Heterodyna - Heterodyne

Symbol miksera częstotliwości używany na schematach ideowych

Heterodyny jest sygnał częstotliwości , która jest utworzona poprzez łączenie lub mieszanie dwóch innych częstotliwości za pomocą przetwarzania sygnału techniki zwanej heterodynowania , który został wynaleziony kanadyjski wynalazca inżyniera Reginald Fessenden . Heterodynowanie służy do przesuwania jednego zakresu częstotliwości w inny, nowy zakres częstotliwości, a także bierze udział w procesach modulacji i demodulacji . Dwie częstotliwości wejściowe są połączone w nieliniowym urządzeniu przetwarzającym sygnał, takim jak lampa próżniowa , tranzystor lub dioda , zwykle nazywanym mikserem .

W najczęstszym zastosowaniu dwa sygnały o częstotliwościach $f 1$ i $f 2$ są mieszane, tworząc dwa nowe sygnały, jeden na sumie dwóch częstotliwości $f 1 + f 2$ , a drugi na różnicy między dwiema częstotliwościami $f 1 - f 2$ . Nowe częstotliwości sygnału nazywane są heterodynami . Zazwyczaj wymagana jest tylko jedna z heterodyn, a drugi sygnał jest odfiltrowywany z wyjścia miksera. Częstotliwości heterodynowe są związane ze zjawiskiem „ uderzeń ” w akustyce.

Głównym zastosowaniem procesu heterodynowego jest obwód superheterodynowego odbiornika radiowego , który jest używany w praktycznie wszystkich nowoczesnych odbiornikach radiowych.

Historia

Heterodynowy obwód odbiornika radiowego Fessendena. Przychodząca częstotliwość radiowa i częstotliwość lokalnego oscylatora mieszają się w detektorze z diodą krystaliczną.

W 1901 roku, Reginald Fessenden wykazały bezpośrednią konwersję heterodyny odbiornik lub odbiornik rytmu jako sposób wytwarzania fali ciągłej radiotelegrafia sygnałów dźwiękowych. Odbiornik Fessendena nie znalazł większego zastosowania ze względu na problem ze stabilnością lokalnego oscylatora. Stabilny, ale niedrogi lokalny oscylator nie był dostępny, dopóki Lee de Forest nie wynalazł triodowego oscylatora lampowego . W patencie z 1905 r. Fessenden stwierdził, że stabilność częstotliwości jego lokalnego oscylatora wynosi jedną część na tysiąc.

W telegrafii radiowej znaki wiadomości tekstowych są tłumaczone na krótkie kropki i długie kreski kodu Morse'a, które są nadawane jako sygnały radiowe. Telegrafia radiowa była podobna do zwykłej telegrafii . Jednym z problemów było zbudowanie nadajników dużej mocy przy użyciu technologii dnia dzisiejszego. Wczesne nadajniki były nadajnikami iskiernikowymi . Urządzenie mechaniczne wytwarzałoby iskry w stałym, ale słyszalnym tempie; iskry wprowadzałyby energię do obwodu rezonansowego, który następnie dzwoniłby z pożądaną częstotliwością transmisji (która może wynosić 100 kHz). Dzwonienie to szybko zanikałoby, więc wyjściem nadajnika byłyby następujące po sobie fale tłumione . Kiedy te stłumione fale zostały odebrane przez prosty detektor, operator słyszałby słyszalny brzęczący dźwięk, który można było przepisać z powrotem na znaki alfanumeryczne.

Wraz z rozwojem nadajnika radiowego z konwerterem łukowym w 1904 roku, w radiotelegrafii zaczęto stosować modulację falą ciągłą (CW). Sygnały CW Morse'a nie są modulowane amplitudowo, lecz składają się z impulsów sinusoidalnej częstotliwości nośnej. Gdy sygnały CW są odbierane przez odbiornik AM, operator nie słyszy dźwięku. Detektor bezpośredniej konwersji (heterodynowy) został wynaleziony, aby słyszeć sygnały o częstotliwości radiowej o fali ciągłej.

