Radiomottagare design
Radiomottagares design inkluderar den elektroniska designen av olika komponenter i en radiomottagare som bearbetar radiofrekvenssignalen från en antenn för att producera användbar information såsom ljud. Komplexiteten hos en modern mottagare och det möjliga utbudet av kretsar och metoder som används täcks mer generellt inom elektronik- och kommunikationsteknik . Termen radiomottagare förstås i denna artikel som varje anordning som är avsedd att ta emot en radiosignal för att generera användbar information från signalen, framför allt en återskapande av den så kallade basbandssignalen (som ljud) som modulerade radiosignal vid tidpunkten för överföring i ett kommunikations- eller sändningssystem.
Grundläggande överväganden
Designen av en radiomottagare måste beakta flera grundläggande kriterier för att ge ett praktiskt resultat. Huvudkriterierna är vinst , selektivitet , känslighet och stabilitet. Mottagaren måste innehålla en detektor för att återställa den information som ursprungligen trycktes på radiobärarsignalen, en process som kallas modulering .
Förstärkning krävs eftersom signalen som fångas upp av en antenn kommer att ha en mycket låg effektnivå, i storleksordningen pikowatt eller femtowatt . För att producera en ljudsignal i ett par hörlurar krävs att denna signal förstärks en biljon gånger eller mer. Storleken på den erforderliga förstärkningen är så stor att den logaritmiska enheten decibel är att föredra - en förstärkning på 1 biljon gånger effekten är 120 decibel, vilket är ett värde som uppnås av många vanliga mottagare. Förstärkning tillhandahålls av ett eller flera förstärkarsteg i en mottagardesign; en del av förstärkningen appliceras på radiofrekvensdelen av systemet, och resten på de frekvenser som används av den återvunna informationen (ljud-, video- eller datasignaler).
Selektivitet är förmågan att "ställa in" på bara en station av de många som kan sända vid varje given tidpunkt. Ett justerbart bandpassfilter är ett typiskt steg i en mottagare. En mottagare kan innefatta flera steg av bandpassfilter för att tillhandahålla tillräcklig selektivitet. Dessutom måste mottagardesignen tillhandahålla immunitet mot falska signaler som kan alstras inuti mottagaren som skulle störa den önskade signalen. Broadcasting-sändare i ett givet område tilldelas frekvenser så att mottagare korrekt kan välja önskad överföring; detta är en nyckelfaktor som begränsar antalet sändande stationer som kan arbeta i ett givet område.
Känslighet är förmågan att återställa signalen från bakgrundsbruset. Brus genereras i vägen mellan sändare och mottagare, men genereras också avsevärt i mottagarens egna kretsar. Alla kretsar över absolut noll genererar något slumpmässigt brus som lägger till de önskade signalerna. I vissa fall är atmosfärsbruset mycket större än det som produceras i mottagarens egna kretsar, men i vissa konstruktioner tillämpas åtgärder som kryogen kylning på vissa steg i mottagaren, för att förhindra att signaler döljs av termiskt brus. En mycket bra mottagarkonstruktion kan ha ett brustal på endast ett fåtal gånger det teoretiska minimum för driftstemperatur och önskad signalbandbredd. Målet är att producera ett signal-brusförhållande för den återvunna signalen som är tillräckligt för det avsedda ändamålet. Detta förhållande uttrycks också ofta i decibel. Ett signal-brusförhållande på 10 dB (signal 10 gånger så kraftfull som brus) kan vara användbart för röstkommunikation av erfarna operatörer, men en mottagare avsedd för högtrogen musikåtergivning kan kräva 50 dB eller högre signal-till-brus förhållande.
Stabilitet krävs i minst två betydelser. Frekvensstabilitet ; mottagaren måste vara "inställd" på den inkommande radiosignalen och får inte "driva" med tiden eller temperaturen. Dessutom måste den stora förstärkningen som genereras noggrant kontrolleras så att falska emissioner inte produceras i mottagaren. Dessa skulle leda till förvrängning av den återvunna informationen, eller i värsta fall kan de utstråla signaler som stör andra mottagare.
