헤테로디네

Heterodyne
도식도에 사용되는 주파수 믹서 기호

헤테로디엔캐나다의 발명가 레지날드 페센덴이 발명한 헤테로디닝이라는 신호 처리 기법을 이용해 다른 두 주파수를 결합하거나 혼합해 만든 신호 주파수다.[1][2][3] 헤테로디닝은 한 주파수 범위를 다른 주파수 범위, 새로운 주파수 범위로 전환하는 데 사용되며, 변조강등 과정에도 관여한다.[2][4] 이 두 입력 주파수는 보통 믹서라고 불리는 진공관, 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 비선형 신호 처리 장치에 결합된다.[2]

가장 일반적인 어플리케이션에서는 f1 f의2 두 신호가 혼합되어 두 주파수1 f + f2 합에서 한 신호는 두 개의 새로운 신호를 생성하며, 다른 한 신호1 두 주파수 f2 - f의 차이에서 생성된다.[3] 새로운 신호 주파수는 헤테로디네즈라고 불린다. 일반적으로 이질체 중 하나만 요구되고 다른 신호는 믹서의 출력에서 걸러진다. 헤테로디네 주파수는 음향학에서 "비츠" 현상과 관련이 있다.[2][5][6]

헤테로디엔 과정의 주요한 적용은 거의 모든 현대적인 라디오 수신기에서 사용되는 초헤테로디엔 라디오 수신기 회로에 있다.

역사

페센덴의 헤테로디네 라디오 수신기 회로 크리스털 다이오드 검출기에서 수신되는 무선 주파수와 로컬 오실레이터 주파수 혼합.

1901년, Reginald Fessenden연속파 무선원소그래피 신호를 청각으로 하는 방법으로 직접 변환 헤테로디네 수신기 또는 비트 수신기를 시연했다.[7] 페센덴의 수신기는 국소 발진기의 안정성 문제 때문에 많은 응용을 보지 못했다. 포레스트3극 진공관 발진기를 발명하기 전까지는 안정적이면서도 저렴한 지역 발진기를 이용할 수 없었다.[8] 1905년 특허에서 Fessenden은 그의 지역 오실레이터의 주파수 안정성이 천분의 한 부분이라고 말했다.[9]

무선전신에서는 문자메시지의 문자를 무선신호로 방송되는 모스 코드의 짧은 지속시간 도트와 긴 지속시간 대시로 번역한다. 라디오 전보는 보통 전신과 아주 흡사했다. 당시의 기술로 고출력 송신기를 만드는 것이 문제였다. 초기 송신기는 스파크 송신기였다. 기계 장치는 고정되지만 청각적인 속도로 스파크를 만들 것이다; 스파크는 원하는 전송 주파수(100kHz)에서 울릴 수 있는 공명 회로에 에너지를 공급할 것이다. 이 울림은 금방 부패할 것이기 때문에 송신기의 출력은 일련의 축축한 파동이 될 것이다. 이러한 축축한 파동이 단순한 검출기에 의해 수신되었을 때, 운용자는 영숫자로 다시 번역될 수 있는 윙윙거리는 소리를 듣게 된다.

1904년 아크 컨버터 무선 송신기가 개발되면서 방사선에 연속파(CW) 변조가 이용되기 시작했다. CW Morse 코드 신호는 진폭을 변조하는 것이 아니라 사인파 반송파 주파수의 버스트로 구성된다. AM 수신기에 의해 CW 신호가 수신되면 운영자는 소리를 듣지 못한다. 다이렉트 변환(Heterodyne) 검출기는 연속파 무선주파수 신호가 들리게 하기 위해 발명되었다.[10]

