Projekt odbiornika radiowego

Projekt odbiornika radiowego obejmuje projekt elektroniczny różnych elementów odbiornika radiowego , który przetwarza sygnał o częstotliwości radiowej z anteny w celu wytworzenia użytecznych informacji, takich jak dźwięk. Złożoność nowoczesnego odbiornika oraz możliwy zakres zastosowanych obwodów i metod są bardziej ogólnie omówione w elektronice i inżynierii komunikacyjnej . Termin odbiornik radiowy w tym artykule rozumie się każde urządzenie przeznaczone do odbioru sygnału radiowego w celu wygenerowania z niego użytecznych informacji, w szczególności odtworzenia tak zwanego sygnału pasma podstawowego (takiego jak sygnał audio), który moduluje sygnał radiowy na czas transmisji w systemie łączności lub nadawczym.

Podstawowe rozważania

Projekt odbiornika radiowego musi uwzględniać kilka podstawowych kryteriów, aby uzyskać praktyczny wynik. Głównymi kryteriami są wzmocnienie , selektywność , czułość i stabilność. Odbiornik musi zawierać detektor umożliwiający odzyskanie informacji zapisanych początkowo na sygnale nośnym radiowym , co jest procesem zwanym modulacją .

Wzmocnienie jest wymagane, ponieważ sygnał przechwytywany przez antenę będzie miał bardzo niski poziom mocy, rzędu pikowatów lub femtowatów . Wytworzenie słyszalnego sygnału w słuchawkach wymaga wzmocnienia tego sygnału co najmniej bilion razy. Wielkości wymaganego wzmocnienia są tak duże, że preferowana jest jednostka logarytmiczna decybel - wzmocnienie 1 biliona razy moc wynosi 120 decybeli, co jest wartością osiąganą przez wiele popularnych odbiorników. Wzmocnienie zapewnia jeden lub więcej stopni wzmacniacza w konstrukcji odbiornika; część wzmocnienia jest stosowana w części systemu wykorzystującej częstotliwość radiową, a pozostała część na częstotliwościach wykorzystywanych przez odzyskane informacje (sygnały audio, wideo lub dane).

Selektywność to możliwość „dostrojenia się” tylko do jednej stacji z wielu, które mogą nadawać w danym momencie. Typowym stopniem odbiornika jest regulowany filtr pasmowo-przepustowy . Odbiornik może zawierać kilka stopni filtrów pasmowo-przepustowych, aby zapewnić wystarczającą selektywność. Dodatkowo konstrukcja odbiornika musi zapewniać odporność na fałszywe sygnały , które mogą być generowane w odbiorniku i zakłócać pożądany sygnał. Nadajnikom na danym obszarze przydzielane są częstotliwości, dzięki czemu odbiorniki mogą odpowiednio wybrać żądaną transmisję; jest to kluczowy czynnik ograniczający liczbę stacji nadawczych mogących pracować na danym obszarze.

Czułość to zdolność do odzyskiwania sygnału z szumu tła. Szum powstaje na drodze pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, ale jest także w znacznym stopniu generowany w obwodach własnych odbiornika. Z natury każdy obwód powyżej zera absolutnego generuje losowy szum, który dodaje się do pożądanych sygnałów. W niektórych przypadkach szum atmosferyczny jest znacznie większy niż ten wytwarzany we własnych obwodach odbiornika, ale w niektórych konstrukcjach w niektórych stopniach odbiornika stosuje się takie środki, jak chłodzenie kriogeniczne , aby zapobiec przesłanianiu sygnałów przez szum termiczny. Bardzo dobry projekt odbiornika może mieć współczynnik szumów zaledwie kilkukrotnie większy od teoretycznego minimum dla temperatury roboczej i pożądanej szerokości pasma sygnału. Celem jest uzyskanie stosunku sygnału do szumu odzyskanego sygnału wystarczającego do zamierzonego celu. Stosunek ten jest często wyrażany w decybelach. Stosunek sygnału do szumu wynoszący 10 dB (sygnał 10 razy silniejszy od szumu) może być przydatny w komunikacji głosowej przez doświadczonych operatorów, ale odbiornik przeznaczony do odtwarzania muzyki o wysokiej jakości może wymagać stosunku sygnału do szumu wynoszącego 50 dB lub więcej stosunek.

