Супергетеродинный приемник , часто сокращаемый до супергетеродина , представляет собой тип радиоприемника , который использует смешивание частот для преобразования принятого сигнала в фиксированную промежуточную частоту (ПЧ), которую можно обрабатывать более удобно, чем исходную несущую частоту . Он был изобретен французским радиоинженером и производителем радиоприёмников Люсьеном Леви . [1] [ ненадёжный источник? ] Практически все современные радиоприёмники используют принцип супергетеродина.
Ранние радиопередачи с использованием кода Морзе производились с помощью генератора переменного тока, подключенного к искровому промежутку . Выходной сигнал имел несущую частоту, определяемую физической конструкцией промежутка, и модулировался сигналом переменного тока от генератора переменного тока. Поскольку выходная частота генератора переменного тока обычно находилась в слышимом диапазоне, это производило слышимый амплитудно-модулированный (АМ) сигнал. Простые радиодетекторы отфильтровывали высокочастотную несущую, оставляя модуляцию, которая передавалась в наушники пользователя в виде слышимого сигнала из точек и тире.
В 1904 году Эрнст Александерсон представил генератор переменного тока Александерсона , устройство, которое напрямую производило радиочастотный выход с более высокой мощностью и гораздо более высокой эффективностью, чем старые системы искрового разрядника. Однако, в отличие от искрового разрядника, выход генератора переменного тока представлял собой чистую несущую волну на выбранной частоте. При обнаружении на существующих приемниках точки и тире обычно были неслышимыми или «сверхзвуковыми». Из-за фильтрующих эффектов приемника эти сигналы обычно производили щелчок или удар, которые были слышны, но затрудняли определение точек от тире.
В 1905 году канадский изобретатель Реджинальд Фессенден придумал идею использовать два генератора Александера, работающих на близко расположенных частотах, для передачи двух сигналов вместо одного. Затем приемник принимал оба сигнала, и в ходе процесса обнаружения из приемника выходила только частота биений . Выбрав две несущие достаточно близко, чтобы частота биений была слышна, полученный код Морзе снова можно было легко услышать даже в простых приемниках. Например, если два генератора работали на частотах, отстоящих друг от друга на 3 кГц, выходной сигнал в наушниках представлял собой точки или тире тона 3 кГц, что делало их легко слышимыми.
Фессенден ввел термин « гетеродин », что означает «генерируемый разницей» (в частоте), чтобы описать эту систему. Слово происходит от греческих корней hetero- «разный» и -dyne «мощность».
Код Морзе широко использовался в ранние дни радио, потому что его было легко производить и легко принимать. В отличие от голосовых передач, выход усилителя не должен был точно соответствовать модуляции исходного сигнала. В результате можно было использовать любое количество простых систем усиления. Один из методов использовал интересный побочный эффект ранних триодных усилительных ламп. Если и пластина (анод), и сетка были подключены к резонансным контурам, настроенным на одну и ту же частоту, а коэффициент усиления каскада был намного выше единицы , паразитная емкостная связь между сеткой и пластиной приводила к колебаниям усилителя.
В 1913 году Эдвин Говард Армстронг описал систему приемника, которая использовала этот эффект для получения слышимого выхода кода Морзе с помощью одного триода. Выход усилителя, взятый на аноде, был подключен обратно ко входу через «щекотливый», вызывая обратную связь , которая выводила входные сигналы далеко за пределы единицы. Это заставляло выход колебаться на выбранной частоте с большим усилением. Когда исходный сигнал обрывался в конце точки или тире, колебание затухало, и звук исчезал после короткой задержки.
Армстронг назвал эту концепцию регенеративным приемником , и она сразу же стала одной из наиболее широко используемых систем своей эпохи. Многие радиосистемы 1920-х годов были основаны на регенеративном принципе, и он продолжал использоваться в специализированных ролях вплоть до 1940-х годов, например, в IFF Mark II .
Была одна задача, для которой регенеративная система не подходила даже для источников с кодом Морзе, а именно задача радиопеленгации (RDF).
Регенеративная система была крайне нелинейной, усиливая любой сигнал выше определенного порога на огромную величину, иногда настолько большую, что заставляла его превращаться в передатчик (что было основой исходной системы IFF ). В RDF сила сигнала используется для определения местоположения передатчика, поэтому требуется линейное усиление, чтобы позволить точно измерить силу исходного сигнала, часто очень слабого.
