могут работать на более низкой частоте. Существуют и другие факторы, влияющие на выбор ПЧ, поскольку более низкая ПЧ чувствительна к шуму, а более высокая ПЧ может вызвать дрожание тактового сигнала.

Современные приемники спутникового телевидения используют несколько промежуточных частот. ^[6] 500 телевизионных каналов типовой системы передаются со спутника абонентам в микроволновом диапазоне Ku , в двух поддиапазонах 10,7–11,7 и 11,7–12,75 ГГц. Сигнал нисходящей линии связи принимается спутниковой тарелкой . В коробке в центре антенны, называемой малошумящим блочным понижающим преобразователем (LNB), каждый блок частот преобразуется в диапазон ПЧ 950–2150 МГц двумя гетеродинами фиксированной частоты на 9,75 и 10,6 ГГц. Один из двух блоков выбирается управляющим сигналом от приставки внутри, который включает один из гетеродинов. Эта ПЧ переносится в здание к телевизионному приемнику по коаксиальному кабелю. В телеприставке кабельной компании сигнал преобразуется в более низкую ПЧ 480 МГц для фильтрации с помощью генератора переменной частоты. ^[6] Он передается через полосовой фильтр 30 МГц, который выбирает сигнал от одного из транспондеров на спутнике, который передает несколько каналов. Дальнейшая обработка выбирает нужный канал, демодулирует его и отправляет сигнал на телевизор.

История

Промежуточная частота впервые была использована в супергетеродинном радиоприемнике, изобретенном американским ученым майором Эдвином Армстронгом в 1918 году, во время Первой мировой войны . ^{[7] [8]} Армстронг, член Корпуса связи , строил радиопеленгаторное оборудование для отслеживания немецких военных сигналов на очень высоких в то время частотах от 500 до 3500 кГц. Триодные ламповые усилители того времени не могли стабильно усиливать частоту выше 500 кГц; однако было легко заставить их колебаться выше этой частоты. Решение Армстронга состояло в том, чтобы установить генераторную лампу, которая создавала бы частоту вблизи входящего сигнала и смешивала ее с входящим сигналом в смесительной трубке, создавая гетеродин или сигнал на более низкой разностной частоте, где его можно было легко усилить. Например, чтобы уловить сигнал частотой 1500 кГц, гетеродин будет настроен на частоту 1450 кГц. Смешение этих двух частот позволило получить промежуточную частоту 50 кГц, что вполне соответствовало возможностям ламп. Название « супергетеродин» было сокращением слова « сверхзвуковой гетеродин» , чтобы отличить его от приемников, в которых частота гетеродина была достаточно низкой, чтобы ее можно было напрямую услышать, и которые использовались для приема передач кода Морзе в непрерывном режиме (CW) (не речи или музыки).

После войны, в 1920 году, Армстронг продал патент на супергетеродин компании Westinghouse , которая впоследствии продала его компании RCA . Повышенная сложность супергетеродинной схемы по сравнению с более ранними конструкциями регенеративных или настраиваемых радиочастотных приемников замедлила ее использование, но преимущества промежуточной частоты для избирательности и статического подавления в конечном итоге взяли верх; к 1930 году большинство продаваемых радиоприемников были «супергетами». Во время разработки радаров во время Второй мировой войны принцип супергетеродина был необходим для преобразования очень высоких частот радара в промежуточные частоты. С тех пор супергетеродинная схема со своей промежуточной частотой применяется практически во всех радиоприемниках.

Примеры

В RCA Radiola AR-812 ^[9] использовалось 6 триодов: смеситель, гетеродин, два каскада усилителя ПЧ и два каскада усилителя звука с ПЧ 45 кГц.

• вплоть до с. 20 кГц ^{[ нужна ссылка ]} , 30 кГц (ALM Sowerby и HB Dent), ^[10] 45 кГц (первый коммерческий супергетеродинный приемник: RCA Radiola AR-812 1923/1924 года), ^[9] c. 50 кГц, ^[10] в. 100 кГц, ^[10] в. 120 кГц ^[10]
• Частота 110 кГц использовалась в европейских длинноволновых радиовещательных приемниках AM. ^{[1] [11]}
• 175 кГц (ранние широкополосные приемники и приемники связи до появления сердечников из порошкового железа) ^{[1] [11] [10]}
• 260 кГц (ранние стандартные радиовещательные приемники), ^[11] 250–270 кГц ^[1]
• Распределение частот в Копенгагене: 415–490 кГц, 510–525 кГц ^[11]
• Радиоприемники AM : 450 кГц, 455 кГц (наиболее распространенные), ^[11] 460 кГц, 465 кГц, ^[10] 467 кГц, 470 кГц, 475 кГц и 480 кГц. ^[12]
• FM-радиоприемники : 262 кГц (старые автомагнитолы), ^[8] 455 кГц, 1,6 МГц, 5,5 МГц, 10,7 МГц (наиболее распространенные), ^[11] 10,8 МГц, ^[13] 11,2 МГц, 11,7 МГц, 11,8 МГц, 13,45 МГц, ^[14] 21,4 МГц, 75 МГц и 98 МГц. В супергетеродинных приемниках с двойным преобразованием часто используется первая промежуточная частота 10,7 МГц, за которой следует вторая промежуточная частота 470 кГц (или 700 кГц в случае DYNAS ^[15] ). Существуют конструкции с тройным преобразованием, используемые в приемниках полицейских сканеров, высококлассных приемниках связи и многих микроволновых системах двухточечной связи. Современные потребительские радиоприемники с чипом DSP часто используют для FM « низкую ПЧ » 128 кГц.
• Узкополосные FM- приемники: 455 кГц (наиболее распространенные), ^{[11] [16]} 470 кГц ^[16]
• Коротковолновые приемники: 1,6 МГц, ^[11] 1,6–3,0 МГц, ^[1] 4,3 МГц (только для приемников 40–50 МГц). ^[11] В супергетеродинных приемниках с двойным преобразованием первая промежуточная частота 3,0 МГц иногда сочетается со второй ПЧ 465 кГц. ^[1]
• Аналоговые телевизионные приемники, использующие систему M: 41,25 МГц (аудио) и 45,75 МГц (видео). Обратите внимание, что в процессе преобразования в системе с межнесущими канал переворачивается , поэтому ПЧ аудио ниже, чем ПЧ видео. Кроме того, отсутствует аудиогетеродин; этой цели служит введенный видеоноситель.
• Аналоговые телевизионные приемники, использующие систему B и аналогичные системы: 33,4 МГц для слухового и 38,9 МГц для визуального сигнала. (Рассуждение о преобразовании частоты такое же, как и в системе М.)
• Спутниковая линия вверх - оборудование нисходящей линии связи : 70 МГц, 950–1450 МГц (L-диапазон), первая ПЧ нисходящей линии связи.
• Наземное микроволновое оборудование: 250 МГц, 70 МГц или 75 МГц.
• Радар : 30 МГц.
• Радиочастотное испытательное оборудование: 310,7 МГц, 160 МГц и 21,4 МГц.

