Радиоприемник - Radio receiver

Портативный радиовещательный AM / FM-приемник с батарейным питанием, используемый для прослушивания аудиопередач местных радиостанция.

Современный приемник связи, используется в двустороннее радио станции связи, чтобы разговаривать с удаленными местами коротковолновое радио.

Девушка слушает вакуумная труба радио в 1940-е годы. В течение золотой век радио, 1925-1955, вечером семьи собирались послушать домашний радиоприемник.

В радиосвязь, а радиоприемник, также известный как получатель, а беспроводной или просто радио, это электронное устройство, которое принимает радиоволны и преобразует передаваемую ими информацию в удобную для использования форму. Он используется с антенна. Антенна улавливает радиоволны (электромагнитные волны ) и преобразует их в крошечные переменные токи которые применяются к получателю, и получатель извлекает желаемую информацию. Приемник использует электронные фильтры отделить желаемое радиочастота сигнал от всех других сигналов, принимаемых антенной, электронный усилитель для увеличения мощности сигнала для дальнейшей обработки и, наконец, восстанавливает желаемую информацию через демодуляция.

Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радио. Информация, производимая приемником, может быть в виде звука, движущихся изображений (телевидение ), или цифровые данные.^[1] Радиоприемник может быть отдельным электронным оборудованием или Электронная схема внутри другого устройства. Самый знакомый тип радиоприемника для большинства людей - это радиоприемник вещания, который воспроизводит звук, передаваемый радиовещание станции, исторически первое радиоприложение для массового рынка. Радиоприемник обычно называют «радио». Однако радиоприемники очень широко используются в других областях современной техники, в телевизоры, сотовые телефоны, беспроводные модемы и другие компоненты систем связи, дистанционного управления и беспроводных сетей.

Радиоприемники вещания

Самая известная форма радиоприемника - это радиоприемник, который часто называют просто радиоприемником. радио, который получает аудио программы, предназначенные для общественного приема, передаваемые местными радиостанция. Звук воспроизводится либо громкоговоритель в радио или наушники который подключается к разъему на радио. Радио требует электроэнергия, предоставленный либо батареи внутри радио или шнур питания, который подключается к электрическая розетка. Все радиостанции имеют контроль громкости для регулировки громкости звука и некоторого типа управления "настройкой" для выбора принимаемой радиостанции.

Типы модуляции

Модуляция это процесс добавления информации в радио несущая волна.

AM и FM

В системах аналогового радиовещания используются два типа модуляции; AM и FM.

В амплитудная модуляция (AM) мощность радиосигнала зависит от аудиосигнала. AM вещание разрешено в Диапазоны вещания AM которые находятся между 148 и 283 кГц в длинноволновый диапазон, а между 526 и 1706 кГц в средняя частота (MF) диапазон радиоспектр. AM-вещание также разрешено в коротковолновый диапазоны примерно от 2,3 до 26 МГц, которые используются для международного вещания на большие расстояния.

В модуляция частоты (FM) частота радиосигнала немного изменяется звуковым сигналом. FM-вещание разрешено в Диапазоны FM-вещания между 65 и 108 МГц в очень высокая частота (VHF) диапазон. Точные диапазоны частот несколько различаются в разных странах.

FM стерео радиостанции вещают в стереофонический звук (стерео), передача двух звуковых каналов, представляющих левый и правый микрофоны. А стерео ресивер содержит дополнительные цепи и параллельные пути сигнала для воспроизведения двух отдельных каналов. А монофонический ресивер, напротив, принимает только один аудиоканал, который представляет собой комбинацию (сумму) левого и правого каналов.^[2][3][4] В то время как AM стерео передатчики и приемники существуют, они не достигли популярности FM-стерео.

Большинство современных радиоприемников могут принимать радиостанции AM и FM и имеют переключатель для выбора диапазона для приема; они называются AM / FM радио.

Цифровое аудиовещание (DAB)

Цифровое аудиовещание (DAB) - это передовая радиотехнология, которая дебютировала в некоторых странах в 1998 году и позволяет передавать звук с наземных радиостанций в качестве цифровой сигнал а не аналоговый сигнал как AM и FM. Его преимущества заключаются в том, что DAB может обеспечить более высокое качество звука, чем FM (хотя многие станции не выбирают передачу с таким высоким качеством), имеет большую устойчивость к радиошум и вмешательство, лучше использует дефицитные радиоспектр пропускная способность и предоставляет расширенные пользовательские функции, такие как электронный программный гид, спортивные комментарии и слайд-шоу изображений. Его недостатком является то, что он несовместим с предыдущими радиостанциями, поэтому необходимо покупать новый приемник DAB. По состоянию на 2017 год 38 стран предлагают DAB, при этом 2100 станций обслуживают зоны прослушивания с населением 420 миллионов человек. Большинство стран планируют в конечном итоге переход с FM на DAB. США и Канада предпочли не внедрять DAB.

Радиостанции DAB работают иначе, чем станции AM или FM: одна станция DAB передает сигнал с шириной полосы 1500 кГц, который передает от 9 до 12 каналов, из которых слушатель может выбирать. Вещательные компании могут передавать канал в диапазоне различных битрейты, поэтому разные каналы могут иметь разное качество звука. В разных странах DAB-станции вещают либо в Группа III (174–240 МГц) или L группа (1.452–1.492 ГГц).

Прием

В сила сигнала Количество радиоволн уменьшается по мере удаления от передатчика, поэтому радиостанция может приниматься только в пределах ограниченного диапазона своего передатчика. Дальность действия зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, атмосферного и внутреннего шум, а также любые географические препятствия, такие как холмы между передатчиком и приемником. Радиоволны диапазона AM распространяются как земные волны которые следуют контуру Земли, поэтому радиостанции AM могут быть надежно приняты на расстоянии в сотни миль. Радиосигналы диапазона FM из-за своей более высокой частоты не могут выходить далеко за пределы визуального горизонта; ограничивает расстояние приема примерно 40 милями (64 км) и может быть заблокировано холмами между передатчиком и приемником. Однако FM-радио менее восприимчиво к помехам от радиошум (RFI, сферики, статический) и имеет более высокий верность; лучше частотный отклик и менее искажение звука, чем AM. Так что во многих странах серьезную музыку транслируют только FM-станции, а AM-станции специализируются на новости радио, говорить по радио, и спорт. Как и FM, сигналы DAB проходят через Поле зрения поэтому расстояния приема ограничены визуальным горизонтом примерно 30–40 миль (48–64 км).

Типы широковещательных приемников

Прикроватная тумбочка радиочасы который сочетает в себе радиоприемник с будильник

Радиоприемники бывают разных стилей и функций:

• Настольное радио - Автономное радио с динамиком, предназначенное для размещения на столе.
• Радиочасы - прикроватная тумбочка настольное радио это также включает будильник. В будильнике можно настроить включение радио по утрам вместо будильника, чтобы разбудить хозяина.
• Тюнер - А высокая точность Радиоприемник AM / FM в компоненте домашняя аудиосистема. У него нет динамиков, но он выводит звуковой сигнал который подается в систему и воспроизводится через динамики системы.
• Портативный радиоприемник - радио с питанием от батареи которые можно носить с собой. Радиоприемники теперь часто интегрируются с другими источниками звука в CD проигрыватели и портативные медиаплееры.
  • Бумбокс - портативный аккумулятор с питанием от высокая точность стереосистема в виде коробки с ручкой, ставшая популярной в середине 1970-х годов.
  • Транзисторное радио - старый термин для портативного карманного радиоприемника. Это стало возможным благодаря изобретению транзистор и разработанные в 1950-х годах, транзисторные радиоприемники были чрезвычайно популярны в 1960-х и начале 1970-х годов и изменили привычки слушателей.
• Автомобильное радио - Радио AM / FM, встроенное в приборную панель автомобиля, используется для развлечения во время вождения. Практически все современные легковые и грузовые автомобили оснащены радиоприемниками, которые обычно также включают СиДи плэйер.
• Спутниковое радио Ресивер - подписной радиоприемник, принимающий аудиопрограмму от спутник прямого вещания. Абонент должен вносить ежемесячную плату. В основном они разработаны как автомобильные радиоприемники.
• Коротковолновый приемник - Это радиовещание, которое также принимает коротковолновые диапазоны. Он используется для коротковолновое прослушивание.
• AV-ресиверы являются общим компонентом в высокая точность или домашний кинотеатр система; Помимо приема радиопрограмм, приемник также будет содержать функции переключения и усиления для соединения и управления другими компонентами системы.

Другие приложения

Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радио. Помимо радиовещательных приемников, описанных выше, радиоприемники используются в огромном разнообразии электронных систем современной техники. Они могут быть отдельным оборудованием ( радио) или подсистему, встроенную в другие электронные устройства. А трансивер это передатчик и ресивер объединены в один блок. Ниже приведен список наиболее распространенных типов, упорядоченный по функциям.

• Прием телевещания - Телевизоры получают видеосигнал представляющий движущееся изображение, состоящее из последовательности неподвижных изображений, и синхронизированного звуковой сигнал представляющий связанный звук. В телевизионный канал полученный телевизором занимает более широкую пропускная способность чем звуковой сигнал, от 600 кГц до 6 МГц.
  • Приемник наземного телевидения, вещательное телевидение или просто телевидение (TV) - Телевизоры содержат встроенный приемник (ТВ-тюнер ) который получает бесплатно вещательное телевидение из местных телевизионные станции на телевизионные каналы в УКВ и УВЧ группы.
  • Спутниковое телевидение приемник - а телеприставки который получает подписку прямое спутниковое телевидение, и отображает его на обычном телевидение. На крыше спутниковая тарелка принимает много каналов, все модулированные на K_ты группа микроволновая печь нисходящий канал сигнал от геостационарный спутник прямого вещания 22 000 миль (35 000 км) над Землей, и сигнал преобразуется в более низкий промежуточная частота и транспортируется к коробке через коаксиальный кабель. Абонент платит ежемесячную плату.
• Двусторонняя голосовая связь - А двустороннее радио это аудио трансивер, приемник и передатчик в том же устройстве, используемом для двунаправленной голосовой связи между людьми. Радиосвязь может быть полудуплекс, используя один радиоканал, по которому одновременно может передавать только одно радио. поэтому разные пользователи по очереди разговаривают, нажимая нажми чтобы говорить кнопка на их радио, которая включает передатчик. Или радиосвязь может быть полный дуплекс, двунаправленная связь с использованием двух радиоканалов, чтобы оба человека могли разговаривать одновременно, как по мобильному телефону.
  • Сотовый телефон - портативный телефон что связано с телефонная сеть радиосигналами, обмениваемыми с местной антенной, называемой вышка сотовой связи. Мобильные телефоны имеют высокоавтоматизированные цифровые приемники, работающие в диапазоне УВЧ и СВЧ, которые принимают входящую сторону дуплекс голосовой канал, а также канал управления, который обрабатывает вызовы и переключает телефон между вышками сотовой связи. Обычно у них также есть несколько других приемников, которые соединяют их с другими сетями: Модем WiFi, а блютуз модем и Приемник GPS. На вышке сотовой связи установлены сложные многоканальные приемники, которые одновременно принимают сигналы от многих сотовых телефонов.
  • Беспроводной телефон - а городской телефон в которой трубка портативный и связывается с остальной частью телефона на небольшом расстоянии дуплекс радиосвязь, вместо того, чтобы быть привязанным шнуром. И трубка, и базовая станция иметь радиоприемники, работающие в УВЧ диапазон, который получает двунаправленный дуплекс радиосвязь.
  • Гражданское радио - двусторонняя полудуплексная радиостанция, работающая в диапазоне 27 МГц, которую можно использовать без лицензии. Их часто устанавливают на автомобили и используют дальнобойщики и службы доставки.
  • Рация - портативная полудуплексная двусторонняя радиостанция ближнего действия.
  • 

    Портативный сканер
    Сканер - приемник, который непрерывно контролирует несколько частот или радиоканалы многократно переходя по каналам, кратко прослушивая каждый канал для передачи. Когда передатчик найден, приемник останавливается на этом канале. Сканеры используются для мониторинга частот аварийной полиции, пожарной охраны и скорой помощи, а также других частот двусторонней радиосвязи, таких как группа граждан. Возможности сканирования также стали стандартной функцией приемников связи, раций и других радиостанций двусторонней связи.
  • 