Для решения этой задачи системы RDF той эпохи использовали триоды, работающие ниже единицы. Чтобы получить полезный сигнал от такой системы, приходилось использовать десятки или даже сотни триодов, соединенных вместе анод-сетка. Эти усилители потребляли огромное количество энергии и требовали команды инженеров по техническому обслуживанию, чтобы поддерживать их в рабочем состоянии. Тем не менее, стратегическая ценность пеленгации слабых сигналов была настолько высока, что Британское Адмиралтейство посчитало, что высокая стоимость оправдана.
Хотя несколько исследователей открыли концепцию супергетеродина, подав патенты с разницей в несколько месяцев, авторство этой концепции часто приписывают американскому инженеру Эдвину Армстронгу . Он наткнулся на нее, размышляя над лучшими способами производства приемников RDF. Он пришел к выводу, что переход на более высокие частоты «коротких волн» сделает RDF более полезным, и искал практические способы создания линейного усилителя для этих сигналов. В то время короткие волны были чем-то выше 500 кГц, что выходило за рамки возможностей любого существующего усилителя.
Было замечено, что когда регенеративный приемник начинал колебаться, другие близлежащие приемники также начинали принимать другие станции. Армстронг (и другие) в конечном итоге пришли к выводу, что это было вызвано «сверхзвуковым гетеродином» между несущей частотой станции и частотой колебаний регенеративного приемника. Когда первый приемник начинал колебаться на высоких выходах, его сигнал выходил обратно через антенну, чтобы быть принятым любым близлежащим приемником. На этом приемнике два сигнала смешивались так же, как они это делали в первоначальной концепции гетеродина, создавая выход, который является разницей в частоте между двумя сигналами.
Например, рассмотрим одинокий приемник, настроенный на станцию на частоте 300 кГц. Если установить рядом второй приемник и настроить его на частоту 400 кГц с высоким усилением, он начнет выдавать сигнал частотой 400 кГц, который будет принят первым приемником. В этом приемнике два сигнала смешаются, чтобы создать четыре выхода: один на исходной частоте 300 кГц, другой на полученной частоте 400 кГц и еще два, разницу на частоте 100 кГц и сумму на частоте 700 кГц. Это тот же эффект, который предложил Фессенден, но в его системе две частоты были намеренно выбраны так, чтобы частота биений была слышимой. В этом случае все частоты находятся далеко за пределами слышимого диапазона и, таким образом, «сверхзвуковые», что дало начало названию супергетеродин.
Армстронг понял, что этот эффект был потенциальным решением проблемы усиления "коротких волн", поскольку выход "разности" все еще сохранял свою первоначальную модуляцию, но на более низкой несущей частоте. В приведенном выше примере можно усилить сигнал биений 100 кГц и извлечь из него исходную информацию, приемнику не нужно настраиваться на более высокую исходную несущую 300 кГц. Выбрав соответствующий набор частот, даже очень высокочастотные сигналы можно было бы "уменьшеть" до частоты, которую могли бы усилить существующие системы.
Например, чтобы получить сигнал на частоте 1500 кГц, что намного превышает диапазон эффективного усиления в то время, можно было установить генератор, например, на частоте 1560 кГц. Армстронг называл это « локальным генератором » или LO. Поскольку его сигнал подавался на второй приемник в том же устройстве, он не должен был быть мощным, генерируя лишь сигнал, достаточный для того, чтобы быть примерно таким же по силе, как сигнал принимаемой станции, хотя на практике LO, как правило, дают относительно сильные сигналы. [ необходима цитата ] Когда сигнал от LO смешивается с сигналом станции, одним из выходов будет разностная частота гетеродина, в данном случае 60 кГц. Он назвал эту результирующую разницу « промежуточной частотой », часто сокращенно «ПЧ».
В декабре 1919 года майор Э. Х. Армстронг опубликовал косвенный метод получения коротковолнового усиления, названный супергетеродином. Идея состоит в том, чтобы уменьшить входную частоту, которая может быть, например, 1 500 000 циклов (200 метров), до некоторой подходящей сверхзвуковой частоты, которая может быть эффективно усилена, затем пропустить этот ток через усилитель промежуточной частоты и, наконец, выпрямить и продолжить на одном или двух этапах усиления звуковой частоты. [2]
«Фишка» супергетеродина в том, что, изменяя частоту гетеродина, можно настроиться на разные станции. Например, чтобы принять сигнал на частоте 1300 кГц, можно настроить гетеродин на частоту 1360 кГц, что даст ту же 60 кГц ПЧ. Это означает, что усилительную секцию можно настроить на работу на одной частоте, ПЧ конструкции, что гораздо проще сделать эффективно.
