В радиосвязи радиоприемник , также известный как приемник , радиоприемник или просто радио , представляет собой электронное устройство, которое принимает радиоволны и преобразует переносимую ими информацию в пригодную для использования форму . Используется с антенной . Антенна перехватывает радиоволны ( электромагнитные волны радиочастоты ) и преобразует их в слабые переменные токи , которые подаются на приемник, и приемник извлекает нужную информацию. Приемник использует электронные фильтры для отделения полезного 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 важными компонентами всех систем, использующих радиосвязь . Информация, создаваемая приемником, может быть в форме звука, видео ( телевидения ) или цифровых данных . [1] Радиоприемник может представлять собой отдельный элемент электронного оборудования или электронную схему внутри другого устройства. Наиболее знакомым большинству людей типом радиоприемника является вещательный радиоприемник, воспроизводящий звук, передаваемый радиовещательными станциями, что исторически является первым радиоприложением на массовом рынке. Радиовещательный приемник обычно называют «радио». Однако радиоприемники очень широко используются и в других областях современной техники, в телевизорах , сотовых телефонах , беспроводных модемах , радиочасах и других компонентах связи, дистанционного управления и беспроводных сетевых системах.
Наиболее распространенной формой радиоприемника является вещательный приемник, часто называемый просто радио , который принимает аудиопрограммы , предназначенные для общественного приема, передаваемые местными радиостанциями . Звук воспроизводится либо динамиком радиоприемника , либо наушником , который подключается к разъему радиоприемника. Радиоприемнику требуется электроэнергия , обеспечиваемая либо батареями внутри радиоприемника, либо шнуром питания, который подключается к электрической розетке . Все радиоприемники имеют регулятор громкости для регулировки громкости звука, а также некоторый тип «настройки» для выбора принимаемой радиостанции.
Модуляция — это процесс добавления информации к несущей радиоволне .
В аналоговых системах радиовещания используются два типа модуляции; АМ и ФМ.
При амплитудной модуляции (АМ) мощность радиосигнала зависит от аудиосигнала. AM-вещание разрешено в диапазонах AM-вещания , которые находятся между 148 и 283 кГц в длинноволновом диапазоне и между 526 и 1706 кГц в среднечастотном (СЧ) диапазоне радиоспектра . AM-вещание также разрешено в коротковолновых диапазонах примерно от 2,3 до 26 МГц, которые используются для международного вещания на большие расстояния.
При частотной модуляции (FM) частота радиосигнала незначительно изменяется в зависимости от аудиосигнала. FM-вещание разрешено в диапазонах FM-вещания от 65 до 108 МГц в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ). Точные диапазоны частот несколько различаются в разных странах.
FM- стереорадиостанции вещают в стереофоническом звуке (стерео), передавая два звуковых канала, представляющих левый и правый микрофоны . Стереоресивер содержит дополнительные схемы и параллельные пути прохождения сигнала для воспроизведения двух отдельных каналов. Монофонический приемник, напротив, принимает только один аудиоканал , который представляет собой комбинацию (сумму) левого и правого каналов. [2] [3] [4] Хотя стереопередатчики и приемники AM существуют, они не достигли популярности FM-стерео.
Большинство современных радиоприемников способны принимать радиостанции AM и FM и имеют переключатель для выбора диапазона приема; они называются радиоприемниками AM/FM .
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. Его преимущества заключаются в том, что DAB потенциально 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 радиоспектра и обеспечивает расширенные пользовательские функции, такие как электронная программа передач , спортивные комментарии и слайд-шоу. Его недостатком является то, что он несовместим 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 прослушивают 420 миллионов человек. США 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 передает от 9 до 12 каналов, из которых слушатель может выбирать. Вещательные компании могут передавать канал с разной скоростью 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).
Сила сигнала радиоволн уменьшается по мере удаления от передатчика, поэтому радиостанцию можно принимать только в пределах ограниченного диапазона ее передатчика. Диапазон зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, атмосферного и внутреннего шума , а также любых географических препятствий, таких как холмы, между передатчиком и приемником. Радиоволны AM-диапазона распространяются как земные волны , повторяющие контур Земли, поэтому радиостанции AM можно надежно принимать на расстоянии сотен миль. Из-за своей более высокой частоты радиосигналы FM-диапазона не могут распространяться далеко за пределы визуального горизонта; расстояние приема ограничивается примерно 40 милями (64 км) и может быть заблокировано холмами между передатчиком и приемником. Однако FM-радио менее восприимчиво к помехам от радиошума ( RFI , сферические помехи , статические помехи) и имеет более высокую точность воспроизведения ; лучшая частотная характеристика и меньше искажений звука , чем у AM. Таким образом, в странах, где все еще транслируется AM-радио, серьезная музыка обычно транслируется только FM-станциями, а AM-станции специализируются на радионовостях , разговорном радио и спортивном радио . Как и FM, сигналы DAB распространяются по прямой видимости , поэтому дальность приема ограничена визуальным горизонтом примерно до 30–40 миль (48–64 км).
Радиоприемники производятся в различных стилях и функциях:
Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радиосвязь . Помимо описанных выше радиовещательных приемников, радиоприемники используются в огромном разнообразии электронных систем современной техники. Они могут представлять собой отдельное оборудование (радиоприемник ) или подсистему, встроенную в другие электронные устройства. Трансивер – это передатчик и приемник , объединенные в один блок. Ниже приведен список нескольких наиболее распространенных типов, сгруппированных по функциям.
Радиоприемник подключен к антенне , которая преобразует часть энергии входящей радиоволны в небольшое переменное напряжение радиочастоты , которое подается на вход приемника. Антенна обычно состоит из 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 в сотовых телефонах; прикрепляются к внешней стороне приемника, как в случае со штыревыми антеннами, используемыми в FM-радиоприемниках , или монтируются отдельно и подключаются к приемнику с помощью кабеля, как в случае с телевизионными антеннами на крыше и спутниковыми антеннами .
Практические радиоприемники выполняют три основные функции сигнала от антенны: фильтрацию , усиление и демодуляцию : [8]
Радиоволны от многих передатчиков проходят по воздуху 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 желаемой радиопередачи и блокирует сигналы на всех других частотах.
Полосовой фильтр состоит из одного или нескольких резонансных контуров (настроенных контуров). Резонансный контур включается 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 низкий импеданс, поэтому сигналы на этих частотах передаются на землю.
Мощность радиоволн, улавливаемых приемной антенной, уменьшается пропорционально квадрату ее расстояния от передающей антенны. Даже при использовании мощных передатчиков, используемых на радиовещательных станциях, если приемник находится на расстоянии более нескольких миль от передатчика, мощность, улавливаемая антенной приемника, очень мала, возможно, всего лишь в пиковаттах или фемтоваттах . Чтобы увеличить мощность восстановленного сигнала, схема усилителя использует электроэнергию от батарей или сетевой вилки для увеличения амплитуды (напряжения или тока) сигнала. В большинстве современных приемников электронными компонентами, обеспечивающими усиление, являются транзисторы .
