Heterodyna (oscylator referencyjny) w odbiorniku (nadajnikW większości przypadków generator sygnału, który określa częstotliwość odbioru, nazywany jest heterodyną. Mimo że jego rola jest określana jako pomocnicza, ma on bardzo istotny wpływ na jakość pracy jednostki odbiorczej lub nadawczej.
Spis treści
Określenie heterodyny i zasada odbioru heterodyny
We wczesnym okresie odbioru radiowego heterodyna była niezbędna przy konstruowaniu obwodu odbiornika. Sygnał odbierany przez oscylujący obwód wejściowy był wzmacniany, a następnie wykrywany i podawany do wzmacniacza małej częstotliwości. Wraz z rozwojem układów scalonych pojawił się problem zbudowania wzmacniacza radiowego o dużym wzmocnieniu.
Aby pokryć duży zakres, zaprojektowano go z szerokim pasmem przenoszenia, co spowodowało, że był podatny na samowzbudzenia. Wzmacniacze przełączalne okazały się zbyt skomplikowane i kłopotliwe.
Wszystko to zmieniło się wraz z wynalezieniem odbioru heterodynowego. Sygnał z przestrajanego (lub stałego) oscylatora jest podawany do mieszacza. Drugim wejściem mieszacza jest sygnał odebrany, a wyjściem ogromna liczba częstotliwości Ramana, które są sumami i różnicami częstotliwości heterodyny i sygnału odebranego w różnych kombinacjach. W praktycznych zastosowaniach występują zwykle dwie częstotliwości:
- f heterodyna-f-sygnał;
- f-sygnał - f-heterodyna.
Częstotliwości te są nazywane częstotliwościami lustrzanymi w stosunku do siebie. Odbiór odbywa się na jednym kanale, drugi jest filtrowany przez obwody wejściowe odbiornika. Różnica ta jest nazywana częstotliwością pośrednią (IF), a jej wartość jest wybierana podczas projektowania odbiornika lub nadajnika. Pozostałe częstotliwości kombinacyjne są odfiltrowywane przez filtr częstotliwości pośredniej.
W przypadku urządzeń przemysłowych istnieją normy dotyczące wyboru częstotliwości IF. W urządzeniach amatorskich częstotliwość ta jest wybierana w zależności od różnych warunków, w tym dostępności elementów do budowy filtru wąskopasmowego.
Odfiltrowana częstotliwość pośrednia jest wzmacniana we wzmacniaczu IF. Ponieważ częstotliwość ta jest stała, a szerokość pasma niewielka (dla informacji głosowej wystarczy 2,5...3 kHz), wzmacniacz do niej można łatwo wykonać jako wąskopasmowy o dużym wzmocnieniu.
Istnieją układy wykorzystujące częstotliwość łączną - f-sygnał + f-heterodyna. Takie układy nazywane są układami "up-conversion". Upraszcza to układ wejściowy odbiornika.
Istnieje również technika konwersji bezpośredniej (nie mylić ze wzmocnieniem bezpośrednim!), w której odbiór odbywa się prawie na częstotliwości heterodyny. Obwody te są proste w budowie i regulacji, ale techniki bezpośredniej konwersji mają wady, które mogą wpływać na wydajność.
Heterodyny są również wykorzystywane w nadajniku. Ich odwrotną funkcją jest przenoszenie sygnału zmodulowanego o niskiej częstotliwości do częstotliwości nadawania. W urządzeniach komunikacyjnych może występować więcej niż jedna heterodyna. Jeśli więc stosowany jest obwód z dwiema lub większą liczbą przemian częstotliwości, stosuje się odpowiednio dwie lub większą liczbę heterodyn. W obwodzie mogą znajdować się również heterodyny, które pełnią dodatkowe funkcje - przywracanie nośnej stłumionej podczas transmisji, tworzenie paczek telegraficznych itp.
Moc heterodyny w odbiorniku jest niewielka. W większości przypadków do każdego zastosowania wystarczy kilka miliwatów. Jednak sygnał heterodyny, jeśli pozwala na to układ odbiornika, może przedostawać się do anteny i być odbierany z odległości kilku metrów.
Wśród radioamatorów popularna jest opowieść o tym, że kiedy zdelegalizowano zachodnie stacje radiowe, przedstawiciele służb bezpieczeństwa chodzili po domach z odbiornikami nastawionymi na częstotliwości "głosów wroga" (skorygowane o częstotliwość pośrednią). Rzekomo na podstawie obecności sygnałów można było ustalić, kto słucha zakazanych transmisji.
