Гетеродин - Heterodyne

Обозначение смесителя частоты, используемое на принципиальных схемах

А гетеродин это сигнал частота который создается путем объединения или смешивания двух других частот с использованием обработка сигналов техника называется гетеродинированиеизобретенный канадским изобретателем-инженером Реджинальд Фессенден.[1][2][3] Гетеродининг используется для сдвига одного Диапазон частот в другой, новый частотный диапазон, а также участвует в процессах модуляция и демодуляция.[2][4] Две входные частоты объединяются в нелинейный устройство обработки сигналов, такое как вакуумная труба, транзистор, или же диод, обычно называемый Смеситель.[2]

В наиболее распространенном приложении два сигнала на частотах ж1 и ж2 смешиваются, создавая два новых сигнала, один на сумме двух частот ж1 + ж2, а другой - при разности двух частот ж1 − ж2.[3] Новые частоты сигнала называются гетеродины. Обычно требуется только один из гетеродинов, а другой сигнал фильтрованный из выхода микшера. Гетеродинные частоты связаны с феноменом "удары "в акустике.[2][5][6]

Основное применение гетеродинного процесса в супергетеродинный радиоприемник схема, которая используется практически во всех современных радиоприемниках.

История

Схема гетеродинного радиоприемника Фессендена. Входящая радиочастота и частота гетеродина смешиваются в кристаллическом диодном детекторе.

В 1901 г. Реджинальд Фессенден продемонстрировал гетеродинный приемник прямого преобразования или же бит приемник как метод изготовления непрерывная волна радиотелеграфия сигналы слышны.[7] Приемник Фессендена не нашел особого применения из-за проблемы со стабильностью гетеродина. Стабильный, но недорогой гетеродин не был доступен до Ли де Форест изобрел триодная вакуумная лампа осциллятор.[8] В патенте 1905 года Фессенден заявил, что стабильность частоты его гетеродина составляет одну часть на тысячу.[9]

В радиотелеграфии символы текстовых сообщений переводятся в короткие точки и длинные тире. азбука Морзе которые транслируются как радиосигналы. Радиотелеграфия был очень похож на обычный телеграфия. Одна из проблем заключалась в создании передатчиков большой мощности с использованием современных технологий. Ранние передатчики были датчики искрового разрядника. Механическое устройство будет производить искры с фиксированной, но слышимой скоростью; искры передавали бы энергию в резонансный контур, который затем звонил бы на желаемой частоте передачи (которая может составлять 100 кГц). Звонок быстро затихнет, так что выходной сигнал передатчика будет последовательностью затухающие волны. Когда эти затухающие волны улавливались простым детектором, оператор слышал слышимый жужжащий звук, который можно было преобразовать обратно в буквенно-цифровые символы.

С развитием преобразователь дуги радиопередатчик 1904 г., непрерывная волна (CW) модуляция стала использоваться для радиотелеграфии. Сигналы CW-кода Морзе не модулируются по амплитуде, а состоят из пакетов синусоидальной несущей частоты. Когда CW-сигналы принимаются AM-приемником, оператор не слышит звука. Детектор прямого преобразования (гетеродин) был изобретен для того, чтобы слышать непрерывные радиочастотные сигналы.[10]

"Гетеродинный" или "битный" ресивер имеет гетеродин который производит радиосигнал, настроенный по частоте, близкой к принимаемому входящему сигналу. Когда два сигнала смешиваются, создается частота «биений», равная разнице между двумя частотами. При правильной настройке частоты гетеродина частота биений находится в диапазоне аудио диапазона, и его можно услышать как тональный сигнал в наушники всякий раз, когда присутствует сигнал передатчика. Таким образом, «точки» и «тире» азбуки Морзе слышны как звуковые сигналы. Этот метод до сих пор используется в радиотелеграфии, гетеродин теперь называется генератор частоты биений или BFO. Фессенден придумал слово гетеродин от греческих корней гетеро- "разные", и дин- «власть» (ср. δύναμις или дунамис ).[11]

Супергетеродинный приемник

Блок-схема типичного супергетеродинного приемника. красный части - это те, которые обрабатывают входящий радиочастотный (RF) сигнал; зеленый части, которые работают на промежуточной частоте (ПЧ), а синий части работают на частоте модуляции (аудио).