    Современный приемник связи ICOM RC-9500
    Приемник связи или коротковолновый приемник - аудиоприемник общего назначения, охватывающий LF, MF, коротковолновый (HF ), и УКВ группы. Используется в основном с отдельным коротковолновым передатчиком для двусторонней голосовой связи на станциях связи, любительское радио станций, и для коротковолновое прослушивание.
• Односторонняя (симплексная) голосовая связь
  • Беспроводной микрофон приемник - они принимают сигнал ближнего действия от беспроводные микрофоны используется на сцене музыкальными артистами, ораторами и телеведущими.
  • 

    Радионяня. Ресивер слева
    Радионяня - это детская кроватка для матерей младенцев, которая передает звуки ребенка на приемник, который несет мать, чтобы она могла следить за ребенком, пока он находится в других частях дома. Многие радионяни теперь оснащены видеокамерами, чтобы показать фотографию ребенка.
• Передача данных
  • Беспроводной (WiFi) модем - автоматический передатчик и приемник цифровых данных малого радиуса действия на портативном беспроводном устройстве, которое обменивается данными с помощью микроволн с ближайшим точка доступа, а маршрутизатор или шлюз, соединяющий портативное устройство с локальной компьютерной сетью (WLAN ) для обмена данными с другими устройствами.
  • блютуз модем - приемопередатчик данных с очень малым радиусом действия (до 10 м) 2,4–2,83 ГГц на портативном беспроводном устройстве, используемом вместо проводного или кабельного соединения, в основном для обмена файлами между портативными устройствами и подключения мобильных телефонов и музыкальных плееров с беспроводными наушниками .
  • СВЧ реле - канал передачи данных точка-точка с высокой пропускной способностью на большие расстояния, состоящий из тарелочной антенны и передатчика, который передает луч микроволн на другую тарелочную антенну и приемник. Поскольку антенны должны быть в Поле зрения, расстояния ограничены визуальным горизонтом 30–40 миль. СВЧ-каналы используются для передачи данных частного бизнеса, глобальные компьютерные сети (WAN) и телефонные компании для передачи телефонных звонков и телевизионных сигналов на расстояние между городами.
• Спутниковая связь - Спутники связи используются для передачи данных между удаленными друг от друга точками на Земле. Остальные спутники используются для поиска и спасения, дистанционное зондирование, прогноз погоды и научные исследования. Радиосвязь с спутники и космический корабль может включать очень длинные пути, от 35 786 км (22 236 миль) для геосинхронный спутников на миллиарды километров для межпланетный космический корабль. Это, а также ограниченная мощность передатчика космического корабля означают, что необходимо использовать очень чувствительные приемники.
  • Спутниковый транспондер - Приемник и передатчик в спутник связи который принимает несколько каналов данных, по которым передаются междугородние телефонные звонки, телевизионные сигналы. или интернет-трафик на микроволновке восходящий канал сигнал от спутниковая наземная станция и повторно передает данные на другую наземную станцию ​​на другом нисходящий канал частота. В спутник прямого вещания транспондер передает более сильный сигнал прямо на спутниковое радио или спутниковое телевидение приемники в домах потребителей.
  • Наземная спутниковая станция получатель - спутник связи наземные станции получают данные со спутников связи, вращающихся вокруг Земли. Наземные станции дальнего космоса, такие как Сеть дальнего космоса НАСА получать слабые сигналы от далеких научных космических кораблей на межпланетный исследовательские миссии. У них есть большие тарелочные антенны около 85 футов (25 м) в диаметре, и чрезвычайно чувствительные радиоприемники, подобные радиотелескопы. В RF передний конец приемника часто криогенно охлаждение до -195,79 ° C (-320 ° F) жидкий азот уменьшить радиошум в цепи.
• Дистанционное управление - Дистанционное управление приемники принимают цифровые команды, которые управляют устройством, которое может быть таким же сложным, как космический корабль или Беспилотный летательный аппарат, или просто как открыватель ворот гаража. Системы дистанционного управления часто также включают телеметрия канал для передачи данных о состоянии управляемого устройства обратно контроллеру. Радиоуправляемая модель и другие модели включают многоканальные приемники в моделях автомобилей, лодок, самолетов и вертолетов. Радиосистема ближнего действия используется в вход без ключа системы.
• Радиолокация - Это использование радиоволн для определения местоположения или направления объекта.
  • Радар - устройство, которое передает узкий луч микроволн, отражающихся от цели, обратно в приемник, используемый для определения местоположения таких объектов, как самолеты, космические корабли, ракеты, корабли или наземные транспортные средства. Отраженные волны от цели принимаются приемником, обычно подключенным к той же антенне, указывающим направление на цель. Широко используется в авиации, судоходстве, навигации, прогнозировании погоды, космических полетах, транспортных средствах. системы предотвращения столкновений, и военные.
  • Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) приемник, такой как Приемник GPS используется с США спутниковая система навигации - наиболее распространенное электронное навигационное устройство. Автоматический цифровой приемник, который одновременно принимает сигналы данных с нескольких спутников на низкой околоземной орбите. Используя чрезвычайно точные сигналы времени, он вычисляет расстояние до спутников и, исходя из этого, местоположение приемника на Земле. Приемники GNSS продаются как портативные устройства, а также используются в сотовых телефонах, транспортных средствах и оружии, даже артиллерийские снаряды.
  • VOR приемник - навигационный прибор на воздушном судне, использующий УКВ сигнал от VOR навигационные маяки между 108 и 117,95 МГц для очень точного определения направления на маяк для аэронавигации.
  • Отслеживание диких животных приемник - приемник с направленной антенной, используемый для отслеживания диких животных, помеченных небольшим передатчиком VHF, для управление дикой природой целей.
• Другой
  • Телеметрия приемник - он принимает сигналы данных для отслеживания состояния процесса. Телеметрия используется для наблюдения за ракетами и космическими кораблями в полете, каротаж в течение бурение на нефть и газ, и беспилотные научные инструменты в удаленных местах.
  • Измерительный приемник - откалиброванный радиоприемник лабораторного уровня, используемый для измерения характеристик радиосигналов. Часто включает анализатор спектра.
  • Радиотелескоп - специализированная антенна и радиоприемник, используемые как научный инструмент для изучения слабых радиоволн от астрономические радиоисточники в космосе, как звезды, туманности и галактики в радиоастрономия. Это самые чувствительные из существующих радиоприемников, имеющие большую параболические (тарелочные) антенны диаметром до 500 метров и чрезвычайно чувствительными радиосхемами. В RF передний конец приемника часто криогенно охлаждается жидкий азот уменьшить радиошум.

Как работают приемники

Символ антенны

Радиоприемник подключен к антенна который преобразует часть энергии входящей радиоволны в крошечный радиочастота AC Напряжение который применяется ко входу приемника. Антенна обычно состоит из металлических проводов. Колеблющиеся электрический и магнитные поля радиоволны толкнуть электроны в антенне вперед и назад, создавая колебательное напряжение.

В антенна может быть заключен в корпус приемника, как и ферритовые рамочные антенны из AM радио и квартира перевернутая F-антенна сотовых телефонов; прикреплен к внешней стороне ствольной коробки, как с штыревые антенны используется на FM-радио, либо монтируется отдельно и подключается к ресиверу кабелем, как с крышкой телевизионные антенны и Спутниковые тарелки.

Основные функции ресивера

Практичные радиоприемники выполняют три основные функции по сигналу от антенны: фильтрация, усиление, и демодуляция:^[5]

Полосовая фильтрация

Символ полосового фильтра, используемого в блок-схемы радиоприемников

Радиоволны от многих передатчиков проходят по воздуху одновременно, не мешая друг другу, и принимаются антенной. Их можно разделить в приемнике, потому что они имеют разные частоты; то есть радиоволна от каждого передатчика колеблется с разной скоростью. Чтобы выделить желаемый радиосигнал, полосовой фильтр позволяет проходить частоте желаемой радиопередачи и блокирует сигналы на всех других частотах.

Полосовой фильтр состоит из одного или нескольких резонансные контуры (настроенные схемы). Резонансный контур включен между антенным входом и землей. Когда входящий радиосигнал находится на резонансной частоте, резонансный контур имеет высокий импеданс, и радиосигнал от нужной станции передается на следующие каскады приемника. На всех остальных частотах резонансный контур имеет низкий импеданс, поэтому сигналы на этих частотах передаются на землю.

• Пропускная способность и избирательность: См. Графики. Информация (модуляция ) в радиопередаче содержится в двух узких полосах частот, называемых боковые полосы (SB) по обе стороны от перевозчик частота (С), поэтому фильтр должен пропускать полосу частот, а не только одну частоту. Полоса частот, принимаемых приемником, называется его полоса пропускания (ПБ), а ширина полосы пропускания в килогерц называется пропускная способность (ЧБ). Полоса пропускания фильтра должна быть достаточно широкой, чтобы пропускать боковые полосы без искажений, но достаточно узкой, чтобы блокировать любые мешающие передачи на соседних частотах (например, S2 на схеме). Способность приемника отклонять нежелательные радиостанции, близкие по частоте к желаемой станции, является важным параметром, называемым избирательность определяется фильтром. В современных ресиверах Кристалл кварца, керамический резонатор, или поверхностная акустическая волна Часто используются (ПАВ) фильтры, которые обладают более высокой избирательностью по сравнению с сетями из цепей с настройкой конденсатор-индуктор.
• Тюнинг: Для выбора конкретной радиостанции "настроен"на частоту желаемого передатчика. Радиоприемник имеет циферблат или цифровой дисплей, на котором отображается частота, на которую оно настроено. Тюнинг подстраивает частоту полосы пропускания приемника к частоте желаемого радиопередатчика. Поворот ручки настройки изменяет резонансная частота из настроенная схема. Когда резонансная частота равна частоте радиопередатчика, настроенный контур колеблется в согласии, передавая сигнал остальной части приемника.

В частотный спектр типичного радиосигнала от передатчика AM или FM. Он состоит из компонента (C) на несущая волна частота ж_C, с модуляцией, содержащейся в узких полосах частот, называемых боковые полосы (SB) чуть выше и ниже несущей.

(правый график) Как полосовой фильтр выбирает одиночный радиосигнал S1 от всех радиосигналов, принимаемых антенной. Сверху на графиках показано напряжение от антенны, приложенное к фильтру. V_в, то функция передачи фильтра Т, а напряжение на выходе фильтра V_вне как функция частоты ж. Передаточная функция Т это количество сигнала, которое проходит через фильтр на каждой частоте:
${ displaystyle V_ {out} (f) = { text {T}} (f) V_ {in} (f)}$

Усиление

Символ для усилитель мощности

Мощность радиоволн, принимаемых приемной антенной, уменьшается пропорционально квадрату ее расстояния от передающей антенны.Даже с мощными передатчиками, используемыми на радиовещательных станциях, если приемник находится на расстоянии более нескольких миль от передатчика, мощность, перехватываемая антенной приемника, очень мала, возможно, даже ниже Пиковатт или фемтоватты. Для увеличения мощности восстановленного сигнала усилитель мощности схема использует электроэнергию от батарей или сетевой вилки для увеличения амплитуда (напряжение или ток) сигнала. В большинстве современных приемников электронные компоненты, которые фактически усиливают звук, транзисторы.

Приемники обычно имеют несколько ступеней усиления: радиосигнал от полосового фильтра усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для управления демодулятором, затем аудиосигнал от демодулятора усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для работы динамика. Степень усиления радиоприемника измеряется параметром, называемым его чувствительность, который представляет собой минимальную мощность сигнала станции на антенне, измеренную в микровольт, необходимых для четкого приема сигнала, с определенным сигнал-шум. Поскольку сигнал легко усилить до любой желаемой степени, предел чувствительности многих современных приемников заключается не в степени усиления, а в случайном электронный шум присутствует в цепи, которая может заглушить слабый радиосигнал.