Армстронг воплотил свои идеи в жизнь, и вскоре эта технология была принята военными. Она была менее популярна, когда в 1920-х годах началось коммерческое радиовещание , в основном из-за необходимости в дополнительной лампе (для генератора), в целом более высокой стоимости приемника и уровня навыков, необходимых для его эксплуатации. Для ранних домашних радиоприемников более популярными были настроенные радиочастотные приемники (TRF), поскольку они были дешевле, их было проще использовать нетехническому владельцу и они были менее затратными в эксплуатации. В конце концов Армстронг продал свой патент на супергетеродин компании Westinghouse , которая затем продала его Radio Corporation of America (RCA) , последняя монополизировала рынок супергетеродинных приемников до 1930 года. [4]
Поскольку изначальной мотивацией для супергетеродина была сложность использования триодного усилителя на высоких частотах, имелось преимущество в использовании более низкой промежуточной частоты. В эту эпоху многие приемники использовали частоту ПЧ всего 30 кГц. [5] Эти низкие частоты ПЧ, часто использующие трансформаторы ПЧ, основанные на собственном резонансе трансформаторов с железным сердечником , имели плохое подавление частоты изображения, но преодолели трудности использования триодов на радиочастотах таким образом, что они успешно конкурировали с менее надежным нейтродинным приемником TRF. Более высокие частоты ПЧ (455 кГц были общепринятым стандартом) стали использоваться в более поздние годы, после изобретения тетрода и пентода в качестве усилительных ламп, в значительной степени решив проблему подавления изображения. Однако даже позднее низкие частоты ПЧ (обычно 60 кГц) снова стали использоваться на втором (или третьем) этапе ПЧ приемников связи с двойным или тройным преобразованием, чтобы воспользоваться избирательностью, которую легче достичь на более низких частотах ПЧ, при этом подавление зеркального канала осуществлялось на более ранних этапах ПЧ, которые находились на более высокой частоте ПЧ.
В 1920-х годах на этих низких частотах коммерческие фильтры ПЧ выглядели очень похожими на межкаскадные трансформаторы связи аудио 1920-х годов, имели похожую конструкцию и были подключены почти идентично, поэтому их называли «трансформаторами ПЧ». К середине 1930-х годов супергетеродины, использующие гораздо более высокие промежуточные частоты (обычно около 440–470 кГц), использовали настроенные трансформаторы, более похожие на другие радиочастотные приложения. Однако название «трансформатор ПЧ» было сохранено, теперь оно означает «промежуточная частота». Современные приемники обычно используют смесь керамических резонаторов или резонаторов на поверхностных акустических волнах и традиционных настроенных индукторных трансформаторов ПЧ.
К 1930-м годам усовершенствования в технологии электронных ламп быстро свели на нет ценовые преимущества приемников TRF, а взрывной рост числа вещательных станций создал спрос на более дешевые и высокопроизводительные приемники.
Введение дополнительной сетки в вакуумную лампу, но до более современного тетрода с экранной сеткой, включало тетрод с двумя управляющими сетками ; эта лампа объединяла функции смесителя и генератора, впервые использованные в так называемом автодинном смесителе. За этим быстро последовало введение ламп, специально разработанных для работы в супергетеродинном режиме, в частности, пентагридного преобразователя . Уменьшение количества ламп (при этом каждый каскад лампы был основным фактором, влияющим на стоимость в эту эпоху), еще больше снизило преимущество конструкций TRF и регенеративных приемников.
К середине 1930-х годов коммерческое производство TRF-приемников было в значительной степени заменено супергетеродинными приемниками. К 1940-м годам ламповый супергетеродинный AM-вещательный приемник был усовершенствован до дешевой в производстве конструкции, названной « All American Five », поскольку в ней использовались пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель/гетеродин), усилитель промежуточной частоты, детектор/аудиоусилитель, аудиоусилитель мощности и выпрямитель. С этого времени супергетеродинная конструкция использовалась почти во всех коммерческих радио- и телеприемниках.
