что такое гетеродин в радиотехнике

Гетеродин

Гетероди́н (от греч. ἕτερος — иной; δύναμις — сила) — маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала в супергетеродинных радиоприёмниках, приемниках прямого преобразования, волномерах и пр.

Изначально гетеродином называли радиоприёмник, в котором имелся дополнительный генератор высокой частоты, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала, что повышало чувствительность радиоприёмника. В дальнейшем, после изобретения супергетеродина, гетеродином стали называть этот генератор.

Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота (при амплитудной модуляции постоянная) используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.

К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов все чаще применяют цифровые синтезаторы частоты, которые обладают рядом важных преимуществ.

См. также

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Гетеродин» в других словарях:

гетеродин — гетеродин … Орфографический словарь-справочник

ГЕТЕРОДИН — (от гетеро. и греч. dynamis сила) маломощный генератор, используемый как источник колебаний вспомогательной частоты при преобразовании по частоте высокочастотных сигналов (напр., в супергетеродинном радиоприемнике) … Большой Энциклопедический словарь

ГЕТЕРОДИН — ГЕТЕРОДИН, прибор, создающий колебания вспомогательной волновой ЧАСТОТЫ, которые смешиваются с поступающими извне для получения разностной частоты. Используется в радиочастотных ОСЦИЛЛЯТОРАХ и приемниках. Гетеродинная система была изобретена… … Научно-технический энциклопедический словарь

ГЕТЕРОДИН — (Heterodyne) маломощный ламповый генератор, применяемый для возбуждения вспомогательных незатухающих колебаний при гетеродинном приеме. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь

гетеродин — сущ., кол во синонимов: 2 • генератор (63) • супергетеродин (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

гетеродин — а, м. hétérodyne < гр. heteres другой + dynamis сила. Маломощный вспомогательный генератор электрических колебаний высокой частоты, прим. гл. обр. в преобразователях частоты. Крысин 1998. Лекс. СИС 1954: гетероди/н … Исторический словарь галлицизмов русского языка

гетеродин — Генератор гармонических колебаний, используемый для преобразования частоты в радиоприемнике. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиопередатчики EN local oscillatoroscillator … Справочник технического переводчика

ГЕТЕРОДИН — маломощной вспомогательный (см.) гармонических электрических колебаний с самовозбуждением на транзисторе или электронной лампе, служит для преобразования (смешения) несущей частоты сигналов в радиоаппаратуре и радиоизмерительных устройствах … Большая политехническая энциклопедия

гетеродин — (гетеро. гр. dynamis сила) маломощный вспомогательный генератор электрических колебаний высокой частоты, применяемый гл. обр. в преобразователях частоты (напр., в супергетеродинных радиоприемниках, измерительных устройствах). Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка

гетеродин — (от гетеро. и греч. dýnamis сила), маломощный генератор, используемый как источник колебаний вспомогательной частоты при преобразовании по частоте ВЧ сигналов (например, в супергетеродинном радиоприёмнике). * * * ГЕТЕРОДИН ГЕТЕРОДИН (от гетеро … Энциклопедический словарь

Источник

Гетеродин

Из Википедии — свободной энциклопедии

Гетероди́н (от греч. ἕτερος — иной; δύναμις — сила) — маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала в супергетеродинных радиоприёмниках, приёмниках прямого преобразования, волномерах и пр.

Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.

К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов всё чаще применяют цифровой синтезатор частоты, который обладает главным преимуществом: стабильность частоты гетеродина зависит только от стабильности частоты опорного генератора. [ каких? ]

Источник

Что такое гетеродин в радиотехнике

В радиолюбительской практике они появились сравнительно недавно, с начала 70-х годов, и быстро завоевали широкую популярность благодаря исключительной простоте и хорошему качеству работы. Введя это новое, а на самом деле очень старое название, мы лишь восстанавливаем историческую справедливость и определяем место гетеродинных приемников среди множества известных в настоящее время радиоприемных устройств. Настоящая обзорная статья посвящена этому недавно возродившемуся и быстро развивающемуся классу радиоприемников.