Демодуляция

Символ демодулятора

После фильтрации и усиления радиосигнала приемник должен извлечь информацию, несущую модуляция сигнал от модулированной радиочастоты несущая волна. Это делается с помощью схемы, называемой демодулятор (детектор ). Для каждого типа модуляции требуется свой демодулятор.

• приемник AM, который принимает (амплитудно-модулированный ) радиосигнал использует демодулятор AM
• FM-приемник, который принимает частотно-модулированный сигнал использует демодулятор FM
• приемник FSK, который принимает частотная манипуляция (используется для передачи цифровых данных в беспроводных устройствах) использует демодулятор FSK

Многие другие типы модуляции также используются для специальных целей.

Сигнал модуляции, выводимый демодулятором, обычно усиливается для увеличения его мощности, затем информация преобразуется обратно в форму, пригодную для использования человеком, с помощью некоторого типа преобразователь. An звуковой сигнал, представляющий звук, как в радиовещании, преобразуется в звуковые волны по наушники или громкоговоритель. А видеосигнал, представляющие движущиеся изображения, как в телевизионный приемник, превращается в свет дисплей. Цифровые данные, как в беспроводной модем, применяется как вход в компьютер или микропроцессор, который взаимодействует с людьми.

AM демодуляция

Схема детектора огибающей

Как работает детектор конверта

Самый простой для понимания тип демодуляции - это демодуляция AM, используемая в AM радио восстановить аудио сигнал модуляции, который представляет собой звук и преобразуется в звуковые волны по радио оратор. Это достигается с помощью схемы, называемой детектор конверта (см. схему), состоящий из диод (D) с обходом конденсатор (С) на его выходе.

Смотрите графики. В амплитудно-модулированный радиосигнал от настроенной схемы показан на (А). Быстрые колебания - это радиочастота несущая волна. В звуковой сигнал (звук) содержится в медленных вариациях (модуляция ) из амплитуда (размер) волн. Если он был применен непосредственно к динамику, этот сигнал не может быть преобразован в звук, потому что отклонения звука одинаковы по обе стороны от оси, в среднем до нуля, что не приведет к чистому движению диафрагмы динамика. (В) Когда этот сигнал применяется как вход V_я к детектору, диод (D) проводит ток в одном направлении, но не в противоположном, таким образом пропуская импульсы тока только на одной стороне сигнала. Другими словами, это исправляет переменный ток в импульсный постоянный ток. Результирующее напряжение V_О приложенный к нагрузке р_L больше не в среднем ноль; его пиковое значение пропорционально звуковому сигналу. (С) Шунтирующий конденсатор (С) заряжается импульсами тока диода, и его напряжение следует пикам импульсов, огибающей звуковой волны. Выполняет сглаживание (фильтрация нижних частот ), удаляя радиочастотные импульсы несущей, оставляя низкочастотный аудиосигнал проходить через нагрузку р_L. Аудиосигнал усиливается и подается на наушники или динамик.

Настроенный радиочастотный приемник (TRF)

Блок-схема настроенного радиоприемника. Чтобы добиться достаточно избирательность Чтобы отклонить станции на соседних частотах, пришлось использовать несколько каскадных каскадов полосовых фильтров. Пунктирная линия означает, что полосовые фильтры необходимо настраивать вместе.

В простейшем типе радиоприемника, называемом настроенный радиочастотный (TRF) приемник, три вышеуказанные функции выполняются последовательно:^[6] (1) смесь радиосигналов от антенны фильтруется для выделения сигнала желаемого передатчика; (2) это колебательное напряжение передается через радиочастота (РФ) усилитель мощности увеличить его мощность до уровня, достаточного для управления демодулятором; (3) демодулятор восстанавливает модуляция сигнал (который в радиоприемниках является звуковой сигнал, напряжение, колеблющееся на звуковая частота скорость, представляющая звуковые волны) от модулированного радио несущая волна; (4) сигнал модуляции дополнительно усиливается в аудио усилитель, затем применяется к громкоговоритель или наушники преобразовать его в звуковые волны.

Хотя приемник TRF используется в нескольких приложениях, он имеет практические недостатки, которые делают его хуже супергетеродинного приемника, представленного ниже, который используется в большинстве приложений.^[6] Недостатки связаны с тем, что в TRF фильтрация, усиление и демодуляция выполняются на высокой частоте входящего радиосигнала. Полоса пропускания фильтра увеличивается с увеличением его центральной частоты, поэтому, поскольку приемник TRF настроен на разные частоты, его полоса пропускания меняется. Самое главное, увеличивающаяся перегрузка радиоспектр требует, чтобы радиоканалы располагались очень близко друг к другу по частоте. Чрезвычайно сложно создать фильтры, работающие на радиочастотах с достаточно узкой полосой пропускания, чтобы разделить близко расположенные радиостанции. Приемники TRF обычно должны иметь много каскадных ступеней настройки для достижения адекватной селективности. В Преимущества В разделе ниже описывается, как супергетеродинный приемник преодолевает эти проблемы.

Супергетеродинный дизайн

Блок-схема супергетеродинного приемника. Пунктирная линия указывает на то, что ВЧ-фильтр и гетеродин должны настраиваться одновременно.

В супергетеродинный приемник, изобретенный в 1918 г. Эдвин Армстронг^[7] конструкция используется почти во всех современных приемниках^{[8][6][9][10]} за исключением нескольких специализированных приложений.

В супергетеродине радиочастотный сигнал от антенны смещен вниз к более низким »промежуточная частота "(ЕСЛИ) до обработки.^{[11][12][13][14]} Входящий радиочастотный сигнал от антенны смешивается с немодулированным сигналом, генерируемым гетеродин (LO) в приемнике. Смешивание осуществляется в нелинейной схеме, называемой "Смеситель ". Результатом на выходе смесителя является гетеродин или частота биений на разнице между этими двумя частотами. Этот процесс аналогичен тому, как две музыкальные ноты на разных частотах, сыгранные вместе, производят звук. бить ноту. Эта более низкая частота называется промежуточная частота (ЕСЛИ). Сигнал ПЧ также имеет модуляция боковые полосы которые несут информацию, которая присутствовала в исходном радиосигнале. Сигнал ПЧ проходит через каскады фильтра и усилителя.^[9] тогда это демодулированный в детекторе, восстанавливая исходную модуляцию.

Ресивер легко настраивается; чтобы получить другую частоту, нужно только изменить частоту гетеродина. Каскады приемника после смесителя работают на фиксированной промежуточной частоте (ПЧ), поэтому полосовой фильтр ПЧ не нужно настраивать на разные частоты. Фиксированная частота позволяет современным приемникам использовать сложные Кристалл кварца, керамический резонатор, или поверхностная акустическая волна (SAW) Фильтры ПЧ с очень высоким Q-факторы, чтобы улучшить селективность.

Радиочастотный фильтр на передней панели приемника необходим для предотвращения помех от любых радиосигналов на входе. частота изображения. Без входного фильтра приемник может принимать входящие радиочастотные сигналы на двух разных частотах.^{[15][10][14][16]} Приемник может быть разработан для приема на любой из этих двух частот; если приемник предназначен для приема на одной частоте, любая другая радиостанция или радиопомехи на другой частоте могут проходить и мешать полезному сигналу. Единственный настраиваемый каскад радиочастотного фильтра отклоняет частоту изображения; поскольку они относительно далеки от желаемой частоты, простой фильтр обеспечивает адекватное подавление. Подавление мешающих сигналов, намного более близких по частоте к желаемому сигналу, обрабатывается множеством резко настроенных каскадов усилителей промежуточной частоты, которым не нужно менять свою настройку.^[10] Этот фильтр не требует большой избирательности, но поскольку приемник настроен на разные частоты, он должен «отслеживать» вместе с гетеродином. Радиочастотный фильтр также служит для ограничения полосы пропускания, применяемой к радиочастотному усилителю, предотвращая его перегрузку сильными внеполосными сигналами.

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием

Чтобы добиться хорошего подавления изображения и селективности, многие современные приемники superhet используют две промежуточные частоты; это называется двойное преобразование или двойное преобразование супергетеродинный.^[6] Поступающий РЧ-сигнал сначала смешивается с одним сигналом гетеродина в первом смесителе, чтобы преобразовать его в высокую частоту ПЧ, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию частоты изображения, затем эта первая ПЧ смешивается со вторым сигналом гетеродина во втором смесителе. микшер для преобразования его в низкую частоту ПЧ для хорошей полосовой фильтрации. Некоторые приемники даже используют тройное преобразование.

За счет дополнительных каскадов супергетеродинный приемник обеспечивает более высокую избирательность, чем может быть достигнута конструкция TRF. Если используются очень высокие частоты, только начальный каскад приемника должен работать на самых высоких частотах; остальные каскады могут обеспечивать большую часть усиления приемника на более низких частотах, которыми, возможно, будет легче управлять. Настройка упрощена по сравнению с многоступенчатой ​​конструкцией TRF, и требуется отслеживать только две ступени в диапазоне настройки. Общее усиление приемника делится между тремя усилителями на разных частотах; усилитель ВЧ, ПЧ и звука. Это уменьшает проблемы с обратной связью и паразитные колебания которые встречаются в приемниках, где большинство каскадов усилителя работают на той же частоте, что и в приемнике TRF.^[11]

Самым главным преимуществом является то, что лучше избирательность может быть достигнуто путем фильтрации на более низкой промежуточной частоте.^[6][9][11] Одним из важнейших параметров ресивера является его пропускная способность, диапазон частот, который он принимает. Чтобы подавить помехи от соседних станций или шум, требуется узкая полоса пропускания. Во всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте, поэтому, выполняя фильтрацию на более низком уровне ${ displaystyle f _ { text {IF}} ,}$, а не частота исходного радиосигнала ${ displaystyle f _ { text {RF}} ,}$, может быть достигнута более узкая полоса пропускания. Современное FM- и телевизионное вещание, мобильные телефоны и другие услуги связи с их узкой шириной канала были бы невозможны без супергетеродина.^[9]

Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

В сила сигнала (амплитуда ) радиосигнала от антенны приемника сильно различается на порядки величины в зависимости от того, как далеко находится радиопередатчик, насколько он мощный и распространение условия на пути распространения радиоволн.^[17] Сила сигнала, принимаемого от данного передатчика, изменяется со временем из-за изменения условий распространения на пути, по которому проходит радиоволна, например: многолучевые помехи; это называется угасание.^[17][6] В AM-приемнике амплитуда аудиосигнала от детектора и громкость звука пропорциональны амплитуде радиосигнала, поэтому замирание вызывает колебания громкости. Кроме того, поскольку ресивер настроен между сильными и слабыми станциями, громкость звука из динамика будет сильно отличаться. Без автоматической системы управления этим в AM-приемнике потребовалась бы постоянная регулировка громкости.

С другими типами модуляции, такими как FM или FSK, амплитуда модуляции не зависит от мощности радиосигнала, но для всех типов демодулятор требует определенного диапазона амплитуды сигнала для правильной работы.^[6][18] Недостаточная амплитуда сигнала вызовет увеличение шума в демодуляторе, а чрезмерная амплитуда сигнала вызовет перегрузку (насыщение) каскадов усилителя, вызывая искажение (ограничение) сигнала.

Поэтому почти все современные ресиверы включают Обратная связь система контроля который контролирует средний уровень радиосигнала на извещателе и регулирует усиление усилителей, чтобы обеспечить оптимальный уровень сигнала для демодуляции.^[6][18][17] Это называется автоматическая регулировка усиления (AGC). AGC можно сравнить с темная адаптация механизм в человеческий глаз; при входе в темную комнату усиление зрения увеличивается за счет раскрытия радужной оболочки.^[17] В простейшем виде система AGC состоит из выпрямитель который преобразует РЧ-сигнал в переменный уровень постоянного тока, фильтр нижних частот для сглаживания колебаний и получения среднего уровня.^[18] Он применяется в качестве управляющего сигнала к более раннему каскаду усилителя, чтобы управлять его усилением. В супергетеродинном приемнике АРУ обычно применяется к Усилитель ПЧ, и может быть второй контур АРУ для управления усилением ВЧ-усилителя, чтобы предотвратить его перегрузку.

В некоторых конструкциях приемников, таких как современные цифровые приемники, существует связанная проблема: Смещение постоянного тока сигнала. Это исправляется аналогичной системой обратной связи.