Французский инженер Люсьен Леви подал заявку на патент на принцип супергетеродина в августе 1917 года с бреветом № 493660. [6] Армстронг также подал заявку на патент в 1917 году. [7] [8] [9] Леви подал свою первоначальную заявку примерно на семь месяцев раньше Армстронга. [1] Немецкий изобретатель Вальтер Х. Шоттки также подал заявку на патент в 1918 году. [6]
Сначала США признали Армстронга изобретателем, и его патент США 1 342 885 был выдан 8 июня 1920 года. [1] После различных изменений и судебных слушаний Леви получил патент США № 1 734 938, который включал семь из девяти пунктов заявки Армстронга, в то время как два оставшихся пункта были выданы Александерсону из GE и Кендаллу из AT&T. [1]
Антенна собирает радиосигнал. Настроенный каскад РЧ с дополнительным усилителем РЧ обеспечивает некоторую начальную селективность; он необходим для подавления частоты изображения , а также может служить для предотвращения насыщения начального усилителя сильными внеполосными сигналами. Гетеродин обеспечивает частоту смешивания; обычно это генератор переменной частоты, который используется для настройки приемника на разные станции. Частотный смеситель выполняет фактическое гетеродинирование , которое дало супергетеродину его название; он изменяет входящий радиочастотный сигнал на более высокую или более низкую, фиксированную, промежуточную частоту (ПЧ). Полосовой фильтр ПЧ и усилитель обеспечивают большую часть усиления и узкополосную фильтрацию для радио. Демодулятор извлекает аудио или другую модуляцию из радиочастоты ПЧ. Извлеченный сигнал затем усиливается аудиоусилителем.
Для приема радиосигнала требуется подходящая антенна . Выход антенны может быть очень маленьким, часто всего несколько микровольт . Сигнал с антенны настраивается и может быть усилен в так называемом усилителе радиочастоты (РЧ), хотя этот этап часто опускается. Один или несколько настроенных контуров на этом этапе блокируют частоты, которые далеки от предполагаемой частоты приема. Чтобы настроить приемник на определенную станцию, частота гетеродина контролируется ручкой настройки (например). Настройка гетеродина и каскада РЧ может использовать переменный конденсатор или варикапный диод . [11] Настройка одного (или нескольких) настроенных контуров на каскаде РЧ должна отслеживать настройку гетеродина.
Затем сигнал подается в схему, где он смешивается с синусоидальной волной от генератора переменной частоты, известного как гетеродин (LO). Смеситель использует нелинейный компонент для создания как суммарных, так и разностных сигналов частоты биений , [12] каждый из которых содержит модуляцию в желаемом сигнале. Выход смесителя может включать исходный сигнал RF на f RF , сигнал гетеродина на f LO и две новые частоты гетеродина f RF + f LO и f RF − f LO . Смеситель может непреднамеренно создавать дополнительные частоты, такие как продукты интермодуляции третьего и более высокого порядка. В идеале полосовой фильтр IF удаляет все, кроме желаемого сигнала IF на f IF . Сигнал IF содержит исходную модуляцию (передаваемую информацию), которую имел принятый радиосигнал на f RF .
Частота гетеродина f LO устанавливается так, чтобы желаемая частота приема f RF смешивалась с f IF . Существует два варианта частоты гетеродина из-за соответствия между положительными и отрицательными частотами. Если частота гетеродина меньше желаемой частоты приема, это называется инжекцией на нижней стороне ( f IF = f RF − f LO ); если частота гетеродина выше, то это называется инжекцией на верхней стороне ( f IF = f LO − f RF ).
Микшер будет обрабатывать не только желаемый входной сигнал на f RF , но и все сигналы, присутствующие на его входах. Будет много продуктов миксера (гетеродинов). Большинство других сигналов, производимых миксером (например, из-за станций на соседних частотах), могут быть отфильтрованы в настроенном усилителе IF ; это дает супергетеродинному приемнику его превосходную производительность. Однако, если f LO установлено на f RF + f IF , то входящий радиосигнал на f LO + f IF также будет создавать гетеродин на f IF ; частота f LO + f IF называется частотой изображения и должна быть отклонена настроенными цепями на каскаде RF. Частота изображения на 2 f IF выше (или ниже), чем желаемая частота f RF , поэтому использование более высокой частоты IF f IF увеличивает подавление изображения приемника без необходимости дополнительной селективности на каскаде RF.