Приемники обычно имеют несколько ступеней усиления: радиосигнал от полосового фильтра усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для управления демодулятором, затем усиливается аудиосигнал от демодулятора, чтобы сделать его достаточно мощным для работы динамика. Степень усиления радиоприемника измеряется параметром, называемым его чувствительностью , который представляет собой минимальную силу сигнала станции на антенне, измеряемую в микровольтах , необходимую для четкого приема сигнала, с определенным соотношением сигнал/шум. . Поскольку сигнал легко усилить до любой желаемой степени, 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 с помощью схемы, называемой демодулятором ( детектором ). Для каждого типа модуляции требуется свой тип демодулятора.
Многие другие типы модуляции также используются для специализированных целей.
Выходной сигнал модуляции демодулятора обычно усиливается для увеличения его силы, затем информация преобразуется обратно в удобную для человека форму с помощью преобразователя определенного типа . Аудиосигнал , представляющий звук, как в радиовещании, преобразуется в звуковые волны с помощью наушников или громкоговорителя . Видеосигнал , представляющий движущиеся изображения, как в телевизионном приемнике , преобразуется дисплеем в свет . Цифровые данные , как и в беспроводном модеме , подаются в качестве входных данных в компьютер или микропроцессор , который взаимодействует с пользователями.
_receiver_block_diagram_2.svg/1280px-Tuned_radio_frequency_(TRF)_receiver_block_diagram_2.svg.png)
В простейшем типе радиоприемника, называемом настроенным радиочастотным (TRF) приемником , три вышеуказанные функции выполняются последовательно: [9] (1) смесь радиосигналов от антенны фильтруется для извлечения сигнала нужного передатчика. ; (2) это колебательное напряжение передается через усилитель радиочастоты (РЧ) для увеличения его силы до уровня, достаточного для управления демодулятором; (3) демодулятор восстанавливает сигнал модуляции (который в вещательных приемниках представляет собой аудиосигнал , напряжение, колеблющееся со скоростью звуковой частоты , представляющей звуковые волны) из модулированной несущей радиоволны ; (4) сигнал модуляции дополнительно усиливается в аудиоусилителе , затем подается на громкоговоритель или наушники для преобразования его в звуковые волны.
Хотя приемник TRF используется в некоторых приложениях, он имеет практические недостатки, которые уступают ему супергетеродинному приемнику, описанному ниже, который используется в большинстве приложений. [9] Недостатки связаны с тем, что в TRF фильтрация, усиление и демодуляция выполняются на высокой частоте входящего радиосигнала. Полоса пропускания фильтра увеличивается вместе с его центральной частотой, поэтому, когда приемник TRF настроен на разные частоты, его полоса пропускания меняется. Самое главное, растущая перегруженность радиоспектра требует , чтобы радиоканалы располагались очень близко друг к другу по частоте. Крайне сложно построить фильтры, работающие на радиочастотах, имеющих достаточно узкую полосу пропускания для разделения близко расположенных радиостанций. Приемники TRF обычно должны иметь множество каскадных ступеней настройки для достижения адекватной избирательности. В разделе «Преимущества» ниже описывается, как супергетеродинный приемник преодолевает эти проблемы.
Супергетеродинный приемник, изобретенный в 1918 году Эдвином Армстронгом [10], представляет собой конструкцию, используемую почти во всех современных приемниках [ 11] [9] [12] [13], за исключением нескольких специализированных приложений.
В супергетеродине радиочастотный сигнал от антенны перед обработкой сдвигается вниз до более низкой « промежуточной частоты » (ПЧ). [14] [15] [16] [17] Поступающий от антенны радиочастотный сигнал смешивается с немодулированным сигналом, генерируемым гетеродином ( LO) в приемнике. Смешивание осуществляется в нелинейной схеме, называемой « смесителем ». Результатом на выходе смесителя является гетеродин или частота биений на разнице этих двух частот. Этот процесс аналогичен тому, как две музыкальные ноты разной частоты, сыгранные вместе, образуют тактовую ноту . 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 получения другой частоты необходимо лишь изменить частоту гетеродина. Ступени 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 сложный кварцевый кристалл , керамический резонатор или фильтры ПЧ на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые имеют очень высокие коэффициенты добротности для улучшения избирательности.
Радиочастотный фильтр на входе приемника необходим для предотвращения помех от любых радиосигналов на частоте изображения . Без входного фильтра приемник может принимать входящие радиочастотные сигналы на двух разных частотах. [18] [13] [17] [19] Приемник может быть спроектирован для приема на любой из этих двух частот; если приемник предназначен для приема на одной частоте, любая другая радиостанция или радиошум на другой частоте могут пройти и помешать полезному сигналу. Один настраиваемый каскад радиочастотного фильтра подавляет частоту изображения; поскольку они относительно далеки от желаемой частоты, простой фильтр обеспечивает адекватное подавление. Подавление мешающих сигналов, гораздо более близких по частоте к полезному сигналу, осуществляется с помощью нескольких точно настроенных каскадов 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 «отслеживаться» в тандеме с гетеродином. Радиочастотный фильтр также служит для ограничения полосы пропускания радиочастотного усилителя, предотвращая его перегрузку сильными внеполосными сигналами.
Чтобы добиться как хорошего подавления изображения, так и избирательности, многие современные супергетеретные приемники используют две промежуточные частоты; это называется супергетеродином с двойным преобразованием или двойным преобразованием . [9] Входящий радиочастотный сигнал сначала смешивается с одним сигналом гетеродина в первом смесителе, чтобы преобразовать его в высокую частоту ПЧ, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию частоты изображения, затем этот первый ПЧ смешивается со вторым сигналом гетеродина. во втором смесителе, чтобы преобразовать его в низкую частоту ПЧ для хорошей полосовой фильтрации. Некоторые ресиверы даже используют тройное преобразование .
За счет дополнительных каскадов супергетеродинный приемник обеспечивает большую избирательность, чем можно достичь с помощью конструкции TRF. Если используются очень высокие частоты, только начальная ступень приемника должна работать на самых высоких частотах; Остальные каскады могут обеспечить большую часть усиления приемника на более низких частотах, которыми может быть легче управлять. Настройка упрощена по сравнению с многоступенчатой конструкцией TRF, и только две ступени должны отслеживать диапазон настройки. Общее усиление приемника разделено между тремя усилителями на разных частотах; ВЧ, ПЧ и усилитель звука. Это уменьшает проблемы с обратной связью и паразитными колебаниями , возникающие в приемниках, где большинство каскадов усилителя работают на той же частоте, что и в приемнике TRF. [14]
Наиболее важным преимуществом является то, что лучшей избирательности можно добиться, выполняя фильтрацию на более низкой промежуточной частоте. [9] [12] [14] Одним из наиболее важных параметров приемника является его полоса пропускания , полоса частот, которую он принимает. Для подавления близлежащих мешающих станций или шума необходима узкая полоса пропускания. Во всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте, поэтому, выполняя фильтрацию на более низкой , а не на частоте исходного радиосигнала , можно добиться более узкой полосы пропускания. Современное FM- и телевещание, мобильные телефоны и другие услуги связи с их узкой шириной канала были бы невозможны без супергетеродина. [12]
Сила сигнала ( амплитуда ) радиосигнала от антенны приемника сильно меняется, на порядки, в зависимости от того, насколько далеко находится радиопередатчик, насколько он мощный и условий распространения по пути радиоволн. [20] Сила сигнала, полученного от данного передатчика, меняется со временем из-за изменения условий распространения на пути, по которому проходит радиоволна, например, из-за многолучевой интерференции ; это называется затухание . [20] [9] В AM-приемнике амплитуда аудиосигнала от детектора и громкость звука пропорциональны амплитуде радиосигнала, поэтому затухание вызывает изменения громкости. Кроме того, поскольку приемник настроен на сильные и слабые станции, громкость звука из динамика будет сильно различаться. Без автоматической системы, способной справиться с этим, в АМ-приемнике потребовалась бы постоянная регулировка громкости.