Detektorsteget återvinner informationen från radiofrekvenssignalen och producerar ljudet, videon eller data som imponerades på bärvågen från början . Detektorer kan vara så enkla som en "envelopp"-detektor för amplitudmodulering , eller kan vara mer komplexa kretsar för mer nyligen utvecklade tekniker som frekvenshoppande spridningsspektrum .
Även om det inte är grundläggande för en mottagare, är automatisk förstärkningskontroll en stor bekvämlighet för användaren, eftersom den automatiskt kompenserar för ändrade mottagna signalnivåer eller olika nivåer som produceras av olika sändare.
Många olika tillvägagångssätt och grundläggande mottagar-"blockdiagram" har utvecklats för att hantera dessa flera, ibland motsägelsefulla, faktorer. När väl dessa tekniska mål har uppnåtts kompliceras den återstående designprocessen fortfarande av ekonomiska överväganden, patenträttigheter och till och med mode.
Kristall radio
En kristallradio använder inga aktiva delar: den drivs endast av själva radiosignalen, vars detekterade kraft matar hörlurar för att överhuvudtaget vara hörbara. För att uppnå även en minimal känslighet är en kristallradio begränsad till låga frekvenser med hjälp av en stor antenn (vanligtvis en lång tråd). Den förlitar sig på detektering med hjälp av någon form av halvledardiod, som den ursprungliga cat's-whisker-dioden som upptäcktes långt före utvecklingen av moderna halvledare.
En kristallmottagare är väldigt enkel och kan vara lätt att göra eller till och med improvisera, till exempel rävhålsradion . Kristallradion behöver dock en stark RF-signal och en lång antenn för att fungera. Den visar dålig selektivitet eftersom den bara har en avstämd krets.
Inställd radiofrekvens
Den inställda radiofrekvensmottagaren (TRF) består av en radiofrekvensförstärkare med ett eller flera steg som alla är inställda på den önskade mottagningsfrekvensen. Detta följs av en detektor, vanligtvis en enveloppdetektor som använder en diod, följt av ljudförstärkning. Detta utvecklades efter uppfinningen av triodvakuumröret, vilket avsevärt förbättrade mottagningen av radiosignaler med elektronisk förstärkning som inte tidigare varit tillgänglig. Den kraftigt förbättrade selektiviteten hos superheterodynmottagaren gick om TRF-designen i nästan alla applikationer, men TRF-designen användes fortfarande så sent som på 1960-talet bland de billigare "transistorradioerna" från den eran.
Reflex
Reflexmottagaren var en design från tidigt 1900-tal som består av en enstegs TRF-mottagare men som använde samma förstärkarrör för att även förstärka ljudsignalen efter att den hade upptäckts . Detta var i en tid då varje rör var en stor kostnad (och förbrukare av elektrisk kraft) så att en avsevärd ökning av antalet passiva element skulle ses som att föredra framför att inkludera ett extra rör. Designen tenderar att vara ganska instabil och är föråldrad.
Regenerativ
Den regenerativa mottagaren hade också sin storhetstid på den tiden då att lägga till ett aktivt element (vakuumrör) ansågs kostsamt. För att öka förstärkningen hos mottagaren användes positiv återkoppling i dess enda RF-förstärkarsteg; detta ökade också mottagarens selektivitet långt utöver vad som skulle förväntas från en enkel avstämd krets. Mängden återkoppling var ganska avgörande för att bestämma den resulterande förstärkningen och måste noggrant justeras av radiooperatören. Ökning av återkopplingen bortom en punkt fick scenen att oscillera med den frekvens som den var inställd på.
Självsvängning minskade kvaliteten på dess mottagning av en AM (röst) radiosignal men gjorde den användbar som en CW (morsekod) mottagare. Slagsignalen mellan oscillationen och radiosignalen skulle producera ett "pipande" ljud. Oscillationen av den regenerativa mottagaren kan också vara en källa till lokal interferens. En förbättrad design känd som den superregenerativa mottagaren förbättrade prestandan genom att tillåta en oscillation att byggas upp som sedan "släcktes", med den cykeln som upprepades med en snabb (ultraljuds) hastighet. Från det bifogade schemat för en praktisk regenerativ mottagare kan man uppskatta dess enkelhet i förhållande till en flerstegs TRF-mottagare, samtidigt som man kan uppnå samma nivå av förstärkning genom användning av positiv återkoppling.