Wymagania dotyczące parametrów heterodyny
Głównym wymogiem stawianym przed sygnałem heterodyny jest czystość widmowa. Jeśli heterodyna generuje napięcie inne niż sinusoidalne, w mieszaczu powstają dodatkowe częstotliwości ramanowskie. Jeśli mieszczą się one w zakresie pasma filtrów wejściowych, prowadzi to do powstania dodatkowych kanałów odbioru, jak również "punktów trafienia" - na niektórych częstotliwościach odbioru pojawiają się gwizdy, zakłócające odbiór użytecznego sygnału.
Kolejnym wymaganiem jest stabilność poziomu i częstotliwości sygnału wyjściowego. Drugi z nich jest szczególnie ważny przy przetwarzaniu sygnałów z tłumioną nośną (SSB, DSB itp.) Stabilność poziomu wyjściowego można łatwo uzyskać przez zastosowanie regulatorów napięcia do zasilania oscylatorów głównych oraz przez prawidłowy wybór trybu pracy elementu aktywnego (tranzystora).
Stałość częstotliwości zależy od stabilności elementów odniesienia częstotliwości (pojemności i indukcyjności obwodu oscylacyjnego), a także od stałości pojemności instalacji. Niestabilność elementów LC zależy głównie od zmian temperatury podczas pracy heterodyny. Aby ustabilizować elementy obwodu, umieszcza się je w termostatach lub podejmuje się specjalne działania w celu skompensowania dryftu temperaturowego pojemności i indukcyjności. Cewki indukcyjne zazwyczaj starają się być w pełni termostabilne.
W tym celu stosuje się specjalne konstrukcje - cewki są nawijane z silnym naciągiem drutu, zwoje są wypełniane masą, aby wykluczyć przemieszczanie się zwojów, drut jest wpalany w ceramiczną ramę itp.
Aby ograniczyć wpływ temperatury na pojemność kondensatora wzorcowego, składa się go z dwóch lub więcej elementów, dobierając je o różnych wartościach i znakach temperaturowego współczynnika pojemności, tak aby wzajemnie kompensowały się w wyniku ogrzewania lub chłodzenia.
Sterowane elektronicznie heterodyny, w których warikapy pełnią rolę pojemności, nie są powszechnie stosowane ze względu na problemy ze stabilnością termiczną. Zależność od temperatury jest nieliniowa i trudna do skompensowania. Dlatego warikapy są stosowane tylko jako elementy dostrajające.
Pojemność zespołu jest dodawana do pojemności kondensatora odniesienia, a jego niestabilność również prowadzi do dryftu częstotliwości. Aby uniknąć niestabilności instalacji, wszystkie elementy heterodyny muszą być zamontowane bardzo sztywno, aby uniknąć nawet najmniejszych przesunięć względem siebie.
Prawdziwym przełomem w konstrukcji oscylatorów było opracowanie w latach 30. XX wieku w Niemczech technologii odlewania proszkowego. Umożliwiło to wytwarzanie skomplikowanych trójwymiarowych kształtów elementów radiowych, dzięki czemu możliwe było osiągnięcie niespotykanej w tamtych czasach sztywności montażu. Dzięki temu niezawodność systemów radiowych Wehrmachtu osiągnęła nowy poziom.
Jeśli heterodyna nie jest przestrajana, elementem odbierającym częstotliwość jest zwykle oscylator kryształowy. Dzięki temu uzyskuje się niezwykle stabilne oscylacje.
W ostatnich latach obserwuje się tendencję do stosowania jako heterodyn cyfrowych syntezatorów częstotliwości zamiast oscylatorów LC. Stabilne napięcie wyjściowe i częstotliwość są łatwe do uzyskania, ale czystość widmowa pozostawia wiele do życzenia, zwłaszcza jeśli sygnał jest generowany za pomocą niedrogich mikroprocesorów.
Obecnie stare technologie odbioru radiowego są zastępowane nowymi, takimi jak DDC - cyfryzacja bezpośrednia. Niedługo nadejdzie czas, gdy heterodyny w urządzeniach odbiorczych znikną jako klasa. Czas ten nie nadejdzie szybko, więc wiedza o częstotliwościach heterodynowych i zasadach odbioru heterodyny będzie potrzebna jeszcze przez długi czas.
Powiązane artykuły:
