Heterodyne

Frekvensmixersymbol som används i schematiska diagram

En heterodyne är en signalfrekvens som skapas genom att kombinera eller blanda två andra frekvenser med en signalbehandlingsteknik som kallas heterodyning , som uppfanns av den kanadensiske uppfinnaren-ingenjören Reginald Fessenden . Heterodyning används för att skifta signaler från ett frekvensområde till ett annat, och är också involverad i processerna för modulering och demodulering . De två ingångsfrekvenserna kombineras i en icke -linjär signalbehandlingsenhet såsom ett vakuumrör , transistor eller diod , vanligtvis kallad mixer .

I den vanligaste applikationen blandas två signaler vid frekvenserna $f 1$ och $f 2 , vilket skapar två nya signaler, en vid summan av de två frekvenserna$ $f 1 + f 2$ , och den andra vid skillnaden mellan de två frekvenserna $f 1 - f 2$ . De nya signalfrekvenserna kallas heterodyner . Vanligtvis krävs endast en av heterodynerna och den andra signalen filtreras bort från mixerns utgång. Heterodyna frekvenser är relaterade till fenomenet " beats " i akustik.

En viktig tillämpning av heterodynprocessen är i superheterodynradiomottagarekretsen, som används i praktiskt taget alla moderna radiomottagare.

Historia

Fessendens heterodyne radiomottagarkrets. Den inkommande radiofrekvensen och lokaloscillatorfrekvensen blandas i kristalldioddetektorn.

1901 demonstrerade Reginald Fessenden en heterodynmottagare eller beatmottagare med direktkonvertering som en metod för att göra kontinuerliga vågradiotelegrafisignaler hörbara. Fessendens mottagare såg inte mycket tillämpning på grund av dess lokaloscillators stabilitetsproblem. En stabil men ändå billig lokaloscillator var inte tillgänglig förrän Lee de Forest uppfann triodvakuumröroscillatorn . I ett patent från 1905 uppgav Fessenden att frekvensstabiliteten för hans lokala oscillator var en promille.

I radiotelegrafi översätts tecknen i textmeddelanden till kortvariga prickar och långvariga streck i morsekod som sänds som radiosignaler. Radiotelegrafi var ungefär som vanlig telegrafi . Ett av problemen var att bygga högeffektssändare med dagens teknik. Tidiga sändare var gnistgapssändare . En mekanisk anordning skulle skapa gnistor med en fast men hörbar hastighet; gnistorna skulle lägga energi i en resonanskrets som sedan skulle ringa vid den önskade sändningsfrekvensen (som kan vara 100 kHz). Denna ringning skulle snabbt avta, så utsignalen från sändaren skulle vara en följd av dämpade vågor . När dessa dämpade vågor togs emot av en enkel detektor, skulle operatören höra ett hörbart surrande ljud som kunde transkriberas tillbaka till alfanumeriska tecken.

Med utvecklingen av bågomvandlarens radiosändare 1904 började kontinuerlig vågmodulering (CW) användas för radiotelegrafi. CW-morsekodsignaler är inte amplitudmodulerade, utan består snarare av skurar med sinusformad bärvågsfrekvens. När CW-signaler tas emot av en AM-mottagare hör operatören inget ljud. Direktomvandlingsdetektorn (heterodyn) uppfanns för att göra kontinuerliga radiofrekvenssignaler hörbara.

"Heterodyne" eller "beat"-mottagaren har en lokaloscillator som producerar en radiosignal justerad för att vara nära den inkommande signalen som tas emot i frekvens. När de två signalerna blandas skapas en "beat"-frekvens som är lika med skillnaden mellan de två frekvenserna. Genom att justera lokaloscillatorfrekvensen korrekt placeras beatfrekvensen i ljudområdet, där den kan höras som en ton i mottagarens hörlurar närhelst sändarsignalen är närvarande. Således är morsekodens "prickar" och "streck" hörbara som pipljud. Denna teknik används fortfarande inom radiotelegrafi, den lokala oscillatorn kallas nu för taktfrekvensoscillator eller BFO. Fessenden myntade ordet heterodyne från de grekiska rötterna hetero- "annorlunda", och dyn- "makt" (jfr δύναμις eller dunamis ).

Superheterodyne mottagare

Blockschema över en typisk superheterodynmottagare. Röda delar är de som hanterar den inkommande radiofrekvenssignalen (RF); grönt är delar som arbetar på mellanfrekvensen (IF), medan blå delar arbetar på moduleringsfrekvensen (ljud).