Odbiornik „heterodynowy” lub „beat” ma lokalny oscylator, który wytwarza sygnał radiowy dostosowany do częstotliwości zbliżonej do odbieranego sygnału. Kiedy te dwa sygnały są mieszane, powstaje częstotliwość „dudnienia” równa różnicy między tymi dwiema częstotliwościami. Dzięki prawidłowej regulacji częstotliwości lokalnego oscylatora częstotliwość dudnienia znajduje się w zakresie audio i może być słyszalna jako ton w słuchawkach odbiornika, gdy obecny jest sygnał nadajnika. Tak więc „kropki” i „kreski” alfabetem Morse'a są słyszalne jako dźwięki. Ta technika jest nadal stosowana w radiotelegrafii, lokalny oscylator jest obecnie nazywany oscylatorem częstotliwości dudnienia lub BFO. Fessenden ukuł słowo heterodyne od greckich korzeni hetero – „inny” i dyn – „władza” (por. δύναμις lub dunamis ).

Odbiornik superheterodynowy

Schemat blokowy typowego odbiornika superheterodynowego. Czerwone części to te, które obsługują przychodzący sygnał o częstotliwości radiowej (RF); zielone to części, które działają na częstotliwości pośredniej (IF), podczas gdy części niebieskie działają na częstotliwości modulacji (audio).

Ważnym i szeroko stosowaną zastosowanie techniki heterodyny jest w odbiornik superheterodynowy (Superhet), który został wymyślony przez amerykańskiego inżyniera Edwin Howard Armstrong w 1918 roku W typowym Superhet, przychodzące częstotliwości radiowej sygnał z anteny jest mieszany (heterodyned) z sygnał z lokalnego oscylatora (LO) w celu wytworzenia sygnału o niższej stałej częstotliwości zwanego sygnałem o częstotliwości pośredniej (IF). Sygnał IF jest wzmacniany i filtrowany, a następnie podawany do detektora, który wyodrębnia sygnał audio; dźwięk jest ostatecznie przesyłany do głośnika odbiornika.

Odbiornik superheterodynowy ma kilka zalet w stosunku do poprzednich konstrukcji odbiorników. Jedną z zalet jest łatwiejsze strojenie; tylko filtr RF i LO są strojone przez operatora; IF o stałej częstotliwości jest dostrojony („wyrównany”) w fabryce i nie jest regulowany. W starszych konstrukcjach, takich jak dostrojony odbiornik częstotliwości radiowej (TRF), wszystkie stopnie odbiornika musiały być strojone jednocześnie. Ponadto, ponieważ filtry IF są dostrojone na stałe, selektywność odbiornika jest taka sama w całym paśmie częstotliwości odbiornika. Kolejną zaletą jest to, że sygnał IF może mieć znacznie niższą częstotliwość niż przychodzący sygnał radiowy, dzięki czemu każdy stopień wzmacniacza IF zapewnia większe wzmocnienie. Na pierwsze zamówienie urządzenie wzmacniające ma produkt o stałej przepustowości . Jeśli urządzenie ma iloczyn pasma wzmocnienia wynoszący 60 MHz, może zapewnić wzmocnienie napięcia 3 przy częstotliwości radiowej 20 MHz lub przyrost napięcia 30 przy częstotliwości pośredniej 2 MHz. Przy niższym IF, potrzeba by mniej urządzeń wzmacniających, aby osiągnąć to samo wzmocnienie. Regeneracyjny odbiornik radiowy uzyskuje więcej zyskać z jednym urządzeniem za pomocą wzmocnienia pozytywne opinie, ale to wymaga starannej regulacji przez operatora; ta regulacja zmieniła również selektywność odbiornika regeneracyjnego. Superheterodyna zapewnia duże, stabilne wzmocnienie i stałą selektywność bez kłopotliwej regulacji.

Doskonały system superheterodynowy zastąpił wcześniejsze konstrukcje TRF i odbiorników regeneracyjnych, a od lat 30. większość komercyjnych odbiorników radiowych to superheterodyny.