Важным и широко используемым применением гетеродинной техники является супергетеродинный приемник (супергет), изобретенный американским инженером Эдвин Ховард Армстронг в 1918 году. В типичном супергетике входящие радиочастота сигнал от антенны смешивается (гетеродинируется) с сигналом гетеродина (гетеродина) для получения сигнала с более низкой фиксированной частотой, называемого промежуточная частота (IF) сигнал. Сигнал ПЧ усиливается и фильтруется, а затем подается на детектор извлекающий звуковой сигнал; звук в конечном итоге отправляется на громкоговоритель приемника.

Супергетеродинный приемник имеет несколько преимуществ по сравнению с предыдущими конструкциями. Одно из преимуществ - более легкая настройка; только фильтр RF и гетеродин настраиваются оператором; ПЧ фиксированной частоты настраивается («выравнивается») на заводе и не регулируется. В старых проектах, таких как настроенный радиоприемник (TRF) все каскады приемника нужно было настраивать одновременно. Кроме того, поскольку фильтры ПЧ имеют фиксированную настройку, избирательность приемника одинакова по всей полосе частот приемника. Еще одно преимущество состоит в том, что сигнал ПЧ может иметь гораздо более низкую частоту, чем входящий радиосигнал, и это позволяет каждому каскаду усилителя ПЧ обеспечивать большее усиление. В первую очередь усилительное устройство имеет фиксированный произведение коэффициента усиления на пропускную способность. Если устройство имеет произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 60 МГц, то оно может обеспечить усиление по напряжению 3 при РЧ 20 МГц или усиление по напряжению 30 при ПЧ 2 МГц. При более низкой ПЧ для достижения такого же усиления потребуется меньше устройств усиления. В регенеративный радиоприемник получил большее усиление от одного устройства усиления за счет использования положительной обратной связи, но это требовало тщательной настройки оператором; Эта настройка также изменила избирательность регенеративного приемника. Супергетеродин обеспечивает большое стабильное усиление и постоянную селективность без сложной настройки.

Превосходная супергетеродинная система заменила более ранние конструкции TRF и регенеративных приемников, а с 1930-х годов большинство коммерческих радиоприемников были супергетеродинами.

Приложения

Гетеродининг, также называемый преобразование частоты, очень широко используется в коммуникационная техника для генерации новых частот и перемещения информации из одного частотного канала в другой. Помимо использования в супергетеродинной цепи почти всех радио- и телевизионных приемников, он также используется в радиопередатчики, модемы, спутник коммуникации и приставки, радар, радиотелескопы, телеметрия системы, сотовые телефоны, конвертеры кабельного телевидения и головные станции, микроволновые реле, металлоискатели, атомные часы, и военные электронное противодействие (глушения) системы.

Повышающие и понижающие преобразователи

В больших масштабах телекоммуникационные сети Такие как телефонная сеть стволы микроволновое реле сети, системы кабельного телевидения и спутник связи ссылки, большие пропускная способность Линии пропускной способности совместно используются многими отдельными каналами связи за счет использования гетеродинирования для перемещения частоты отдельных сигналов на разные частоты, которые совместно используют канал. Это называется мультиплексирование с частотным разделением (FDM).

Например, коаксиальный кабель Используемая системой кабельного телевидения может передавать 500 телевизионных каналов одновременно, потому что каждому дается разная частота, поэтому они не мешают друг другу. У источника кабеля или головная станция электронные преобразователи с повышением частоты преобразуют каждый входящий телевизионный канал на новую, более высокую частоту. Они делают это, смешивая частоту телевизионного сигнала, жCH с гетеродин с гораздо большей частотой жLO, создавая гетеродин в сумме жCH + жLO, который добавлен к кабелю. В доме потребителя кабель телеприставки имеет понижающий преобразователь, который смешивает входящий сигнал с частотой жCH + жLO с той же частотой гетеродина жLO создание разницы частот гетеродина, преобразование телеканала обратно к исходной частоте: (жCH + жLO) − жLOжCH. Каждый канал перемещается на другую более высокую частоту. Исходная нижняя базовая частота сигнала называется основная полоса, в то время как более высокий канал, в который он перемещается, называется полоса пропускания.