En viktig och allmänt använd tillämpning av heterodyntekniken är i superheterodynmottagaren (superhet), som uppfanns av den amerikanske ingenjören Edwin Howard Armstrong 1918. I den typiska superheten blandas (heterodyneras) den inkommande radiofrekvenssignalen från antennen med en signal från en lokaloscillator (LO) för att producera en lägre fast frekvenssignal som kallas mellanfrekvenssignalen ( IF ). IF-signalen förstärks och filtreras och appliceras sedan på en detektor som extraherar ljudsignalen; ljudet skickas till slut till mottagarens högtalare.

Superheterodyne-mottagaren har flera fördelar jämfört med tidigare mottagarkonstruktioner. En fördel är enklare tuning; endast RF-filtret och LO ställs in av operatören; den fasta frekvensen IF är inställd ("justerad") på fabriken och är inte justerad. I äldre konstruktioner som den inställda radiofrekvensmottagaren (TRF) måste alla mottagarsteg ställas in samtidigt. Dessutom, eftersom IF-filtren är fast inställda, är mottagarens selektivitet densamma över hela mottagarens frekvensband. En annan fördel är att IF-signalen kan ha en mycket lägre frekvens än den inkommande radiosignalen, och det gör att varje steg i IF-förstärkaren kan ge mer förstärkning. För första beställningen har en förstärkarenhet en produkt med fast förstärkningsbandbredd . Om enheten har en förstärkningsbandbreddsprodukt på 60 MHz, kan den ge en spänningsförstärkning på 3 vid en RF på 20 MHz eller en spänningsförstärkning på 30 vid en IF på 2 MHz. Vid en lägre IF skulle det krävas färre förstärkningsenheter för att uppnå samma förstärkning. Den regenerativa radiomottagaren fick mer förstärkning av en förstärkningsanordning genom att använda positiv återkoppling, men den krävde noggrann justering av operatören; den justeringen ändrade också den regenerativa mottagarens selektivitet. Superheterodynen ger en stor, stabil förstärkning och konstant selektivitet utan besvärlig justering.

Det överlägsna superheterodynsystemet ersatte de tidigare TRF och regenerativa mottagardesignerna, och sedan 1930-talet har de flesta kommersiella radiomottagare varit superheterodyner.

Ansökningar

Heterodyning, även kallad frekvensomvandling , används mycket brett inom kommunikationsteknik för att generera nya frekvenser och flytta information från en frekvenskanal till en annan. Förutom dess användning i superheterodynkretsen som finns i nästan alla radio- och tv-mottagare, används den i radiosändare , modem , satellitkommunikation och set-top-boxar, radar , radioteleskop , telemetrisystem , mobiltelefoner, kabel-tv-omvandlarboxar och headends , mikrovågsreläer , metalldetektorer , atomklockor och militära elektroniska motåtgärdssystem (jamming).

Upp- och nedomvandlare

I storskaliga telekommunikationsnätverk såsom telefonnätverksledningar , mikrovågsrelänätverk , kabel-tv-system och kommunikationsatellitlänkar , delas länkar med stor bandbreddskapacitet av många individuella kommunikationskanaler genom att använda heterodyning för att flytta frekvensen för de individuella signalerna upp till olika frekvenser , som delar kanalen. Detta kallas frekvensdelningsmultiplexering (FDM).

Till exempel kan en koaxialkabel som används av ett kabel-tv-system bära 500 tv-kanaler samtidigt eftersom var och en får en annan frekvens, så att de inte stör varandra. Vid kabelkällan eller huvudänden konverterar elektroniska uppkonverterare varje inkommande tv-kanal till en ny, högre frekvens. De gör detta genom att blanda TV-signalens frekvens, f _CH med en lokaloscillator vid en mycket högre frekvens $f LO$ , vilket skapar en heterodyn vid summan $f CH + f LO$ , som adderas till kabeln. Hemma hos konsumenten har kabel- set-top-boxen en nedkonverterare som blandar den inkommande signalen vid frekvensen $f CH + f LO$ med samma lokala oscillatorfrekvens $f LO$ som skapar skillnaden i heterodynfrekvens, och omvandlar tv-kanalen tillbaka till sin ursprungliga frekvens: $(f CH + f LO) - f LO = f CH$ . Varje kanal flyttas till en annan högre frekvens. Den ursprungliga lägre grundfrekvensen för signalen kallas basband , medan den högre kanalen den flyttas till kallas passband .