Расцвет гетеродинных приемников наступил с переходом на излучение незатухающих колебаний и с изобретением кристаллического детектора (1906-1908 гг.), где множество нестабильных контактов между опилками было заменено одним контактом между кристаллом полупроводника и металлическим острием. Принципиально кристаллический детектор не отличался от полупроводникового диода наших дней. Незатухающие колебания в антенном контуре передатчика в те годы получали с помощью дугового разряда, имеющего падающий участок вольтамперной характеристики, т.е. вносящего в контур отрицательное сопротивление, поддерживающее радиочастотные (РЧ) колебания. На сверхдлинных волнах широко использовались и электромашинные генераторы.

Рис. 1. Схема радиотелеграфной линии

Воссоздадим в современных обозначениях схему телеграфной радиолинии тех лет ( рис.1 ). Телеграфный ключ S1 замыкал цепь питания генератора РЧ G1. В процессе приема в цепь детектора включались либо реле (чувствительность при этом была низкая), либо телефонные трубки В1. Но в телефонах слышался лишь треск искровых разрядов или шипение дуги передатчика, модулирующее сигнал.

Рис. 2. Схема гетеродинного приемника	Рис. 3. Схема регенеративного приемника

Колебания принимаемого сигнала из антенны поступают в единственный контур L2C1 и затем детектируется в сеточной цепи лампы с помощью элементов R1C2. В анодной цепи лампы кроме продетектированного сигнала (который выделяется на нагрузке R2 и поступает в УЗЧ) существуют и радиочастотные колебания. Через катушку обратной связи они снова поступают в контур и компенсируют потери в нем. Увеличивая связь катушек L3 и L2, можно очень близко подойти к порогу самовозбуждения собственных колебаний. При этом значительно возрастают чувствительность и селективность приемника, но сужается полоса пропускания контура.

Вполне реальна, например, эквивалентная добротность контура до нескольких тысяч, что соответствует полосе пропускания в несколько килогерц даже на КВ:

Еще более тщательной регулировкой обратной связи вблизи порога возбуждения можно добиться малой амплитуды собственных колебаний в контуре регенератора, при этом возникала возможность режима синхронного приема АМ сигналов, а приемник назывался теперь синхродином. Суть синхронного приема состоит в следующем: при точной настройке приемника на частоту несущей АМ сигнала собственные колебания захватываются ею и становятся синхронными и синфазными с несущей. Прием АМ сигналов при этом улучшается, так как при подъеме несущей за счет собственных колебаний возрастает уровень продетектированного сигнала, улучшается селективность, уменьшаются помехи и искажения. Полосу захвата можно найти из соотношения:

Видно, что для увеличения полосы захвата приходилось уменьшать и амплитуду возбуждения и собственную добротность контура. Гетеродинные приемники, в которых собственные колебания происходили одинаково с принимаемыми, иногда называли гомодинными.

Все описанные приемники не выдержали конкуренции с супергетеродином и были прочно забыты. Причина в следующем: они (как и показанный на рис. 2 простейший гетеродинный приемник) не только преобразовывали сигнал по частоте, но и детектировали его. С таким же успехом детектировались и сигналы мешающих, соседних по частоте станций, что резко снижало селективность приемника, а селективности одного-двух радиочастотных контуров было явно недостаточно при возрастающем количестве станций и помех в эфире.

Тридцатые годы характерны созданием многоламповых супергетеродинных приемников, основное усиление и селективность в которых обеспечивает тракт ПЧ с несколькими каскадами усиления и многочисленными контурами. Обычно «суперы» проектировались для приема АМ сигналов, а для приема телеграфных сигналов на биениях служил второй, или «телеграфный» гетеродин, возбуждавшийся на частоте, близкой к промежуточной. Часто его колебания просто подмешивали к сигналу, подаваемому на амплитудный детектор, теряя тем самым дополнительную селективность, обеспечиваемую УЗЧ, и ухудшая качество сигнала из-за его прямого детектирования. Впоследствии широкое распостранение однополосной модуляции заставило ввести в супергетеродин второй детектор смесительного, или мультипликативного, типа, а по сути дела, обычный смеситель, преобразующий сигнал ПЧ на звуковые частоты.

Безраздельное господство супергетеродинных приемников привело к тому, что к 50-м годам радиоспециалисты и радиолюбители пребывали в уверенности, что существуют лишь два больших класса радиоприемных устройств: приемники прямого усиления и супергетеродины. Первые обладали существенными недостатками (малая чувствительность и селективность, необходимость перестройки нескольких контуров, неравномерность параметров по диапазону и т.д.), вторые эти недостатки устраняли, но взамен имели собственные (наличие зеркального канала, интерференционные свисты, необходимость сопряжения контуров и т.д.). Впрочем, все это хорошо изложено в любых книгах и учебниках по радиотехнике.