Для подавления нежелательного образа настройка каскада RF и LO может потребовать «отслеживания» друг друга. В некоторых случаях узкополосный приемник может иметь фиксированный настроенный усилитель RF. В этом случае изменяется только частота гетеродина. В большинстве случаев входная полоса приемника шире, чем его центральная частота IF. Например, типичный приемник вещательного диапазона AM охватывает диапазон от 510 кГц до 1655 кГц (примерно 1160 кГц входная полоса) с частотой IF 455 кГц; приемник вещательного диапазона FM охватывает диапазон от 88 МГц до 108 МГц с частотой IF 10,7 МГц. В этой ситуации усилитель RF должен быть настроен так, чтобы усилитель IF не видел две станции одновременно. Если бы приемник вещательного диапазона AM был установлен на 1200 кГц, он бы видел станции как на 745 кГц (1200−455 кГц), так и на 1655 кГц. Следовательно, каскад RF должен быть спроектирован так, чтобы любые станции, которые находятся на расстоянии в два раза больше частоты IF, были значительно ослаблены. Отслеживание может быть выполнено с помощью многосекционного переменного конденсатора или нескольких варакторов, управляемых общим управляющим напряжением. Усилитель RF может иметь настроенные контуры как на входе, так и на выходе, поэтому можно отслеживать три или более настроенных контура. На практике частоты RF и LO должны отслеживаться близко, но не идеально. [13] [14]
В эпоху ламповой (ламповой) электроники супергетеродинные приемники обычно объединяли функции гетеродина и смесителя в одной лампе, что приводило к экономии мощности, размера и особенно стоимости. Одна пентагридная преобразовательная лампа могла генерировать колебания, а также обеспечивать усиление сигнала и смешивание частот. [15]
Смесительная трубка или транзистор иногда называется первым детектором , в то время как демодулятор, который извлекает модуляцию из сигнала ПЧ, называется вторым детектором . [16] В супергетеродине с двойным преобразованием имеется два смесителя, поэтому демодулятор называется третьим детектором .
Ступени усилителя промежуточной частоты («усилитель ПЧ» или «полоса ПЧ») настроены на фиксированную частоту, которая не меняется при изменении частоты приема. Фиксированная частота упрощает оптимизацию усилителя ПЧ. [10] Усилитель ПЧ избирателен относительно своей центральной частоты f IF . Фиксированная центральная частота позволяет тщательно настраивать каскады усилителя ПЧ для достижения наилучших характеристик (эта настройка называется «выравниванием» усилителя ПЧ). Если бы центральная частота изменялась вместе с частотой приема, то каскады ПЧ должны были бы отслеживать их настройку. В случае супергетеродина это не так.
Обычно центральная частота ПЧ f IF выбирается меньше диапазона желаемых частот приема f RF . Это связано с тем, что проще и дешевле получить высокую избирательность на более низкой частоте с помощью настроенных схем. Ширина полосы пропускания настроенной схемы с определенной добротностью пропорциональна самой частоте (и, что еще важнее, на более низких частотах можно достичь более высокой добротности), поэтому для достижения той же избирательности требуется меньшее количество каскадов фильтра ПЧ. Кроме того, проще и дешевле получить высокое усиление на более низких частотах.
Однако во многих современных приемниках, предназначенных для приема в широком диапазоне частот (например, сканерах и анализаторах спектра), первая частота ПЧ выше частоты приема используется в конфигурации с двойным преобразованием. Например, приемник Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF охватывает диапазон от 10 кГц до 30 МГц. [14] Он имеет переключаемый диапазон ВЧ-фильтра и смешивает входной сигнал с первой ПЧ 81,4 МГц и второй ПЧ частотой 1,4 МГц. Первая частота гетеродина составляет от 81,4 до 111,4 МГц, что является разумным диапазоном для генератора. Но если исходный диапазон ВЧ приемника должен был быть преобразован непосредственно в промежуточную частоту 1,4 МГц, частота гетеродина должна была бы охватывать 1,4-31,4 МГц, что невозможно сделать с помощью настроенных схем (переменный конденсатор с фиксированной индуктивностью потребовал бы диапазона емкости 500:1). Подавление зеркального канала никогда не является проблемой при такой высокой частоте ПЧ. Первая ступень ПЧ использует кристаллический фильтр с полосой пропускания 12 кГц. Имеется второе преобразование частоты (что делает приемник с тройным преобразованием), которое смешивает первую ПЧ 81,4 МГц с 80 МГц для создания второй ПЧ 1,4 МГц. Подавление зеркального канала для второй ПЧ не является проблемой, поскольку первая ПЧ имеет полосу пропускания намного меньше 2,8 МГц.