При других типах модуляции, таких как FM или FSK, амплитуда модуляции не зависит 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, а чрезмерная амплитуда сигнала приведет к перегрузке (насыщению) каскадов усилителя, вызывая искажение (ограничение) сигнала.
Поэтому почти все современные приемники включают систему управления с обратной связью , которая контролирует 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 темновой адаптации человеческого глаза ; при входе в темную комнату усиление зрения увеличивается за счет открытия радужной оболочки. [20] В своей простейшей форме система АРУ состоит из выпрямителя , который преобразует радиочастотный сигнал в изменяющийся уровень постоянного тока, фильтра нижних частот для сглаживания изменений и получения среднего уровня. [21] Он подается в качестве управляющего сигнала на более ранний каскад усилителя для управления его коэффициентом усиления. В супергетеродинном приемнике АРУ обычно применяется к усилителю ПЧ , и может быть второй контур АРУ для управления коэффициентом усиления ВЧ-усилителя, чтобы также предотвратить его перегрузку.
В некоторых конструкциях приемников, таких как современные цифровые приемники, связанной проблемой является смещение сигнала по постоянному току. Это исправляется аналогичной системой обратной связи.
Радиоволны были впервые обнаружены в серии экспериментов немецкого физика Генриха Герца в 1887 году, призванных доказать электромагнитную теорию Джеймса Клерка Максвелла . Герц использовал дипольные антенны с искровым возбуждением для генерации волн и микрометровые искровые разрядники , прикрепленные к диполям и рамочным антеннам , для их обнаружения. [22] [23] [24] Эти примитивные устройства точнее описать как датчики радиоволн, а не «приемники», поскольку они могли обнаруживать радиоволны только в пределах примерно 100 футов от передатчика и использовались не для связи, а в качестве лабораторные приборы в научных экспериментах.
Первые радиопередатчики , использовавшиеся в течение первых трех десятилетий радиосвязи с 1887 по 1917 год, периода, называемого эрой искры , были передатчиками с искровым разрядником , 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 . Таким образом, искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию по радиотелеграфии . Передатчик быстро включался и выключался оператором с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы затухающих радиоволн различной длины («точки» и «тире») для написания текстовых сообщений азбукой Морзе . [24] [27]
Поэтому первые радиоприемники не должны были выделять звуковой сигнал из радиоволны, как современные приемники, а просто обнаруживали наличие радиосигнала и производили звук во время «точек» и «тире». [24] Устройство, которое это делало, называлось « детектором ». Поскольку в то время еще не было усилительных устройств, чувствительность приемника во многом зависела от детектора. Было опробовано множество различных детекторных устройств. Радиоприемники в эпоху искры состояли из следующих частей: [9]
Сигнал от передатчика разрядника состоял из затухающих волн, повторяющихся со звуковой частотой, от 120 до, возможно, 4000 в секунду, поэтому в наушниках сигнал звучал как музыкальный тон или жужжание, а азбука Морзе «точки» и «тире» "звучало как гудки.
Первым человеком, который использовал радиоволны для связи , был Гульельмо Маркони . [27] [30] Маркони мало что изобрел сам, но он был первым, кто поверил, что радио может быть практическим средством связи, и в одиночку разработал первые системы беспроводной телеграфии , передатчики и приемники, начиная с 1894–1895 годов, [30] в основном благодаря улучшение технологий, изобретенных другими. [27] [31] [32] [33] [34] [35] Оливер Лодж и Александр Попов также экспериментировали с аналогичным устройством для приема радиоволн одновременно в 1894–1895 годах, [32] [36] , но они неизвестно, чтобы он передавал азбуку Морзе в этот период, [27] [30] просто цепочки случайных импульсов. Поэтому Маркони обычно приписывают создание первых радиоприемников.
Первые радиоприемники, изобретенные Маркони, Оливером Лоджем и Александром Поповым в 1894-1895 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 и рыхлым металлическим порошком между электродами. [22] [27] [39] Изначально он имел высокое сопротивление . Когда на электроды было подано высокочастотное напряжение, их сопротивление упало, и они стали проводить электричество. В приемнике когерер был подключен непосредственно между антенной и землей. Помимо антенны когерер был включен в цепь постоянного тока с аккумулятором и реле . Когда приходящая радиоволна уменьшала сопротивление когерера, ток от батареи протекал через него, включая реле для звонка в колокольчик или создания отметки на бумажной ленте в сифонном самописце . Чтобы вернуть когерер в его предыдущее непроводящее состояние для приема следующего импульса радиоволн, по нему нужно было механически постучать, чтобы потревожить металлические частицы. [22] [27] [36] [40] Это было сделано с помощью «декогерера», хлопушки, которая ударяла по трубке, управляемой электромагнитом, питаемым от реле.
Когерер — малоизвестное старинное устройство, и даже сегодня существует некоторая неопределенность относительно точного физического механизма, посредством которого работали различные типы. [22] [31] [41] Однако можно видеть, что по сути это было бистабильное устройство, переключатель, управляемый радиоволнами, и поэтому он не имел возможности выпрямлять радиоволну для демодуляции более поздней амплитудной модуляции ( АМ) радиопередачи, несущие звук. [22] [31]
В ходе длинной серии экспериментов Маркони обнаружил, что, используя приподнятую проволочную монопольную антенну вместо дипольных антенн Герца , он может передавать сигналы на большие расстояния, за пределы Земли, демонстрируя, что радио — это не просто лабораторная диковинка, а коммерчески жизнеспособный метод связи. Кульминацией этого стала его историческая трансатлантическая беспроводная передача 12 декабря 1901 года из Полдху, Корнуолл, в Сент-Джонс, Ньюфаундленд , на расстояние 3500 км (2200 миль), которую принял когерер. [31] [35] Однако обычная дальность действия когерерных приемников даже с мощными передатчиками той эпохи была ограничена несколькими сотнями миль.
Когерер оставался доминирующим детектором, использовавшимся в первых радиоприемниках в течение примерно 10 лет, [39] пока его не заменили кристаллический детектор и электролитический детектор примерно в 1907 году. Несмотря на большую исследовательскую работу, это было очень грубое и неудовлетворительное устройство. [22] [27] Он был не очень чувствителен и также реагировал на импульсивный радиошум ( RFI ), например, на включение или выключение ближайшего света, а также на предполагаемый сигнал. [27] [39] Из-за громоздкого механического механизма «обратного ответа» скорость передачи данных кода Морзе составляла около 12-15 слов в минуту , в то время как передатчик с искровым разрядником мог передавать азбуку Морзе со скоростью до 100 слов в минуту с машина для изготовления бумажной ленты. [42] [43]
Плохая работа когерера побудила провести множество исследований по поиску более совершенных детекторов радиоволн, и многие из них были изобретены. Были опробованы какие-то странные устройства; исследователи экспериментировали с использованием лягушачьих лапок [44] и даже человеческого мозга [45] трупа в качестве детекторов. [22] [46]
К первым годам 20 века проводились эксперименты по использованию амплитудной модуляции (АМ) для передачи звука по радио ( радиотелефонии ). Поэтому второй целью исследования детекторов было найти детекторы, которые могли бы демодулировать AM-сигнал, извлекая аудиосигнал (звуковой) сигнал из несущей радиоволны . Методом проб и ошибок было обнаружено, что это можно сделать с помощью детектора, обладающего «асимметричной проводимостью»; устройство, проводящее ток в одном направлении, но не в другом. [47] Это выпрямило радиосигнал переменного тока, удалив одну сторону циклов несущей, оставив пульсирующий постоянный ток, амплитуда которого менялась в зависимости от сигнала аудиомодуляции. При применении к наушнику это будет воспроизводить передаваемый звук.