Запись аналоговой видеокассеты

Многие аналоговые видеокассета системы полагаются на поднесущую цвета, преобразованную с понижением частоты, для записи информации о цвете в их ограниченной полосе пропускания. Эти системы называются «гетеродинными системами» или «системами с окраской». Например, для NTSC видеосистемы, VHSS-VHS ) система записи преобразует цветовую поднесущую из стандарта NTSC 3,58 МГц в ~ 629 кГц.[12] PAL Цветовая поднесущая VHS преобразована с понижением частоты аналогично (но с 4,43 МГц). Ныне устаревший 3/4 " U-matic системы используют гетеродифицированную поднесущую ~ 688 кГц для записей NTSC (как и Sony с Бетамакс, который в своей основе является потребительской версией U-matic размером 1/2 дюйма), в то время как деки PAL U-matic представлены двумя несовместимыми друг с другом разновидностями с разными частотами поднесущих, известными как Hi-Band и Low-Band. Другие форматы видеокассет с гетеродинными цветовыми системами включают: Видео-8 и Hi8.[13]

Гетеродинная система в этих случаях используется для преобразования синусоидальных волн с квадратурной фазовой кодировкой и амплитудной модуляцией из частот вещания в частоты, записываемые в полосе частот менее 1 МГц. При воспроизведении записанная информация о цвете гетеродифицируется обратно к стандартным частотам поднесущих для отображения на телевизорах и для обмена с другим стандартным видеооборудованием.

Некоторые деки U-matic (3/4 дюйма) имеют 7-контактный мини-разъем.Разъемы DIN чтобы разрешить перезапись лент без преобразования, как это делают некоторые промышленные рекордеры VHS, S-VHS и Hi8.

Музыкальный синтез

В терменвокс, электронный музыкальный инструмент, традиционно использует принцип гетеродина для получения переменной звуковая частота в ответ на движение рук музыканта вблизи одной или нескольких антенн, которые действуют как пластины конденсатора. Выходной сигнал фиксированного радиочастотного генератора смешивается с выходным сигналом генератора, частота которого зависит от переменная емкость между антенной и рукой музыканта, когда она перемещается рядом с антенной управления высотой тона. Разница между двумя частотами генератора создает тон в звуковом диапазоне.

В кольцевой модулятор это тип частотный смеситель встроен в некоторые синтезаторы или используется как отдельный звуковой эффект.

Оптическое гетеродинирование

Обнаружение оптического гетеродина (область активных исследований) - расширение техники гетеродинирования на более высокие (видимые) частоты. Этот метод может значительно улучшить оптические модуляторы, увеличивая плотность информации, переносимой оптические волокна. Он также применяется для создания более точных атомные часы основан на прямом измерении частоты лазерного луча. См. Подраздел 9.07.9-4.R NIST для описания исследования одной системы для этого.[14][15]

Поскольку оптические частоты намного превышают возможности манипулирования любой возможной электронной схемой, все детекторы фотонов видимой частоты по своей сути являются детекторами энергии, а не детекторами осциллирующего электрического поля. Однако, поскольку обнаружение энергии по своей сути "квадратичный "обнаружения, он по своей сути смешивает любые оптические частоты, присутствующие на детекторе. Таким образом, чувствительное обнаружение определенных оптических частот требует обнаружения оптического гетеродина, при котором две разные (близкие) длины волны света освещают детектор, так что колеблющийся электрический выход соответствует разница между их частотами. Это позволяет обнаруживать чрезвычайно узкую полосу (гораздо более узкую, чем может достичь любой возможный цветной фильтр), а также точные измерения фазы и частоты светового сигнала относительно эталонного источника света, как в лазерный доплеровский виброметр.

Это фазочувствительное обнаружение применялось для доплеровских измерений скорости ветра и получения изображений через плотные среды. Высокая чувствительность к фоновому свету особенно полезна для лидар.