История

Радиоволны впервые были идентифицированы в немецком физике Генрих Герц серия экспериментов 1887 года, чтобы доказать Джеймс Клерк Максвелл электромагнитная теория. Герц использовал дипольные антенны с искровым возбуждением для генерации волн и микрометр. искровые разрядники прикреплен к диполь и рамочные антенны чтобы их обнаружить.^[19][20][21] Эти примитивные устройства более точно описываются как датчики радиоволн, а не «приемники», поскольку они могут обнаруживать радиоволны только в пределах 100 футов от передатчика и используются не для связи, а как лабораторные инструменты в научных экспериментах.

Эпоха искры

Гульельмо Маркони, который построил первые радиоприемники, с его ранним искровым передатчиком (правильно) и когерерный приемник (осталось) с 1890-х гг. Приемник записывает азбуку Морзе на бумажную ленту.

Типовая блок-схема неусиленного радиоприемника из эпохи беспроводной телеграфии^[22]

Пример трансатлантического радиотелеграфного сообщения, записанного на бумажную ленту с помощью сифонный регистратор в приемном центре RCA в Нью-Йорке в 1920 году. Под лентой приводится перевод азбуки Морзе.

Первый радиопередатчики, использовавшийся в течение первых трех десятилетий радио с 1887 по 1917 год, период, названный эра искры, мы датчики искрового разрядника который генерировал радиоволны, разряжая емкость через электрическая искра.^[23][24][25] Каждая искра создавала кратковременный импульс радиоволн, который быстро уменьшался до нуля.^[19][21] Эти затухающие волны нельзя было модулировать для передачи звука, как в современных AM и FM коробка передач. Таким образом, искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию радиотелеграфия. Передатчик был быстро включен и выключен оператором с помощью телеграфный ключ, создавая импульсы затухающих радиоволн разной длины («точки» и «тире») для написания текстовых сообщений в азбука Морзе.^[21][24]

Таким образом, первые радиоприемники не должны были извлекать звуковой сигнал из радиоволн, как современные приемники, а просто определяли наличие радиосигнала и воспроизводили звук во время «точек» и «тире».^[21] Устройство, которое это сделало, называлось "детектор ". Поскольку не было усиление устройств в то время чувствительность приемника в основном зависела от детектора. Было перепробовано много разных детекторных устройств. Радиоприемники в эпоху искры состояли из следующих частей:^[6]

• An антенна, чтобы перехватить радиоволны и преобразовать их в крошечные радиочастоты электрические токи.
• А настроенная схема, состоящий из конденсатора, подключенного к катушке с проволокой, которая действовала как полосовой фильтр для выбора желаемого сигнала из всех сигналов, принимаемых антенной. Либо конденсатор, либо катушка регулировались, чтобы настроить приемник на частоту различных передатчиков. Самые ранние приемники, до 1897 года, не имели настроенных цепей, они реагировали на все радиосигналы, принимаемые их антеннами, поэтому у них была небольшая способность различать частоты и они принимали любой передатчик поблизости.^[26] Большинство приемников использовали пару настроенных цепей со своими катушками. магнитно связанный, называется резонансный трансформатор (трансформатор колебаний) или «свободная муфта».
• А детектор, который создавал импульс постоянного тока для каждой принятой затухающей волны.
• Показывающее устройство, такое как наушники, который преобразовывал импульсы тока в звуковые волны. Первые приемники использовали электрический звонок вместо. Более поздние приемники в коммерческих беспроводных системах использовали Морзе сифонный регистратор,^[19] который состоял из чернильной ручки, закрепленной на игле, вращаемой электромагнит (а гальванометр ), который провел линию на движущемся бумажная лента. Каждая цепочка затухающих волн, составляющая «точку» или «черту» Морзе, заставляла стрелку качаться, создавая смещение линии, которое можно было прочитать с ленты. С таким автоматическим приемником радисту не приходилось постоянно следить за приемником.

Сигнал от передатчика искрового промежутка состоял из затухающих волн, повторяющихся со скоростью звука от 120 до, возможно, 4000 в секунду, поэтому в наушниках сигнал звучал как музыкальный тон или жужжание, а «точки» и «тире» азбуки Морзе "звучало как гудок.

Первый человек, который использовал радиоволны для общение был Гульельмо Маркони.^[24][27] Маркони мало что изобрел, но он был первым, кто поверил, что радио может быть практическим средством коммуникации, и в одиночку разработал первый беспроводной телеграф системы, передатчики и приемники, начиная с 1894-1895 гг.,^[27] в основном за счет улучшения технологий, изобретенных другими.^{[24][28][29][30][31][32]} Оливер Лодж и Александр Попов также экспериментировали с подобным приемным устройством для радиоволн в то же время в 1894-1895 гг.,^[29][33] но известно, что они не передавали азбуку Морзе в этот период,^[24][27] просто цепочки случайных импульсов. Поэтому Маркони обычно приписывают создание первых радиоприемников.

Приемник когерера

Coherer 1904 года, разработанный Маркони.

Один из первых когерерных приемников Маркони, использованный в его демонстрации «черного ящика» в Тойнби-холле, Лондон, 1896 год. Когерер находится справа, с «ответвителем» сразу за ним. Реле слева, батареи на заднем плане.

Типичный коммерческий радиотелеграфный приемник первого десятилетия 20 века. В когерер (правильно) обнаруживает импульсы радиоволн, а также «точки» и «штрихи» азбука Морзе были записаны чернилами на бумажной ленте сифонный регистратор (осталось) и расшифровано позже.

Первые радиоприемники, изобретенные Маркони, Оливер Лодж и Александр Попов в 1894-5 гг. использовалась примитивная радиоволна детектор называется когерер, изобретенный в 1890 г. Эдуард Бранли и улучшен Лоджем и Маркони.^{[19][24][26][29][33][34][35]} Когерер представлял собой стеклянную трубку с металлическими электродами на каждом конце, между электродами находился рыхлый металлический порошок.^[19][24][36] Первоначально у него был высокий сопротивление. Когда на электроды подавалось высокочастотное напряжение, их сопротивление падало, и они проводили электричество. В приемнике когерер был подключен непосредственно между антенной и землей. Помимо антенны, когерер был подключен в ОКРУГ КОЛУМБИЯ схема с аккумулятор и реле. Когда приходящая радиоволна уменьшала сопротивление когерера, ток от батареи протекал через него, включив реле, чтобы позвонить в звонок или сделать отметку на бумажной ленте в сифонный регистратор. Чтобы вернуть когерер в его предыдущее непроводящее состояние для приема следующего импульса радиоволн, необходимо было механически постучать по нему, чтобы вызвать возмущение металлических частиц.^{[19][24][33][37]} Это было сделано с помощью "декогерера" - хлопушки, ударяющей по трубке, управляемой электромагнит питание от реле.

Когерер - малоизвестное старинное устройство, и даже сегодня существует некоторая неопределенность в отношении точного физического механизма, с помощью которого работали различные типы.^[19][28][38] Однако видно, что по сути это был бистабильный устройство, радиоуправляемый переключатель, и поэтому у него не было возможности исправить радиоволна демодулировать позже амплитудно-модулированный (AM) радиопередачи со звуком.^[19][28]

В ходе длинной серии экспериментов Маркони обнаружил, что с помощью приподнятого провода монопольная антенна вместо Герца дипольные антенны он мог передавать на большие расстояния, за пределы кривой Земли, демонстрируя, что радио - это не просто лабораторная диковинка, но коммерчески жизнеспособный метод связи. Это привело к его исторической трансатлантической беспроводной передаче 12 декабря 1901 г. Полдху, Корнуолл к Сент-Джонс, Ньюфаундленд, расстояние 3500 км (2200 миль), которое было получено когерером.^[28][32] Однако обычный диапазон приемников когерера даже с мощными передатчиками той эпохи был ограничен несколькими сотнями миль.

Когерер оставался доминирующим детектором, используемым в первых радиоприемниках около 10 лет.^[36] пока не будет заменен кристаллический детектор и электролитический детектор Примерно в 1907 году. Несмотря на большую работу по развитию, это было очень грубое устройство неудовлетворительно.^[19][24] Он был не очень чувствителен, а также реагировал на импульсивные радиошум (RFI ), например, включение или выключение ближайшего света, а также предполагаемый сигнал.^[24][36] Из-за громоздкого механического механизма «отвода назад» скорость передачи данных была ограничена примерно 12-15 слов в минуту. азбука Морзе, в то время как передатчик с искровым разрядником мог передавать данные Морзе со скоростью до 100 слов в минуту с помощью бумажной ленты.^[39][40]

Другие ранние детекторы

Эксперимент по использованию человеческого мозга в качестве детектора радиоволн, 1902 г.

Плохая работа когерера побудила провести множество исследований по поиску более совершенных детекторов радиоволн, и многие из них были изобретены. Были опробованы какие-то странные устройства; исследователи экспериментировали с использованием лягушачьи лапки^[41] и даже человеческий мозг^[42] от трупа в качестве детекторов.^[19][43]

К первым годам ХХ века эксперименты по использованию амплитудная модуляция (AM) для передачи звука по радио (радиотелефония ) были сделаны. Итак, вторая цель исследования детекторов состояла в том, чтобы найти детекторы, которые могли бы демодулировать сигнал AM, извлекая аудио (звуковой) сигнал от радио несущая волна. Методом проб и ошибок было обнаружено, что это может быть сделано с помощью детектора, показывающего «асимметричную проводимость»; устройство, которое проводило ток в одном направлении, но не в другом.^[44] Эта исправленный радиосигнал переменного тока, удаляя одну сторону несущих циклов, оставляя пульсирующий ОКРУГ КОЛУМБИЯ ток, амплитуда которого меняется в зависимости от сигнала модуляции звука. Применительно к наушнику он воспроизводит передаваемый звук.

Ниже приведены детекторы, которые широко использовались до того, как примерно в 1920 году появились электронные лампы.^[45][46] Все, кроме магнитного детектора, могут исправлять и, следовательно, принимать сигналы AM:

Магнитный детектор

• Магнитный детектор - Разработан Гульельмо Маркони в 1902 г. по методу, изобретенному Эрнест Резерфорд и использовалась компанией Marconi Co., пока она не приняла на вооружение вакуумную трубку Audion около 1912 года. Это было механическое устройство, состоящее из бесконечной ленты железных проводов, проходящих между двумя шкивами, вращающимися с помощью заводного механизма.^{[47][48][49][50]} Железные провода пропущены через катушку тонкой проволоки, прикрепленную к антенне, в магнитное поле создан двумя магниты. В гистерезис утюга индуцировал импульс тока в сенсорной катушке каждый раз, когда радиосигнал проходил через возбуждающую катушку. Магнитный детектор использовался в корабельных приемниках из-за его нечувствительности к вибрации. Один был частью беспроводной станции RMS Титаник который использовался для вызова помощи во время его знаменитого затопления 15 апреля 1912 года.^[51]

Электролитический детектор

• Электролитический детектор ("жидкий барреттер") - Изобретен в 1903 г. Реджинальд Фессенден, он состоял из тонкой посеребренной платиновой проволоки, заключенной в стеклянный стержень, кончик которого контактировал с поверхностью чашки с азотная кислота.^{[19][48][52][53][54]} Электролитическое действие заставило ток проходить только в одном направлении. Детектор использовался примерно до 1910 года.^[48] Электролитические детекторы, которые Фессенден установил на кораблях ВМС США, получили первые AM радиовещание в канун Рождества 1906 года, вечер рождественской музыки, передаваемой Фессенденом с помощью его нового передатчика генератора переменного тока.^[19]

Ранний клапан Флеминга.

Ресивер клапана Marconi для использования на кораблях имел два клапана Fleming (верх) на случай, если один перегорел. Он использовался на RMS Титаник.