Aplikacje

Heterodynowanie, zwane również konwersją częstotliwości , jest bardzo szeroko stosowane w inżynierii komunikacyjnej do generowania nowych częstotliwości i przenoszenia informacji z jednego kanału częstotliwości do drugiego. Poza tym jego stosowanie w obwodzie superheterodynowy znaleźć w niemal wszystkich odbiorników radiowych i telewizyjnych, jest ona wykorzystywana w nadajniki radiowe , modemy , satelitarnej łączności i pudełka set-top, radarów , teleskopów radiowych , telemetrycznych systemów, telefony komórkowe, konwerterów telewizji kablowej oraz stacji czołowych , przekaźniki mikrofalowe , wykrywacze metali , zegary atomowe , wojskowe elektroniczne systemy przeciwdziałania (zagłuszania).

Konwertery w górę i w dół

Na dużą skalę sieci telekomunikacyjnych , takich jak sieci telefonii pni, przekaźnikowych mikrofalowa sieci, systemów telewizji kablowej, a także łączności satelitarnej linki, duża przepustowość łącza pojemność są podzielane przez wielu indywidualnych kanałów komunikacji za pomocą heterodynowaniu aby przesunąć częstotliwość poszczególnych sygnałów do różnych częstotliwościach , które udostępniają kanał. Nazywa się to multipleksowaniem z podziałem częstotliwości (FDM).

Na przykład kabel koncentryczny używany przez system telewizji kablowej może przesyłać jednocześnie 500 kanałów telewizyjnych, ponieważ każdy z nich ma inną częstotliwość, dzięki czemu nie zakłócają się nawzajem. W źródle kabla lub stacji czołowej elektroniczne konwertery w górę konwertują każdy przychodzący kanał telewizyjny na nową, wyższą częstotliwość. Robią to poprzez zmieszanie częstotliwości sygnału telewizyjnego f _CH z lokalnym oscylatorem o znacznie wyższej częstotliwości $f LO$ , tworząc heterodynę na sumie $f CH + f LO$ , która jest dodawana do kabla. W domu konsumenta dekoder telewizji kablowej ma konwerter w dół, który miesza przychodzący sygnał o częstotliwości $f CH + f LO$ z tą samą częstotliwością lokalnego oscylatora $f LO,$ tworząc różnicę częstotliwości heterodynowej, konwertując kanał telewizyjny z powrotem na jego pierwotną częstotliwość: $(f CH + f LO) - f LO = f CH$ . Każdy kanał jest przenoszony na inną wyższą częstotliwość. Pierwotna niższa częstotliwość podstawowa sygnału nazywana jest pasmem podstawowym , podczas gdy wyższy kanał, do którego jest przenoszony, nazywa się pasmem przepuszczania .

Nagrywanie analogowej taśmy wideo

Wiele systemów analogowych taśm wideo opiera się na podnośnej koloru o konwersji w dół w celu rejestrowania informacji o kolorze w ich ograniczonej przepustowości. Systemy te są określane jako „systemy heterodynowe” lub „systemy pod kolorem”. Na przykład, dla systemów wideo NTSC , system nagrywania VHS (i S-VHS ) konwertuje podnośną koloru ze standardu NTSC 3,58 MHz na ~629 kHz. Podnośna kolorów PAL VHS jest podobnie konwertowana w dół (ale z 4,43 MHz). Teraz-przestarzałe 3/4" U-matic systemy wykorzystują heterodyned ~ 688 kHz podnośnej nagrań w systemie NTSC (podobnie jak Sony „s Betamax , który jest na jej podstawie 1/2" wersja konsumentem U-matic), podczas gdy PAL Decki U-matic były dostępne w dwóch wzajemnie niekompatybilnych odmianach, o różnych częstotliwościach podnośnych, znanych jako Hi-Band i Low-Band.Inne formaty taśm wideo z heterodynowymi systemami kolorów obejmują Video-8 i Hi8 .