В оптический эффект Керра (OKE) спектроскопия, оптическое гетеродинирование сигнала OKE и небольшая часть сигнала зонда дает смешанный сигнал, состоящий из зонда, гетеродинного зонда OKE и гомодинного сигнала OKE. Зондовый и гомодинный сигналы OKE можно отфильтровать, оставив гетеродинный частотный сигнал для обнаружения.

Обнаружение гетеродина часто используется в интерферометрия но обычно ограничиваются одноточечным обнаружением, а не широкопольной интерферометрией, однако широкопольная гетеродинная интерферометрия возможна с использованием специальной камеры.[16] Используя этот метод, при котором опорный сигнал извлекается из одного пикселя, можно построить высокостабильный широкопольный гетеродинный интерферометр, удалив фазовую составляющую поршня, вызванную микрофоника или вибрации оптических компонентов или объекта.[17]

Математический принцип

Гетеродинирование основано на тригонометрическая идентичность:

Произведение в левой части представляет собой умножение ("смешивание") синусоидальная волна с другой синусоидой. Правая часть показывает, что результирующий сигнал представляет собой разность двух синусоидальный термины, одна из которых соответствует сумме двух исходных частот, а другая - разнице, которые можно рассматривать как отдельные сигналы.

Используя эту тригонометрическую идентичность, результат умножения двух синусоидальных сигналов и на разных частотах и можно рассчитать:

Результатом является сумма двух синусоидальных сигналов, один в сумме ж1 + ж2 и один в разнице ж1 − ж2 исходных частот.

Смеситель

Два сигнала объединяются в устройстве, называемом Смеситель. Как было показано в предыдущем разделе, идеальным микшером было бы устройство, которое умножает два сигнала. Некоторые широко используемые смесительные контуры, такие как Клетка Гилберта, работают таким образом, но они ограничены более низкими частотами. Однако любой нелинейный Электронный компонент также умножает подаваемые на него сигналы, создавая на выходе гетеродинные частоты, поэтому различные нелинейные компоненты служат смесителями. Нелинейный компонент - это компонент, в котором выходной ток или напряжение равны нелинейная функция его ввода. Большинство схемных элементов в цепях связи предназначены для линейный. Это означает, что они подчиняются принцип суперпозиции; если является выходом линейного элемента с входом :

Итак, если два синусоидальных сигнала на частотах ж1 и ж2 применяются к линейному устройству, выход - это просто сумма выходов, когда два сигнала применяются отдельно без каких-либо условий продукта. Таким образом, функция должен быть нелинейным для создания смесителя продуктов. Идеальный умножитель производит только продукты микшера на суммарной и разностной частотах. (ж1 ± ж2), но более общие нелинейные функции производят смесители более высокого порядка: пж1 + мж2 для целых чисел п и м. Некоторые конструкции смесителей, такие как смесители с двойной балансировкой, подавляют некоторые нежелательные продукты высокого порядка, в то время как другие конструкции, такие как гармонические смесители использовать различия высокого порядка.

Примеры нелинейных компонентов, которые используются в качестве смесителей: вакуумные трубки и транзисторы смещен вблизи отсечки (класс C ), и диоды. Ферромагнитный сердечник индукторы загнанный в насыщенность также может использоваться на более низких частотах. В нелинейная оптика, кристаллы с нелинейными характеристиками используются для перемешивания лазер световые лучи для создания оптические гетеродинные частоты.

Выход микшера

Чтобы математически продемонстрировать, как нелинейный компонент может умножать сигналы и генерировать гетеродинные частоты, нелинейная функция может быть расширен в степенной ряд (Серия Маклаурина ):

Чтобы упростить математику, члены высшего порядка выше α2 обозначаются многоточием («...»), и отображаются только первые члены. Применение двух синусоидальных волн на частотах ω1 = 2πж1 и ω2 = 2πж2 на это устройство:

Можно видеть, что второй член выше содержит произведение двух синусоидальных волн. Упрощение с помощью тригонометрические тождества:

Таким образом, вывод содержит синусоидальные члены с частотами в сумме ω1 + ω2 и разница ω1 − ω2 двух исходных частот. Он также содержит термины на исходных частотах и ​​на кратных исходных частотах. 2ω1, 2ω2, 3ω1, 3ω2, так далее.; последние называются гармоники, а также более сложные термины на частотах 1 + 2, называется продукты интермодуляции. Эти нежелательные частоты вместе с нежелательной частотой гетеродина должны быть отфильтрованы на выходе смесителя с помощью электронный фильтр чтобы оставить желаемую частоту.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Кристофер Э. Купер (январь 2001 г.). Физика. Издательство Фицрой Дирборн. С. 25–. ISBN  978-1-57958-358-3.
  2. ^ а б c d Бюро военно-морского персонала США (1973). Базовая электроника. США: Курьер Дувр. п. 338. ISBN  978-0-486-21076-6.
  3. ^ а б Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники (7-е изд.). США: Ньюнес. п. 344. ISBN  978-0-7506-9866-5.
  4. ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Лондон: Издательство Кембриджского университета. С. 885, 897. ISBN  978-0-521-37095-0.
  5. ^ Странно, Аллен; Странно, Патрисия (2003). Современная скрипка: расширенные техники исполнения. Scarecrow Press. п. 216. ISBN  978-0-520-22409-4.
  6. ^ Ингард, Уно (2008). Акустика. Джонс и Бартлетт. С. 18–21. ISBN  978-1-934015-08-7.
  7. ^ Обсуждение истории некоторых основ современной радиоэлектронной техники, Комментарии Ллойда Эспеншида, Proceedings of the IRE, июль 1959 г. (том 47, № 7), стр. 1254, 1256. Критика. «... корни наших современных технологий уходят в основном к источникам, отличным от лаборатории Хаммонда». Комментарий. Многие из истоков, положивших начало работе группы Хаммонда и ее современников, были зафиксированы в нашей статье: новаторская работа Уилсона и Эванса, Теслы, Шумейкера в области фундаментальной радиодинамики; . . . Теслы и Фессендена, что привело к разработке базовой схемы промежуточной частоты.
  8. ^ Нахин 2001, п. 91, заявив, что «схема Фессендена опередила свое время, поскольку тогда просто не было технологии, с помощью которой можно было бы построить требуемый гетеродин с необходимой стабильностью частоты». На рис. 7.10 показан упрощенный гетеродинный детектор 1907 года.
  9. ^ Фессенден 1905, п. 4
  10. ^ Эшли, Чарльз Гриннелл; Хейворд, Чарльз Брайан (1912). Беспроводная телеграфия и беспроводная телефония. Чикаго: Американская школа переписки. С. 103 / 15–104 / 16.
  11. ^ Тапан К. Саркар, История беспроводной связи, стр. 372
  12. ^ Форматы видеозаписей с использованием 12-дюймовая (13 мм) лента ; Проверено 1 января 2007 г.
  13. ^ Чарльз, Пойнтон (2003). Цифровое видео и HDTV: алгоритмы и интерфейсы. Сан-Франциско: Издательство Морган Кауфманн. С. 582–3. ISBN  978-1-55860-792-7.
  14. ^ Детали контракта: Прочная платформа для нанопопулярных керамических микросенсоров
  15. ^ Детали контракта: Варакторные умножители высокой импульсной мощности для визуализации
  16. ^ Patel, R .; Achamfuo-Yeboah, S .; Light R .; Кларк М. (2011). «Широкопольная гетеродинная интерферометрия с использованием специальной камеры с КМОП-модуляцией света». Оптика Экспресс. 19 (24): 24546–24556. Дои:10.1364 / oe.19.024546. PMID  22109482.
  17. ^ Patel, R .; Achamfuo-Yeboah, S .; Light R .; Кларк М. (2012). «Ультрастабильная система гетеродинного интерферометра с использованием камеры с КМОП-модуляцией света». Оптика Экспресс. 20 (16): 17722–17733. Дои:10.1364 / oe.20.017722. PMID  23038324.

Рекомендации

внешняя ссылка