Stabilność jest wymagana co najmniej w dwóch znaczeniach. stabilność częstotliwości ; odbiornik musi pozostać „dostrojony” do przychodzącego sygnału radiowego i nie może „dryfować” z czasem lub temperaturą. Dodatkowo, duża wielkość generowanego wzmocnienia musi być dokładnie kontrolowana, aby w odbiorniku nie powstawały niepożądane emisje . Prowadziłoby to do zniekształcenia odzyskanych informacji lub, w najgorszym przypadku, mogłoby emitować sygnały zakłócające inne odbiorniki.

detektora odzyskuje informacje z sygnału o częstotliwości radiowej i wytwarza dźwięk, obraz lub dane, które początkowo zostały odciśnięte na fali nośnej . Detektory mogą być tak proste, jak detektor „obwiedni” do modulacji amplitudy , lub mogą być bardziej złożonymi obwodami dla nowszych technik, takich jak widmo rozproszone ze przeskakiwaniem częstotliwości .

automatyczna kontrola wzmocnienia nie jest podstawą odbiornika, jest dużą wygodą dla użytkownika, ponieważ automatycznie kompensuje zmiany poziomów odbieranego sygnału lub różne poziomy wytwarzane przez różne nadajniki.

Aby uwzględnić te kilka, czasami sprzecznych czynników, opracowano wiele różnych podejść i podstawowych „schematów blokowych” odbiorników. Po osiągnięciu tych celów technicznych pozostały proces projektowania jest nadal skomplikowany ze względu na względy ekonomiczne, prawa patentowe, a nawet modę.

Radio kryształkowe

Radio kryształkowe nie wykorzystuje żadnych części aktywnych: zasilane jest jedynie samym sygnałem radiowym, którego wykryta moc zasila słuchawki, aby w ogóle było słyszalne. Aby osiągnąć nawet minimalną czułość, radio kryształkowe ogranicza się do niskich częstotliwości za pomocą dużej anteny (zwykle długiego przewodu). Polega na wykrywaniu za pomocą pewnego rodzaju diody półprzewodnikowej , takiej jak oryginalna dioda w kształcie kociego wąsa, odkryta na długo przed rozwojem nowoczesnych półprzewodników.

Odbiornik kryształowy składający się z anteny, zmiennej cewki indukcyjnej, kociego wąsa i kondensatora filtrującego.

Odbiornik kryształowy jest bardzo prosty i można go łatwo wykonać lub nawet zaimprowizować, na przykład radio okopowe . Jednak do działania radio kryształkowe potrzebuje silnego sygnału RF i długiej anteny. Wykazuje słabą selektywność , ponieważ ma tylko jeden dostrojony obwód.

Dostrojona częstotliwość radiowa

odbiornik częstotliwości radiowej (TRF) składa się ze wzmacniacza częstotliwości radiowej, którego jeden lub więcej stopni jest dostrojonych do żądanej częstotliwości odbioru. Następnie następuje detektor, zazwyczaj detektor obwiedni wykorzystujący diodę, po którym następuje wzmocnienie dźwięku. Zostało to opracowane po wynalezieniu triody lampę próżniową, znacznie poprawiającą odbiór sygnałów radiowych przy wykorzystaniu wcześniej niedostępnego elektronicznego wzmocnienia. Znacznie poprawiona selektywność odbiornika superheterodynowego wyprzedziła konstrukcję TRF w prawie wszystkich zastosowaniach, jednak konstrukcja TRF była nadal używana dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku wśród tańszych „radia tranzystorowe” tamtej epoki.