Смотрите также

• Механический фильтр
• Приемник с низкой ПЧ
• Приемник с нулевой ПЧ

Рекомендации

1. Лэнгфорд-Смит, Фриц , изд. (ноябрь 1941 г.) [1940 г.]. «Глава 15. Преобразование частоты: принцип супергетеродина / Глава 17. Усилители промежуточной частоты: выбор частоты». Справочник конструктора радиотрона (PDF) (4-е издание, 3-е изд.). Сидней, Австралия / Харрисон, Нью-Джерси, США: Wireless Press для Amalgamated Wireless Valve Company Pty. Ltd. / RCA Manufacturing Company, Inc., стр. 90, 99–100, 104, 158–159 [100, 159]. Архивировано (PDF) из оригинала 3 февраля 2021 г. Проверено 10 июля 2021 г. С. 100, 158–159: […] можно предположить, что искомая промежуточная частота равна 465  Кц/с […] по этой причине очень широко используются частоты в районе 450–465 Кц/с […] Супергетеродины приемники , разработанные специально для работы на коротких волнах, обычно имеют более высокую частоту ПЧ, примерно от 1600 до 3000 Кц/с, а также могут включать двойное изменение частоты. Например, приемник может изменить входящий сигнал сначала на 3000 Кц/с, а затем на 465 Кц/с или ниже. […] Для усилителей ПЧ радиоприемников используются различные частоты. Частота 110 Кц/с. широко используется в Европе, где используется длинноволновый диапазон . Обеспечивает чрезвычайно хорошую селективность, но серьезное срезание боковой полосы. Частота 175 Кц/с. В течение ряда лет использовался для приема в радиовещательном диапазоне как в Америке, так и в Австралии, но его использование в коротковолновом диапазоне не очень удовлетворительно. Частота в районе 250–270 Кц/с. также использовался в ограниченной степени в качестве компромисса между 175 и 465 Кц/с. Наиболее распространенные частоты для двухволновых приемников составляют от 450 до 465 кГц.[…] и, особенно если используются трансформаторы ПЧ с железным сердечником, этот диапазон частот является очень хорошим компромиссом. Для коротковолновых приемников, не предназначенных для работы на более низких частотах, промежуточная частота равна 1600 Кц/с. или выше. […] Частота 455 Кц/с. получает всеобщее признание в качестве стандартной частоты, и предпринимаются усилия по сохранению этой частоты свободной от радиопомех. […](См. также: Справочник конструктора радиотрона )
2. Армейское техническое руководство TM 11-665: Радиопередатчики и приемники CW и AM. Министерство армии США . 1952. стр. 195–197.
3. Рембовский, Анатолий; Ашихмин, Александр; Козьмин Владимир; и другие. (2009). Радиомониторинг: проблемы, методы и оборудование. Springer Science and Business Media. п. 26. ISBN 978-0387981000.
4. Диксон, Роберт (1998). Конструкция радиоприемника. ЦРК Пресс . стр. 57–61. ISBN 0-82470161-5.
5. Хейворд, Уэс (1977). Де Мо, Дуг (ред.). Твердотельная конструкция для радиолюбителя . Американская лига радиорелейной связи . стр. 82–87.
6. Лундстрем, Ларс-Ингемар (2006). Понимание цифрового телевидения: введение в системы DVB со спутниковым, кабельным, широкополосным и наземным телевидением. США: Тейлор и Фрэнсис . стр. 81–83. ISBN 0-24080906-8.
7. Редфорд, Джон (февраль 1996 г.). «Эдвин Говард Армстронг». Обреченные инженеры . Персональный сайт Джона Редфорда. Архивировано из оригинала 9 мая 2008 г. Проверено 10 мая 2008 г.
8. Wiccanpiper (08 января 2004 г.). «Супергетеродин». все.com . Архивировано из оригинала 9 июля 2021 г. Проверено 10 мая 2008 г.
9. Малановски, Грегори (2011). Гонка за беспроводной связью: как было изобретено (или открыто) радио. Авторхаус. п. 69. ИСБН 978-1-46343750-3.
10. Басси, Горден (1990). Беспроводная связь: решающее десятилетие - История британской индустрии беспроводной связи, 1924–34 гг. Серия IEE «История технологий». Том. 13. Лондон, Великобритания: Peter Peregrinus Ltd./Институт инженеров-электриков . стр. 18–19, 78. ISBN. 0-86341-188-6. ISBN 978-0-86341-188-5 . Архивировано из оригинала 11 июля 2021 г. Проверено 11 июля 2021 г. (136 страниц)
11. Сандел, Билл; Хансен, Ян К.; и другие. (январь 1960 г.) [1953, 1952, 1940, 1935, 1934]. «Глава 26. Усилители промежуточной частоты. Раздел 1. Выбор частоты (ii) Общепринятые промежуточные частоты / Раздел 2: Число каскадов / Глава 34. Типы АМ-приемников. Раздел 2: Супергетеродин / Глава 38. Таблицы, диаграммы и Прочие данные. Раздел 4. Стандартные частоты (iii) Стандартные промежуточные частоты». В Лэнгфорд-Смит, Фриц (ред.). Справочник конструктора радиотрона (PDF) (4-е изд.). Сидней, Австралия / Харрисон, Нью-Джерси, США: Беспроводная пресса для Amalgamated Wireless Valve Company Pty. Ltd. / Radio Corporation of America , подразделение электронных ламп. стр. 1021–1022, 1226, 1293–1295, 1361. Архивировано (PDF) из оригинала 8 июля 2021 г. Проверено 