Ниже приведены детекторы, которые широко использовались до того, как примерно в 1920 году на смену пришли электронные лампы. [48] [49] Все, кроме магнитного детектора, могли выпрямлять и, следовательно, принимать AM-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 демодулятор , устройство, которое могло извлекать сигнал звуковой модуляции из радиосигнала. В этом его смысл сегодня.
«Настройка» означает настройку частоты приемника на частоту желаемой радиопередачи. Первые приемники не имели настраиваемой схемы, 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, потому что первые искровые передатчики Герца также не имели настроенной схемы. Благодаря импульсному характеру искры энергия радиоволн распространялась в очень широком диапазоне частот. [64] [65] Чтобы получить достаточно энергии от этого широкополосного сигнала, приемник также должен был иметь широкую полосу пропускания.
Когда в определенной области излучалось более одного искрового передатчика, их частоты перекрывались, поэтому их сигналы мешали друг другу, что приводило к искажению приема. [28] [63] [66] Требовался какой-то метод, позволяющий приемнику выбирать, сигнал какого передатчика принимать. [66] [67] Несколько длин волн, создаваемые плохо настроенным передатчиком, приводили к «затуханию» или затуханию сигнала, что значительно уменьшало мощность и дальность передачи. [68] В 1892 году Уильям Крукс прочитал лекцию [69] о радио, в которой предложил использовать резонанс для уменьшения полосы пропускания передатчиков и приёмников. Затем разные передатчики можно было «настроить» для передачи на разных частотах, чтобы они не создавали помех. [35] [64] [70] Приёмник также будет иметь резонансный контур (настроенный контур) и сможет принимать конкретную передачу, «настраивая» свой резонансный контур на ту же частоту, что и передатчик, аналогично настройке музыкального инструмента на резонанс с другим. Эта система используется во всех современных радиостанциях.
Настройка использовалась в оригинальных экспериментах Герца [71] , а практическое применение настройки появилось в начале-середине 1890-х годов в беспроводных системах, не предназначенных специально для радиосвязи. Лекция Николы Теслы в марте 1893 года, демонстрирующая беспроводную передачу энергии для освещения (в основном за счет того, что он считал проводимостью заземления [72] ), включала элементы настройки. Беспроводная система освещения состояла из заземленного резонансного трансформатора с искровым возбуждением и проволочной антенной, которая передавала мощность через всю 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 физику и оптические свойства радиоволн вместо того, чтобы пытаться построить систему связи, но он продолжил разработку методов (запатентованных в 1897 году) настройки радио (то, что он назвал «синтонией»), в том числе 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 в свои передатчики и приемники настроенные схемы , состоящие из соединенных вместе конденсаторов и индукторов . [28] [32] [35] [37] [63] [75] Настроенная схема действовала как электрический аналог камертона . Он имел высокий импеданс на резонансной частоте , но низкий импеданс на всех остальных частотах. Подключенный между антенной и детектором, он служил полосовым фильтром , пропуская сигнал нужной станции на детектор, но направляя все остальные сигналы на землю. [29] Частота приема станции f определялась емкостью C и индуктивностью L в настроенной цепи:
Чтобы отклонить радиошум и помехи от других передатчиков, близких по частоте к нужной станции, полосовой фильтр (настроенная схема) в приемнике должен иметь узкую полосу пропускания , пропускающую только узкую полосу частот. [28] [29] Форма полосового фильтра, который использовался в первых приемниках и который продолжал использоваться в приемниках до недавнего времени, представлял собой схему с индуктивной связью с двойной настройкой или резонансный трансформатор ( трансформатор колебаний или ВЧ-трансформатор). . [28] [32] [35] [37] [75] [77] Антенна и земля были подключены к катушке провода, которая была магнитно связана со второй катушкой с конденсатором на ней, которая была подключена к детектору. . [29] Переменный радиочастотный ток, идущий от антенны через первичную катушку, создавал магнитное поле , которое индуцировало ток во вторичной катушке, питавшей детектор. И первичная, и вторичная цепи были настроенными; [63] первичная катушка резонировала с емкостью антенны, а вторичная катушка резонировала с конденсатором на ней. Оба были настроены на одну и ту же резонансную частоту .
Эта схема имела два преимущества. [29] Во-первых, при использовании правильного соотношения витков импеданс антенны можно было согласовать с импедансом приемника, чтобы передать максимальную радиочастотную мощность приемнику. Согласование импеданса было важно для достижения максимальной дальности приема в приемниках без усилителя той эпохи. [25] [29] Катушки обычно имели отводы, которые можно было выбирать с помощью многопозиционного переключателя. Вторым преимуществом было то, 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»; физически разделены, поэтому не все магнитное поле первичной обмотки проходит через вторичную обмотку, что снижает взаимную индуктивность . Это дало связанным настроенным схемам гораздо более «острую» настройку и более узкую полосу пропускания, чем одиночная настроенная схема. В свободной муфте «типа ВМФ» (см. рисунок) , широко используемой с кварцевыми приемниками , меньшая вторичная катушка монтировалась на стойке, которую можно было вдвигать в первичную катушку или вынимать из нее, чтобы изменять взаимную индуктивность между катушками. [28] [78] Когда оператор сталкивался с мешающим сигналом на ближайшей частоте, вторичная обмотка могла выдвигаться дальше от первичной, уменьшая связь, что сужало полосу пропускания и подавляло мешающий сигнал. Недостаток заключался в том, что все три регулировки свободной муфты — первичная настройка, вторичная настройка и связь — были интерактивными; изменение одного изменило и другие. Таким образом, настройка новой станции представляла собой процесс последовательных корректировок.
Избирательность стала более важной, поскольку искровые передатчики были заменены передатчиками непрерывного действия , которые передавали в узком диапазоне частот, а радиовещание привело к увеличению количества близко расположенных радиостанций, заполняющих радиоспектр. [29] Резонансные трансформаторы продолжали использоваться в качестве полосовых фильтров в ламповых радиоприемниках, и были изобретены новые формы, такие как вариометр . [78] [79] Еще одним преимуществом трансформатора с двойной настройкой для приема AM было то, что при правильной настройке он имел кривую частотной характеристики с «плоской вершиной» в отличие от «пиковой» характеристики одинарной настроенной схемы. [80] Это позволило ему проходить 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, используемые во всех современных приемниках, изготавливались на основе резонансных трансформаторов, называемых трансформаторами ПЧ .