Чтобы избежать помех для приемников, лицензирующие органы будут избегать назначения общих частот ПЧ передающим станциям. Стандартные используемые промежуточные частоты: 455 кГц для средневолнового AM-радио, 10,7 МГц для вещательных FM-приемников, 38,9 МГц (Европа) или 45 МГц (США) для телевидения и 70 МГц для спутникового и наземного микроволнового оборудования. Чтобы избежать затрат на инструментарий, связанных с этими компонентами, большинство производителей тогда имели тенденцию проектировать свои приемники вокруг фиксированного диапазона предлагаемых частот, что привело к фактической всемирной стандартизации промежуточных частот.
В ранних супергетеродинах ступень ПЧ часто была регенеративной ступенью, обеспечивающей чувствительность и селективность с меньшим количеством компонентов. Такие супергетеродины назывались супергейнеры или регенеродины. [17] Это также называется умножителем Q , подразумевающим небольшую модификацию существующего приемника, особенно с целью повышения селективности.
Ступень ПЧ включает фильтр и/или несколько настроенных цепей для достижения желаемой селективности . Эта фильтрация должна иметь полосу пропускания, равную или меньшую, чем частотный интервал между соседними вещательными каналами. В идеале фильтр должен иметь высокое затухание для соседних каналов, но поддерживать ровный отклик по всему желаемому спектру сигнала, чтобы сохранить качество принимаемого сигнала. Это может быть достигнуто с помощью одного или нескольких двухнастроенных трансформаторов ПЧ, кварцевого кристаллического фильтра или многополюсного керамического кристаллического фильтра . [18]
В случае телевизионных приемников ни одна другая технология не могла обеспечить точную полосовую характеристику, необходимую для приема остаточной боковой полосы , например, ту, которая использовалась в системе NTSC, впервые одобренной в США в 1941 году. К 1980-м годам многокомпонентные конденсаторно-индукторные фильтры были заменены точными электромеханическими фильтрами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) . Изготовленные с помощью прецизионных методов лазерного фрезерования, ПАВ-фильтры дешевле в производстве, могут быть изготовлены с чрезвычайно жесткими допусками и очень стабильны в работе.
Полученный сигнал теперь обрабатывается на этапе демодуляции , где аудиосигнал (или другой сигнал основной полосы частот ) восстанавливается и затем дополнительно усиливается. Демодуляция AM требует обнаружения огибающей , что может быть достигнуто с помощью выпрямления и фильтра нижних частот (который может быть таким же простым, как RC-цепь ) для удаления остатков промежуточной частоты. [19] Сигналы FM могут быть обнаружены с помощью дискриминатора, детектора отношения или петли фазовой автоподстройки частоты . Непрерывные волны и сигналы с одной боковой полосой частот требуют детектора продукта, использующего так называемый генератор частоты биений , и существуют другие методы, используемые для различных типов модуляции . [20] Полученный аудиосигнал (например) затем усиливается и приводит в действие громкоговоритель.
При использовании так называемой инъекции на высокой стороне , когда локальный генератор находится на более высокой частоте, чем принимаемый сигнал (как это часто бывает), частотный спектр исходного сигнала будет перевернут. Это должно учитываться демодулятором (и в фильтрации ПЧ) в случае определенных типов модуляции, таких как однополосная .
Чтобы преодолеть препятствия, такие как зеркальный отклик , некоторые приемники используют несколько последовательных этапов преобразования частоты и несколько ПЧ разных значений. Приемник с двумя преобразованиями частоты и ПЧ называется супергетеродином с двойным преобразованием , а с тремя ПЧ — супергетеродином с тройным преобразованием .
Основная причина, по которой это делается, заключается в том, что при использовании одной ПЧ существует компромисс между низкой реакцией изображения и селективностью. Разделение между принимаемой частотой и частотой изображения равно удвоенной частоте ПЧ, поэтому чем выше ПЧ, тем легче спроектировать фильтр ВЧ для удаления частоты изображения со входа и достижения низкой реакции изображения . Однако чем выше ПЧ, тем сложнее достичь высокой селективности в фильтре ПЧ. На коротких волнах и выше сложность получения достаточной селективности при настройке с высокими ПЧ, необходимыми для низкой реакции изображения, влияет на производительность. Для решения этой проблемы можно использовать две частоты ПЧ, сначала преобразуя входную частоту в высокую ПЧ для достижения низкой реакции изображения, а затем преобразуя эту частоту в низкую ПЧ для достижения хорошей селективности во втором фильтре ПЧ. Для улучшения настройки можно использовать третью ПЧ.