Класс гетеродинных приемников

Рис. 4. Вольтамперная характеристика детектора

Из других, менее точных названий использовались: гомодинный приемник, синхродин и супергетеродин с нулевой ПЧ. Для количественной оценки преимуществ гетеродинного приема начнем с «азов». Проанализируем работу детекторного приемника, показанного на рис.1 . Пусть входной незатухающий сигнал имеет вид :

Вольтамперную характеристику детектора i (u) можно представить рядом ( рис.4 ):

Детектор в этом случае оказывается квадратичным. Подставляя значение u в выражение для i, получаем:

Естественно, что компоненты тока с радиочастотами для w₁ и 2w₁ на нагрузку (реле, телефоны) не действуют. Для их замыкания параллельно нагрузке включают блокировочный конденсатор. Остается член

соответствующий компоненте постоянного, продетектированного тока. Его амплитуда пропорциональна квадрату амплитуды входного сигнала. Сопротивление нагрузки из условия согласования (отдачи в нагрузку максимальной мощности) выбирается приблизительно равным внутреннему сопротивлению детектора Ri = 1 / S. Тогда полезное напряжение на нагрузке:

Чтобы проиллюстрировать расчет, найдем крутизну и кривизну характеристики для современного диода Д2 по вольтамперной зависимости, приводимой в справочниках:

и рассчитаем выходное напряжение детектора в зависимости от амплитуды входного РЧ сигнала.

Из табл.1 видно, что чувствительность приемника очень низка и даже чувствительный УЗЧ, подключенный к его выходу, не спасает положения.

Полезное напряжение на выходе детектора оказывается следующим:

Итак, полезным эффектом в гетеродинном приемнике оказывается не детектирование, а преобразование сигнала по частоте с выделением низкой ЗЧ биений:

Идеальный смеситель осуществляет операцию перемножения входного и гетеродинного сигналов:

Суммарная частота отфильтровывается на выходе смесителя, и выделяется полезное напряжение:

Как видим, оно содержит лишь колебания разностных частот и его амплитуда пропорциональна амплитуде сигнала. Спектр РЧ принимаемых сигналов линейно переносится в область ЗЧ и фильтрация на ЗЧ так же эффективна, как на РЧ в приемниках прямого усиления и на ПЧ в супергетеродине. К сожалению, этот факт очень поздно осознали и радиоспециалисты, и радиолюбители. Добавление гетеродинного напряжения к сигналу на обычном детекторе ( рис.2, 3 ) позволяет поднять чувствительность, получить тональный прием телеграфа, но не избавляет от прямого детектирования мешающих сигналов. Именно поэтому ушли в прошлое автодины, синхродины и гомодины 20-х годов.

Выдающийся радиоинженер Е.Г. Момот еще до войны, разрабатывая технику синхронного приема и «избирательного детектирования», указал на полезность и необходимость балансных смесителей. Но в те годы применение двух ламп в балансной схеме вместо одной считалось довольно сложным и дорогим решением. До сих пор еще встречаются разработки гетеродинных приемников, где смеситель выполнен на одном диоде или транзисторе, хотя получение высоких параметров в таких приемниках принципиально невозможно.

Рис. 5. Классификация приемных устройств по принципу действия

Все гетеродинные приемники делятся на два больших подкласса: синхронные, в которых предусмотрены средтва синхронизации колебаний гетеродина с несущей принимаемого сигнала, и асинхронные, где таких средств нет. Остановимся сначала на последних.

Пример практической конструкции гетеродинного приемника

Рис. 6. Структурная схема двухполосного асинхронного приемника

Смеситель гетеродинного приемника не должен детектировать входные сигналы, пропускать гетеродинное напряжение на вход приемника и создавать излишний шум. Перечисленным требованиям в большей степени удовлетворяют смесители на встречно-параллельных диодах [5] и полевых транзисторах [6]. ФНЧ Z2 обеспечивает основную селекцию приемника по соседнему каналу. Хорошие результаты дают LC фильтры, хотя они и трудоемки в изготовлении.

