슈퍼히터오디엔수신기

종종 슈퍼헤이트로 단축되는 초헤테로디네 수신기는 주파수 혼합을 이용해 수신된 신호를 고정중간주파수(IF)로 변환하는 라디오 수신기의 일종으로, 원래 반송파 주파수보다 더 편리하게 처리할 수 있다. 그것은 오랫동안 미국의 엔지니어 에드윈 암스트롱에 의해 발명되었다고 믿었지만, 약간의 논란 후에 이 발명에 대한 최초의 특허는 현재 프랑스의 라디오 엔지니어이자 라디오 제조업체인 Lucien Lévy에게 인정되고 있다.^[1] 사실상 모든 현대의 라디오 수신기는 초헤테로디네 원리를 사용한다.

역사

헤테로디네

초기 모스 코드 라디오 방송은 스파크 갭에 연결된 교류 발전기를 사용하여 제작되었다. 출력 신호는 갭의 물리적 구조에 의해 정의된 반송파 주파수로, 교류 발전기의 신호에 의해 변조되었다. 교류 발전기의 출력은 일반적으로 가청 범위였기 때문에, 가청 진폭 변조(AM) 신호를 생성한다. 단순한 무선 탐지기가 고주파수 캐리어를 걸러내 변조를 남겼고, 변조는 점이나 대시의 청각 신호로 사용자의 헤드폰에 전달되었다.

1904년 에른스트 알렉산더슨은 이전의 스파크 갭 시스템보다 훨씬 높은 전력과 효율로 무선 주파수 출력을 직접 생산하는 장치인 알렉산더슨 교류발전기를 도입했다. 그러나 스파크 갭과 대조적으로 교류 발전기의 출력은 선택한 주파수에서 순수 반송파였다. 기존 수신기에서 점이나 대시(dash)가 감지되면 일반적으로 들리지 않거나 "초음파"가 될 수 있다. 수신기의 필터링 효과 때문에 이러한 신호는 일반적으로 딸깍 소리나 쿵 하는 소리가 발생했지만 점이나 대시를 결정하기 어려웠다.

1905년 캐나다의 발명가 레지날드 페센덴은 두 개의 알렉산더슨 교류 발전기를 하나의 신호 대신에 두 개의 신호를 방송하기 위해 촘촘한 간격으로 작동시키는 아이디어를 생각해 냈다. 그러면 수신기는 두 신호를 모두 수신하게 되고, 감지 프로세스의 일부로, 오직 비트 주파수만이 수신기를 빠져나갈 것이다. 비트 주파수가 들릴 정도로 근접하게 2개의 캐리어를 선택하면 그 결과로 나온 모스 코드는 단순한 수신기에서도 다시 한번 쉽게 들을 수 있었다. 예를 들어, 두 개의 교류 발전기가 3kHz의 주파수에서 작동한다면, 헤드폰의 출력은 3kHz 톤의 점이나 대시가 되어 쉽게 들을 수 있을 것이다.

페센덴은 이 시스템을 설명하기 위해 "차이에 의해 생성"(주파수)라는 뜻의 "헤테로디네"라는 용어를 만들었다. 그 단어는 그리스 뿌리의 헤테로- "다름"과 -dynne "힘"에서 유래되었다.

재생

모스 코드는 제작이 쉽고 수신도 용이해 라디오 초창기에 널리 사용되었다. 음성 방송과 대조적으로 앰프의 출력은 원래 신호의 변조와 밀접하게 일치할 필요가 없었다. 그 결과, 간단한 증폭 시스템을 얼마든지 사용할 수 있었다. 한 가지 방법은 초기 3극 증폭기 튜브의 흥미로운 부작용을 사용했다. 플레이트(음극)와 그리드가 모두 동일한 주파수에 맞게 조정된 공명 회로에 연결되고 스테이지 이득이 단성보다 훨씬 높다면 그리드와 플레이트 사이의 유유한 용량성 결합은 앰프를 진동으로 만들 것이다.