Первоначальная радиосистема Маркони имела относительно плохую настройку, что ограничивало ее радиус действия и увеличивало помехи. [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 № 7,777 (четыре семерки) на настройку, поданный в апреле 1900 года и выданный годом позже, открыл дверь для патентных споров, 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 патента с четырьмя настроенными схемами, поданная в ноябре 1900 года, была первоначально отклонена на основании того, что она была предусмотрена системой настройки Лоджа, а перезаправленные версии были отклонены из-за предыдущие патенты Брауна и Лоджа. [82] Дальнейшие разъяснения и повторная подача были отклонены, поскольку они нарушали части двух предыдущих патентов, полученных Теслой на его систему беспроводной передачи энергии. [83] Юристам Маркони удалось добиться повторного рассмотрения патента другим экспертом, который первоначально отклонил его из-за ранее существовавшего патента Джона Стоуна на настройку Стоуна , но он был окончательно одобрен в июне 1904 года на основании уникальной системы переменной индуктивности. настройка отличалась от настройки Стоуна [84] [85] , который настраивал, изменяя длину антенны. [82] Когда в 1911 году патент Лоджа Syntonic был продлен еще на 7 лет, компания Marconi согласилась урегулировать этот патентный спор, купив в 1912 году радиокомпанию Лоджа с ее патентом, предоставив им необходимый им приоритетный патент. [86] [87] В течение многих лет возникали и другие патентные споры, в том числе постановление Верховного суда США в 1943 году 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 могут не подавать в суд за нарушение патентных прав, когда их собственные патенты не имеют приоритета над патентами Лоджа, Стоуна и Теслы. [32] [70]
Хотя он был изобретен в 1904 году в эпоху беспроводной телеграфии, кварцевый радиоприемник также мог исправлять AM-передачи и служил мостом в эпоху радиовещания. Помимо того, что это был основной тип приемника, использовавшийся на коммерческих станциях в эпоху беспроводной телеграфии, это был первый приемник, широко использовавшийся публикой. [88] В течение первых двух десятилетий 20-го века, когда радиостанции начали передавать голос AM ( радиотелефония ) вместо радиотелеграфии, прослушивание радио стало популярным хобби, а кристалл был самым простым и дешевым детектором. Миллионы людей, которые приобрели или самостоятельно изготовили эти недорогие надежные приемники, создали массовую аудиторию, слушающую первые радиопередачи , которые начались примерно в 1920 году. [89] К концу 1920-х годов кварцевый приемник был вытеснен ламповыми приемниками и стал коммерчески устаревшим. Однако его продолжали использовать молодежь и бедняки до Второй мировой войны . [88] Сегодня эти простые радиоприемники конструируются студентами в рамках образовательных научных проектов.
В кристаллическом радиоприемнике использовался детектор кошачьих усов , изобретенный Харрисоном Данвуди и Гринлифом Уиттиером Пикардом в 1904 году, для извлечения звука из радиочастотного сигнала. [29] [51] [90] Он состоял из минерального кристалла, обычно галенита , к которому слегка прикасалась тонкая пружинистая проволока («кошачий ус») на регулируемом рычаге. [51] [91] Полученный грубый полупроводниковый переход функционировал как диод с барьером Шоттки , проводя только в одном направлении. Только отдельные участки поверхности кристалла работали как детекторные контакты, и контакт мог быть нарушен малейшей вибрацией. Таким образом, перед каждым использованием методом проб и ошибок находился пригодный для использования сайт; оператор водил кошачьим усом по кристаллу, пока радио не начинало работать. Фредерик Зейтц, более поздний исследователь полупроводников, писал:
Такая изменчивость, граничащая с тем, что казалось мистическим, отравляла раннюю историю кристаллических детекторов и заставила многих экспертов по электронным лампам более позднего поколения считать искусство выпрямления кристаллов почти постыдным. [92]
Кристаллическое радио не имело усиления и потребляло мощность радиоволн, полученных от радиостанции, поэтому его приходилось слушать в наушниках ; он не мог управлять громкоговорителем . [29] [91] Для этого требовалась длинная проводная антенна, и ее 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 радиовещательных станций типичный домашний кристаллический набор имел более ограниченный радиус действия - около 25 миль. [95] В сложных кристаллических радиоприемниках для увеличения добротности использовалась индуктивно настроенная схема со «свободной связью» . Однако он по-прежнему имел плохую избирательность по сравнению с современными приемниками. [91]
Примерно с 1905 года передатчики непрерывного излучения (CW) начали заменять искровые передатчики для радиотелеграфии, поскольку они имели гораздо большую дальность действия. Первыми передатчиками непрерывного излучения были дуга Поульсена, изобретенная в 1904 году, и генератор переменного тока Александерсона, разработанный в 1906–1910 годах, которые примерно с 1920 года были заменены передатчиками на электронных лампах .
Сигналы непрерывной радиотелеграфии, вырабатываемые этими передатчиками, требовали другого метода приема. [96] [97] Радиотелеграфные сигналы, вырабатываемые передатчиками с искровым разрядником, состояли из цепочек затухающих волн , повторяющихся со скоростью звука, поэтому «точки» и «тире» азбуки Морзе были слышны в наушниках приемников как тон или жужжание. . Однако новые непрерывные радиотелеграфные сигналы просто состояли из импульсов немодулированной несущей ( синусоидальных волн ). В наушниках приемника их было не слышно. Чтобы принять этот новый тип модуляции, приемник должен был воспроизводить какой-то тон во время импульсов несущей.
Первым грубым устройством, которое сделало это, был тиккер , изобретенный в 1908 году Вальдемаром Поульсеном . [48] [96] [98] Это был вибрирующий прерыватель с конденсатором на выходе тюнера, который служил элементарным модулятором , прерывая несущую на звуковой частоте, создавая таким образом гул в наушниках, когда несущая присутствовала. [11] Аналогичным устройством было «тоновое 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 добиться этого. [96] [98] [99] [100] В его гетеродинном приемнике немодулированный синусоидальный радиосигнал на частоте f O , смещенной от входящей несущей радиоволны f C , подавался на выпрямляющий детектор, такой как кварцевый детектор или электролитический детектор. , вместе с радиосигналом от антенны. В детекторе два сигнала смешиваются, создавая две новые частоты гетеродина ( биений ) в сумме f C + f O и разнице f C − f O между этими частотами. При правильном выборе f O нижний гетеродин f C − f O находился в диапазоне звуковых частот , поэтому его можно было услышать в наушниках в виде тона всякий раз, когда присутствовала несущая. Таким образом, «точки» и «тире» азбуки Морзе были слышны как музыкальные «гудки». Основная привлекательность этого метода в период предварительного усиления заключалась в том, что гетеродинный приемник фактически несколько усиливал сигнал, а детектор имел «усиление смесителя». [98]
Приемник опередил свое время, поскольку на момент его изобретения не было генератора, способного генерировать радиочастотный синусоидальный сигнал f O с необходимой стабильностью. [101] Фессенден сначала использовал свой большой радиочастотный генератор переменного тока , [11] но это было непрактично для обычных приемников. Гетеродинный приемник оставался лабораторной диковинкой до тех пор, пока не появился дешевый компактный источник непрерывных волн — электронный генератор на вакуумной лампе [98] , изобретенный Эдвином Армстронгом и Александром Мейснером в 1913 году. [48] [102] После этого он стал стандартным методом приема. CW радиотелеграфия. Гетеродинный генератор является предшественником генератора частоты биений (BFO), который сегодня используется для приема радиотелеграфии в приемниках связи . 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 генератор частоты биений может быть фиксированной частотой.