Например, для приемника, который может настраиваться от 500 кГц до 30 МГц, можно использовать три преобразователя частоты. [10] С ПЧ 455 кГц легко получить адекватную селективность входного каскада с сигналами вещательного диапазона (ниже 1600 кГц). Например, если принимаемая станция находится на 600 кГц, локальный генератор можно настроить на 1055 кГц, что даст изображение на (-600+1055=) 455 кГц. Но станция на 1510 кГц также может потенциально создавать изображение на (1510-1055=) 455 кГц и, таким образом, вызывать помехи изображения. Однако, поскольку 600 кГц и 1510 кГц находятся так далеко друг от друга, легко спроектировать настройку входного каскада так, чтобы отклонить частоту 1510 кГц.
Однако на 30 МГц все по-другому. Генератор будет настроен на 30,455 МГц, чтобы создать ПЧ 455 кГц, но станция на 30,910 также будет создавать биение 455 кГц, так что обе станции будут слышны одновременно. Но практически невозможно разработать настроенную на ВЧ схему, которая может адекватно различать 30 МГц и 30,91 МГц, поэтому один из подходов заключается в «массовом понижении частоты» целых участков коротковолновых диапазонов до более низкой частоты, где легче организовать адекватную настройку входного каскада.
Например, диапазоны 29 МГц - 30 МГц; 28 МГц - 29 МГц и т. д. могут быть преобразованы в 2 МГц - 3 МГц, где их можно настраивать более удобно. Это часто делается путем первого преобразования каждого "блока" на более высокую частоту (обычно 40 МГц), а затем использования второго смесителя для преобразования его в диапазон 2 МГц - 3 МГц. "IF" 2 МГц - 3 МГц - это по сути еще один автономный супергетеродинный приемник, скорее всего, со стандартной IF 455 кГц.
Микропроцессорная технология позволяет заменить конструкцию супергетеродинного приемника на программно-определяемую радиоархитектуру , где обработка ПЧ после начального фильтра ПЧ реализована в программном обеспечении. Эта технология уже используется в некоторых конструкциях, таких как очень недорогие FM-радиоприемники, встроенные в мобильные телефоны, поскольку система уже имеет необходимый микропроцессор .
Радиопередатчики также могут использовать каскад смесителя для получения выходной частоты, работая примерно как обратная сторона супергетеродинного приемника.
Супергетеродинные приемники по сути заменили все предыдущие конструкции приемников. Развитие современной полупроводниковой электроники свело на нет преимущества конструкций (таких как регенеративный приемник ), которые использовали меньше вакуумных ламп. Супергетеродинный приемник обеспечивает превосходную чувствительность, стабильность частоты и селективность. По сравнению с конструкцией настраиваемого радиочастотного приемника (TRF), супергетеродины обеспечивают лучшую стабильность, поскольку настраиваемый генератор реализовать проще, чем настраиваемый усилитель. Работая на более низкой частоте, фильтры ПЧ могут давать более узкие полосы пропускания при том же коэффициенте добротности , чем эквивалентный фильтр ВЧ. Фиксированная ПЧ также позволяет использовать кристаллический фильтр [10] или аналогичные технологии, которые нельзя настроить. Регенеративные и сверхрегенеративные приемники обеспечивают высокую чувствительность, но часто страдают от проблем со стабильностью, что затрудняет их эксплуатацию.
Несмотря на то, что преимущества супергеттерной конструкции неоспоримы, существует ряд недостатков, которые необходимо устранить на практике.
Одним из основных недостатков супергетеродинного приемника является проблема частоты зеркального канала . В гетеродинных приемниках частота зеркального канала является нежелательной входной частотой, равной частоте станции плюс (или минус) удвоенная промежуточная частота. Частота зеркального канала приводит к одновременному приему двух станций, что приводит к возникновению помех. С приемом на частоте зеркального канала можно бороться путем настройки (фильтрации) на антенном и радиочастотном каскадах супергетеродинного приемника.