Direkt konvertering
I direktkonverteringsmottagaren avstäms signalerna från antennen endast av en enda avstämd krets innan de går in i en mixer där de blandas med en signal från en lokaloscillator som är avstämd till bärvågsfrekvensen för den sända signalen. Detta är till skillnad från superheterodyndesignen, där lokaloscillatorn har en offsetfrekvens. Utsignalen från denna mixer är alltså ljudfrekvens, som leds genom ett lågpassfilter in i en ljudförstärkare som kan driva en högtalare.
För att ta emot CW ( morsekod ) ställs lokaloscillatorn in på en frekvens som är något annorlunda än sändarens frekvens för att omvandla den mottagna signalen till ett hörbart "pip".
- Fördelar
- Enklare än en superheterodynmottagare
- Nackdelar
- Dålig avvisning av starka signaler vid intilliggande frekvenser jämfört med en superheterodynmottagare.
- Ökat brus eller störningar vid mottagning av en SSB- signal eftersom det inte finns någon selektivitet mot det oönskade sidbandet.
Superheterodyn
Praktiskt taget alla moderna mottagare är av superheterodyne-design. RF-signalen från antennen kan ha ett förstärkningssteg för att förbättra mottagarens brusvärde , även om detta vanligtvis utelämnas vid lägre frekvenser. RF-signalen går in i en mixer , tillsammans med utgången från lokaloscillatorn, för att producera en så kallad mellanfrekvenssignal (IF). En tidig optimering av superheterodynen var att kombinera lokaloscillatorn och mixern till ett enda steg som kallas "omvandlare". Lokaloscillatorn är avstämd till en frekvens som är något högre (eller lägre) än den avsedda mottagningsfrekvensen så att IF-signalen kommer att ha en speciell frekvens där den förstärks ytterligare i en smalbandig flerstegsförstärkare. Att ställa in mottagaren innebär att frekvensen för lokaloscillatorn ändras, varvid vidare bearbetning av signalen (särskilt i förhållande till att öka mottagaren) bekvämt görs vid en enda frekvens (IF-frekvensen) vilket således inte kräver ytterligare inställning för olika stationer.
Här visar vi blockdiagram för typiska superheterodynmottagare för AM- respektive FM-sändningar. Denna speciella FM-design använder en modern faslåst loopdetektor , till skillnad från frekvensdiskriminatorn eller förhållandedetektorn som användes i tidigare FM-mottagare .
För enkelkonvertering superheterodyna AM-mottagare designade för mellanvåg (AM-sändning) är IF vanligtvis 455 kHz. De flesta superheterodynmottagare designade för FM-sändningar (88 - 108 MHz) använder en IF på 10,7 MHz. TV-mottagare använder ofta mellanfrekvenser på cirka 40 MHz. Vissa moderna flerbandsmottagare omvandlar faktiskt lägre frekvensband först till en mycket högre frekvens (VHF) varefter en andra mixer med en avstämbar lokaloscillator och ett andra IF-steg bearbetar signalen enligt ovan.
Programvarudefinierad radio
Software-defined radio (SDR) är ett radiokommunikationssystem där komponenter, som traditionellt har implementerats i hårdvara (t.ex. mixers , filter , förstärkare , modulatorer / demodulatorer , detektorer , etc. ) istället implementeras med hjälp av mjukvara på en persondator eller inbyggt system . Även om konceptet med SDR inte är nytt, gör den snabbt utvecklande kapaciteten hos digital elektronik många processer praktiska som tidigare bara var teoretiskt möjliga.
Se även
Vidare läsning
- Books
- Radiocommunication handbook (RSGB), ISBN 0-900612-58-4
- Patent
- U.S. Patent 1,748,435 Crystal Radio Apparatus. H. Adams