1913년 에드윈 하워드 암스트롱은 이 효과를 이용해 단일 3중극을 이용한 청각 모스 코드 출력을 내는 수신기를 기술했다. 양극에서 취한 앰프의 출력은 "티클러"를 통해 입력에 다시 연결되어 입력 신호를 일치를 훨씬 넘어서는 피드백이 발생하였다. 이로 인해 출력이 선택한 주파수에서 큰 증폭과 함께 진동하게 되었다. 원래 신호가 점 끝이나 대시 끝에 끊기면 진동이 쇠퇴하고 잠시 지체한 후 소리가 사라진다.

암스트롱은 이 개념을 재생 수신기라고 언급했고, 즉시 그 시대에 가장 널리 사용되는 시스템 중 하나가 되었다. 1920년대의 많은 무선 시스템은 재생 원리에 기반을 두고 있었으며, IFF Mark II와 같은 1940년대까지 전문화된 역할로 계속 사용되었다.

RDF

모스 코드 소스에 대해서도 재생 시스템이 적합하지 않은 역할이 한 가지 있었는데, 그것이 무선 방향 찾기, 즉 RDF의 과제였다.

재생 시스템은 매우 비선형적이어서, 어떤 임계값 이상의 어떤 신호도 엄청난 양만큼 증폭시켰고, 때로는 너무 커서 송신기로 변하게 했다(IFF 뒤에 있는 전체 개념이었다). RDF에서는 신호의 강도를 이용하여 송신기의 위치를 결정하므로, 종종 매우 약한 원래 신호의 강도를 정확하게 측정할 수 있도록 선형 증폭을 필요로 한다.

이러한 요구를 해결하기 위해, 그 시대의 RDF 시스템은 통일성 이하에서 동작하는 트라이오드를 사용했다. 그러한 시스템에서 사용 가능한 신호를 얻기 위해서는 수십 개 또는 심지어 수백 개의 트라이오드를 사용하여 양극과 그리드를 함께 연결해야 했다. 이 증폭기들은 엄청난 양의 전력을 끌어모았고 그들을 계속 가동시키기 위해 정비 기술자 팀이 필요했다. 그럼에도 불구하고 약한 신호에서 방향을 찾아내는 전략적 가치가 너무 높아 영국 해군성은 높은 비용이 정당하다고 느꼈다.

초헤테로디네

비록 많은 연구자들이 불과 몇 달 간격으로 특허를 출원하는 초헤테로디네 개념을 발견했지만(아래 참조), 암스트롱은 종종 그 개념을 인정받는다. 그는 RDF 수신기를 생산하는 더 나은 방법을 고민하던 중 우연히 그것을 발견했다. 그는 더 높은 "단파" 주파수로 이동하면 RDF가 더 유용해질 것이라고 결론지었고 이러한 신호에 대한 선형 증폭기를 구축할 수 있는 실질적인 수단을 찾고 있었다. 당시 단파는 기존의 어떤 앰프의 능력을 넘어 약 500kHz 이상의 것이었다.

재생 수신기가 진동할 때 근처의 다른 수신기도 다른 수신기를 줍기 시작한다는 것을 알아챘다. 암스트롱(및 다른 사람들)은 결국 이것이 스테이션의 반송파 주파수와 재생 수신기의 진동 주파수 사이의 "초음파 헤테로디네"에 의해 발생했다고 추론했다. 첫 번째 수신기가 높은 출력에서 진동하기 시작할 때, 그것의 신호는 안테나를 통해 다시 밖으로 흘러 가까운 수신기로 수신될 것이다. 그 수신기에서 두 신호는 원래의 헤테로디네 개념에서 그랬던 것처럼 혼합되어 두 신호 사이의 주파수 차이인 출력을 생성했다.