Analog videobandinspelning

Många analoga videobandsystem förlitar sig på en nedkonverterad färgunderbärare för att registrera färginformation med sin begränsade bandbredd. Dessa system hänvisas till som "heterodynsystem" eller "färgundersystem". Till exempel, för NTSC- videosystem, konverterar inspelningssystemet VHS (och S-VHS ) färgunderbärvågen från NTSC-standarden 3,58 MHz till ~629 kHz. PAL VHS-färgunderbärvåg nedkonverteras på liknande sätt (men från 4,43 MHz). De nu föråldrade 3/4" U-matic- systemen använder en heterodynerad ~688 kHz underbärare för NTSC-inspelningar (liksom Sonys Betamax , som till sin grund är en 1/2-tums konsumentversion av U-matic), medan PAL U-matic däck kom i två ömsesidigt inkompatibla varianter, med olika underbärvågsfrekvenser, kända som Hi-Band och Low-Band. Andra videobandformat med heterodyna färgsystem inkluderar Video- 8 och Hi8 .

Det heterodyna systemet i dessa fall används för att omvandla kvadraturfaskodade och amplitudmodulerade sinusvågor från sändningsfrekvenserna till frekvenser som är inspelningsbara på mindre än 1 MHz bandbredd. Vid uppspelning heterodynas den inspelade färginformationen tillbaka till standardunderbärvågsfrekvenserna för visning på tv-apparater och för utbyte med annan standardvideoutrustning.

Vissa U-matic (3/4″) däck har 7-stifts mini- DIN-kontakter för att möjliggöra kopiering av band utan konvertering, liksom vissa industriella VHS-, S-VHS- och Hi8-inspelare.

Musiksyntes

Thereminen , ett elektroniskt musikinstrument , använder traditionellt heterodynprincipen för att producera en variabel ljudfrekvens som svar på rörelsen av musikerns händer i närheten av en eller flera antenner, som fungerar som kondensatorplattor. Utsignalen från en oscillator med fast radiofrekvens blandas med den från en oscillator vars frekvens påverkas av den variabla kapacitansen mellan antennen och musikerns hand när den flyttas nära tonhöjdskontrollantennen. Skillnaden mellan de två oscillatorfrekvenserna ger en ton i ljudområdet.

Ringmodulatorn är en typ av frekvensmixer som är inbyggd i vissa synthesizers eller används som en fristående ljudeffekt.

Optisk heterodyning

Optisk heterodyndetektering (ett område för aktiv forskning) är en förlängning av heterodyntekniken till högre (synliga) frekvenser. Guerra (1995) publicerade först resultaten av vad han kallade en "form av optisk heterodyning" där ljus mönstrat av ett 50 nm stigningsgitter belyste ett andra gitter med delning 50 nm, med gittren roterade i förhållande till varandra med vinkeln mängd som behövs för att uppnå förstoring. Även om den belysande våglängden var 650 nm, var 50 nm gittret lätt löst. Detta visade en nästan 5-faldig förbättring över Abbe-upplösningsgränsen på 232 nm som borde ha varit den minsta erhållna för den numeriska bländaren och våglängden som användes. Denna mikroskopiska avbildning med superupplösning genom optisk heterodyning kom senare att bli känd av många som "strukturerad belysningsmikroskopi".

Förutom optisk mikroskopi med superupplösning, kan optisk heterodyning avsevärt förbättra optiska modulatorer , vilket ökar tätheten av information som bärs av optiska fibrer . Det används också för att skapa mer exakta atomklockor baserade på direkt mätning av frekvensen hos en laserstråle. Se NIST underämne 9.07.9-4.R för en beskrivning av forskning om ett system för att göra detta.

Eftersom optiska frekvenser är långt bortom manipulationskapaciteten för någon möjlig elektronisk krets, är alla fotondetektorer med synlig frekvens i sig energidetektorer, inte oscillerande elektriska fältdetektorer. Men eftersom energidetektering i sig är " kvadratlag "-detektering, blandar den i sig alla optiska frekvenser som finns på detektorn. Sålunda kräver känslig detektering av specifika optiska frekvenser optisk heterodyndetektering, där två olika (nära) våglängder av ljus lyser upp detektorn så att den oscillerande elektriska utsignalen motsvarar skillnaden mellan deras frekvenser. Detta tillåter extremt smalbandsdetektering (mycket smalare än något möjligt färgfilter kan uppnå) såväl som precisionsmätningar av fas och frekvens för en ljussignal i förhållande till en referensljuskälla, som i en laser- dopplervibrometer .