Позже Армстронг использовал гетеродинный принцип 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 Audion ( триод ) , изобретенная Ли Де Форестом в 1906 году , стала первым практическим усилительным устройством и произвела революцию в радио. [58] Передатчики на электронных лампах заменили искровые передатчики и сделали возможными четыре новых типа модуляции : радиотелеграфия с непрерывными волнами (CW), амплитудная модуляция (AM) около 1915 года, которая могла передавать звук (звук), частотная модуляция (FM) около 1938 года, которая имела много улучшенное качество звука и одна боковая полоса (SSB).
Усилительная электронная лампа использовала энергию батареи или электрической розетки для увеличения мощности радиосигнала, поэтому ламповые приемники могли быть более чувствительными и иметь больший диапазон приема, чем предыдущие приемники без усиления. Увеличенная выходная мощность звука также позволила им использовать громкоговорители вместо наушников , что позволило слушать более чем одному человеку. Первые громкоговорители были произведены примерно в 1915 году. Эти изменения привели к тому, что прослушивание радио стремительно превратилось из одиночного хобби в популярное социальное и семейное времяпрепровождение. Развитие амплитудной модуляции (АМ) и передатчиков на электронных лампах во время Первой мировой войны, а также наличие дешевых приемных ламп после войны подготовили почву для начала AM-вещания , которое возникло спонтанно примерно в 1920 году.
Появление радиовещания значительно увеличило рынок радиоприемников и превратило их в потребительский продукт. [103] [104] [105] В начале 1920-х годов радиоприемник представлял собой устрашающее высокотехнологичное устройство со множеством загадочных ручек и элементов управления, требующих технических навыков для работы, помещенное в непривлекательный черный металлический ящик с жестяным корпусом. звуковой рупорный громкоговоритель . [104] К 1930-м годам вещательный приемник превратился в предмет мебели, помещенный в привлекательный деревянный корпус со стандартизированными элементами управления, которыми мог пользоваться каждый, и занимал почетное место в домашней гостиной. В ранних радиоприемниках несколько настраиваемых схем требовали регулировки нескольких ручек для настройки на новую станцию. Одним из наиболее важных нововведений, упрощающих использование, была «настройка одной ручкой», достигаемая за счет механического соединения настроечных конденсаторов. [104] [105] Громкоговоритель с динамическим диффузором , изобретенный в 1924 году, значительно улучшил частотную характеристику звука по сравнению с предыдущими рупорными динамиками, позволяя воспроизводить музыку с хорошей точностью. [104] [106] Были добавлены такие удобные функции, как большие подсвеченные циферблаты, регуляторы тембра , кнопка настройки, 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]
Для приемника на электронных лампах требовалось несколько источников питания с разным напряжением, которые в ранних радиоприемниках питались от отдельных батарей. К 1930 году были разработаны соответствующие выпрямительные лампы, а дорогие батареи были заменены трансформаторным источником питания, работавшим от домашнего тока. [103] [104]
Электронные лампы были громоздкими, дорогими, имели ограниченный срок службы, потребляли большое количество энергии и выделяли много тепла, поэтому количество ламп, которые экономически мог иметь приемник, было ограничивающим фактором. Таким образом, целью разработки лампового приёмника было получить максимальную производительность от ограниченного числа ламп. Основные конструкции радиоприемников, перечисленные ниже, были изобретены в эпоху электронных ламп.
Дефектом многих ранних ламповых приемников было то, что усилительные каскады могли колебаться, действовать как генератор , создавая нежелательные переменные радиочастотные токи. [29] [108] [109] Эти паразитные колебания смешиваются с несущей радиосигнала в детекторной трубке, создавая слышимые ноты биения ( гетеродины ); надоедливые 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 нейтродинной схемы, а затем, примерно в 1930 году, с помощью разработки тетрода и пентода .
Эдвин Армстронг — одна из самых важных фигур в истории радиоприемников. 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 обратной связи , регенеративный приемник , сверхрегенеративный приемник , супергетеродинный приемник и современную частотную модуляцию (FM).
Первая усилительная электронная лампа, Audion , грубый триод , была изобретена в 1906 году Ли Де Форестом в качестве более чувствительного детектора для радиоприемников путем добавления третьего электрода к термоэлектронному диодному детектору, лампе Флеминга . [58] [79] [110] [111] Он не получил широкого распространения до тех пор, пока его усиливающая способность не была признана примерно в 1912 году . [58] Первые ламповые приемники, изобретенные Де Форестом и построенные любителями до середины 1920-х годов, использовали одиночный Audion, который функционировал как детектор утечки в сети , который одновременно выпрямлял и усиливал радиосигнал. [79] [108] [112] Существовала неопределенность в отношении принципа работы Audion, пока Эдвин Армстронг не объяснил его функции усиления и демодуляции 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 управления громкоговорителем, для усиления звука требовались 2 или 3 дополнительных ламповых каскада. [79] Многие первые любители могли позволить себе только один ламповый приемник и слушали радио через наушники, поэтому ранние ламповые усилители и динамики продавались как дополнения.
Помимо очень низкого коэффициента усиления около 5 и короткого срока службы около 30–100 часов, примитивный Аудион имел нестабильные характеристики, поскольку он был не полностью вакуумирован. Де Форест считал, что ионизация остаточного воздуха является ключом к работе Audion. [116] [117] Это сделало его более чувствительным детектором [116] , но также привело к изменению его электрических характеристик во время использования. [79] [110] По мере нагревания трубки газ, выделяющийся из металлических элементов, менял давление в трубке, изменяя ток пластины и другие характеристики, поэтому требовалась периодическая регулировка смещения , чтобы поддерживать ее в правильной рабочей точке. Каждый каскад Audion обычно имел реостат для регулировки тока накала и часто потенциометр или многопозиционный переключатель для управления напряжением на пластине. Накальный реостат также использовался в качестве регулятора громкости. Множество органов управления усложняли эксплуатацию многоламповых ресиверов Audion.
К 1914 году Гарольд Арнольд из Western Electric и Ирвинг Ленгмюр из GE поняли, что остаточный газ не нужен; Аудион мог работать только за счет электронной проводимости. [110] [116] [117] Они вакуумировали лампы до более низкого давления 10 -9 атм, создав первые триоды «жесткого вакуума». Эти более стабильные лампы не требовали регулировки смещения, поэтому радиоприемники имели меньше органов управления и ими было легче управлять. [110] Во время Первой мировой войны гражданское использование радио было запрещено, но к 1920 году началось крупномасштабное производство ламповых радиоприемников. «Мягкие» не полностью вакуумированные 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 устройствах, таких как рации . В регенеративном приемнике коэффициент усиления (усиления) электронной лампы или транзистора увеличивается за счет регенерации ( положительная обратная связь ); часть энергии из выходной цепи лампы возвращается во входную цепь с помощью контура обратной связи . [29] [108] [120] [121] [122] Первые электронные лампы имели очень низкий коэффициент усиления (около 5). Регенерация могла не только значительно увеличить коэффициент усиления лампы, в 15 000 и более раз, но также увеличить добротность настроенной схемы, уменьшив (улучшив) полосу пропускания приемника в тот же коэффициент, значительно улучшив избирательность . [108] [120] [121] На приемнике был регулятор для регулировки обратной связи. Трубка также действовала как детектор утечки сетки для исправления AM-сигнала. [108]
Еще одним 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 передачи CW радиотелеграфии . [108] [120] [121] Этот режим назывался автодинным приемником. Для приема радиотелеграфии обратную связь увеличивали до тех пор, пока трубка не колебалась, затем частоту колебаний настраивали в одну сторону передаваемого сигнала. Поступающий радиосигнал и сигнал локальных колебаний смешивались в трубке и создавали слышимый гетеродинный тон (биение) на разнице частот.