W tych przypadkach system heterodynowy jest używany do przekształcania fal sinusoidalnych zakodowanych fazowo i modulowanych amplitudowo z częstotliwości nadawczych na częstotliwości rejestrowane w paśmie mniejszym niż 1 MHz. Podczas odtwarzania nagrana informacja o kolorze jest heterodynowana z powrotem do standardowych częstotliwości podnośnych w celu wyświetlania na telewizorach i wymiany z innym standardowym sprzętem wideo.

Niektóre magnetofony U-matic (3/4″) są wyposażone w 7-pinowe złącza mini- DIN, aby umożliwić kopiowanie taśm bez konwersji, podobnie jak niektóre przemysłowe rejestratory VHS, S-VHS i Hi8.

Synteza muzyczna

Theremin , elektroniczny instrument muzyczny , tradycyjnie wykorzystuje zasadę heterodyny produkować zmiennej częstotliwości audio w odpowiedzi na ruch rąk Muzyk w sąsiedztwie jednej lub większej liczby anten, które działają jako okładkami kondensatora. Sygnał wyjściowy oscylatora o stałej częstotliwości radiowej jest mieszany z sygnałem oscylatora, na którego częstotliwość wpływa zmienna pojemność między anteną a ręką muzyka, gdy jest on przemieszczany w pobliżu anteny sterującej wysokością dźwięku. Różnica między dwiema częstotliwościami oscylatora wytwarza ton w zakresie audio.

Modulatora pierścień jest rodzajem mieszacz uwzględnić niektóre syntezatorów lub jako efektu dźwięku autonomicznym.

heterodynowanie optyczne

Optyczna detekcja heterodynowania (obszar aktywnych badań) jest rozszerzeniem techniki heterodynowania na wyższe (widzialne) częstotliwości. Technika ta mogłaby znacznie ulepszyć modulatory optyczne , zwiększając gęstość informacji przenoszonych przez światłowody . Znajduje również zastosowanie w tworzeniu dokładniejszych zegarów atomowych opartych na bezpośrednim pomiarze częstotliwości wiązki laserowej. Zobacz podtemat NIST 9.07.9-4.R dla opisu badań na jednym systemie, aby to zrobić.

Ponieważ częstotliwości optyczne są daleko poza możliwościami manipulacji jakimkolwiek możliwym obwodem elektronicznym, wszystkie detektory fotonów o widzialnej częstotliwości są z natury detektorami energii, a nie oscylacyjnymi detektorami pola elektrycznego. Jednakże, ponieważ detekcja energii jest z natury detekcją „ prawa kwadratowego ”, wewnętrznie miesza wszelkie częstotliwości optyczne obecne w detektorze. Tak więc czuła detekcja określonych częstotliwości optycznych wymaga optycznej detekcji heterodynowej, w której dwie różne (pobliskie) długości fal światła oświetlają detektor tak, że oscylująca moc elektryczna odpowiada różnicy między ich częstotliwościami. Umożliwia to detekcję niezwykle wąskich pasm (znacznie węższych niż jakikolwiek możliwy filtr barwny), a także precyzyjne pomiary fazy i częstotliwości sygnału świetlnego względem referencyjnego źródła światła, jak w laserowym wibrometrze dopplerowskim .

Ta fazowa detekcja została zastosowana do pomiarów dopplerowskich prędkości wiatru i obrazowania w gęstych mediach. Wysoka czułość na światło tła jest szczególnie przydatna w przypadku lidaru .

W optycznej spektroskopii Kerra (OKE), optyczna heterodynowanie sygnału OKE i niewielkiej części sygnału sondy daje mieszany sygnał składający się z sondy, heterodynowej sondy OKE i homodynowego sygnału OKE. Sygnały sondy i homodynowe OKE można odfiltrować, pozostawiając do detekcji sygnał częstotliwości heterodynowej.

Wykrywanie heterodynowe jest często stosowane w interferometrii, ale zwykle ogranicza się do detekcji jednopunktowej, a nie do interferometrii szerokiego pola, jednak interferometria heterodynowa szerokiego pola jest możliwa przy użyciu specjalnej kamery. Stosując tę technikę, w której sygnał odniesienia wyodrębniony z pojedynczego piksela, możliwe jest zbudowanie wysoce stabilnego interferometru heterodynowego o szerokim polu widzenia poprzez usunięcie składowej fazy tłoka spowodowanej mikrofonowaniem lub wibracjami elementów optycznych lub obiektu.

Zasada matematyczna

Heterodynowanie opiera się na tożsamości trygonometrycznej :

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

Iloczyn po lewej stronie przedstawia mnożenie („mieszanie”) fali sinusoidalnej z inną falą sinusoidalną. Prawa strona pokazuje, że wynikowy sygnał jest różnicą dwóch członów sinusoidalnych , jednego na sumie dwóch oryginalnych częstotliwości, a drugiego na różnicy, które można uznać za oddzielne sygnały.

Za pomocą tego tożsamość trygonometryczną, wynik mnożenia dwóch sygnałów fali sinusoidalnej i na różnych częstotliwościach i mogą być obliczone: ${\ Displaystyle \ grzech (2 \ pi f_ {1} t) \,}$ ${\ Displaystyle \ grzech (2 \ pi f_ {2} t) \,}$ $f_{1}$ $f_{2}$

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

Wynik jest sumą dwóch sygnałów sinusoidalnych, jednego o sumie $f 1 + f 2$ i jednego o różnicy $f 1 - f 2$ częstotliwości pierwotnych.

Mikser

Oba sygnały są połączone w urządzeniu zwanym mikserem . Jak widać w poprzedniej sekcji, idealnym mikserem byłoby urządzenie, które zwielokrotnia dwa sygnały. Niektóre szeroko stosowane obwody mikserów, takie jak ogniwo Gilberta , działają w ten sposób, ale ograniczają się do niższych częstotliwości. Jednak każdy nieliniowy komponent elektroniczny również mnoży przyłożone do niego sygnały, wytwarzając na wyjściu częstotliwości heterodynowe – tak więc różne nieliniowe komponenty służą jako miksery. Składnik nieliniowy to taki, w którym prąd lub napięcie wyjściowe są nieliniową funkcją wejścia. Większość elementów obwodów w obwodach komunikacyjnych zaprojektowano tak, aby były liniowe . Oznacza to, że przestrzegają zasady superpozycji ; if jest wyjściem elementu liniowego z wejściem : ${\ Displaystyle F (v)}$ $v$

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

Tak więc, gdy dwie fale sinusoidalne sygnały w częstotliwości $f 1$ i $f 2$ są doprowadzane do urządzenia liniowego, wyjście jest po prostu sumą wyjść gdy dwa sygnały są stosowane oddzielnie, nie względem produktów. Dlatego funkcja musi być nieliniowa, aby tworzyć produkty miksera. Doskonałym mnożący wytwarza jedynie miksera produktów na częstotliwości sumy i różnicy $($ $F$ $1$ $\pm$ $m$ $2$ $)$ , ale ogólne funkcje nieliniowe wytwarzają więcej produktów miksera zamówienie: $n$ $\cdot$ $f$ $1$ $+$ $m$ $\cdot$ $f$ $2,$ liczby całkowite $n$ i $m$ . Niektóre konstrukcje mikserów, takie jak miksery podwójnie zbalansowane, tłumią niektóre niepożądane produkty wysokiego rzędu, podczas gdy inne konstrukcje, takie jak miksery harmoniczne, wykorzystują różnice wysokiego rzędu. ${\ Displaystyle F}$

Przykładami komponentów nieliniowych używanych jako miksery są lampy próżniowe i tranzystory spolaryzowane w pobliżu odcięcia ( klasa C ) oraz diody . Cewki indukcyjne z rdzeniem ferromagnetycznym doprowadzone do nasycenia mogą być również stosowane przy niższych częstotliwościach. W optyce nieliniowej kryształy o nieliniowej charakterystyce są używane do mieszania wiązek światła laserowego w celu wytworzenia heterodynowych częstotliwości optycznych .