9 июля 2021 г. стр. 1021–1022, 1226, 1361: […] В результате опыта, накопленного в течение ряда лет, в дополнение к изложенным ранее соображениям, значения, выбранные для промежуточных частот большинства коммерческих приемников, стали довольно хорошо стандартизированы. Для большинства радиовещательных приемников, настраивающих диапазоны 540–1600  Кц/с и 6–18  Мгц/с , обычным является значение около 455 Кц/с. Частота 110 Кц/с широко используется в Европе, где действует длинноволновый диапазон 150–350 Кц/с. Приемники для использования только в коротковолновом диапазоне, обычно в диапазоне 40–50 Мгц/с, обычно используют скорость 4,3 Мгц/с, а для диапазона 88–108 Мгц/с они используют 10,7 Мгц/с. Последнее значение было принято в качестве стандарта в США и некоторых других странах для приемников ОВЧ . […] Коротковолновые приемники, использующие 1600 КГц/с, если в трансформаторах обычно используются две ступени (3 трансформатора), хотя часто используется одна ступень […] В широкополосных приемниках и приемниках связи обычно используются две или более ступени. Обычно используемая промежуточная частота составляет 455 Кц/с. Ранее в приемниках использовалась скорость 175 Кц/с, но с появлением сердечников из порошкового железа и разработкой ламп усилителей с большой крутизной, предыдущее возражение против использования более высоких промежуточных частот, то есть более низкого усиления, было аннулировано. […] Рекомендуется, чтобы супергетеродинные приемники , работающие в среднечастотном радиовещательном диапазоне, использовали промежуточную частоту 455 Кц/с. Эта частота зарезервирована как свободный канал для этой цели в большинстве стран мира. […] Европейское « Копенгагенское распределение частот » предусматривает следующие два промежуточных диапазона частот: 415–490 Кц/с и 510–525 Кц/с. […] Также используется промежуточная частота 175 Кц/с. […] Американское RTMA стандартизировал следующие промежуточные частоты (REC-109-B, март 1950 г.): Стандартные радиовещательные приемники — 260 или 455 Кц/с. Приемники УКВ-вещания — 10,7 Мгц/с.[1][2] (См. также: Справочник конструктора радиотрона )
12. Равалико, Доменико Э. (1992). Радиоэлементы (на итальянском языке). Милан, Италия: Хоепли.
13. Радиосканеры Electra Bearcat
14. "11. Описание схемы - 11.1. Принцип новой системы ПЧ" . Цифровой синтезаторный тюнер F-91 FM/AM — Руководство по обслуживанию (PDF) (на английском, французском и испанском языках). Токио, Япония / Лонг-Бич, США: Pioneer Electronic Corporation . Август 1987 г., стр. 35–38 [37–38]. Заказ № ARP1465. Архивировано (PDF) из оригинала 11 апреля 2021 г. Проверено 10 июня 2021 г. п. 37: […] Микшер […] выполняет изменение частоты так, чтобы умножить входной FM-сигнал на выходной VCO . F-91 вводит вторичную частоту 13,45 МГц. Полосовой фильтр […] имеет ту же узкую полосу пропускания, что и полосовой фильтр […] Входной сигнал […], проходящий через полосовой фильтр […], умножается на выходной сигнал ГУН на смесителе […], затем изменяется[ d] до исходной частоты. Исходный сигнал обнаруживается FM-детектором […] получается аудиовыход. […] Несмотря на использование фильтра с фиксированной центральной частотой, F-91 работает с переменным фильтром, так что центральная частота соответствует входному сигналу как эквивалент. […][3][4][5] (4 из 40 страниц) (Примечание. Pioneer Elite F-91 и очень похожий Pioneer Reference Digital Synthesizer Tuner F-717 (продаваемый в Японии) поддерживают активную систему отслеживания в реальном времени ( ARTS) в 1987 году, тогда как совершенно разные, но почти одинаково названные Pioneer Digital Synthesizer Tuner F-717 и F-717L (продававшиеся на международном уровне в 1987 году) были основаны на F-77 и не поддерживали ARTS.)
15. «U4292B - Микросхема FM-IF для системы DYNAS» (PDF) (техническое описание). А1 (предварительная ред.). Хайльбронн, Германия: Telefunken Semiconductors  [de] / TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH  [de] . 19 августа 1996 г. Архивировано из оригинала 15 марта 2020 г. Проверено 7 июня 2021 г. п. 1: […] Система DYNAS […] для автомобильных радиоприемников и домашних приемников […] система обработки FM -ПЧ […] полосовые фильтры с полосой пропускания примерно до 20 кГц по сравнению с 160 кГц для обычного […] фильтра […] отслеживает резонансную частоту до фактической частоты […][6] (13+1 стр.)
16. ICS - In-Channel-Select - das Empfangssystem der Zukunft / ICS-Restsignalverstärker (листовка о продукте и руководство) (на немецком языке). Берлин, Германия: HuC Elektronik / Hansen & Co. Архивировано из оригинала 11 июня 2021 г. Проверено 11 июня 2021 г.(3+7 страниц, отсутствует страница 6)