Широко используемой конструкцией была схема Армстронга , в которой «щекочущая» катушка в цепи пластины была соединена с катушкой настройки в цепи сетки для обеспечения обратной связи. [29] [108] [122] Обратная связь контролировалась переменным резистором или попеременно путем физического перемещения двух обмоток ближе друг к другу, чтобы увеличить коэффициент усиления контура, или друг от друга, чтобы уменьшить его. [120] Это было сделано с помощью регулируемого трансформатора с воздушным сердечником, называемого вариометром (вариопарой). Регенеративные детекторы иногда также использовались в TRF и супергетеродинных приемниках.
Одна из проблем регенеративной схемы заключалась в том, что при использовании с большими объемами регенерации избирательность (Q) настроенной схемы могла быть слишком высокой, ослабляя боковые полосы AM и тем самым искажая звуковую модуляцию. [123] Обычно это было ограничивающим фактором для количества обратной связи, которую можно было использовать.
Более серьезным недостатком было то, что он мог действовать как непреднамеренный радиопередатчик , создавая помехи ( RFI ) в близлежащих приемниках. [29] [108] [120] [121] [122] [124] При приеме AM, чтобы получить максимальную чувствительность, трубка работала очень близко к нестабильности и могла легко начать колебаться (а при приеме CW действительно колебалась), и результирующий радиосигнал излучался его проволочной антенной. В близлежащих приемниках сигнал регенератива бился с принимаемым в детекторе сигналом станции, создавая раздражающие гетеродины , ( биения ), завывания и свисты. [29] Ранние регенеративы, которые легко колебались, назывались «ляпами». Одной из профилактических мер было использование каскада радиочастотного усиления перед регенеративным детектором, чтобы изолировать его от антенны. [108] [120] Но к середине 1920-х годов «регены» больше не продавались крупными производителями радио. [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 и используется сегодня 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, а была близка к колебанию, что давало большой коэффициент усиления. [125] В сверхрегенеративном приемнике коэффициент усиления контура был сделан равным единице, поэтому усилительное устройство действительно начало колебаться, но колебания периодически прерывались. [109] [12] Это позволило одной трубке обеспечить коэффициент усиления более 10 6 .
Настроенный радиочастотный приемник (TRF) , изобретенный в 1916 году Эрнстом Александерсоном , улучшил как чувствительность, так и избирательность за счет использования нескольких ступеней усиления перед детектором, каждая из которых имела настроенную схему , все настроенные на частоту станции. [29] [109] [12] [129] [130]
Основная проблема первых приемников TRF заключалась в том, что их было сложно настроить, поскольку каждый резонансный контур нужно было настроить на частоту станции, прежде чем радио заработало. [29] [109] В более поздних приемниках TRF настроечные конденсаторы были соединены вместе механически («соединены») на общем валу, поэтому их можно было регулировать с помощью одной ручки, но в ранних приемниках частоты настроенных цепей нельзя было настроить так, чтобы «отслеживать» достаточно хорошо, чтобы это можно было сделать, и каждая настроенная схема имела свою собственную ручку настройки. [12] [131] Поэтому ручки приходилось поворачивать одновременно. По этой причине большинство наборов TRF имели не более трех настроенных RF-ступеней. [108] [123]
Вторая проблема заключалась в том, что несколько радиочастотных каскадов, настроенных на одну и ту же частоту, были склонны к колебаниям, [131] [132] и паразитные колебания смешивались с несущей радиостанции в детекторе, создавая слышимые гетеродины ( ноты ритма ). , свист и стоны в динамике. [29] [108] [109] [130] Эта проблема была решена благодаря изобретению нейтродинной схемы (ниже) и разработке тетрода позже , примерно в 1930 году, а также улучшенному экранированию между каскадами. [130]
Сегодня конструкция TRF используется в нескольких интегрированных микросхемах приемников. С точки зрения современных приемников недостатком TRF является то, что усиление и полоса пропускания настроенных РЧ каскадов не являются постоянными, а меняются по мере настройки приемника на разные частоты. [132] Поскольку полоса пропускания фильтра с заданной добротностью пропорциональна частоте, по мере настройки приемника на более высокие частоты его полоса пропускания увеличивается. [14] [18]
Нейтродинный приемник, изобретенный в 1922 году Луи Хазельтайном , [133] [134] представлял собой приемник TRF с «нейтрализующей» схемой, добавленной к каждому каскаду радиоусиления для подавления обратной связи и предотвращения колебаний, вызывающих раздражающие свисты в TRF. [29] [109] [130] [131] [135] В цепи нейтрализации конденсатор подавал ток обратной связи от цепи пластины к цепи сетки, который был на 180° не в фазе с обратной связью, которая вызывала колебания, подавляя их. . [108] Нейтродин был популярен до появления дешевых тетродных ламп примерно в 1930 году.
Рефлекторный приемник , изобретенный в 1914 году Вильгельмом Шлёмильхом и Отто фон Бронком [136] и заново открытый и расширенный до нескольких ламп в 1917 году Мариусом Латуром [136] [137] и Уильямом Х. Приссом, был конструкцией, используемой в некоторых недорогих радиоприемниках. 1920-х годов [138] , которые возродились в небольших портативных ламповых радиоприемниках 1930-х годов [139] и снова в некоторых 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 проходит через одну или несколько усилительных ламп или транзисторов, демодулируется в детекторе , затем результирующий аудиосигнал снова проходит через те же каскады усилителя для усиления звука. [109] Отдельные радио- и аудиосигналы, присутствующие одновременно в усилителе, не мешают друг другу, поскольку они находятся на разных частотах, что позволяет усилительным лампам выполнять «двойную функцию». Помимо одноламповых рефлексных приемников, некоторые TRF и супергетеродинные приемники имели несколько «рефлекторных» каскадов. [140] Радиоприемники Reflex были склонны к дефекту, называемому «проигрыванием», который означал, что громкость звука не падала до нуля при выключении регулятора громкости. [140]
Супергетеродин , изобретенный в 1918 году во время Первой мировой войны Эдвином Армстронгом [10] , когда он служил в войсках связи , представляет собой конструкцию, используемую почти во всех современных приемниках, за исключением нескольких специализированных приложений. [11] [12] [13] Это более сложная конструкция, чем у других ресиверов, описанных выше, и когда он был изобретен, требовалось 6–9 электронных ламп, что выходило за рамки бюджета большинства потребителей, поэтому первоначально он использовался в основном в коммерческих целях. и военные станции связи. [15] Однако к 1930-м годам «супергеты» заменили все остальные типы приемников, описанные выше.
В супергетеродине « гетеродинная » техника, изобретенная Реджинальдом Фессенденом , используется для сдвига частоты радиосигнала до более низкой « промежуточной частоты » (ПЧ) перед его обработкой. [14] [15] [16] Его работа и преимущества перед другими радиоконструкциями в этом разделе описаны выше в разделе «Супергетеродинная конструкция».