Активные RC фильтры имеют повышенный уровень шума и поэтому мало пригодны для установки на выходе смесителя связного приемника, но с успехом могут включаться между каскадами УЗЧ. К селективности ФНЧ добавляется селективность УЗЧ, ослабляющего верхние частоты, и естественная селективность человеческого уха, теряющего чувствительность на верхних частотах. УЗЧ гетеродинного приемника обеспечивает основное усиление сигнала до 100.000-1.000.000). На современных транзисторах и ИМС получить такое усиление при уровне шума, приведенного ко входу, порядка долей микровольта большой проблемы не составляет.

Иллюстрируя изложенное, приведем простейшую схему гетеродинного приемника на любительские КВ диапазоны ( рис.7 ). Он содержит входной неперестраиваемый двухконтурный фильтр L1C1L2C2, смеситель на встречно-параллельных диодах VD1, VD2 и гетеродин, выполненный по схеме индуктивной трехточки на полевом транзисторе VT2. ФНЧ приемника с частотой среза около 3 кГц образован элементами L4C3C4. Для обеспечения минимальных потерь сигнала необходимо сквозное согласование сопротивлений антенны, входного фильтра, смесителя, ФНЧ и УЗЧ. Оптимальное значение сопротивлений, обеспечивающее достаточно близкий к единице коэффициент передачи смесителя и невысокий уровень его шума, лежит в диапазоне 3-10 кОм.

Здесь учтены следующие факторы: при низких значениях сопротивления для повышения коэффициента передачи смесителя приходится увеличивать уровень гетеродинного напряжения, что увеличивает как шум диодов, так и шум гетеродина. Излишнее повышение сопротивления хоть и повышает чувствительность, но несколько снижает помехоустойчивость. Кроме того, труднее выполнить ФНЧ с высоким характеристическим сопротивлением. Как компромисс, значение последнего выбрано около 3 кОм, а нагрузка ФНЧ несколько выше, что дает небольшой подъем АЧХ в области частот 2-3 кГц, улучшающий разборчивость речи. Согласование с антенной достигается подбором положения отвода катушки L2, сделанного от 1/5-1/6 общего ее числа витков.

Рис. 7. Схема любительского приемника на любительские КВ диапазоны

Рис. 8. Кривая селективности гетеродинного приемника

В супергетеродинных приемниках с мультипликативным детектором (смесителем) и телеграфным гетеродином для получения однополосного приема используются кварцевые и электромеханические фильтры в тракте ПЧ. В гетеродинных приемниках такой возможности нет, а селективности входного фильтра далеко недостаточно. Но здесь можно применитьметоды фазовой селекции, известные весьма давно 4. Суть их сводится к следующему. В гетеродинном приемнике устанавливают два смесителя U1 и U2 ( рис.9 ), на которые подается напряжение гетеродина G1 со сдвигом фаз 90° (если гетеродин работает на половинной частоте сигнала, то 45°).

Рис. 9. Схема гетеродинного приемника для однополосного приема

В связи с трудностями достижения одинаковых амплитуд и точных фазовых сдвигов в каналах, особенно в НЧ фазовращателе, работающем в десятикратной полосе ЗЧ, подавление нежелательной боковой полосы получается обычно не более чем в 100 раз (на 40 дБ). Имеются малоизвестные разработки, сулящие существенное улучшение подавления боковой полосы фазокомпенсационным методом [7, 8]. Прежде чем перейти к сложному для понимания принципу действия предложенного НЧ фазовращателя, рассмотрим простейший случай ( рис.10 ).

Рис. 10. Пояснение принципа работы фазовращателя

Рис. 11. Четырехфазный фазовращатель и векторные диаграммы

Нуль коэффициента передачи, т.е. максимум подавления, будет на собственной частоте звена F1. Второе звено обеспечивает нуль на соседней частоте F2 и т.д. Эксперимент, проведенный с 5- и 6-звенными фазовращателями, подтвердил, что можно получить подавление более 50 дБ в «связной» полосе ЗЧ 300-3000 Гц и около 40 дБ в «радиовещательной» полосе 80-6500 Гц. Кривая селективности однополосного гетеродинного приемника с данным фазовращателем показана на рис.12 . Точки «бесконечного» подавления соответствуют собственным частотам звеньев.

