Проектирование радиоприемника включает в себя электронное проектирование различных компонентов радиоприемника , который обрабатывает радиочастотный сигнал с антенны для получения полезной информации, такой как аудио. Сложность современного приемника и возможный диапазон схем и используемых методов в целом рассматриваются в области электроники и коммуникационной техники . Термин «радиоприемник» в данной статье понимается как любое устройство, предназначенное для приема радиосигнала с целью получения из него полезной информации, в частности, воссоздания так называемого сигнала основной полосы частот (например, аудио), который модулировал радиосигнал во время передачи в системе связи или вещания.
Конструкция радиоприемника должна учитывать несколько фундаментальных критериев для получения практического результата. Главными критериями являются усиление , селективность , чувствительность и стабильность. Приемник должен содержать детектор для восстановления информации, изначально запечатленной на несущей радиосигнале , процесс, называемый модуляцией . [1]
Усиление необходимо, поскольку сигнал, перехваченный антенной, будет иметь очень низкий уровень мощности, порядка пиковатт или фемтоватт . Для создания слышимого сигнала в паре наушников требуется, чтобы этот сигнал был усилен в триллион раз или более. Величины требуемого усиления настолько велики, что предпочтительна логарифмическая единица децибел — усиление в 1 триллион раз от мощности составляет 120 децибел, что является значением, достигаемым многими обычными приемниками. Усиление обеспечивается одним или несколькими каскадами усилителя в конструкции приемника; часть усиления применяется в радиочастотной части системы, а остальная часть — на частотах, используемых восстановленной информацией (аудио, видео или сигналы данных).
Избирательность — это способность «настраиваться» только на одну станцию из многих, которые могут передавать в любой момент времени. Регулируемый полосовой фильтр — типичный каскад приемника. Приемник может включать несколько каскадов полосовых фильтров для обеспечения достаточной селективности. Кроме того, конструкция приемника должна обеспечивать иммунитет к ложным сигналам , которые могут генерироваться внутри приемника и которые будут мешать нужному сигналу. Вещательным передатчикам в любой заданной области назначаются частоты, чтобы приемники могли правильно выбирать нужную передачу; это ключевой фактор, ограничивающий количество передающих станций, которые могут работать в заданной области.
Чувствительность — это способность восстанавливать сигнал из фонового шума. Шум генерируется на пути между передатчиком и приемником, но также в значительной степени генерируется в собственных цепях приемника. По сути, любая цепь выше абсолютного нуля генерирует некоторый случайный шум, который добавляется к желаемым сигналам. В некоторых случаях атмосферный шум намного больше, чем тот, который создается в собственных цепях приемника, но в некоторых конструкциях применяются такие меры, как криогенное охлаждение на некоторых этапах приемника, чтобы предотвратить затуманивание сигналов тепловым шумом. Очень хорошая конструкция приемника может иметь коэффициент шума всего в несколько раз больше теоретического минимума для рабочей температуры и желаемой полосы пропускания сигнала. Цель состоит в том, чтобы создать отношение сигнал/шум восстановленного сигнала, достаточное для предполагаемой цели. Это отношение также часто выражается в децибелах. Отношение сигнал/шум 10 дБ (сигнал в 10 раз мощнее шума) может быть приемлемым для голосовой связи опытными операторами, но приемнику, предназначенному для высококачественного воспроизведения музыки, может потребоваться отношение сигнал/шум 50 дБ или выше.
Стабильность требуется по крайней мере в двух смыслах. Стабильность частоты ; приемник должен оставаться «настроенным» на входящий радиосигнал и не должен «дрейфовать» со временем или температурой. Кроме того, большая величина генерируемого усиления должна тщательно контролироваться, чтобы в приемнике не возникало паразитных излучений . Это может привести к искажению восстановленной информации или, в худшем случае, может излучать сигналы, которые мешают работе других приемников.
Детекторный этап восстанавливает информацию из радиочастотного сигнала и воспроизводит звук, видео или данные, которые были изначально запечатлены на несущей волне. Детекторы могут быть такими же простыми, как детектор "конверта" для амплитудной модуляции , или могут быть более сложными схемами для более недавно разработанных методов, таких как скачкообразное изменение частоты с расширением спектра .
Хотя автоматическая регулировка усиления не является основополагающей для приемника, она очень удобна для пользователя, поскольку она автоматически компенсирует изменение уровней принимаемого сигнала или различные уровни, создаваемые разными передатчиками.
Для решения этих нескольких, иногда противоречивых, факторов было разработано множество различных подходов и основных "блок-схем" приемника. После достижения этих технических целей оставшийся процесс проектирования все еще осложняется соображениями экономики, патентных прав и даже моды.
Кристаллический радиоприемник не использует никаких активных частей: он питается только от самого радиосигнала, чья обнаруженная мощность питает наушники, чтобы быть слышимым вообще. Чтобы достичь хотя бы минимальной чувствительности, кристаллический радиоприемник ограничен низкими частотами с помощью большой антенны (обычно длинного провода). Он полагается на обнаружение с помощью какого-то полупроводникового диода, такого как оригинальный диод «кошачий ус», открытый задолго до развития современных полупроводников.
Кристаллический приемник очень прост и его можно легко сделать или даже импровизировать, например, foxhole radio . Однако для работы кристаллическому радио требуется сильный радиочастотный сигнал и длинная антенна. Он демонстрирует плохую избирательность, поскольку имеет только один настроенный контур.