К 1940-м годам супергетеродинный вещательный AM-приемник был усовершенствован до дешевой в производстве конструкции, получившей название « Всеамериканская пятерка », поскольку в нем использовалось всего пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор. /усилитель звука, усилитель мощности звука и выпрямитель. Эта конструкция использовалась практически во всех коммерческих радиоприемниках, пока в 1970-х годах транзистор не заменил электронную лампу.
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 радиолампы были созданы, лампы были громоздкими и неэффективными, потребляли большое количество энергии и требовали нескольких больших батарей для создания напряжения накала и пластины. Транзисторы не требовали нагрева нити накала, что снижало энергопотребление, 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 батарейки и могли быть установлены и работать где угодно, но большинство из них не имели функций, предназначенных для портативности, таких как ручки и встроенные динамики. Одними из первых портативных ламповых радиоприемников были Winn «Portable Wireless Set No. 149», появившийся в 1920 году, и модель Grebe KT-1, появившаяся годом позже. Кристаллические наборы, 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 портативные радиоприемники меньшего размера от таких производителей, как Zenith и General Electric . Линейка портативных радиоприемников Zenith Trans-Oceanic , впервые представленная в 1942 году, была разработана для обеспечения развлекательного вещания, а также для возможности настройки на метеорологические, морские и международные коротковолновые станции. К 1950-м годам «золотой век» портативных ламповых портативных радиоприемников включал в себя ламповые радиоприемники размером с коробку для завтрака , такие как Emerson 560, в литых пластиковых корпусах. Так называемые «карманные портативные» радиоприемники, такие как RCA BP10, существовали с 1940-х годов, но их фактический размер помещался только в самые большие карманы пальто. [141] Но некоторые из них, например карманные радиоприемники Privat-ear и Dyna-mite, были достаточно малы, чтобы поместиться в кармане. [142] [143]
Разработка биполярного переходного транзистора в начале 1950-х годов привела к тому, что лицензия на его использование была передана ряду электронных компаний, таких как Texas Instruments , которые производили ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Regency TR-1 , созданный Regency Division IDEA (Industrial Development Engineering Associates) в Индианаполисе, штат Индиана, был выпущен в 1951 году. Наступила эра настоящих портативных радиоприемников размером с карман рубашки, с появлением таких производителей, как Sony , Zenith, RCA, DeWald и Crosley предлагают различные модели. [141] Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым транзисторным радиоприемником массового производства , что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок. [144]
.jpg/1280px-HA0478-006_(6011470974).jpg)
Разработка микросхем интегральных схем (ИС) в 1970-х годах произвела еще одну революцию, позволив разместить на микросхеме целый радиоприемник. Микросхемы перевернули экономику радиотехники, используемой в ламповых приемниках. Поскольку предельные затраты на добавление в чип дополнительных усилительных устройств (транзисторов) были практически нулевыми, размер и стоимость приемника зависели не от количества используемых активных компонентов, а от пассивных компонентов; катушки индуктивности и конденсаторы, которые невозможно было легко интегрировать в чип. [22] Разработка радиочастотных КМОП- чипов, впервые предложенная Асадом Али Абиди из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1980-х и 1990-х годах, позволила создавать маломощные беспроводные устройства. [146]
Текущая тенденция в приемниках заключается в использовании цифровых схем на чипе для выполнения функций, которые раньше выполнялись аналоговыми схемами , требующими пассивных компонентов. В цифровом приемнике сигнал ПЧ дискретизируется и оцифровывается, а функции полосовой фильтрации и обнаружения выполняются посредством цифровой обработки сигнала (DSP) на кристалле. Еще одним преимуществом DSP является то, что свойства приемника; частота канала, полоса пропускания, усиление и т. д. могут быть динамически изменены программным обеспечением, чтобы реагировать на изменения в окружающей среде; эти системы известны как программно-определяемые радиостанции или когнитивное радио .
Вместо этого многие функции, выполняемые аналоговой электроникой, могут выполняться программным обеспечением . Преимущество состоит в том, что на программное обеспечение не влияют температура, физические переменные, электронные шумы и производственные дефекты. [147]
Цифровая обработка сигналов позволяет использовать методы обработки сигналов, которые были бы громоздкими, дорогостоящими или иным образом невозможными при использовании аналоговых методов. Цифровой сигнал — это, по сути, поток или последовательность чисел, которые передают сообщение через какую-то 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 , обычно с использованием формата аудиокодирования модифицированного дискретного косинусного преобразования (MDCT), такого как AAC+ . [148]
«Компьютерные радиостанции», или радиостанции, предназначенные для управления стандартным ПК, управляются специальным программным обеспечением для ПК с использованием последовательного порта, подключенного к радиостанции. «ПК-радио» может вообще не иметь передней панели и быть предназначено исключительно для управления компьютером, что снижает стоимость.
Большим преимуществом некоторых радиостанций для ПК является то, что владелец может обновлять их на месте. Новые версии прошивки DSP можно скачать с сайта производителя и загрузить во флэш-память магнитолы. Фактически производитель может со временем добавлять к радиостанции новые функции, такие как добавление новых фильтров, шумоподавление DSP или просто исправление ошибок.
Полнофункциональная программа радиоуправления позволяет выполнять сканирование и множество других функций, в частности, интеграцию баз данных в режиме реального времени, например, возможность типа «ТВ-Гид». Это особенно полезно для обнаружения всех передач на всех частотах конкретной радиовещательной компании в любой момент времени. Некоторые разработчики управляющего программного обеспечения даже интегрировали Google Earth в базы данных коротковолновых волн, так что можно «перелететь» к заданному местоположению передатчика одним щелчком мыши. Во многих случаях пользователь может видеть передающие антенны, от которых исходит сигнал.
Поскольку графический интерфейс пользователя радиостанции обладает значительной гибкостью, разработчик программного обеспечения может добавлять новые функции. Функции, которые сегодня можно найти в передовых программах управления, включают таблицу диапазонов, элементы управления графическим интерфейсом, соответствующие традиционным средствам радиоуправления, часы местного времени и часы UTC , измеритель уровня сигнала, базу данных для прослушивания коротких волн с возможностью поиска, возможность сканирования или текст. -речевой интерфейс.
Следующим уровнем интеграции является « программно-определяемая радиосвязь », где вся фильтрация, модуляция и манипулирование сигналами выполняются программно. Это может быть звуковая карта ПК или выделенное оборудование DSP. Будет предусмотрен RF -интерфейс для подачи промежуточной частоты на программно-определяемую радиостанцию. Эти системы могут предоставлять дополнительные возможности по сравнению с «аппаратными» приемниками. Например, они могут записывать большие участки радиоспектра на жесткий диск для последующего «воспроизведения». Тот же SDR, который в одну минуту демодулирует простую передачу AM, может также быть в состоянии декодировать передачу HDTV в следующую. Проект с открытым исходным кодом под названием GNU Radio посвящен развитию высокопроизводительной SDR.
Полностью цифровые радиопередатчики и приемники открывают возможность расширения возможностей радио. [149]
избирательная сигнализация.
Свободная муфта вариометра, вариопара.
тиккер гетеродин.
.jpg/1280px-Cohere(Ag-Ni).jpg)
{{cite book}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )