Конструкция радиоприемника включает в себя электронную конструкцию различных компонентов радиоприемника, которые обрабатывают радиочастотный сигнал от антенны для создания полезной информации, такой как звук. Сложность современного приемника и возможный диапазон используемых схем и методов в более общем плане рассматриваются в области электроники и техники связи . Термин «радиоприемник» в этой статье понимается как любое устройство, предназначенное для приема радиосигнала с целью генерирования полезной информации из сигнала, в первую очередь воссоздания так называемого группового сигнала (например, аудио), который модулирует радиосигнал во время передачи в системе связи или вещания.
Для получения практического результата при проектировании радиоприемника необходимо учитывать несколько фундаментальных критериев. Основными критериями являются коэффициент усиления , селективность , чувствительность и стабильность. Приемник должен содержать детектор для восстановления информации, первоначально внесенной в радиосигнал , - процесс, называемый модуляцией . [1]
Усиление требуется, поскольку сигнал, перехваченный антенной, будет иметь очень низкий уровень мощности, порядка пиковатт или фемтоватт . Для создания звукового сигнала в наушниках необходимо усилить этот сигнал в триллион раз или более. Величины требуемого усиления настолько велики, что предпочтительным является логарифмическая единица децибела - усиление в 1 триллион раз превышает мощность, составляющую 120 децибел, что является значением, достигаемым многими обычными приемниками. Усиление обеспечивается одним или несколькими каскадами усилителя в конструкции приемника; часть усиления применяется к радиочастотной части системы, а остальная часть — к частотам, используемым восстановленной информацией (аудио, видео или сигналами данных).
Избирательность — это способность «настроиться» только на одну станцию из многих, которые могут вести передачу в любой момент времени. Регулируемый полосовой фильтр является типичным каскадом приемника. Приемник может включать в себя несколько ступеней полосовых фильтров для обеспечения достаточной избирательности. Кроме того, конструкция приемника должна обеспечивать устойчивость к паразитным сигналам , которые могут генерироваться внутри приемника и создавать помехи полезному сигналу. Радиовещательным передатчикам в любой данной области назначаются частоты, чтобы получатели могли правильно выбрать нужную передачу; это ключевой фактор, ограничивающий количество передающих станций, которые могут работать в данной зоне.
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 своей сути любая схема выше абсолютного нуля генерирует некоторый случайный шум, который добавляется к полезным сигналам. В некоторых случаях атмосферный шум намного превышает шум, создаваемый в собственных цепях приемника, но в некоторых конструкциях к некоторым каскадам приемника применяются такие меры, как криогенное охлаждение, чтобы предотвратить затенение сигналов тепловым шумом. Очень хорошая конструкция приемника может иметь коэффициент шума , всего в несколько раз превышающий теоретический минимум для рабочей температуры и желаемой полосы пропускания сигнала. Цель состоит в том, чтобы обеспечить соотношение сигнал/шум восстановленного сигнала, достаточное для намеченной цели. Это соотношение также часто выражается в децибелах. Отношение сигнал/шум 10 дБ (сигнал в 10 раз сильнее шума) может быть использовано для голосовой связи опытными операторами, но приемник, предназначенный для высококачественного воспроизведения музыки, может потребовать отношения сигнал/шум 50 дБ или выше. соотношение.
Стабильность необходима, 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, необходимо тщательно контролировать большую величину генерируемого усиления, чтобы внутри приемника не возникало побочных излучений . Это приведет к искажению восстановленной информации или, в худшем случае, к излучению сигналов, мешающих работе других приемников.
Детекторный каскад восстанавливает информацию из радиочастотного сигнала и создает звук, видео или данные, которые изначально были введены в несущую волну . Детекторы могут быть такими же простыми, как детектор «огибающей» для амплитудной модуляции , или могут представлять собой более сложные схемы для недавно разработанных методов, таких как расширение спектра со скачкообразной перестройкой частоты .
Хотя автоматическая регулировка усиления не является фундаментальной для приемника, она очень удобна для пользователя, поскольку она автоматически компенсирует изменение уровней принимаемого сигнала или разные уровни, создаваемые разными передатчиками.
Для решения этих нескольких, иногда противоречивых факторов было разработано множество различных подходов и фундаментальных «блок-схем» приемников. После того как эти технические цели достигнуты, оставшийся процесс проектирования по-прежнему осложняется соображениями экономики, патентных прав и даже моды.
В кристаллическом радиоприемнике не используются активные части: оно питается только от самого радиосигнала, обнаруженная мощность которого подается в наушники, чтобы его вообще можно было услышать. Чтобы добиться хотя бы минимальной чувствительности, кварцевый радиоприемник ограничивается низкими частотами, используя большую антенну (обычно длинный провод). Он основан на обнаружении с использованием какого-либо полупроводникового диода , такого как оригинальный диод «кошачьи усы», открытый задолго до разработки современных полупроводников.
Кристаллический приемник очень прост, его можно легко изготовить или даже импровизировать, например, радиоприемник в окопе . Однако для работы кристаллического радио требуется сильный радиочастотный сигнал и длинная антенна. Он демонстрирует плохую избирательность , поскольку имеет только одну настроенную цепь.