Настроенный радиочастотный приемник (TRF) состоит из радиочастотного усилителя, имеющего один или несколько каскадов, настроенных на желаемую частоту приема. За ним следует детектор, обычно детектор огибающей , использующий диод, за которым следует аудиоусиление. Он был разработан после изобретения триодной вакуумной лампы, значительно улучшив прием радиосигналов с использованием электронного усиления, которое ранее не было доступно. Значительно улучшенная избирательность супергетеродинного приемника превзошла конструкцию TRF почти во всех приложениях, однако конструкция TRF все еще использовалась вплоть до 1960-х годов среди более дешевых «транзисторных радиоприемников» той эпохи.
Рефлекторный приемник был разработан в начале 20-го века и состоял из однокаскадного приемника TRF, но использовал ту же усилительную трубку для усиления аудиосигнала после его обнаружения. Это было в эпоху, когда каждая трубка была большой статьей расходов (и потребителем электроэнергии), поэтому существенное увеличение числа пассивных элементов считалось бы более предпочтительным, чем включение дополнительной трубки. Конструкция, как правило, довольно нестабильна и устарела.
Регенеративный приемник также имел свой расцвет в то время, когда добавление активного элемента (вакуумной лампы) считалось дорогостоящим. Для того чтобы увеличить усиление приемника, в его единственном каскаде усилителя ВЧ использовалась положительная обратная связь; это также увеличивало избирательность приемника намного больше, чем можно было бы ожидать от единственной настроенной схемы. Величина обратной связи была весьма критична для определения результирующего усиления и должна была тщательно регулироваться радиооператором. Увеличение обратной связи сверх определенной точки заставляло каскад колебаться на частоте, на которую он был настроен.
Автоколебания снижали качество приема радиосигнала AM (голоса), но делали его полезным в качестве приемника CW (код Морзе). Сигнал биений между колебанием и радиосигналом производил звуковой «писк». Колебания регенеративного приемника также могли быть источником локальных помех. Улучшенная конструкция, известная как сверхрегенеративный приемник, улучшила производительность, позволяя колебанию нарастать, которое затем «гасилось», причем этот цикл повторялся с высокой (ультразвуковой) скоростью. Из прилагаемой схемы практического регенеративного приемника можно оценить его простоту по сравнению с многокаскадным приемником TRF, при этом он способен достигать того же уровня усиления за счет использования положительной обратной связи.
В приемнике прямого преобразования сигналы с антенны настраиваются только одной настроенной схемой перед поступлением в смеситель , где они смешиваются с сигналом от локального генератора , настроенного на несущую частоту передаваемого сигнала. Это отличается от супергетеродинной конструкции, где локальный генератор находится на смещенной частоте. Таким образом, выход этого смесителя представляет собой звуковую частоту, которая проходит через фильтр нижних частот в аудиоусилитель , который может управлять динамиком.
Для приема CW ( кода Морзе ) локальный генератор настраивается на частоту, немного отличающуюся от частоты передатчика, чтобы превратить принятый сигнал в слышимый «гудок».
Практически все современные приемники имеют конструкцию супергетеродина. Сигнал RF от антенны может иметь один каскад усиления для улучшения коэффициента шума приемника , хотя на более низких частотах это обычно опускается. Сигнал RF поступает в смеситель вместе с выходом гетеродина , чтобы создать так называемый сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Ранняя оптимизация супергетеродина заключалась в объединении гетеродина и смесителя в один каскад, называемый «конвертор». Гетеродин настраивается на частоту несколько выше (или ниже) предполагаемой частоты приема, так что сигнал ПЧ будет на определенной частоте, где он дополнительно усиливается в узкополосном многокаскадном усилителе. Настройка приемника включает в себя изменение частоты гетеродина, при этом дальнейшая обработка сигнала (особенно в отношении увеличения приемника) удобно выполняется на одной частоте (частота ПЧ), таким образом, не требуя дальнейшей настройки для разных станций.
Здесь мы показываем структурные схемы типичных супергетеродинных приемников для AM и FM вещания соответственно. Эта конкретная конструкция FM использует современный детектор с фазовой автоподстройкой частоты , в отличие от частотного дискриминатора или детектора отношения, которые использовались в более ранних FM приемниках.
Для супергетеродинных AM-приемников с одним преобразованием, предназначенных для средних волн (AM-вещание), ПЧ обычно составляет 455 кГц. Большинство супергетеродинных приемников, предназначенных для вещания FM (88 - 108 МГц), используют ПЧ 10,7 МГц. Телевизионные приемники часто используют промежуточные частоты около 40 МГц. Некоторые современные многодиапазонные приемники фактически сначала преобразуют более низкие частотные диапазоны в гораздо более высокую частоту (VHF), после чего второй смеситель с настраиваемым гетеродином и второй ступенью ПЧ обрабатывают сигнал, как указано выше.
Программно-определяемая радиосистема (SDR) — это система радиосвязи , в которой компоненты, которые традиционно реализовывались в аппаратном обеспечении (например , смесители , фильтры , усилители , модуляторы / демодуляторы , детекторы и т. д.), вместо этого реализуются с помощью программного обеспечения на персональном компьютере или встроенной системе . [2] Хотя концепция SDR не нова, быстро развивающиеся возможности цифровой электроники делают практическими многие процессы, которые раньше были возможны только теоретически.