• Термоэмиссионный диод (Клапан Флеминга) - Первый вакуумная труба, изобретенный в 1904 г. Джон Амброуз Флеминг, состояла из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: катод состоящий из горячей проволоки нить аналогично лампочке накаливания, а металлическая пластина анод.^{[26][55][56][57]} Флеминг, консультант Маркони, изобрел клапан как более чувствительный датчик для трансатлантического беспроводного приема. Нить накала нагревалась отдельным током через нее и эмитировала электроны в трубку. термоэлектронная эмиссия, эффект, который был открыт Томас Эдисон. Радиосигнал подавался между катодом и анодом. Когда анод был положительным, ток электронов протекал от катода к аноду, но когда анод был отрицательным, электроны отталкивались, и ток не протекал. Клапан Флеминга использовался ограниченно, но не пользовался популярностью, поскольку был дорогим, имел ограниченный срок службы нити накала и не был таким чувствительным, как электролитические или кристаллические детекторы.^[55]

Детектор усов галенита из 1920-х годов кристалл радио

• Кристаллический детектор (детектор усов кошки) - изобретен около 1904-1906 гг. Генри Х. К. Данвуди и Гринлиф Уиттиер Пикард, на основе Карл Фердинанд Браун открытие в 1874 году «асимметричной проводимости» в кристаллах, это были самые успешные и широко используемые детекторы до эры электронных ламп.^[44][45] и дал свое имя кристалл радио получатель (ниже).^[48][58][59] Один из первых полупроводниковые электронные устройства, кристаллический детектор состоял из гальки размером с горошину кристаллического полупроводникового минерала, такого как галенит (сульфид свинца ), поверхности которого касалась тонкая пружинящая металлическая проволока, закрепленная на регулируемом рычаге.^[26] Это функционировало как примитив диод которые проводили электрический ток только в одном направлении. Помимо использования в кристаллических радиоприемниках, карборунд Кристаллические детекторы также использовались в некоторых ранних радиоприемниках с электронными лампами, потому что они были более чувствительны, чем электронные лампы. сетка-детектор утечки.

В эпоху электронных ламп термин «детектор» изменился с обозначения радиоволнового детектора на демодулятор, устройство, которое может извлекать аудио модуляция сигнал от радиосигнала. В этом его значение сегодня.

Тюнинг

«Настройка» означает настройку частоты приемника на частоту желаемой радиопередачи. Первые приемники не имели настроенной схемы, детектор подключали напрямую между антенной и землей. Из-за отсутствия каких-либо частотно-селективных компонентов, кроме антенны, пропускная способность приемника равнялась широкой полосе пропускания антенны.^{[25][26][34][60]} Это было приемлемо и даже необходимо, потому что первые искровые передатчики Герца также не имели настроенной схемы. Из-за импульсивного характера искры энергия радиоволн распределялась по очень широкой полосе частот.^[61][62] Чтобы получить достаточно энергии от этого широкополосного сигнала, приемник также должен был иметь широкую полосу пропускания.

Когда более одного искрового передатчика излучали в данной области, их частоты перекрывались, поэтому их сигналы мешали друг другу, что приводило к искаженному приему.^[25][60][63] Требовался какой-то метод, позволяющий приемнику выбирать, какой сигнал передатчика принимать.^[63][64] Множественные длины волн, создаваемые плохо настроенным передатчиком, вызвали «затухание» или затухание сигнала, что значительно уменьшило мощность и дальность передачи.^[65] В 1892 г. Уильям Крукс прочитал лекцию^[66] на радио, в котором он предложил использовать резонанс уменьшить пропускную способность передатчиков и приемников. Затем разные передатчики могут быть «настроены» для передачи на разных частотах, чтобы они не создавали помех.^[32][61][67] Приемник также будет иметь резонансный контур (настроенный контур), и мог принимать конкретную передачу, «настраивая» свой резонансный контур на ту же частоту, что и передатчик, аналогично настройке музыкального инструмента на резонанс с другим. Это система, используемая во всех современных радио.

Настройка использовалась в оригинальных экспериментах Герца.^[68] и практическое применение настройки проявилось в начале и середине 1890-х годов в беспроводных системах, не предназначенных специально для радиосвязи. Никола Тесла лекция в марте 1893 г., демонстрирующая беспроводная передача энергии для освещения (в основном тем, что он считал проводимостью земли^[69]) включены элементы тюнинга. Система беспроводного освещения состояла из искрового заземленного резонансный трансформатор с проволочной антенной, которая передавала мощность через комнату на другой резонансный трансформатор, настроенный на частоту передатчика, который зажигал Трубка Гейсслера.^[29][67] Использование настройки в свободном пространстве «волны Герца» (радио) было объяснено и продемонстрировано в лекциях Оливера Лоджа 1894 года о работе Герца.^[70] В то время Лодж демонстрировал физику и оптические качества радиоволн вместо того, чтобы пытаться построить систему связи, но он продолжил разработку методов (запатентованных в 1897 году) настройки радио (то, что он называл «синтонией»), включая использование переменных индуктивность для настройки антенн.^[71][72][73]

К 1897 году преимущества настроенных систем стали очевидны, и Маркони и другие исследователи беспроводной связи включили настроенные схемы, состоящий из конденсаторы и индукторы соединены вместе, в свои передатчики и приемники.^{[25][29][32][34][60][72]} Настроенная схема действовала как электрический аналог камертон. У него был высокий сопротивление на своем резонансная частота, но низкий импеданс на всех остальных частотах. Подключенный между антенной и детектором, он служил полосовой фильтр, передавая сигнал искомой станции на детектор, но направляя все остальные сигналы на землю.^[26] Частота принимаемой станции ж был определен емкость C и индуктивность L в настроенной схеме:

${ displaystyle f = {1 over 2 pi { sqrt {LC}}} ,}$

Индуктивная связь

Индуктивно связанный когерерный приемник Маркони из его неоднозначного патента на "четырехконтурную схему" от апреля 1900 г. 7,777.

Приемный трансформатор Braun с 1904 г.

Кристаллический приемник 1914 года с подстроечным трансформатором типа "свободная муфта". Вторичная катушка (1) можно задвигать или снимать с основного (в коробке) отрегулировать муфту. Прочие компоненты: (2) конденсатор первичной настройки, (3) вторичный настроечный конденсатор, (4) загрузочная катушка, (5) кристаллический детектор, (8) наушники

Чтобы отклонить радиошум и помех от других передатчиков, близких по частоте к желаемой станции, полосовой фильтр (настроенная схема) в приемнике должен иметь узкую пропускная способность, пропуская только узкую полосу частот.^[25][26] Форма полосового фильтра, которая использовалась в первых приемниках, которая продолжала использоваться в приемниках до недавнего времени, была двойной настройкой индуктивно связанный цепь, или резонансный трансформатор (колебательный трансформатор или радиочастотный трансформатор).^{[25][29][32][34][72][74]} Антенна и земля были подключены к катушке с проводом, которая была магнитно связана со второй катушкой с конденсатором поперек нее, которая была подключена к детектору.^[26] Переменный РЧ ток от антенны через первичную катушку создавал магнитное поле который индуцировал ток во вторичной катушке, питающей детектор. И первичная, и вторичная цепи были настроены;^[60] первичная катушка резонирует с емкостью антенны, а вторичная катушка резонирует с конденсатором на ней. Оба были настроены на одно и то же резонансная частота.

У этой схемы было два преимущества.^[26] Во-первых, при правильном передаточном числе сопротивление антенны можно согласовать с импедансом приемника для передачи максимальной мощности РЧ на приемник. Согласование импеданса было важно достичь максимального диапазона приема в неусиленных приемниках той эпохи.^[22][26] Катушки обычно имели отводы, которые можно было выбирать с помощью многопозиционного переключателя. Вторым преимуществом было то, что из-за "слабой связи" он имел гораздо более узкую полосу пропускания, чем простой настроенная схема, и пропускную способность можно регулировать.^[25][74] В отличие от обычного трансформатора, две катушки были «слабо связаны»; физически отделены, поэтому не все магнитное поле от первичной обмотки проходит через вторичную, что снижает взаимная индуктивность. Это дало связанным настроенным схемам намного более "резкую" настройку, более узкую полосу пропускания, чем у одиночной настроенной схемы. В муфте муфт типа «ВМФ» (см. картинку), широко используется с хрустальные приемники вторичная обмотка меньшего размера была установлена ​​на стойке, которую можно было задвигать внутрь или снимать с первичной обмотки, чтобы изменять взаимная индуктивность между катушками.^[25][75] Когда оператор сталкивается с мешающим сигналом на соседней частоте, вторичный может выдвигаться дальше от первичного, уменьшая связь, что сужает полосу пропускания, отклоняя мешающий сигнал. Недостатком было то, что все три регулировки в свободном соединителе - первичная настройка, вторичная настройка и связь - были интерактивными; изменение одного изменило другие. Таким образом, настройка на новую станцию ​​представляла собой процесс последовательных корректировок.

Селективность стала более важной, поскольку искровые передатчики были заменены на непрерывная волна передатчики, которые передавали в узком диапазоне частот, и вещание привели к быстрому распространению близко расположенных радиостанций, вытесняющих радиочастотный спектр.^[26] Резонансные трансформаторы продолжали использоваться в качестве полосового фильтра в ламповых радиоприемниках, и появились новые формы, такие как вариометр были изобретены.^[75][76] Еще одним преимуществом трансформатора с двойной настройкой для приема AM было то, что при правильной настройке он имел "плоскую вершину" частотной характеристики в отличие от "пикового" отклика одиночной настроенной схемы.^[77] Это позволило ему пройти боковые полосы модуляции AM по обе стороны от перевозчик с небольшим искажением, в отличие от одиночной настроенной схемы, которая ослабляет высокие звуковые частоты. До недавнего времени полосовые фильтры в супергетеродинной цепи, применяемой во всех современных приемниках, были выполнены на резонансных трансформаторах, называемых ПЧ трансформаторы.

Патентные споры

Первоначальная радиосистема Маркони имела относительно плохую настройку, ограничивающую радиус действия и добавляющую помехи.^[78] Чтобы преодолеть этот недостаток, он разработал четырехконтурную систему с настроенными катушками в "синтония"на передатчиках и приемниках.^[78] Его патент на тюнинг 1900 года № 7,777 (четыре семерки) в Великобритании, поданный в апреле 1900 года и выданный годом позже, открыл дверь для патентных споров, поскольку он нарушал синтонные патенты Оливера Лоджа, впервые поданные в мае 1897 года, а также патенты, поданные Фердинанд Браун.^[78] Маркони смог получить патенты в Великобритании и Франции, но американская версия его патента на настроенные четыре схемы, поданного в ноябре 1900 года, была первоначально отклонена на основании того, что ее ожидала система настройки Лоджа, а перекомпонованные версии были отклонены из-за предыдущих патентов. компании Braun и Lodge.^[79] Дальнейшие разъяснения и повторная подача были отклонены, поскольку они нарушали части двух предыдущих патентов, полученных Тесла на свою систему беспроводной передачи энергии.^[80] Юристам Маркони удалось добиться пересмотра повторно поданного патента другим экспертом, который первоначально отклонил его из-за ранее существовавшего Джон Стоун Стоун патент на настройку, но он был окончательно одобрен в июне 1904 года на основании уникальной системы настройки переменной индуктивности, отличной от системы Stone^[81][82] который настраивал, варьируя длину антенны.^[79] Когда патент Лоджа Syntonic был продлен в 1911 году еще на 7 лет, компания Marconi согласилась урегулировать этот патентный спор, купив радиокомпанию Лоджа с ее патентом в 1912 году, предоставив им необходимый приоритетный патент.^[83][84] С годами возникнут и другие патентные споры, в том числе споры 1943 г. Верховный суд США постановление о способности Marconi Companies подать в суд на правительство США за нарушение патентных прав во время Первой мировой войны. Суд отклонил иск Marconi Companies, заявив, что они не могут предъявлять иск за нарушение патентных прав, когда их собственные патенты не имели приоритета над патентами Лоджа, Стоун и Тесла.^[29][67]

Хрустальный радиоприемник

До 1920 года кристаллический приемник был основным типом, используемым на станциях беспроводной телеграфии, и были изготовлены сложные модели, такие как Marconi Type 106 1915 года.

Семья слушала первые передачи около 1920 года с хрустальным приемником. Мать и отец должны использовать один наушник

После появления ламповых приемников примерно в 1920 году кристаллический набор стал простой дешевой альтернативой радио, используемой молодежью и бедными.