Wyjście miksera

Aby matematycznie zademonstrować, w jaki sposób składnik nieliniowy może mnożyć sygnały i generować częstotliwości heterodynowe, funkcję nieliniową można rozszerzyć w szereg potęgowy ( seria MacLaurina ): ${\ Displaystyle F}$

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

Aby uprościć matematyki z wyższego rzędu powyżej $alfa 2$ są oznaczone przez elipsy ( „..”), A tylko pierwsze warunki są pokazane. Przykładając dwie fale sinusoidalne o częstotliwościach $ω 1 = 2 π f 1$ i $ω 2 = 2 π f 2$ do tego urządzenia:

{\ Displaystyle V_ {\ tekst {out}} = F (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) \,}

{\ Displaystyle V_ {\ tekst {out}} = \ alfa _ {1} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) + \ alfa _{2}(A_{1}\sin \omega _{1}t+A_{2}\sin \omega _{2}t)^{2}+\cdots \,}

{\ Displaystyle V_ {\ tekst {out}} = \ alfa _ {1} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) + \ alfa _{2}(A_{1}^{2}\sin ^{2}\omega _{1}t+2A_{1}A_{2}\sin \omega _{1}t\sin \omega _{ 2}t+A_{2}^{2}\sin ^{2}\omega _{2}t)+\cdots \,}

Można zauważyć, że drugi składnik powyżej zawiera iloczyn dwóch fal sinusoidalnych. Upraszczanie z tożsamościami trygonometrycznymi :

{\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} v_ {\ tekst {out}} = {} i \ alfa _ {1} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _{2}t)\\&{}+\alpha _{2}\left({\frac {A_{1}^{2}}{2}}[1-\cos 2\omega _{1} t]+A_{1}A_{2}[\cos(\omega _{1}t-\omega _{2}t)-\cos(\omega _{1}t+\omega _{2}t) ]+{\frac {A_{2}^{2}}{2}}[1-\cos 2\omega _{2}t]\right)+\cdots \end{aligned}}}

{\ Displaystyle V_ {\ tekst {out}} = \ alfa _ {2} A_ {1} A_ {2} \ cos (\ omega _ {1} - \ omega _ {2}) t - \ alfa _ {2} }A_{1}A_{2}\cos(\omega _{1}+\omega _{2})t+\cdots \,}

Tak więc wyjście zawiera człony sinusoidalne o częstotliwościach o sumie $ω 1 + ω 2$ i różnicy $ω 1 - ω 2$ dwóch oryginalnych częstotliwości. Zawiera również wyrażenia przy oryginalnych częstotliwościach i wielokrotnościach oryginalnych częstotliwości $2 ω 1$ , $2 ω 2$ , $3 ω 1$ , $3 ω 2$ , itd.; te ostatnie nazywane są harmonicznymi , jak również bardziej skomplikowane terminy przy częstotliwościach $Mω 1 + Nω 2$ , zwane produktami intermodulacji . Te niepożądane częstotliwości, wraz z niepożądaną częstotliwością heterodynową, muszą zostać odfiltrowane z wyjścia miksera przez filtr elektroniczny, aby pozostawić żądaną częstotliwość.

Zobacz też

Elektroencefalografia
Homodyne
Transwerter
Intermodulacja – problem z silnymi wyrazami wyższego rzędu wytwarzanymi w niektórych mikserach nieliniowych

Uwagi

Bibliografia

US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , „Electric Signaling Apparatus”, opublikowany 27 lipca 1905, wydany 14 stycznia 1913
Glinsky, Albert (2000), Theremin: Ether Music and Espionage , Urbana, IL: University of Illinois Press, ISBN 978-0-252-02582-2
Nahin, Paul J. (2001), The Science of Radio with Matlab and Electronics Workbench Demonstrations (wyd. drugie), New York: Springer-Verlag, AIP Press, ISBN 978-0-387-95150-8

Zewnętrzne linki

Hogan, John VL (kwiecień 1921), „Odbiornik heterodyny” , Electric Journal , 18 : 116
US 706740 , Fessenden, Reginald A. , „Wireless Signaling”, opublikowany 28 września 1901, wydany 12 sierpnia 1902
US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , „Metoda sygnalizacji”, opublikowana 21 sierpnia 1906, wydana 14 stycznia 1913

Languages

In other projects