Настроенный радиочастотный приемник (TRF) состоит из усилителя радиочастоты, имеющего один или несколько каскадов, настроенных на желаемую частоту приема. За этим следует детектор, обычно детектор огибающей с использованием диода, за которым следует усиление звука. Он был разработан после изобретения триодной вакуумной лампы, что значительно улучшило прием радиосигналов с использованием электронного усиления, которое ранее не было доступно. Значительно улучшенная избирательность супергетеродинного приемника обогнала конструкцию TRF почти во всех приложениях, однако конструкция TRF все еще использовалась даже в 1960-х годах среди более дешевых «транзисторных радиоприемников» той эпохи.
Рефлекторный приемник представлял собой конструкцию начала 20-го века, которая состояла из однокаскадного TRF-приемника, но в котором использовалась та же усилительная трубка для усиления аудиосигнала после его обнаружения. Это было в эпоху, когда каждая лампа была основной статьей расходов (и потребителем электроэнергии), поэтому существенное увеличение количества пассивных элементов считалось предпочтительнее, чем включение дополнительной лампы. Конструкция имеет тенденцию быть довольно нестабильной и устаревшей.
Регенеративный приемник также пережил период своего расцвета в то время, когда добавление активного элемента (вакуумной лампы) считалось дорогостоящим. Чтобы увеличить коэффициент усиления приемника, в его единственном каскаде радиочастотного усилителя использовалась положительная обратная связь; это также значительно увеличило избирательность приемника, чего можно было бы ожидать от одиночной настроенной схемы. Величина обратной связи имела весьма решающее значение для определения результирующего усиления, и радист должен был тщательно регулировать ее. Увеличение обратной связи сверх определенной точки приводило к тому, что ступень колебалась с частотой, на которую она была настроена.
Автоколебания снизили качество приема AM (голосового) радиосигнала, но сделали его полезным в качестве приемника CW (кода Морзе). Сигнал биения между колебанием и радиосигналом будет производить звуковой «пищащий» звук. Колебания регенеративного приемника также могут быть источником локальных помех. Усовершенствованная конструкция, известная как сверхрегенеративный приемник, улучшила характеристики, позволив нарастать колебаниям, которые затем «гашались», при этом этот цикл повторялся с высокой (ультразвуковой) скоростью. Из прилагаемой схемы практического регенеративного приемника можно оценить его простоту по сравнению с многокаскадным TRF-приемником, при этом он позволяет достичь того же уровня усиления за счет использования положительной обратной связи.
В приемнике с прямым преобразованием сигналы от антенны настраиваются только с помощью одной настроенной схемы перед поступлением в смеситель , где они смешиваются с сигналом гетеродина , настроенным на несущую частоту передаваемого сигнала. Это отличается от супергетеродинной схемы, в которой гетеродин работает на смещенной частоте. Таким образом, выходом этого микшера является звуковая частота, которая проходит через фильтр нижних частот в аудиоусилитель , который может управлять динамиком.
Для приема CW ( кода Морзе ) гетеродин настраивается на частоту, немного отличающуюся от частоты передатчика, чтобы превратить принятый сигнал в звуковой сигнал.
Практически все современные приемники имеют супергетеродинную конструкцию. Радиочастотный сигнал от антенны может иметь одну ступень усиления для улучшения коэффициента шума приемника , хотя на более низких частотах это обычно опускается. Радиочастотный сигнал 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 «конвертер». Гетеродин настраивается на частоту несколько выше (или ниже) предполагаемой частоты приема так, чтобы сигнал ПЧ находился на определенной частоте, где он дополнительно усиливается в узкополосном многокаскадном усилителе. Настройка приемника включает в себя изменение частоты гетеродина с дальнейшей обработкой сигнала (особенно в отношении увеличения приемника), которую удобно выполнять на одной частоте (частоте ПЧ), что не требует дальнейшей настройки для разных станций.
Здесь мы показываем блок-схемы типичных супергетеродинных приемников для AM- и FM-вещания соответственно. В этой конкретной конструкции FM используется современный детектор фазовой автоподстройки 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 FM-вещания (88–108 МГц), используют ПЧ 10,7 МГц. ТВ-приемники часто используют промежуточные частоты около 40 МГц. Некоторые современные многодиапазонные приемники фактически сначала преобразуют диапазоны нижних частот в гораздо более высокие частоты (УКВ), после чего второй смеситель с настраиваемым гетеродином и второй каскад ПЧ обрабатывают сигнал, как указано выше.
Программно-определяемая радиосвязь (SDR) — это система радиосвязи , в которой компоненты, традиционно реализованные в аппаратном обеспечении (например, смесители , фильтры , усилители , модуляторы / демодуляторы , детекторы и т. д.), вместо этого реализуются посредством программного обеспечения на персональном компьютере. или встроенная система . [2] Хотя концепция SDR не нова, быстро развивающиеся возможности цифровой электроники делают практически возможными многие процессы, которые раньше были возможны только теоретически.