Odruch

Odbiornik refleksyjny to konstrukcja z początku XX wieku, która składała się z jednostopniowego odbiornika TRF, ale wykorzystywała tę samą lampę wzmacniającą do wzmocnienia sygnału audio po jego wykryciu. Działo się to w czasach, gdy każda lampa stanowiła duży koszt (i pochłaniała energię elektryczną), dlatego znaczny wzrost liczby elementów pasywnych był postrzegany jako lepszy niż dodanie dodatkowej lampy. Projekt jest raczej niestabilny i przestarzały.

Regeneracyjny

Klasyczny odbiornik regeneracyjny wykorzystujący pojedynczą triodową lampę próżniową. Orientacja cewki „łaskoczącej” została starannie dostosowana przez operatora w celu zmiany ilości dodatniego sprzężenia zwrotnego .

Odbiornik regeneracyjny również przeżywał swój rozkwit w czasach, gdy dodanie elementu aktywnego (rura próżniowa) uznawano za kosztowne. Aby zwiększyć wzmocnienie odbiornika, w jego pojedynczym stopniu wzmacniacza RF zastosowano dodatnie sprzężenie zwrotne; zwiększyło to również selektywność odbiornika znacznie powyżej tego, czego można by oczekiwać od pojedynczego dostrojonego obwodu. Ilość sprzężenia zwrotnego była dość krytyczna przy określaniu uzyskanego wzmocnienia i musiała zostać starannie dostosowana przez operatora radiowego. Zwiększenie sprzężenia zwrotnego poza punkt spowodowało, że stopień oscylował z częstotliwością, do której został dostrojony.

Samooscylacja pogorszyła jakość odbioru sygnału radiowego AM (głosu), ale uczyniła go użytecznym jako odbiornik CW (kod Morse'a). Sygnał rytmu pomiędzy oscylacją a sygnałem radiowym powodowałby „piknięcie” dźwięku. Oscylacje odbiornika regeneracyjnego mogą być również źródłem lokalnych zakłóceń. Ulepszona konstrukcja, znana jako odbiornik superregeneracyjny, poprawiła wydajność, umożliwiając narastanie oscylacji, które następnie „wygaszano”, przy czym cykl ten powtarzał się z dużą szybkością (ultradźwiękową). Z załączonego schematu praktycznego odbiornika regeneracyjnego można docenić jego prostotę w porównaniu z wielostopniowym odbiornikiem TRF, przy jednoczesnej możliwości osiągnięcia tego samego poziomu wzmocnienia dzięki zastosowaniu dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Bezpośrednia konwersja

W odbiorniku z konwersją bezpośrednią sygnały z anteny są dostrajane tylko przez jeden dostrojony obwód przed wejściem do miksera, gdzie są mieszane z sygnałem z lokalnego oscylatora , który jest dostrojony do częstotliwości fali nośnej nadawanego sygnału. Różni się to od konstrukcji superheterodynowej, w której lokalny oscylator ma częstotliwość przesunięcia. Sygnał wyjściowy tego miksera stanowi zatem częstotliwość audio, która jest przepuszczana przez filtr dolnoprzepustowy do wzmacniacza audio , który może napędzać głośnik.

Do odbioru CW ( kod Morse'a ) lokalny oscylator jest dostrojony do częstotliwości nieco innej niż częstotliwość nadajnika, aby zamienić odebrany sygnał w słyszalny „sygnał dźwiękowy”.

Zalety
- Prostszy niż odbiornik superheterodynowy
Niedogodności
- Słabe odrzucanie silnych sygnałów na sąsiednich częstotliwościach w porównaniu z odbiornikiem superheterodynowym.
- Zwiększony szum lub zakłócenia podczas odbierania sygnału SSB , ponieważ nie ma selektywności w stosunku do niepożądanego pasma bocznego.