Например, AM-вещательная станция на частоте 580 кГц настроена на приемник с ПЧ 455 кГц. Гетеродин настроен на 580 + 455 = 1035 кГц. Но сигнал на частоте 580 + 455 + 455 = 1490 кГц также находится на расстоянии 455 кГц от гетеродина; поэтому и полезный сигнал, и изображение, смешанные с гетеродином, появятся на промежуточной частоте. Эта частота изображения находится в диапазоне AM-вещания. Практические приемники имеют каскад настройки перед преобразователем, чтобы значительно уменьшить амплитуду сигналов частоты изображения; кроме того, вещательные станции в той же области имеют свои частоты, назначенные для избежания таких изображений [ необходима ссылка ] .
Нежелательная частота называется изображением желаемой частоты, потому что она является «зеркальным изображением» желаемой частоты, отраженной около . Приемник с неадекватной фильтрацией на входе будет принимать сигналы на двух разных частотах одновременно: желаемой частоте и частоте изображения. Радиоприем, который происходит на частоте изображения, может мешать приему желаемого сигнала, а шум (статический) вокруг частоты изображения может снизить отношение сигнал/шум (SNR) приемника до 3 дБ.
Ранние приемники Autodyne обычно использовали ПЧ всего 150 кГц или около того. Как следствие, большинство приемников Autodyne требовали большей селективности входного каскада, часто включающего катушки с двойной настройкой, чтобы избежать помех изображения. С более поздним развитием ламп, способных хорошо усиливать на более высоких частотах, стали использоваться более высокие частоты ПЧ, что уменьшило проблему помех изображения. Типичные потребительские радиоприемники имеют только одну настроенную цепь в каскаде RF.
Чувствительность к частоте изображения можно минимизировать только (1) фильтром, который предшествует смесителю, или (2) более сложной схемой смесителя [21] для подавления изображения; это используется редко. В большинстве настраиваемых приемников, использующих одну частоту ПЧ, каскад РЧ включает в себя по крайней мере одну настроенную схему в переднем конце РЧ , настройка которой выполняется совместно с локальным генератором. В приемниках с двойным (или тройным) преобразованием, в которых первое преобразование использует фиксированный локальный генератор, это может быть фиксированный полосовой фильтр , который размещает диапазон частот, отображаемый на первый диапазон частот ПЧ.
Подавление изображения является важным фактором при выборе промежуточной частоты приемника. Чем дальше друг от друга находятся полосовая частота и частота изображения, тем больше полосовой фильтр ослабит любой мешающий сигнал изображения. Поскольку разделение частот между полосой пропускания и частотой изображения составляет , более высокая промежуточная частота улучшает подавление изображения. Может оказаться возможным использовать достаточно высокую первую ПЧ, чтобы фиксированно настроенный каскад ВЧ мог подавлять любые сигналы изображения.
Способность приемника подавлять мешающие сигналы на частоте изображения измеряется коэффициентом подавления изображения . Это отношение (в децибелах ) выходного сигнала приемника от сигнала на принимаемой частоте к его выходному сигналу для равной мощности сигнала на частоте изображения.
Может быть сложно удерживать паразитное излучение от местного генератора ниже уровня, который может обнаружить близлежащий приемник. Если местный генератор приемника может достичь антенны, он будет действовать как маломощный CW- передатчик. Следовательно, то, что должно быть приемником, может само по себе создавать радиопомехи.
В разведывательных операциях излучение локального генератора дает возможность обнаружить скрытый приемник и его рабочую частоту. Этот метод использовался MI5 во время операции RAFTER . [22] Этот же метод используется в детекторах радаров, используемых дорожной полицией в юрисдикциях, где детекторы радаров запрещены.
Излучение локального генератора наиболее заметно в приемниках, в которых сигнал антенны напрямую подключен к смесителю (который сам принимает сигнал локального генератора), а не в приемниках, в которых между ними используется каскад усилителя ВЧ. Таким образом, это скорее проблема недорогих приемников и приемников на таких высоких частотах (особенно микроволновых), где каскады усиления ВЧ трудно реализовать.
Локальные генераторы обычно генерируют одночастотный сигнал, который имеет незначительную амплитудную модуляцию , но некоторую случайную фазовую модуляцию , которая распространяет часть энергии сигнала на боковые частоты. Это вызывает соответствующее расширение частотной характеристики приемника [ dubious – discussion ] , что противоречит цели создания очень узкополосного приемника, например, для приема низкоскоростных цифровых сигналов. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы минимизировать фазовый шум генератора, обычно путем обеспечения [ dubious – discussion ] , чтобы генератор никогда не входил в нелинейный режим.