Простое кристаллическое радио. Емкость проволочной антенны, подключенной к катушке, служит конденсатором в настроенной цепи.

Типичная радиосхема с кварцевым резонатором

Хотя он был изобретен в 1904 году в эпоху беспроводной телеграфии, хрустальный радиоприемник также мог исправлять передачи AM и служить мостом в эпоху радиовещания. Помимо того, что это был основной тип, используемый на коммерческих станциях в эпоху беспроводной телеграфии, это был первый приемник, который широко использовался населением.^[85] В течение первых двух десятилетий 20-го века, когда радиостанции начали передавать в формате AM (радиотелефония ) вместо радиотелеграфии популярным хобби стало прослушивание радио, а кристалл был самым простым и дешевым детектором. Миллионы людей, купивших или сделавших сами эти недорогие надежные приемники, впервые создали массовую аудиторию. радиопередачи, который начался около 1920 г.^[86] К концу 1920-х годов кристаллический приемник был заменен приемниками на электронных лампах и стал коммерчески устаревшим. Однако он продолжал использоваться молодежью и бедняками до Второй мировой войны.^[85] Сегодня эти простые радиоприемники строятся студентами как учебно-научные проекты.

Кристаллическое радио использовало детектор усов кошки, изобретенный Харрисоном Х. С. Данвуди и Гринлиф Уиттиер Пикард в 1904 году, чтобы извлечь звук из радиочастотного сигнала.^[26][48][87] Он состоял из минерального кристалла, обычно галенит, который слегка касался тонкой пружинящей проволоки («кошачий ус») на регулируемой руке.^[48][88] Полученная сырая полупроводниковый переход функционировал как Диод с барьером Шоттки, ведущих только в одном направлении. Только определенные участки на поверхности кристалла работали как соединения детектора, и соединение могло быть нарушено малейшей вибрацией. Таким образом, пригодный для использования сайт был найден методом проб и ошибок перед каждым использованием; оператор водил кошачьим усом по кристаллу, пока не заработало радио. Фредерик Зейтц, более поздний исследователь полупроводников, писал:

Такая изменчивость, граничащая с тем, что казалось мистическим, преследовала раннюю историю детекторов на кристаллах и заставила многих экспертов по электронным лампам более позднего поколения считать искусство выпрямления кристаллов практически бесспорным.^[89]

Кристаллическое радио не было усилено и питалось от радиоволн, принимаемых радиостанцией, поэтому его нужно было слушать с наушники; он не мог управлять громкоговоритель.^[26][88] Для этого требовалась антенна с длинным проводом, и ее чувствительность зависела от размера антенны. В эпоху беспроводной связи он использовался в коммерческих и военных длинноволновых станциях с огромными антеннами для приема радиотелеграфного трафика на большие расстояния, даже включая трансатлантический.^[90][91] Однако при использовании для приема радиовещательных станций обычный домашний кристалл имел более ограниченную дальность действия - около 25 миль.^[92] В сложных кварцевых радиоприемниках для увеличения мощности использовалась индуктивно-связанная схема "свободная связь". Q. Однако у него все еще было плохое избирательность по сравнению с современными ресиверами.^[88]

Гетеродинный приемник и BFO

Радиоприемник с поульсеновским «тиккером», состоящий из коммутатор диск вращается двигателем, чтобы прервать носитель.

Примерно с 1905 г. непрерывная волна (CW) передатчики начали заменять искровые передатчики для радиотелеграфии, потому что они имели гораздо больший диапазон. Первыми передатчиками непрерывного излучения были Арка Поульсена изобретен в 1904 году и Генератор Alexanderson разработал 1906-1910, которые были заменены передатчиками на электронных лампах, начиная примерно с 1920 года.^[21]

Сигналы непрерывной радиотелеграфии, создаваемые этими передатчиками, требовали другого метода приема.^[93][94] Радиотелеграфные сигналы, создаваемые передатчиками с искровым разрядником, состояли из цепочек затухающие волны повторяется со скоростью звука, поэтому «точки» и «тире» кода Морзе слышны в наушниках приемников как тональный сигнал или жужжание. Однако новые непрерывные радиотелеграфные сигналы просто состояли из импульсов немодулированного перевозчик (синусоидальные волны ). Их не было слышно в наушниках приемника. Чтобы получить этот новый тип модуляции, приемник должен был издавать какой-то тон во время импульсов несущей.

Первым грубым устройством, сделавшим это, был тиккер, изобретенный в 1908 г. Вальдемар Поульсен.^[45][93][95] Это был вибрационный прерыватель с конденсатор на выходе тюнера, служившего элементарным модулятор, прерывая несущую со скоростью звука, таким образом создавая гудение в наушниках, когда несущая присутствует.^[8] Аналогичным устройством было «колесо звука», изобретенное Рудольф Гольдшмидт - колесо, вращаемое двигателем с разнесенными по окружности контактами, которые контактировали с неподвижной щеткой.

Схема гетеродинного радиоприемника Фессендена

В 1901 г. Реджинальд Фессенден изобрел лучший способ добиться этого.^{[93][95][96][97]} В его гетеродинный приемник немодулированный синусоидальный радиосигнал на частоте ж_О смещение от входящей несущей радиоволн ж_C подавался на выпрямительный детектор, такой как кристаллический детектор или электролитический детектор, вместе с радиосигналом от антенны. В детекторе два сигнала смешались, образуя два новых гетеродин (бить ) частот в сумме ж_C + ж_О и разница ж_C − ж_О между этими частотами. Выбирая ж_О правильно нижний гетеродин ж_C − ж_О был в звуковая частота диапазон, поэтому он был слышен как тональный сигнал в наушниках всякий раз, когда присутствует несущая. Таким образом, «точки» и «тире» кода Морзе были слышны как музыкальные «гудки». Основным преимуществом этого метода в течение этого периода предварительного усиления было то, что гетеродинный приемник фактически несколько усиливал сигнал, детектор имел «коэффициент усиления смесителя».^[95]

Приемник опередил свое время, потому что, когда он был изобретен, не было генератора, способного генерировать синусоидальную волну радиочастоты. ж_О с необходимой стабильностью.^[98] Фессенден впервые использовал свою большую радиочастоту генератор,^[8] но для обычных приемников это было непрактично. Гетеродинный приемник оставался лабораторной диковинкой, пока не появился дешевый компактный источник непрерывных волн - электронная лампа. электронный генератор^[95] изобретен Эдвин Армстронг и Александр Мейснер в 1913 г.^[45][99] После этого он стал стандартным методом приема CW радиотелеграфии. Гетеродинный генератор является предком генератор частоты биений (BFO), который используется для приема радиотелеграфии в приемники связи сегодня. Гетеродинный генератор приходилось перенастраивать каждый раз, когда приемник настраивался на новую станцию, но в современных условиях супергетеродинный приемники биений сигнала BFO с фиксированным промежуточная частота, поэтому генератор частоты биений может иметь фиксированную частоту.

Позже Армстронг использовал гетеродинный принцип Фессендена в своем супергетеродинном приемнике. (ниже).^[95][8]

Эпоха электронных ламп

В отличие от сегодняшнего дня, когда почти все радиоприемники используют вариант супергетеродинной конструкции, в 20-е годы в радиолампах на электронных лампах использовались различные конкурирующие схемы.

В течение "Золотой век радио «(1920-1950), семьи собирались по вечерам послушать домашнее радио, например, эту консоль Zenith, модель 12-S-568 1938 года, 12-ламповый супергетеродин с кнопочной настройкой и 12-дюймовый конический динамик.

В Audion (триод ) вакуумная труба изобретен Ли Де Форест в 1906 г. был проведен первый практический усиление устройство и произвело революцию в радио.^[55] Преобразователи с вакуумной трубкой заменили искровые преобразователи и сделали возможным четыре новых типа модуляция: непрерывная волна (CW) радиотелеграфия, амплитудная модуляция (AM) около 1915 года, который мог передавать аудио (звук), модуляция частоты (FM) около 1938 года, что значительно улучшило качество звука, и одинарная боковая полоса (SSB).

Усиливающая вакуумная лампа использовала энергию от батареи или электрической розетки для увеличения мощности радиосигнала, поэтому ламповые приемники могли быть более чувствительными и иметь больший диапазон приема, чем предыдущие неусиленные приемники. Увеличенная выходная мощность звука также позволила им управлять колонки вместо того наушники, позволяя слушать более одного человека. Первые громкоговорители были произведены примерно в 1915 году. Эти изменения привели к тому, что прослушивание радио быстро превратилось из уединенного хобби в популярное социальное и семейное времяпрепровождение. Развитие амплитудная модуляция (AM) и передатчики на электронных лампах во время Первой мировой войны, а также доступность дешевых приемных ламп после войны, подготовили почву для начала AM вещание, который возник спонтанно примерно в 1920 году.

Появление радиовещание значительно увеличил рынок радиоприемников и превратил их в потребительский продукт.^{[100][101][102]} В начале 20-х годов прошлого века радиоприемник представлял собой неприступное высокотехнологичное устройство с множеством загадочных ручек и элементов управления, требующих технических навыков для работы, помещенное в непривлекательный черный металлический ящик с металлическим звуком. рупорный громкоговоритель.^[101] К 1930-м годам радиоприемник превратился в предмет мебели, помещенный в привлекательный деревянный корпус, со стандартными элементами управления, которыми мог пользоваться любой, и занимал уважаемое место в домашней гостиной. В ранних радиостанциях несколько настроенных схем требовали настройки нескольких регуляторов для настройки на новую станцию. Одним из наиболее важных нововведений, упрощающих использование, была «настройка с помощью одной ручки», достигаемая путем механического соединения настроечных конденсаторов.^[101][102] В динамический конический громкоговоритель изобретен в 1924 г. значительно улучшил звук частотный отклик по сравнению с предыдущими рупорными динамиками, что позволяет воспроизводить музыку с хорошей точностью.^[101][103] Удобные функции, такие как большие циферблаты с подсветкой, регуляторы тона, кнопочная настройка, индикаторы настройки и автоматическая регулировка усиления (AGC) были добавлены.^[100][102] Рынок ресиверов был разделен на вышеперечисленные радиовещательные приемники и приемники связи, которые использовались для двустороннее радио коммуникации, такие как коротковолновое радио.^[104]

Приемник на электронных лампах требовал нескольких источников питания с разным напряжением, которые в ранних радиоприемниках питались от отдельных батарей. К 1930 г. выпрямитель Были разработаны лампы, а дорогие батареи были заменены трансформаторным источником питания, работающим от домашнего тока.^[100][101]

Вакуумные лампы были громоздкими, дорогими, имели ограниченный срок службы, потребляли большое количество энергии и производили много отходящего тепла, поэтому количество ламп, которые мог иметь приемник, было ограничивающим фактором. Таким образом, цель конструкции трубчатого приемника заключалась в том, чтобы получить максимальную производительность от ограниченного числа ламп. Основные конструкции радиоприемников, перечисленные ниже, были изобретены в эпоху электронных ламп.

Недостатком многих первых ламповых приемников было то, что каскады усиления могли колебаться, действовать как осциллятор, создавая нежелательные переменные токи радиочастоты.^{[26][105][106]} Эти паразитные колебания смешанный с перевозчик радиосигнала в трубке детектора, производящего слышимый бить заметки (гетеродины ); раздражающие свистки, стоны и завывания в динамике. Колебания были вызваны Обратная связь в усилителях; одним из основных путей обратной связи был емкость между пластиной и сеткой в ​​начале триоды.^[105][106] Это было решено Нейтродин цепь, а позже развитие тетрод и пентод около 1930 г.

Эдвин Армстронг является одной из самых важных фигур в истории радиоприемников, и в этот период была изобретена технология, которая продолжает доминировать в радиосвязи.^[8] Он был первым, кто правильно объяснил, как работает триодная лампа Де Фореста. Он изобрел генератор обратной связи, регенеративный приемник, то сверхрегенеративный ресивер, то супергетеродинный приемник, и современные модуляция частоты (FM).

Первые ламповые приемники

Первый коммерческий ресивер Audion компании De Forest, RJ6, выпущенный в 1914 году. Трубка Audion всегда монтировалась вверх дном, тонкая нить накала свисала вниз, чтобы она не провисала и не касалась других электродов в трубке.