Superheterodyna

Praktycznie wszystkie współczesne odbiorniki mają konstrukcję superheterodynową. Sygnał RF z anteny może mieć jeden stopień wzmocnienia w celu poprawy współczynnika szumów odbiornika , chociaż przy niższych częstotliwościach jest to zwykle pomijane. Sygnał RF trafia do miksera wraz z wyjściem lokalnego oscylatora w celu wytworzenia tzw. częstotliwości pośredniej sygnał (IF). Wczesna optymalizacja superheterodyny polegała na połączeniu lokalnego oscylatora i miksera w jeden stopień zwany „przetwornikiem”. Lokalny oscylator jest dostrojony do częstotliwości nieco wyższej (lub niższej) niż zamierzona częstotliwość odbioru, tak aby sygnał IF miał określoną częstotliwość, gdzie jest dalej wzmacniany w wąskopasmowym wzmacniaczu wielostopniowym. Strojenie odbiornika polega na zmianie częstotliwości lokalnego oscylatora, a dalsze przetwarzanie sygnału (zwłaszcza w związku ze zwiększeniem odbiornika) odbywa się wygodnie na jednej częstotliwości (częstotliwość IF), dzięki czemu nie wymaga dalszego strojenia dla różnych stacji.

Schemat odbiornika superhetowego AM . Należy pamiętać, że radio zawiera pętlę AGC w celu utrzymania stopni RF i IF w ich liniowym obszarze oraz w celu wytworzenia wyjścia audio niezależnego od mocy odbieranego sygnału.

Tutaj pokazujemy schematy blokowe typowych odbiorników superheterodynowych odpowiednio dla transmisji AM i FM. W tej konkretnej konstrukcji FM zastosowano nowoczesny pętli synchronizacji fazowej , w przeciwieństwie do dyskryminatora częstotliwości lub detektora współczynnika stosowanego we wcześniejszych odbiornikach FM.

Schemat prostego odbiornika FM z transmisją superhetową . Należy zauważyć, że nie ma pętli AGC, ale po prostu wykorzystuje się wzmacniacz IF o wysokim wzmocnieniu, który jest celowo doprowadzany do nasycenia (lub ograniczania ).

W przypadku odbiorników superheterodynowych AM z pojedynczą konwersją, zaprojektowanych dla fal średnich (transmisje AM), współczynnik IF wynosi zwykle 455 kHz. Większość odbiorników superheterodynowych przeznaczonych do transmisji w paśmie FM (88–108 MHz) wykorzystuje częstotliwość pośrednią 10,7 MHz. Odbiorniki telewizyjne często wykorzystują częstotliwości pośrednie około 40 MHz. Niektóre nowoczesne odbiorniki wielopasmowe faktycznie konwertują najpierw pasma niższych częstotliwości na znacznie wyższą częstotliwość (VHF), po czym drugi mikser z przestrajalnym lokalnym oscylatorem i drugim stopniem IF przetwarza sygnał jak powyżej.

Radio definiowane programowo

SoftRock RXTX Ensemble SDR Transceiver to zdefiniowany programowo interfejs radiowy, który wymaga komputera PC z oprogramowaniem do demodulacji i modulacji sygnałów IQ .

Radio definiowane programowo (SDR) to system komunikacji radiowej , w którym komponenty tradycyjnie wdrażane sprzętowo (np. miksery , filtry , wzmacniacze , modulatory / demodulatory , detektory itp.) są zamiast tego wdrażane za pomocą oprogramowania na komputerze osobistym lub system wbudowany . Chociaż koncepcja SDR nie jest nowa, szybko rozwijające się możliwości elektroniki cyfrowej czynią wiele procesów, które wcześniej były możliwe tylko teoretycznie, w praktyce.

Zobacz też

Dalsza lektura

Książki

Podręcznik radiokomunikacji (RSGB), ISBN 0-900612-58-4

Patenty

Patent USA 1,748,435 Crystal Radio Apparatus. H. Adamsa

Uwagi i odniesienia