"히터오디네" 또는 "비트" 수신기에는 수신되는 수신 신호에 주파수가 근접하도록 조정된 무선 신호를 생성하는 로컬 오실레이터가 있다. 두 신호가 혼합되면 두 주파수 간의 차이와 동일한 "비트" 주파수가 생성된다. 국소 오실레이터 주파수를 올바르게 조정함으로써 비트 주파수는 오디오 범위에 있으며 송신기 신호가 있을 때마다 수신기의 이어폰에서 신호음으로 들을 수 있다. 따라서 모스 코드 "점"과 "대시"는 삐걱거리는 소리로 들린다. 이 기술은 현재 비트 주파수 오실레이터 또는 BFO로 불리는 라디오 전신에 여전히 사용된다. 페센덴은 헤테로디네라는 단어를 그리스 뿌리의 헤테로-- "다름"과 dyn- "힘"(cf)에서 만들었다. Δαμ³ 또는 두나미).[11]

슈퍼히터오디엔수신기

일반적인 슈퍼히터odyne 수신기의 블록 다이어그램. 빨간색 부품은 들어오는 무선 주파수(RF) 신호를 처리하는 부품이며, 녹색은 중간 주파수(IF)에서 작동하는 부품이며, 파란색 부품은 변조(오디오) 주파수에서 작동한다.

헤테로디네 기법의 중요하고 널리 사용되는 적용은 미국의 엔지니어 에드윈 하워드 암스트롱에 의해 1918년에 발명된 초헤테로디네 수신기(슈퍼헤이트)에 있다. 일반적인 슈퍼헤트에서는 안테나에서 들어오는 무선주파수신호를 국부 오실레이터(LO)로부터의 신호와 혼합(히터형)하여 중간주파수(IF)신호라고 하는 더 낮은 고정주파수신호를 생성한다. IF 신호는 증폭되어 필터링된 후 오디오 신호를 추출하는 검출기에 적용되며, 오디오는 궁극적으로 수신기의 확성기로 전송된다.

슈퍼히터오디네 수신기는 이전의 수신기 설계에 비해 몇 가지 장점이 있다. 한 가지 장점은 조정하기가 더 쉽다는 것이다. 오직 RF 필터와 LO만 운영자에 의해 조정된다. 고정 주파수 IF는 공장에서 조정되고 조정되지 않는다. 튜닝된 무선 주파수 수신기(TRF)와 같은 구형 설계에서는 모든 수신기 단계가 동시에 튜닝되어야 했다. 또한 IF 필터는 고정 튜닝되므로 수신기의 전체 주파수 대역에서 수신기의 선택성은 동일하다. 또 다른 장점은 IF 신호가 들어오는 무선 신호보다 훨씬 낮은 주파수에 있을 수 있고, IF 앰프의 각 단계가 더 많은 이득을 제공할 수 있다는 것이다. 첫 번째로, 증폭 장치에는 고정 게인-대역폭 제품이 있다. 기기가 60MHz의 게인대역폭 제품을 가진 경우, 20MHz의 RF에서 3의 전압 이득 또는 2MHz의 IF에서 30의 전압 이득을 제공할 수 있다. IF가 낮을수록 동일한 이득을 얻기 위해서는 더 적은 수의 이득 장치가 필요할 것이다. 회생 무선 수신기는 양성 피드백을 사용하여 1게인 장치에서 더 많은 이득을 얻었지만, 운용자의 세심한 조정이 필요했다. 그 조정은 회생 수신기의 선택성도 바꾸었다. 초헤테로디네는 골치 아픈 조정 없이 크고 안정적인 이득과 끊임없는 선택성을 제공한다.

우수한 슈퍼히터오디네 시스템은 이전의 TRF와 재생수신기 설계를 대체했으며, 1930년대 이후 대부분의 상용 무선수신기는 슈퍼히터오디네스가 되었다.

적용들

주파수 변환이라고도 불리는 헤테로디닝은 통신공학에서 매우 광범위하게 사용되어 새로운 주파수를 생성하고 정보를 한 주파수 채널에서 다른 주파수 채널로 이동시킨다. 거의 모든 라디오 및 텔레비전 수신기에서 발견되는 초헤테로디네 회로에서 사용되는 것 외에도, 그것은 무선 송신기, 모뎀, 위성 통신 및 셋톱 박스, 레이더, 무선 망원경, 원격 측정 시스템, 휴대 전화, 케이블 텔레비전 컨버터 박스와 헤드엔드, 마이크로파 중계기, 금속 탐지기, 원자 시계, 밀리타 등에 사용된다.ry 전자 대책 (재밍) 시스템.

위아래 변환기

전화 네트워크 트렁크, 마이크로파 중계 네트워크, 케이블 텔레비전 시스템, 통신 위성 링크와 같은 대규모 통신 네트워크에서는, 개별 신호의 주파수를 다른 주파수, 즉 which로 이동시키기 위해 헤테로이딩을 사용하여 많은 개별 통신 채널에 의해 대규모 대역폭 용량 링크가 공유된다.h는 채널을 공유한다. 이것을 주파수분할 멀티플렉싱(FDM)이라고 한다.

예를 들어 케이블 텔레비전 시스템에서 사용하는 동축 케이블은 각각 주파수가 다르기 때문에 서로 간섭하지 않기 때문에 500개의 텔레비전 채널을 동시에 운반할 수 있다. 케이블 소스 또는 헤드엔드에서 전자 업컨버터는 들어오는 각 텔레비전 채널을 새로운 고주파로 변환한다. 그들은 훨씬 더 높은 주파수LO f에서 로컬 오실레이터fCH 텔레비전 신호 주파수를 혼합하여 케이블에 추가된 fCH + fLO 합에서 헤테로디안을 생성함으로써 이것을 한다. 소비자 가정에서 케이블 셋톱 박스주파수CH f + f에서LO 수신 신호를 동일한 국부 오실레이터 주파수와 혼합하여LO 차이 헤테로디네 주파수를 만들어 텔레비전 채널을 원래의 주파수인 (fCHLO + f) - f = fLOCH 변환하는 다운컨버터를 가지고 있다. 각 채널은 다른 높은 주파수로 이동한다. 신호의 원래 낮은 기본 주파수를 베이스밴드라고 하고, 이동되는 채널이 높을수록 패스밴드라고 한다.

아날로그 비디오테이프 녹화

많은 아날로그 비디오테이프 시스템은 제한된 대역폭에서 색상 정보를 기록하기 위해 하향 변환된 색상 하위 캐리어에 의존한다. 이러한 시스템을 "Heterodyne 시스템" 또는 "컬러 언더 시스템"이라고 한다. 예를 들어, NTSC 비디오 시스템의 경우 VHS(및 S-VHS) 기록 시스템은 컬러 서브캐리어(Color Subcarrier)를 NTSC 표준 3.58MHz에서 ~ 629kHz로 변환한다.[12] PAL VHS 색상 서브캐리어도 마찬가지로 하향 변환됨(4.43MHz부터). The now-obsolete 3/4" U-matic systems use a heterodyned ~688 kHz subcarrier for NTSC recordings (as does Sony's Betamax, which is at its basis a 1/2″ consumer version of U-matic), while PAL U-matic decks came in two mutually incompatible varieties, with different subcarrier frequencies, known as Hi-Band and Low-Band. 헤테로디네 컬러 시스템이 있는 다른 비디오테이프 형식에는 Video-8Hi8이 있다.[13]

이 경우 헤테로디네 시스템은 4차 위상 인코딩 및 진폭 변조 사인파를 브로드캐스트 주파수에서 1 MHz 미만의 대역폭에서 기록 가능한 주파수로 변환하는 데 사용된다. 재생 시 기록된 색 정보는 텔레비전 디스플레이 및 다른 표준 비디오 장비와의 교환을 위해 표준 서브캐리어 주파수로 다시 분류된다.

일부 U-매틱(3/4인치) 데크에는 7핀 미니 DIN 커넥터가 있어 일부 산업용 VHS, S-VHS 및 Hi8 레코더처럼 변환 없이 테이프를 더빙할 수 있다.

음악 합성

전자악기테마민은 전통적으로 헤테로디네 원리를 사용하여 하나 이상의 안테나 근처에서 음악가의 손이 움직이는 것에 대응하여 가변적인 오디오 주파수를 생산하는데, 이는 콘덴서 판 역할을 한다. 고정된 무선 주파수 오실레이터의 출력은 피치 제어 안테나 근처에서 이동할 때 안테나와 음악가의 손 사이의 가변 캐패시턴스에 의해 주파수가 영향을 받는 오실레이터의 출력과 혼합된다. 두 오실레이터 주파수 사이의 차이는 오디오 범위에서 톤을 생성한다.

링 모듈레이터는 일부 신디사이저에 통합되거나 독립형 오디오 효과로 사용되는 주파수 믹서의 일종이다.

광학 이질화

광학 헤테로디네 검출(Actical heetodyne detection, 활력 있는 연구의 영역)은 헤테로디네이션 기법을 더 높은 (보이는) 주파수로 확장한 것이다. 이 기술은 광학 조절기를 크게 개선하여 광섬유가 전달하는 정보의 밀도를 높일 수 있다. 레이저빔의 주파수를 직접 측정해 보다 정확한 원자시계의 생성에도 적용되고 있다. NIST 하위 항목 9.07.9-4를 참조하십시오.이를 위한 한 시스템에 대한 연구의 설명 R.[14][15]

광 주파수는 실현 가능한 전자 회로의 조작 용량을 훨씬 초과하므로, 모든 가시 주파수 광자 검출기는 본질적으로 전기장 검출기를 진동시키지 않는 에너지 검출기다. 그러나 에너지 검출은 본질적으로 "제곱법" 검출이기 때문에 검출기에 존재하는 광학 주파수를 본질적으로 혼합한다. 따라서 특정 광학 주파수의 민감한 검출에는 광학 헤테로디네인 검출이 필요하며, 여기서 두 개의 서로 다른 (닫힌) 파장의 빛이 검출기를 밝혀 진동하는 전기 출력이 주파수 간의 차이에 대응하도록 한다. 를 통해 레이저 도플러 진동계와 같이 기준 광원에 상대적인 광원의 위상 및 주파수를 정밀하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 극도로 좁은 대역 검출(가능한 색상 필터보다 훨씬 좁음)이 가능하다.

이 위상민감지 검출은 풍속의 도플러 측정과 조밀한 매체를 통한 영상촬영에 적용되었다. 배경 조명에 대한 높은 민감도는 특히 리다르에 유용하다.

광학 효과(OKE) 분광학에서 OKE 신호와 프로브 신호의 작은 부분의 광학적 이질화는 프로브, 헤테로디네 OKE-프로브, 호모디네 OKE 신호로 구성된 혼합 신호를 생성한다. 프로브와 호모디네 OKE 신호는 필터링할 수 있으며, 헤테로디네 주파수 신호는 검출할 수 있다.

헤테로디네 검출은 흔히 중간계측에서 사용되지만 대개 넓은계간계측보다는 단점검출에 국한되지만 특수카메라를 이용해 넓은계간계측정이 가능하다.[16] 단일 픽셀에서 기준 신호를 추출하는 이 기법을 사용하면 광학 부품이나 물체의 진동이나 마이크에 의해 발생하는 피스톤 위상 성분을 제거함으로써 고도로 안정적인 광전 헤테로디네 간섭계를 구축할 수 있다.[17]

수학적 원리

헤테로디닝은 삼각계 정격을 기반으로 한다.

왼쪽에 있는 제품은 다른 사인파를 가진 사인파의 곱셈("믹싱")을 나타낸다. 오른쪽은 결과 신호가 원래 주파수 두 개의 합에 1개, 그 차이에 1개 등 두 개의 정현상 용어의 차이임을 나타내는데, 이는 별개의 신호라고 볼 수 있다.

Using this trigonometric identity, the result of multiplying two sine wave signals and at different frequencies and can be calculated:

결과는 두 개의 사인파 신호2 합으로, 하나는 원래 주파수의 합 f1 + f에서2, 다른 하나1 f - f에서이다.

믹서

이 두 신호는 믹서라고 불리는 장치에 결합되어 있다. 앞의 절에서 보듯이 이상적인 믹서는 두 신호를 곱하는 장치일 것이다. 길버트 셀과 같이 널리 사용되는 일부 믹서 회로는 이런 방식으로 작동하지만, 주파수가 낮은 것으로 제한된다. 그러나 모든 비선형 전자 부품은 또한 그것에 적용되는 신호를 곱하여 출력에서 헤테로디네 주파수를 생성하므로, 다양한 비선형 부품이 혼합기 역할을 한다. 비선형 구성요소는 출력 전류 또는 전압이 입력의 비선형 함수인 구성요소를 말한다. 통신회로에 있는 대부분의 회로 요소는 선형으로 설계되어 있다. 이는 중첩 를 따른다는 것을 의미한다. F )이(가) 입력의 선형 요소의 출력인 경우

따라서 주파수 f1 f에서2 두 개의 사인파 신호를 선형 소자에 적용하는 경우 출력은 단순히 두 신호가 제품 조건 없이 별도로 적용될 때의 출력의 합이다. 따라서 믹서 제품을 만들려면 함수가 비선형이어야 한다. 완벽한 승수는 합과 차이 주파수(f1 ± f)에서만2 믹서 제품을 생산하지만, 보다 일반적인 비선형 함수는 n intef1 + m intef2 internm 경우 보다 높은 순서의 믹서 제품을 생산한다. 이중 균형 믹서와 같은 일부 믹서 디자인은 일부 고차원의 제품을 억제하는 반면, 조화 믹서와 같은 다른 디자인은 고차량의 차이를 이용한다.

혼합기로 사용되는 비선형 구성요소의 예로는 컷오프(C등급) 부근에 편향된 진공관트랜지스터다이오드가 있다. 포화로 구동되는 강자성 코어 인덕터는 낮은 주파수에서도 사용할 수 있다. 비선형 광학에서는 비선형 특성을 가진 결정체를 사용하여 레이저 광선을 혼합하여 광학적 헤테로디네 주파수를 생성한다.

믹서의 출력

비선형 구성요소가 신호를 곱하고 헤테로디네 주파수를 생성할 수 있는 방법을 수학적으로 입증하기 위해 비선형 함수 파워 시리즈(MacLaurin 시리즈)로 확장할 수 있다.

산술의 단순화를 위해 α2 이상의 고차 항을 줄임표(" . ")로 표시하고 첫 번째 항만 표시한다. 주파수 Ω1 = 2πf1Ω2 = 2πf에서2 두 사인파를 이 장치에 적용:

위의 두 번째 용어는 두 개의 사인파의 산물을 포함하고 있음을 알 수 있다. 삼각망 ID로 단순화:

따라서 출력은 두 원래 주파수의 Ω1 + Ω2 및 차이 Ω1 - Ω에서2 주파수를 갖는 사인파 항을 포함한다. 또한 원래의 주파수 및 원래의 주파수 1, 2, 1, 2 등의 배수로 항을 포함하며, 후자를 고조파라고 하며, 상호변조 제품이라1 불리는2 + NΩ의 주파수에서 더 복잡한 항을 포함한다. 원하지 않는 헤테로디네 주파수와 함께 이러한 원하지 않는 주파수는 원하는 주파수를 남기기 위해 전자 필터에 의해 믹서 출력에서 걸러져야 한다.

참고 항목

메모들

  1. ^ Christopher E. Cooper (January 2001). Physics. Fitzroy Dearborn Publishers. pp. 25–. ISBN 978-1-57958-358-3.
  2. ^ a b c d United States Bureau of Naval Personnel (1973). Basic Electronics. USA: Courier Dover. p. 338. ISBN 978-0-486-21076-6.
  3. ^ a b Graf, Rudolf F. (1999). Modern dictionary of electronics (7th ed.). USA: Newnes. p. 344. ISBN 978-0-7506-9866-5.
  4. ^ Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). The Art of Electronics (2nd ed.). London: Cambridge University Press. pp. 885, 897. ISBN 978-0-521-37095-0.
  5. ^ Strange, Allen; Strange, Patricia (2003). The Contemporary Violin: Extended Performance Techniques. Scarecrow Press. p. 216. ISBN 978-0-520-22409-4.
  6. ^ Ingard, Uno (2008). Acoustics. Jones and Bartlett. pp. 18–21. ISBN 978-1-934015-08-7.
  7. ^ 현대 무선 전자 기술의 일부 기초의 역사, 로이드 에스펜시드의 논평, IRE의 진행, 1959년 7월 (본 47, 7번), 페이지 1254, 1256. 비평. . . . 우리 현대 기술의 뿌리는 일반적으로 해먼드 연구소가 아닌 다른 원천으로 거슬러 올라간다." 댓글을 달다. 해먼드 그룹과 그 동시대 사람들의 일에 영양을 공급한 많은 뿌리가 우리 논문에 기록되었는데, 윌슨과 에반스, 테슬라, 슈메이커, 기본적인 방사선역학 분야의 선구자적 연구, 테슬라, 페센덴의 연구 등이 기본 중간 주파수 회로의 발달로 이어졌다.
  8. ^ 나힌 2001년, 페이지 91은 "페센덴의 회로는 시대를 앞서갔지만, 그 당시 필요한 주파수 안정성으로 필요한 국소 발진기를 구축할 수 있는 기술이 없었기 때문에 가능했다"고 말했다. 그림 7.10에는 단순화된 1907년 헤테로디네 검출기가 표시된다.
  9. ^ 페센덴 1905 페이지 4
  10. ^ Ashley, Charles Grinnell; Heyward, Charles Brian (1912). Wireless Telegraphy and Wireless Telephony. Chicago: American School of Correspondence. pp. 103/15–104/16.
  11. ^ 타판 K. 사르카르, 무선통신의 역사, 372페이지
  12. ^ 비디오 테이프 형식 .sr-only{.mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.frac.num,.mw-parser-output.frac .den{:80%;line-height:0;vertical-align:슈퍼 font-size}.mw-parser-output.frac .den{vertical-align:서브}.mw-parser-output을 사용하여.국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1⁄2-inch-wide(13mm)테이프, 2007-01-01 Retrieved.
  13. ^ Charles, Poynton (2003). Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers. pp. 582–3. ISBN 978-1-55860-792-7.
  14. ^ 계약 세부사항: 견고한 나노섬유 세라믹 마이크로센서 플랫폼
  15. ^ 계약 세부 정보: 고펄스파워 Varactor 영상촬영용 멀티플라이어
  16. ^ Patel, R.; Achamfuo-Yeboah, S.; Light R.; Clark M. (2011). "Widefield heterodyne interferometry using a custom CMOS modulated light camera". Optics Express. 19 (24): 24546–24556. doi:10.1364/oe.19.024546. PMID 22109482.
  17. ^ Patel, R.; Achamfuo-Yeboah, S.; Light R.; Clark M. (2012). "Ultrastable heterodyne interferometer system using a CMOS modulated light camera". Optics Express. 20 (16): 17722–17733. doi:10.1364/oe.20.017722. PMID 23038324.

참조

외부 링크