Denna faskänsliga detektering har använts för Doppler-mätningar av vindhastighet och avbildning genom täta medier. Den höga känsligheten mot bakgrundsljus är särskilt användbar för lidar .

I optisk Kerr-effekt (OKE) spektroskopi producerar optisk heterodyning av OKE-signalen och en liten del av sondsignalen en blandad signal bestående av sond, heterodyn OKE-sond och homodyn OKE-signal. Sond- och homodyn-OKE-signalerna kan filtreras bort och lämnar den heterodyna frekvenssignalen för detektering.

Heterodyndetektering används ofta inom interferometri men är vanligtvis begränsad till enpunktsdetektion snarare än bredfältsinterferometri, men bredfältsheterodyninterferometri är möjlig med en speciell kamera. Genom att använda denna teknik med en referenssignal extraherad från en enda pixel är det möjligt att bygga en mycket stabil widefield-heterodyninterferometer genom att ta bort kolvfaskomponenten som orsakas av mikrofonik eller vibrationer hos de optiska komponenterna eller föremålet.

Matematisk princip

Heterodyning bygger på den trigonometriska identiteten :

\sin \theta _{1}\sin \theta _{2 }={\frac {1}{2}}\cos(\theta _{1}-\theta _{2})-{\frac {1}{2}}\cos(\theta _{1}+ \theta _{2})

Produkten på vänster sida representerar multiplikationen ("blandning") av en sinusvåg med en annan sinusvåg. Den högra sidan visar att den resulterande signalen är skillnaden mellan två sinusformade termer, en vid summan av de två ursprungliga frekvenserna och en vid skillnaden, som kan anses vara separata signaler.

Med denna trigonometriska identitet blir resultatet av att multiplicera två sinusvågsignaler $\sin(2\pi f_{1}t)\,$ och $\sin(2\pi f_{2}t)\,$ vid olika frekvenser $f_{1}$ och $f_{2}$ kan beräknas:

\sin(2\pi f_{1}t)\sin(2\pi f_{2}t)={\frac {1}{2}}\cos[2\pi (f_{1 }-f_{2})t]-{\frac {1}{2}}\cos[2\pi (f_{1}+f_{2})t]\,

Resultatet är summan av två sinusformade signaler, en vid summan $f 1 + f 2$ och en vid skillnaden $f 1 - f 2$ av de ursprungliga frekvenserna.

Mixer

De två signalerna kombineras i en enhet som kallas en mixer . Som sett i föregående avsnitt skulle en idealisk mixer vara en enhet som multiplicerar de två signalerna. Vissa allmänt använda mixerkretsar, såsom Gilbert-cellen , fungerar på detta sätt, men de är begränsade till lägre frekvenser. Men vilken olinjär elektronisk komponent som helst multiplicerar också signaler som appliceras på den, vilket producerar heterodyna frekvenser i dess utsignal - så en mängd olika olinjära komponenter fungerar som blandare. En olinjär komponent är en komponent där utströmmen eller spänningen är en olinjär funktion av dess ingång. De flesta kretselement i kommunikationskretsar är designade för att vara linjära . Detta betyder att de följer superpositionsprincipen ; om $F(v)$ är utdata från ett linjärt element med ingången $v$ :

F(v_{1}+v_{2})=F(v_{1})+F(v_{2} )\,

Så om två sinusvågsignaler vid frekvenserna $f 1$ och $f 2$ appliceras på en linjär enhet, är utsignalen helt enkelt summan av utsignalerna när de två signalerna appliceras separat utan produkttermer. Således måste funktionen $F$ vara olinjär för att skapa mixerprodukter. En perfekt multiplikator producerar endast blandarprodukter vid summa- och skillnadsfrekvenserna $(f 1 \pm f 2)$ , men mer generella olinjära funktioner producerar blandarprodukter av högre ordning: $n \cdot f 1 + m \cdot f 2$ för heltal $n$ och $m$ . Vissa mixerdesigner, såsom dubbelbalanserade mixers, undertrycker vissa oönskade produkter av hög ordning, medan andra designs, såsom harmoniska mixers, utnyttjar höga ordningsskillnader.