Рис. 12. Кривая селективности однополосного гетеродинного приемника	Рис. 13. Распределение мощности между несущей и боковыми частотами при АМ

Благодаря взаимной компенсации фазовых и амплитудных дисбалансов отдельных цепочек в фазовращателе можно использовать элементы с допуском 5%. Hесмотря на большое количество резисторов и конденсаторов, габариты и стоимость фазовращателя меньше, чем ЭМФ, и, тем более, кварцевых фильтров. Правда, фазовращатель должен нагружаться на высокое входное сопротивление установленного за ним усилителя и вносит заметные потери, что ограничивает его использование в высокочувствительных связных гетеродинных приемниках. Тем не менее он с успехом может применяться в однополосных радиовещательных приемниках. Но таких ведь еще нет, удивится читатель! Пока нет, и чтобы разобраться, почему, обратимся к теперешнему состоянию радиовещания на ДВ, СВ и КВ.

Тем временем ситуация, сложившаяся в АМ диапазонах, становится уже нетерпимой. Во-первых, из-за энергетических соображений. Амплитуда боковых частот АМ сигнала при модуляции чистым тоном составляет m / 2, а мощность каждой боковой (m 2 / 4) ( рис.13 ). Учитывая, что во избежание перемодуляции на пиках программы коэффициент модуляции m устанавливается около 0,3 (30%), а в среднем за счет пауз и тихих звуков составляет еще меньшую величину, получаем, что более 96% мощности передатчика тратится на излучение несущей. А нужна она лишь для работы АМ детекторов в приемниках, хоть и простых, но довольно неудачных устройств, одинаково реагирующих на полезные сигналы и помехи.

На долю полезных, несущих информацию составляющих АМ сигнала остается лишь менее 4% излучаемой мощности. Отсюда следует, что 25-киловатный однополосный передатчик может вещать лучше, чем 500-киловаттная АМ радиостанция, было бы чем его слушать! Во-вторых, при установленной сетке частот радиостанций через 9 кГц на ДВ и СВ и через 5 кГц на КВ боковые полосы соседних по частоте станций сильно перекрываются и создают взаимные помехи. Интерференция несущих прослушивается как свист с частотой 5 или 9 кГц. Таким образом, отказ от излучения несущих и сокращение излучаемого каждой станцией спектра вдвое принес бы огромные выгоды и значительно повысил бы качество радиовещания.

Исследования показали, что оптимальным по помехозащищенности будет излучение двух независимых боковых полос на одной частично или полностью подавленной несущей, как показано на рис.14 (римскими цифрами обозначены различные программы). Разнос несущих при такой системе радиовещания увеличивается вдвое. Для сравнения с существующим положением попробуйте сами нарисовать спектры излучения нескольких соседних по частоте АМ станций при излучаемой ими полосе ЗЧ 50-10000 Гц и разносе несущих 5 или 9 кГц.

Рис. 14. Диаграмма излучения двух независимых боковых частот при частично подавленной несущей

Перейти на однополосное радиовещание можно, лишь заменив парк приемников однополосными, позволяющими принимать как существующие АМ, так и будущие однополосные сигналы. Процесс, вероятно, будет длительным, и Международный консультативный комитет по радиосвязи (МККР) в Женеве рекомендует осуществить его в течение 10-15 лет.

Выходом из положения была бы разработка предлагаемого ниже гетеродинного приемника с фазокомпенсационным подавлением одной боковой полосы и НЧ фазовращателем по схеме рис.11 , который несложно выполнить в виде гибридной ИМС. Эти устройства уже разработаны [9], и при промышленном производстве все их элементы можно объединить в одну ИМС. Что же касается стабильности частоты гетеродина то и здесь может помочь цифровая техника.

Структурная схема гетеродинного радиовещательного приемника показана на рис.15 . Он содержит преселектор Z1, УРЧ А1, служащий скорее для развязки цифровой части приемника от антенны, чем для усиления, четырехфазный смеситель U1 с синтезатором частоты D1 и индикатором частоты настройки Н1, НЧ фазовращатель U2, ФНЧ Z2 и УЗЧ А2. Оконечный усилитель ЗЧ А3 может быть встроенным или отдельным, общим для всего бытового радиокомплекса. Органом настройки приемника U3 может быть обычная ручка, связанная с потенциометром или оптоэлектронным формирователем импульсов, тастатура с памятью или автоматическое сканирующее устройство.

Рис. 15. Структурная схема гетеродинного радиовещательного приемника

Смена боковых полос приема осуществляется переключателем входов НЧ фазовращателя или электронным коммутатором, изменяющим чередование фаз гетеродинного напряжения. Для перестройки преселектора или контура магнитной антенны можно использовать варикапы, а управляющее напряжение взять от потенциометра настройки или ЦАП, встроенного в синтезатор. Другим решением может быть переключение контурных конденсаторов преселектора цифровыми ключами, управляемыми кодом частоты настройки. Разумеется, все функции управления, памяти и индикации частот настройки, формирования гетеродинного напряжения можно поручить встроенному микропроцессору. Система АРУ приемника U4 может работать от звукового сигнала, подобно регуляторам уровня записи магнитофонов.

Разработку любительского варианта предложенного приемника можно вести уже сейчас, на имеющейся элементной базе. Быстродействие микросхем серии 176, например, достаточно для диапазона СВ, тем более ДВ. Даже при приеме существующих АМ сигналов приемник даст определенные преимущества: у него отсутствуют нелинейные искажения, вносимые обычным детектором огибающей, а возможность выбора любой из боковых полос во многих случаях позволит устранить взаимные помехи между станциями. Сравнительно простой ФНЧ Z2 обеспечит селективность, трудно достижимую в АМ супергетеродинах даже высшего класса.

И еще одно важное достоинство: при селективном замирания АМ сигнала уровень несущей может оказаться ниже уровня боковых полос, что в обычном приемнике вызывает большие искажения, делающие сигнал неразборчивым. Поскольку несущая для работы предложенного приемника не нужна, нелинейные искажения при селективном фединге в нем возникать не будет, может изменяться лишь тембр звучания.

Чтобы завершить обзор уже известных гетеродинных приемников, кратко разберем еще некоторые их разновидности.

Использование прямого захвата неэффективно, да к тому же открывает путь для помех со стороны других станций. Наилучшей из известных систем синхронизации является система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В ней колебания сигнала и гетеродина ( рис.16 ) поступают на смеситель (фазовый детектор) U1, его выходной сигнал фильтруется (Z1), усиливается (А1) усилителем постоянного тока (УПТ) и подается на варикап V1, управляющий частотой гетеродина G1. При захвате сигнала устанавливается точное равенство частот сигнала и гетеродина и их относительный фазовый сдвиг около 90°.

Рис. 16. Система фазовой автоподстройки частоты

Структурная схема петли ФАПЧ очень похожа на схему простейшего гетеродинного приемника, с той лишь разницей, что все ее элементы должны пропускать постоянную составляющую сигнала с выхода смесителя. Неизбежные при этом «дрейф» и «уход нуля» не позволяют получить от приемника с ФАПЧ такой же чувствительности, как у асинхронных гетеродинных приемников. Тем не менее на основе системы ФАПЧ удается постороить ряд приемников, пригодных для демодуляции ЧМ, ФМ и АМ сигналов (см., например, [10]), причем по ряду параметров (качество приема, простота схемы) они превосходят традиционные, а по некоторым (чувствительность, стабильность настройки) уступает им.

Приемник с ФАПЧ по схеме рис.16 может демодулировать ФМ сигнал с небольшим индексом модуляции, если постоянная времени RC фильтра Z2 достаточна велика и система ФАПЧ отслеживает лишь среднее значение частоты сигнала, не успевая реагировать на модуляцию. Уменьшение постоянной времени фильтра Z2 делает приемник пригодным для демодуляции ФМ с большим индексом и ЧМ сигналов, при этом гетеродин достаточно точно отслеживает все изменения частоты входного сигнала, а управляющее напряжение на варикапе повторяет модулирующий сигнал ЗЧ. Подобные приемники описаны в книге [11], неоднократно повторялись радиолюбителями и даже выпускались промышленностью в виде радиоконструктора (УКВ тьюнер Старт-7104).

Синхронный прием АМ сигналов взможен при установке второго смесителя и ВЧ фазовращателя ( рис.17 ). Гетеродинные напряжения на оба смесителя U1 и U2 подаются со сдвигом фазы 90°, так же как и в схеме рис.9 . Квадратурные сигналы ЗЧ фильтруются ФНЧ Z2 и Z3, усиливаются (А1, А2), один из сигналов служит выходным, а другой используется в системе ФАПЧ с элементами Z4 и V1. Усилитель А2 здесь должен быть УПТ. С его выхода можно снять и переменное демодулированное напряжение при ФМ входного сигнала.

Рис. 17. Структурная схема устройства для синхронного приема АМ сигналов

Кстати, в ряде разрабатываемых систем стереофонического вещания на СВ используют АМ несущей суммарным сигналом двух стереоканалов и ФМ разностным; данный приемник может демодулировать сразу оба сигнала. Практическая конструкция одного из простейших синхронных приемников описана в [9].

Перспективы развития гетеродинных приемников

Синхронный приемник может обеспечить отличное качество демодуляции, повышенную селективность и помехоустойчивость без использования синтезатора частот в гетеродинной части. Здесь непочатое поле деятельности для радиолюбителей. Но есть и другие возможности гетеродинного приема АМ и ЧМ сигналов [12]. Если в структурной схеме рис.17 исключить элементы петли ФАПЧ Z4 и V1, а фильтры Z2, Z3 и усилители ЗЧ A1, A2 сделать одинаковыми, получим асинхронный гетеродинный приемник с квадратурными каналами. Напряжение ЗЧ в каналах описывается выражениями:

где

— разностная частота биений между несущей сигнала и колебаниями гетеродина. Произведя над ними операцию:

получаем:

т.е. квадратично продетектированный входной сигнал.

Такой обобщенный АМ детектор содержит два квадратора и сумматор ( рис.18 , нумерация элементов продолжает нумерацию на рис.17 ).

Рис. 18. АМ детектор с двумя квадраторами и сумматором

На выходе детектора можно установить корректор (типа двухстороннего диодного ограничителя), уменьшающий квадратичные искажения. Подобный приемник по качеству детектирования едва ли будет лучше синхронного, зато не требует точной установки и автоподстройки частоты гетеродина. Он может найти применение в той аппаратуре радиосвязи, где еще используется АМ, например авиационной.

Для детектирования ЧМ нужен другой алгоритм обработки квадратурных напряжений u₁ и u₂. Он состоит в следующем:

, где точка обозначает дифференцирование по времени. Подставляя значение u₁u₂, получаем:

, т.е. напряжение, пропорциональное расстройке частот несущей и гетеродина, причем можно показать, что полярность выходного напряжения меняется при изменении знака расстройки.

Структурная схема устройства, реализующего этот алгоритм, и его дискриминационная характеристика показаны на рис.19 . Устройство содержит две дифференцирующие CR цепочки, два перемножителя и операционный усилитель, выделяющий разность перемноженных сигналов. Зависимость выходного напряжения от амплитуды можно устранить системой АРУ, а управляющее напряжение для нее получить с помощью устройства, изображенного на рис.19 .

Рис. 19. Устройство для детектирования ЧМ сигналов

По чувствительности и другим параметрам приемник не уступал супергетеродинам с ограничителем и частотным детектором, а при малых отношениях сигнал/шум даже превосходил их.

Итак, мы видим, что гетеродинные приемники могут выполнять все те же, без исключения функции, что и супергетеродинные. При желании гетеродинную технику можно использовать и на ПЧ супергетеродина, улучшив одни параметры приемника за счет дополнительной фильтрации и усиления по ПЧ и ухудшив другие за счет появления побочных каналов приема.

Одним из главных достоинств гетеродинного приема остается возможность широкого использования интегральной техники, ведь НЧ элементы легче и лучше других объединяются в ис. Об этом писалось еще в [2], но к сожалению, успехи микроэлектроники мало зависят от деятельности радиолюбителей.

Новые уникальные возможности в технике гетеродинного приема открывают микропроцессоры, причем речь идет не только о потребительских удобствах типа тастатурной настройки и памяти частот, а о самой обработке сигналов. Суть ее в очень общем виде сводится к следующему: сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП и поступает в цифровой процессор с целью фильтрации, демодуляции и т.п. Цифровые фильтры могут иметь характеристики, недостижимые в аналоговых устройствах, например идеально прямоугольную АЧХ.

Кроме фильтрации, микропроцессор может выполнить операции по фазокомпенсационному подавлению боковой полосы (причем с высокой точностью), детектированию АМ, ЧМ или ФМ в соответствии с описанными алгоритмами, выработки на выходе соответствующих ЦАП сигналов ошибки для петли ФАПЧ, управления для систем АРУ и т.д. Поскольку гетеродин (синтезатор частоты) и четырехфазный смеситель приемника тоже выполняются на элементах цифровой техники, аналоговым остаются лишь преселектор, УРЧ, простейшие ФНЧ на выходах смесителя и усилители в квадратурных каналах перед АЦП основного процессора.

Источник