Пример однолампового триодного сеточно-протечного приемника 1920 г., первый тип усилительного радиоприемника. В цепи утечки через сеть электроны, притягиваемые к сетке во время положительных полупериодов радиосигнала, заряжают конденсатор сетки отрицательным напряжением в несколько вольт, смещение сетка рядом с напряжение отсечки, поэтому трубка проводит только в течение положительных полупериодов, исправление радионоситель.

Первая усилительная вакуумная лампа, Audion, грубый триод, был изобретен в 1906 г. Ли Де Форест как более чувствительный детектор для радиоприемников, добавив третий электрод к термоэлектронному диодному детектору, Клапан Флеминга.^{[55][76][107][108]} Он не получил широкого распространения до усиление Способность была признана примерно в 1912 году.^[55] Первые ламповые приемники, изобретенные Де Форестом и построенные любителями до середины 1920-х годов, использовали один Audion, который функционировал как сетка-детектор утечки которые оба исправленный и усилил радиосигнал.^{[76][105][109]} Была неопределенность в отношении принципа работы Audion до тех пор, пока Эдвин Армстронг объяснил его функции усиления и демодуляции в статье 1914 года.^{[110][111][112]} Схема сеточного течеискателя также использовалась в регенеративный, TRF, и рано супергетеродинные приемники (ниже) до 1930-х гг.

Чтобы обеспечить выходную мощность, достаточную для управления громкоговорителем, потребовалось 2 или 3 дополнительных каскада Audion для усиления звука.^[76] Многие первые любители могли позволить себе только один ламповый приемник и слушали радио в наушниках, поэтому первые ламповые усилители и динамики продавались как дополнительные устройства.

Помимо очень низких усиление Примерно 5 и короткий срок службы около 30 - 100 часов, примитив Audion имел неустойчивые характеристики, потому что он был не полностью откачан. Де Форест считал, что ионизация остаточного воздуха было ключевым для работы Audion.^[113][114] Это сделало его более чувствительным детектором.^[113] но также привело к изменению его электрических характеристик во время использования.^[76][107] По мере нагрева трубки газ, выделяющийся из металлических элементов, изменял бы давление в трубке, изменяя ток пластины и другие характеристики, поэтому требовалось периодическое предвзятость регулировки, чтобы поддерживать его в правильной рабочей точке. На каждой стадии Audion обычно был реостат для регулировки тока накала, и часто потенциометр или многопозиционный переключатель для управления напряжением пластины. Реостат с нитью также использовался в качестве регулятора громкости. Множество элементов управления усложняли эксплуатацию многотрубных ресиверов Audion.

К 1914 году Гарольд Арнольд в Western Electric и Ирвинг Ленгмюр в GE понял, что остаточный газ не нужен; Audion мог работать только на электронной проводимости.^{[107][113][114]} Они вакуумировали трубки до более низкого давления 10.⁻⁹ atm, создав первые триоды «жесткого вакуума». Эти более стабильные лампы не требовали регулировки смещения, поэтому радиоприемники имели меньше элементов управления и были проще в эксплуатации.^[107] В течение Первая Мировая Война использование радио в гражданских целях было запрещено, но к 1920 году началось крупномасштабное производство ламповых радиоприемников. «Мягкие» не полностью откачанные трубки использовались в качестве детекторов в течение 1920-х годов, а затем стали устаревшими.

Регенеративный (автодинный) ресивер

Блок-схема регенеративного приемника

Схема однотрубного регенеративного ресивера Армстронга

Самодельный регенеративный приемник Армстронга, 1922 год. Катушка "щекотка". (L3) видна на передней панели, соединенная с входными катушками настройки.

Коммерческий регенеративный приемник начала 1920-х годов Paragon RA-10 (центр) с отдельным одноламповым ВЧ усилителем 10R (осталось) и трехламповый детектор ДА-2 и блок двухкаскадного усилителя звука (правильно). 4 цилиндрических сухих элемента типа "А" (правый задний) питали нити трубки, а 2 батареи прямоугольной формы «B» обеспечивали напряжение пластины.

Самодельный однотрубный регенеративный ресивер Армстронга 1940-х годов. Катушка тиклера представляет собой обмотку вариометра, установленную на валу внутри катушки настройки. (верхний правый) который можно вращать с помощью ручки на передней панели.

В регенеративный приемник, изобретенный Эдвин Армстронг^[115] в 1913 году, когда он был 23-летним студентом колледжа,^[116] до конца 1920-х годов очень широко использовался, особенно любителями, которые могли позволить себе только одноламповый радиоприемник. Сегодня транзисторные версии схемы все еще используются в нескольких недорогих приложениях, таких как рации. В регенеративном ресивере усиление (усиление) вакуумная труба или транзистор увеличивается с помощью регенерация (положительный отзыв ); часть энергии из выходной цепи лампы возвращается во входную цепь с Обратная связь.^{[26][105][117][118][119]} Первые электронные лампы имели очень низкий коэффициент усиления (около 5). Регенерация может не только значительно увеличить коэффициент усиления лампы в 15000 раз и более, но и увеличить Добротность настроенного контура, уменьшая (обостряя) пропускная способность приемника на такой же коэффициент, улучшая избирательность сильно.^{[105][117][118]} Приемник имел регулятор для настройки обратной связи. Трубка также выполняла роль сетка-детектор утечки для исправления сигнала AM.^[105]

Еще одним преимуществом схемы было то, что трубку можно было заставить колебаться, и, таким образом, одна трубка могла служить как генератором частоты биений, так и детектором, функционируя как гетеродинный приемник для создания CW радиотелеграфия передачи слышны.^{[105][117][118]} Этот режим получил название автодин получатель.Для приема радиотелеграфии обратная связь была увеличена до тех пор, пока трубка не начала колебаться, затем частота колебаний была настроена на одну сторону передаваемого сигнала. Входящее радио несущий сигнал и сигнал локальных колебаний смешивались в трубке и давали слышимый гетеродин (доля) тон при разнице частот.

Широко использовалась конструкция Схема Армстронга, в котором «тиклерная» катушка в цепи пластины была соединена с катушкой настройки в цепи сетки, чтобы обеспечить обратную связь.^{[26][105][119]} Обратная связь контролировалась переменным резистором или, поочередно, перемещением двух обмоток физически ближе друг к другу, чтобы увеличить усиление контура, или раздельно, чтобы уменьшить его.^[117] Это было сделано с помощью регулируемого трансформатора с воздушным сердечником, называемого вариометр (вариопара). Регенеративные детекторы иногда также использовались в приемниках TRF и супергетеродинных.

Одна проблема с регенеративной схемой заключалась в том, что при использовании с большим количеством регенерации селективность (Q) настроенной схемы могла быть тоже резкий, ослабляя боковые полосы AM, искажая модуляцию звука.^[120] Обычно это был ограничивающий фактор количества обратной связи, которую можно было использовать.

Более серьезным недостатком было то, что он мог действовать как непреднамеренное радиопередатчик, создающие помехи (RFI ) в ближайших приемниках.^{[26][105][117][118][119][121]} При приеме AM, чтобы получить максимальную чувствительность, трубка работала очень близко к нестабильности и могла легко перейти в колебания (а при приеме CW сделал колебаться), и полученный радиосигнал излучался проволочной антенной. В соседних приемниках сигнал регенерации будет биться с сигналом станции, принимаемым детектором, создавая раздражающие гетеродины, (удары ), воет и свистит.^[26] Ранние регенеративы, которые легко колебались, назывались «ляпами» и были запрещены в Европе. Одна из превентивных мер заключалась в использовании каскада усиления РЧ перед регенеративным детектором, чтобы изолировать его от антенны.^[105][117] Но к середине 1920-х годов «регены» больше не продавались крупными производителями радиоприемников.^[26]

Сверхрегенеративный ресивер

Армстронг представляет свой суперрегенеративный ресивер, 28 июня 1922 года, Колумбийский университет.

Это был приемник, изобретенный Эдвин Армстронг в 1922 году, который использовал регенерацию более изощренным способом, чтобы получить больший выигрыш.^{[106][122][123][124][125]} Он использовался в нескольких коротковолновых приемниках в 1930-х годах и сегодня используется в нескольких дешевых высокочастотных приложениях, таких как рации и открыватели ворот гаража.

В регенеративном ресивере усиление контура петли обратной связи было меньше единицы, поэтому лампа (или другое усилительное устройство) не колебалась, но была близка к колебанию, давая большой коэффициент усиления.^[122] В сверхрегенеративном приемнике коэффициент усиления контура был сделан равным единице, поэтому усилительное устройство действительно начинало колебаться, но колебания периодически прерывались.^[106][9] Это позволяло одной лампе давать прирост более 10⁶.

Приемник TRF

Ранний 6-ламповый приемник TRF примерно 1920 года. 3 большие ручки регулируют 3 настроенных контура для настройки на станции.

Приемник Atwater-Kent TRF 1920-х годов с двумя ВЧ каскадами (осталось), детектор и две лампы усилителя звука (правильно). Громкоговоритель состоит из наушника, соединенного с акустическим рупором, который усиливает звук.

Настройка приемника Neutrodyne TRF с 3 настроенными цепями (большие ручки), 1924. Для каждой станции нужно было записать порядковые номера на циферблатах, чтобы эту станцию ​​можно было снова найти.

В настроенный радиочастотный (TRF) приемник, изобретенный в 1916 г. Эрнст Александерсон, улучшили как чувствительность, так и избирательность за счет использования нескольких каскадов усиления перед детектором, каждый с настроенная схема, все настроились на частоту станции.^{[26][106][9][126][127]}

Основная проблема ранних приемников TRF заключалась в том, что их было сложно настраивать, потому что каждый резонансный контур должен был быть настроен на частоту станции, прежде чем радио заработало.^[26][106] В более поздних приемниках TRF настроечные конденсаторы были связаны друг с другом механически («объединены») на общем валу, так что их можно было регулировать с помощью одной ручки, но в ранних приемниках нельзя было заставить частоты настроенных цепей «отслеживать» достаточно хорошо, чтобы позволяли это, и каждая настроенная схема имела свою ручку настройки.^[9][128] Поэтому ручки нужно было поворачивать одновременно. По этой причине в большинстве наборов TRF было не более трех настроенных РЧ каскадов.^[105][120]

Вторая проблема заключалась в том, что несколько радиочастотных каскадов, настроенных на одну и ту же частоту, были склонны к колебаниям,^[128][129] и паразитные колебания смешанный с радиостанцией перевозчик в детекторе, издавая слышимый гетеродины (бить примечания), свист и стон, в динамике.^{[26][105][106][127]} Это было решено изобретением схемы нейтродина. (ниже) и развитие тетрод позже, примерно в 1930 году, и лучшая защита между ступенями.^[127]

Сегодня конструкция TRF используется в нескольких интегральных микросхемах приемника. С точки зрения современных приемников недостатком TRF является то, что усиление и полоса пропускания настроенных РЧ-каскадов не постоянны, а изменяются, поскольку приемник настроен на разные частоты.^[129] Поскольку полоса пропускания фильтра с заданной Q пропорциональна частоте, поскольку приемник настроен на более высокие частоты, его полоса пропускания увеличивается.^[11][15]

Приемник нейтродина

Прототип приемника Neutrodyne Хазельтина, представленный 2 марта 1923 года на собрании Американского радио общества в Колумбийском университете.

Приемник Neutrodyne, изобретенный в 1922 г. Луи Хазельтин,^[130][131] был приемником TRF с "нейтрализующей" схемой, добавленной к каждому каскаду радиоусиления для подавления обратной связи и предотвращения колебаний, которые вызывали раздражающие свистки в TRF.^{[26][106][127][128][132]} В цепи нейтрализации конденсатор подавал ток обратной связи от схемы пластины к цепи сетки, который составлял 180 °. не в фазе с обратной связью, вызвавшей колебание, подавляя его.^[105] Neutrodyne был популярен до появления дешевых тетрод трубки около 1930 г.

Приемник Reflex

Блок-схема простого однотрубного рефлекторного приемника

В рефлекторный приемник, изобретенный в 1914 году Вильгельмом Шлёмильхом и Отто фон Бронком,^[133] и вновь открыт и расширен на несколько трубок в 1917 году Мариусом Латуром.^[133][134] и Уильям Х. Присс, был дизайн, используемый в некоторых недорогих радиоприемниках 1920-х годов.^[135] которые возродились в небольших портативных ламповых радиоприемниках 1930-х гг.^[136] и снова в нескольких первых транзисторных радиоприемниках 1950-х годов.^[106][137] Это еще один пример оригинальной схемы, изобретенной для получения максимальной отдачи от ограниченного числа активных устройств. В рефлекторном приемнике РЧ-сигнал от настроенной схемы проходит через одну или несколько усилительных ламп или транзисторов, демодулированный в детектор, то полученный аудиосигнал передается очередной раз хоть и те же каскады усиления звука.^[106] Отдельные радио и аудиосигналы, присутствующие одновременно в усилителе, не мешают друг другу, поскольку они находятся на разных частотах, что позволяет лампам усиления выполнять «двойную функцию». Помимо одноламповых рефлекторных приемников, некоторые TRF и супергетеродинные приемники имели несколько каскадов, "рефлексированных".^[137] Радиостанции Reflex были подвержены дефекту, называемому «сквозное воспроизведение», что означало, что громкость звука не снижалась до нуля при понижении громкости.^[137]

Супергетеродинный приемник

Первый супергетеродинный приемник, построенный в лаборатории Армстронга в Париже во время Первой мировой войны. Он состоит из двух частей: Смеситель и гетеродин (осталось) и три каскада усиления ПЧ и детекторный каскад (правильно). Промежуточная частота 75 кГц.

В 1940-х годах супергетеродинный приемник на электронных лампах был усовершенствован до дешевой в производстве формы, получившей название "Вся американская пятерка «потому что для этого требовалось всего 5 ламп, которые использовались почти во всех радиостанциях до конца эры ламп в 1970-х.

В супергетеродинный, изобретенный в 1918 году во время Первая Мировая Война от Эдвин Армстронг^[7] когда он был в Сигнальный корпус, это конструкция, используемая почти во всех современных приемниках, за исключением нескольких специализированных приложений.^[8][9][10] Это более сложная конструкция, чем у других вышеупомянутых приемников, и, когда она была изобретена, потребовалось от 6 до 9 электронных ламп, что выходило за рамки бюджета большинства потребителей, поэтому первоначально она использовалась в основном на коммерческих и военных станциях связи.^[12] Однако к 1930-м годам «супергет» заменил все остальные типы ресиверов, упомянутые выше.

В супергетеродине "гетеродин "техника, изобретенная Реджинальд Фессенден используется для смещения частоты радиосигнала на более низкую "промежуточная частота "(ЕСЛИ) до обработки.^[11][12][13] Его работа и преимущества перед другими радиотехническими схемами в этом разделе описаны выше в Супергетеродинный дизайн

К 1940-м годам супергетеродинный радиовещательный AM-приемник был переработан в дешевую в производстве конструкцию под названием "Вся американская пятерка ", потому что в нем использовалось всего пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор / усилитель звука, усилитель мощности звука и выпрямитель. Эта конструкция использовалась практически для всех коммерческих радиоприемников до транзистор заменил лампу в 1970-х.

Полупроводниковая эра

Изобретение транзистор в 1947 году произвел революцию в радиотехнике, сделав возможными действительно портативные приемники, начиная с транзисторные радиоприемники в конце 1950-х гг. Несмотря на то, что портативные радиоприемники на электронных лампах были сделаны, лампы были громоздкими и неэффективными, потребляли большое количество энергии и требовали нескольких больших батарей для создания напряжения нити и пластины. Транзисторы не требовали нагреваемой нити накала, что уменьшало энергопотребление, они были меньше и намного менее хрупкими, чем электронные лампы.

Портативные радиостанции

Портативный радиоприемник на базе зенитного транзистора

Компании впервые начали производство радиоприемников, рекламируемых как портативные, вскоре после начала коммерческого вещания в начале 1920-х годов. В подавляющем большинстве ламповых радиоприемников той эпохи использовались батареи, и их можно было установить и использовать где угодно, но большинство из них не имело таких портативных функций, как ручки и встроенные динамики. Одними из первых портативных ламповых радиоприемников были Winn «Portable Wireless Set No. 149», появившаяся в 1920 году, и Grebe Model KT-1, появившаяся годом позже. Хрустальные наборы, такие как Westinghouse Aeriola Jr. и RCA Радиола 1 также рекламировалась как портативные радиоприемники.^[138]

Благодаря миниатюрным электронным лампам, впервые разработанным в 1940 году, на рынке появились портативные радиоприемники меньшего размера от таких производителей, как Зенит и General Electric. Впервые представленный в 1942 году, Zenith Заокеанский Линия портативных радиостанций была разработана для развлекательных трансляций, а также для возможности настраиваться на погодные, морские и международные коротковолновые станции. К 1950-м годам наступил «золотой век» портативных ламповых устройств. коробка для ланча ламповые радиоприемники, такие как Emerson 560, в литых пластиковых корпусах. Так называемые «карманные портативные» радиоприемники, такие как RCA BP10, существовали с 1940-х годов, но их фактические размеры были совместимы только с самыми большими карманами пальто.^[138]

Развитие биполярный переходной транзистор в начале 1950-х годов он был лицензирован для ряда электронных компаний, таких как Инструменты Техаса, который произвел ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. В Регентство TR-1, сделанный Регентским отделением I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) в Индианаполисе, штат Индиана, была основана в 1951 году. Затем последовала эра настоящих портативных радиоприемников размером с карман рубашки, с такими производителями, как Sony, Zenith, RCA, DeWald и Кросли предлагая различные модели.^[138] Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым серийным транзистор радио, что привело к массовому проникновению транзисторных радиоприемников.^[139]

Цифровая технология

Современный смартфон имеет несколько RF CMOS цифровое радио передатчики и приемники для подключения к различным устройствам, включая сотовый приемник, беспроводной модем, блютуз модем, и Приемник GPS.^[140]

Развитие Интегральная схема (IC) микросхемы в 1970-х годах произвели еще одну революцию, позволив поместить весь радиоприемник на микросхему IC. Микросхемы IC полностью изменили экономику радиотехники, используемой в ламповых приемниках. Поскольку предельные затраты на добавление дополнительных усилительных устройств (транзисторов) к микросхеме были практически нулевыми, размер и стоимость приемника зависели не от количества используемых активных компонентов, а от пассивных компонентов; катушки индуктивности и конденсаторы, которые нельзя было легко встроить в микросхему.^[19] Развитие РФ CMOS чипсы, впервые разработанные Асад Али Абиди в UCLA в течение 1980-х и 1990-х годов позволили производить маломощные беспроводные устройства.^[141]

Текущая тенденция в приемниках заключается в использовании цифровая схема на чипе для выполнения функций, которые раньше выполнялись аналоговые схемы которые требуют пассивных компонентов. В цифровом приемнике сигнал ПЧ дискретизируется и оцифровывается, а функции полосовой фильтрации и обнаружения выполняются цифровая обработка сигналов (DSP) на микросхеме. Еще одно преимущество DSP заключается в том, что свойства приемника; частота канала, полоса пропускания, усиление и т. д. могут быть динамически изменены программным обеспечением для реагирования на изменения в окружающей среде; эти системы известны как программно определяемые радиостанции или когнитивное радио.

Многие функции, выполняемые аналоговая электроника может быть выполнено программного обеспечения вместо. Преимущество заключается в том, что на программное обеспечение не влияют температура, физические переменные, электронный шум и производственные дефекты.^[142]

Цифровая обработка сигналов позволяет использовать методы обработки сигналов, которые были бы громоздкими, дорогостоящими или иным образом неосуществимыми с аналоговыми методами. Цифровой сигнал - это, по сути, поток или последовательность чисел, которые передают сообщение через какой-либо носитель, такой как провод. Аппаратное обеспечение DSP может адаптировать полосу пропускания приемника к текущим условиям приема и типу сигнала. Типичный аналоговый приемник может иметь ограниченное количество фиксированных полос пропускания или только одну, но приемник DSP может иметь 40 или более индивидуально выбираемых фильтров. DSP используется в Сотовый телефон системы для снижения скорости передачи данных, необходимой для передачи голоса.

В цифровое радио системы вещания, такие как Цифровое аудиовещание (DAB) аналоговый аудиосигнал оцифрованный и сжатый, обычно используя модифицированное дискретное косинусное преобразование (MDCT) формат кодирования звука такие как AAC +.^[143]

«Компьютерные радиоприемники» или радиоприемники, которые предназначены для управления с помощью стандартного ПК, управляются специализированным программным обеспечением ПК с использованием последовательного порта, подключенного к радиомодулю. «Компьютерное радио» может вообще не иметь передней панели и может быть предназначено исключительно для компьютерного управления, что снижает стоимость.

Некоторые радиостанции для ПК имеют большое преимущество в том, что их владелец может модернизировать на месте. Новые версии DSP прошивка можно скачать с сайта производителя и загрузить в флэш-память радио. Фактически, производитель может со временем добавлять в радиостанцию ​​новые функции, такие как добавление новых фильтров, подавление шума DSP или просто исправление ошибок.

Полнофункциональная программа радиоуправления позволяет сканировать и выполнять множество других функций и, в частности, интегрировать базы данных в режиме реального времени, как, например, возможность типа «TV-Guide». Это особенно полезно для определения местоположения всех передач на всех частотах конкретного вещателя в любой момент времени. Некоторые разработчики управляющего программного обеспечения даже интегрировали Гугл Земля к коротковолновым базам данных, поэтому можно «перелететь» к заданному местоположению передатчика одним щелчком мыши. Во многих случаях пользователь может видеть передающие антенны, откуда исходит сигнал.

Поскольку Графический интерфейс пользователя к радио имеет значительную гибкость, новые функции могут быть добавлены разработчиком программного обеспечения. Функции, которые можно найти в современных программах управления, включают таблицу диапазонов, элементы управления с графическим интерфейсом, соответствующие традиционным средствам управления радио, локальные часы и универсальное глобальное время часы, измеритель мощности сигнала, база данных для прослушивания коротких волн с возможностью поиска, возможностью сканирования или текст в речь интерфейс.

Следующий уровень интеграции - это "программно-определяемое радио ", где вся фильтрация, модуляция и обработка сигналов выполняются в программном обеспечении. Это может быть звуковая карта ПК или специальное оборудование DSP. Будет РФ интерфейс для передачи промежуточной частоты программно определяемому радио. Эти системы могут предоставлять дополнительные возможности по сравнению с "аппаратными" приемниками. Например, они могут записывать большие участки радиочастотного спектра на жесткий диск для «воспроизведения» позже. Тот же SDR, который в течение одной минуты демодулирует простую трансляцию AM, также может декодировать трансляцию HDTV в следующую. Проект с открытым исходным кодом под названием GNU Radio посвящен развитию высокопроизводительной SDR.

Полностью цифровые радиопередатчики и приемники предоставляют возможность расширения возможностей радио.^[144]

Смотрите также

• Коротковолновое радио
• Диэлектрический беспроводной приемник
• Цифровое аудиовещание (DAB)
• Приемник прямого преобразования
• Минимальный обнаруживаемый сигнал
• Радиограмма (мебель)
• Приемник (теория информации)
• Избирательность (электронная)
• Чувствительность (электроника)
• Шум (электроника)
• Искажение
• Спутниковая навигация
• Телекоммуникации
• Телевидение только для приема
• Тюнер (радио)

использованная литература

дальнейшее чтение

• Приемники связи, третье издание, Ульрих Л. Роде, Джерри Уитакер, Макгроу Хилл, Нью-Йорк, 2001 г., ISBN  0-07-136121-9
• Буга, Н .; Фалько А .; Чистяков Н.И. (1990). Чистяков Н.И. (ред.). Теория радиоприемника. Перевод с русского Б. В. Кузнецова. Москва: Издательство Мир. ISBN  978-5-03-001321-3 Впервые опубликовано на русском языке как «Радиоприёмные устройства».