Exempel på icke-linjära komponenter som används som blandare är vakuumrör och transistorer förspända nära cutoff ( klass C ), och dioder . Ferromagnetiska kärninduktorer som drivs till mättnad kan också användas vid lägre frekvenser. I olinjär optik används kristaller som har olinjära egenskaper för att blanda laserljusstrålar för att skapa optiska heterodyna frekvenser .

Utgång från en mixer

För att matematiskt demonstrera hur en olinjär komponent kan multiplicera signaler och generera heterodyna frekvenser, kan den olinjära funktionen $F$ utökas i en potensserie ( MacLaurin-serien ):

F(v)=\alpha _{1}v+\alpha _{2}v^{2}+\alpha _ {3}v^{3}+\cdots \,

För att förenkla matematiken indikeras termerna av högre ordning ovanför $α 2 med en ellips (". . .") och endast de första termerna visas.$ Applicera de två sinusvågorna vid frekvenserna $ω 1 = 2 π f 1$ och $ω 2 = 2 π f 2$ på denna enhet:

v_{\text{out}}=F(A_{1}\sin \omega _{1}t+A_ {2}\sin \omega _{2}t)\,

v_{\text{out}}=\alpha _{1}(A_{1}\sin \omega _{1}t+A_{2}\sin \omega _{2}t)+\alpha _{2}(A_{1}\sin \omega _{1}t+A_{2}\sin \omega _{2}t)^{2}+\ cdots \,

v_{\text{out}}=\alpha _{1}(A_{1}\sin \omega _{1}t +A_{2}\sin \omega _{2}t)+\alpha _{2}(A_{1}^{2}\sin ^{2}\omega _{1}t+2A_{1}A_ {2}\sin \omega _{1}t\sin \omega _{2}t+A_{2}^{2}\sin ^{2}\omega _{2}t)+\cdots \,

Det kan ses att den andra termen ovan innehåller en produkt av de två sinusvågorna. Förenkla med trigonometriska identiteter :

{\begin{aligned}v_{\ text{out}}={}&\alpha _{1}(A_{1}\sin \omega _{1}t+A_{2}\sin \omega _{2}t)\\&{}+ \alpha _{2}\left({\frac {A_{1}^{2}}{2}}[1-\cos 2\omega _{1}t]+A_{1}A_{2}[ \cos(\omega _{1}t-\omega _{2}t)-\cos(\omega _{1}t+\omega _{2}t)]+{\frac {A_{2}^{ 2}}{2}}[1-\cos 2\omega _{2}t]\right)+\cdots \end{aligned}}

v_{\text{out}}=\alpha _{2}A_{1}A_{2}\cos (\omega _{1}-\omega _{2})t-\alpha _{2}A_{1}A_{2}\cos(\omega _{1}+\omega _{2})t+\ cdots \,

Så utsignalen innehåller sinusformade termer med frekvenser vid summan $ω 1 + ω 2$ och skillnaden $ω 1 - ω 2$ av de två ursprungliga frekvenserna. Den innehåller också termer vid de ursprungliga frekvenserna och vid multiplar av de ursprungliga frekvenserna $2 ω 1$ , $2 ω 2$ , $3 ω 1$ , $3 ω 2$ , etc.; de senare kallas övertoner , såväl som mer komplicerade termer vid frekvenser $Mω 1 + Nω 2$ , kallade intermodulationsprodukter . Dessa oönskade frekvenser, tillsammans med den oönskade heterodyna frekvensen, måste filtreras bort från mixerutgången av ett elektroniskt filter för att lämna den önskade frekvensen.

Se även

Elektroencefalografi
Homodyne
Transverterare
Intermodulation – ett problem med starka termer av högre ordning som produceras i vissa icke-linjära mixers

Anteckningar

US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , "Electric Signaling Apparatus", publicerad 27 juli 1905, utfärdad 14 januari 1913
Glinsky, Albert (2000), Theremin: Ether Music and Espionage , Urbana, IL: University of Illinois Press, ISBN 978-0-252-02582-2
Nahin, Paul J. (2001), The Science of Radio with Matlab and Electronics Workbench Demonstrations (andra upplagan), New York: Springer-Verlag, AIP Press, ISBN 978-0-387-95150-8

externa länkar

Hogan, John VL (april 1921), "The Heterodyne Receiver" , Electric Journal , 18 : 116
US 706740 , Fessenden, Reginald A. , "Wireless Signaling", publicerad 28 september 1901, utfärdad 12 augusti 1902
US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , "Method of Signaling", publicerad 21 augusti 1906, utfärdad 14 januari 1913