예를 들어 300kHz의 스테이션에 튜닝된 단일 수신기를 생각해 보십시오. 근처에 두 번째 수신기를 설치하고 높은 게인 400kHz로 설정하면 첫 번째 수신기에서 수신되는 400kHz 신호를 발산하기 시작한다. 이 수신기에서 두 신호가 혼합되어 원래 300kHz에서 한 신호, 수신된 400kHz에서 다른 신호, 그리고 100kHz에서 차이, 700kHz에서 합 등 4개의 출력을 생성한다. 이는 페센덴이 제안했던 것과 같은 효과지만, 그의 시스템에서는 의도적으로 두 주파수를 선택했기 때문에 박동 주파수를 들을 수 있었다. 이 경우 모든 주파수가 가청 범위를 훨씬 넘어 '초음파'가 되어 슈퍼히테로디네라는 이름이 생겨난다.

암스트롱은 "차이" 출력은 여전히 원래의 변조를 유지하지만 더 낮은 반송파 주파수에 대한 것이기 때문에 이러한 영향이 "단파" 증폭 문제에 대한 잠재적인 해결책임을 깨달았다. 위의 예에서, 100 kHz의 박동 신호를 증폭시킬 수 있고, 그것으로부터 원래의 정보를 검색할 수 있으며, 수신기는 더 높은 300 kHz의 원래의 반송파를 조정할 필요가 없다. 적절한 주파수 집합을 선택함으로써 매우 고주파 신호라도 기존 시스템에 의해 증폭될 수 있는 주파수로 "축소"할 수 있었다.

예를 들어, 1500 kHz에서 신호를 수신하려면, 예를 들어, 1560 kHz에서 오실레이터를 설정할 수 있다. 암스트롱은 이것을 "로컬 오실레이터" 또는 LO라고 불렀다. 그것의 신호가 동일한 장치의 두 번째 수신기에 공급되고 있었기 때문에, 수신 스테이션의 그것과 대략 비슷한 강도의 신호만 발생시킬 뿐, 강력할 필요는 없었다.^[a] LO의 신호가 스테이션의 신호와 혼합될 때 출력 중 하나는 헤테로디네 차이 주파수(이 경우 60kHz)가 된다. 그는 이러한 결과적 차이를 "중간 주파수"로 약칭하여 "IF"라고 불렀다.

1919년 12월, E. H. 암스트롱 소령은 초헤테로디네(super-heterodyne)라고 불리는 단파 증폭을 얻는 간접적인 방법을 홍보했다. 그 아이디어는, 예를 들어, 1,500,000 사이클 (200 미터)이 될 수 있는, 들어오는 주파수를 효율적으로 증폭될 수 있는 어떤 적절한 초음파 주파수로 줄인 다음, 이 전류를 중간 주파수 증폭기를 통해 전달하고, 마지막으로 한 두 단계의 오디오 주파수 증폭으로 정류하고 이어 나가는 것이다.^[2]

슈퍼히터오디엔에 대한 "트릭"은 LO 주파수를 변경함으로써 다른 스테이션에서 튜닝할 수 있다는 것이다. 예를 들어 1300kHz에서 신호를 수신하려면 LO를 1360kHz로 튜닝하여 동일한 60kHz IF를 얻을 수 있다. 이것은 앰프 섹션이 단일 주파수인 설계 IF로 작동하도록 조정될 수 있다는 것을 의미하며, 이것은 효율적이기 훨씬 더 쉽다.

개발

암스트롱은 그의 생각을 실행에 옮겼고, 그 기술은 곧 군대에 의해 채택되었다. 1920년대에 상업 라디오 방송이 시작되었을 때, 주로 여분의 튜브(오실레이터를 위한)가 필요했고, 수신기의 비용이 일반적으로 높으며, 그것을 작동하는데 필요한 기술 수준 때문에 덜 인기가 있었다. 초기 가정용 라디오의 경우, 튜닝된 무선 주파수 수신기(TRF)가 더 저렴하고, 비기술 소유자가 사용하기 쉬우며, 작동 비용이 낮기 때문에 더 인기가 있었다. 암스트롱은 결국 그의 초헤테로디네 특허를 웨스팅하우스에 팔았고, 그 특허는 1930년까지 초헤테로디네 수신기 시장을 독점하고 있는 미국 라디오 오브 아메리카(RCA)에 팔았다.^[4]

슈퍼헤트의 원래 동기는 고주파에서 삼극 증폭기를 사용하는 어려움이었기 때문에, 보다 낮은 중간 주파수를 사용하는 데 장점이 있었다. 이 시대에는 많은 수신기가 30kHz의 IF 주파수를 사용하였다.^[5] 이러한 낮은 IF 주파수는 철심 트랜스포머의 자기억제에 기초한 IF 트랜스포머를 사용하는 경우가 많았지만, 영상 주파수 거부반응은 좋지 않았지만 덜 견고한 중성미자 TRF 수신기와 유리하게 경쟁하는 방식으로 무선 주파수에서 트라이오드를 사용하는 어려움을 극복했다. 더 높은 IF 주파수(455kHz는 공통 표준)는 테트로드와 펜토드가 증폭 튜브로 발명된 후 후 후년에 사용되어 영상 거부 문제를 주로 해결하였다. 그러나 이후에도 낮은 IF 주파수(일반적으로 60 kHz)는 낮은 IF 주파수에서 더 낮은 IF 주파수에서 더 쉽게 선택성을 획득하기 위해 이중 또는 삼중 변환 통신 수신기의 두 번째(또는 세 번째) IF 단계에서 다시 사용되었고, 더 높은 IF 주파수에서 이미지 반출이 이루어졌다.

1920년대에 이러한 저주파수에서 상용 IF 필터는 1920년대 오디오 무대간 커플링 변압기와 매우 유사해 보였고, 유사한 구조를 가졌으며, 거의 동일한 방식으로 연결되었기 때문에 "라고 불렸다.IF 변압기". 1930년대 중반까지 훨씬 더 높은 중간 주파수(일반적으로 약 440–470 kHz)를 사용하는 초헤테로디네스는 다른 RF 애플리케이션과 더 유사한 튜닝된 변압기를 사용했다. 이름 "그러나 IF 변압기"는 현재 "중간 주파수"를 의미한다. 현대의 수신기는 일반적으로 세라믹 공명기 또는 표면 음향파 공명기와 기존의 튜닝 인덕터 IF 변압기를 혼합하여 사용한다.

1930년대까지 진공관 기술의 향상은 TRF 수신기의 비용 이점을 급속히 잠식시켰고, 방송국의 수가 폭발적으로 증가하면서 더 저렴한 고성능 수신기에 대한 수요가 생겨났다.

진공관에 추가 그리드를 도입했지만, 보다 현대적인 스크린-그리드 테트로드 이전에, 두 개의 제어 그리드와 함께 테트로드를 포함했다; 이 튜브는 소위 아우토디네 믹서에서 처음 사용되는 믹서와 오실레이터 기능을 결합했다. 이는 초헤테로디네 작동을 위해 특별히 설계된 튜브, 특히 펜타그리드 컨버터의 도입으로 빠르게 이어졌다. 관 개수를 줄임으로써(각 관 단계가 이 시대의 비용에 영향을 미치는 주요 요인이 됨) TRF와 재생 수신기 설계의 장점을 더욱 줄였다.

1930년대 중반까지 TRF 수신기의 상업적 생산은 주로 초헤테로디 수신기로 대체되었다. 1940년대까지 진공관 슈퍼히터오디엔 AM 방송수신기는 보통 컨버터(믹서/로컬 오실레이터), IF 증폭기, 검출기/오디오 앰프, 오디오 파워앰프, 정류기 등 5개의 진공관을 사용했기 때문에 '올 아메리칸 파이브'라고 불리는 값싼 제조용 디자인으로 정제되었다. 이때부터 초헤테로디네 디자인은 거의 모든 상업용 라디오와 TV 수신기에 사용되었다.

특허전

프랑스 엔지니어 Lucien Lévy는 1917년 8월 breve n° 493660으로 초헤테로디네 원리에 대한 특허 출원을 했다.^[6] 암스트롱도 1917년에 특허를 출원했다.^[7][8][9] 레비는 암스트롱이 죽기 약 7개월 전에 자신의 최초 공개를 신청했다.^[1] 독일의 발명가 월터 H. 쇼트키도 1918년에 특허를 출원했다.^[6]

처음에 미국은 암스트롱을 발명가로 인정했고, 그의 미국 특허 1,342,885는 1920년 6월 8일에 발행되었다.^[1] 다양한 변경과 법원 심리 끝에 레비는 암스트롱의 신청서 9건 중 7건이 포함된 미국 특허 173만4938호를 받았고, 나머지 2건은 GE의 알렉산더슨과 AT&T의 켄달에게 특허권을 부여했다.^[1]

작동 원리

오른쪽 다이어그램은 전형적인 단일 변환 슈퍼히터오디네 수신기의 블록 다이어그램을 보여준다. 다이어그램에는 초히테로디 수신기에 공통적인 블록이 있으며,^[10] RF 앰프만 선택 사항이다.

안테나가 무선 신호를 수집한다. RF 앰프 옵션으로 튜닝된 RF 단계는 초기 선택성을 제공한다. 영상 주파수를 억제해야 한다(아래 참조). 또한 강한 통과 대역 외 신호가 초기 앰프를 포화시키지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 국소 오실레이터는 혼합 주파수를 제공하며, 일반적으로 수신기를 다른 스테이션으로 튜닝하는 데 사용되는 가변 주파수 오실레이터다. 주파수 믹서는 수신되는 무선 주파수 신호를 더 높거나 더 낮은 고정된 중간 주파수(IF)로 변경하여 슈퍼히터오디엔의 이름을 주는 실제 헤테로디닝을 한다. IF 대역 통과 필터와 앰프는 라디오를 위한 게인 및 협대역 필터의 대부분을 공급한다. 디모듈레이터는 IF 무선 주파수에서 오디오 또는 기타 변조를 추출한다. 추출된 신호는 오디오 앰프에 의해 증폭된다.

회로 설명

무선 신호를 수신하려면 적절한 안테나가 필요하다. 안테나의 출력은 매우 작을 수 있으며, 종종 몇 마이크로볼트밖에 되지 않는다. 안테나로부터의 신호는 튜닝되어 이 단계가 생략되는 경우가 많지만, 이른바 무선 주파수(RF) 증폭기로 증폭될 수 있다. 이 단계에서 하나 이상의 튜닝된 회로가 의도된 수신 주파수에서 멀리 떨어져 있는 블록 주파수. 수신기를 특정 스테이션으로 조정하기 위해 로컬 오실레이터의 주파수는 튜닝 노브(예를 들어)에 의해 제어된다. 로컬 오실레이터와 RF 스테이지의 조정은 가변 캐패시터 또는 varicap 다이오드를 사용할 수 있다.^[11] RF 단계에서 하나 이상의 튜닝된 회로의 튜닝은 로컬 오실레이터의 튜닝을 추적해야 한다.

로컬 오실레이터 및 믹서

그런 다음 신호는 로컬 오실레이터(LO)로 알려진 가변 주파수 오실레이터의 사인파와 혼합되는 회로로 공급된다. 믹서는 총량과 차이 박동 주파수 신호를 모두 생성하기 위해 비선형 성분을 사용하며,^[12] 각 신호는 원하는 신호에 포함된 변조를 포함한다. 믹서의 출력은 f에서_RF 원래 RF 신호, f에서_LO 로컬 오실레이터 신호 및 f_RF + f와_LO f_RF - f의_LO 두 개의 새로운 헤테로디네 주파수를 포함할 수 있다. 믹서는 3차 및 고차 상호변조 제품과 같은 추가 주파수를 의도치 않게 생성할 수 있다. IF 밴드패스 필터는 f에서_IF 원하는 IF 신호를 제외한 모든 신호를 제거하는 것이 이상적이다. IF 신호는 수신된 무선 신호가 f에서_RF 가지고 있던 원래의 변조(전송된 정보)를 포함한다.

원하는 수신 무선 주파수 f가_LO f와 혼합되도록 로컬 오실레이터_RF f의_IF 주파수가 설정된다. 우세한 혼합기 제품은 f_RF ± f이기_LO 때문에 국소 발진기 주파수에는 두 가지 선택이 있다. 로컬 오실레이터 주파수가 원하는 수신 주파수보다 작으면 로우사이드 주입(f_IF = f_RFLO - f)이라고 하고, 로컬 오실레이터가 더 높으면 하이사이드 주입(f_IFLO = f_RF - f)이라고 한다.

믹서는 f에서_RF 원하는 입력 신호뿐만 아니라 입력에 존재하는 모든 신호도 처리한다. 믹서기 제품(헤테로디네즈)이 많이 나올 것이다. (예: 근처 주파수의 스테이션으로 인해) 믹서에 의해 생성되는 대부분의 다른 신호는 IF 조정 증폭기에서 걸러질 수 있다. 이 신호는 슈퍼히터odyne 수신기의 우수한 성능을 제공한다. 그러나 f를_LO f_RF + f로_IF 설정하면 f_LO + f에서_IF 수신되는 무선 신호도 f에서_IF 헤테로디네인을 생성한다. 주파수 f_LO + f는_IF 이미지 주파수라고 불리며 RF 단계에서 튜닝된 회로에 의해 거부되어야 한다. 영상 주파수는 원하는 주파수 f보다_RF 2f_IF(또는 더 낮음) 높으므로 IF 주파수 f를_IF 더 많이 채택하면 RF 단계에서 추가적인 선택성이 필요 없이 수신기의 영상 제거가 증가한다.

원하지 않는 이미지를 억제하려면 RF 스테이지와 LO의 튜닝이 서로 "추적"해야 할 수 있다. 경우에 따라 협대역 수신기는 고정 튜닝된 RF 앰프를 가질 수 있다. 이 경우 국소 발진기 주파수만 변경된다. 대부분의 경우, 수신기의 입력 대역은 IF 중심 주파수보다 넓다. 예를 들어 일반적인 AM 방송 밴드 수신기는 455kHz IF 주파수로 510kHz ~ 1655kHz(약 1160kHz 입력 대역)를 커버하며, FM 방송 밴드 수신기는 88MHz ~ 108MHz IF 주파수로 커버한다. 그러한 상황에서는 IF 앰프가 동시에 두 스테이션을 보지 않도록 RF 앰프를 튜닝해야 한다. AM 방송 밴드 수신기 LO를 1200kHz로 설정한 경우, 745kHz(1200-455kHz)와 1655kHz의 방송국을 모두 볼 수 있다. 따라서 RF 단계는 IF 주파수의 두 배 떨어진 모든 스테이션이 유의하게 감쇠되도록 설계되어야 한다. 추적은 다중 섹션 가변 캐패시터 또는 공통 제어 전압에 의해 구동되는 일부 바락터를 사용하여 수행할 수 있다. RF 앰프는 입력과 출력 모두에서 회로를 튜닝했을 수 있으므로 3개 이상의 튜닝된 회로를 추적할 수 있다. 실제로 RF와 LO 주파수는 정밀하게 추적해야 하지만 완벽하지는 않다.^[13][14]

튜브(밸브) 전자제품 시대에는 슈퍼히터오디네 수신기가 국소 오실레이터와 믹서의 기능을 하나의 튜브에 결합해 전력, 크기, 특히 비용 절감으로 이어지는 것이 일반적이었다. 단일 펜타그리드 컨버터 튜브는 진동하며 신호 증폭과 주파수 혼합을 제공한다.^[15]

IF 증폭기

중간 주파수 증폭기("IF 앰프" 또는 "IF 스트립")의 단계는 수신 주파수가 변화해도 변하지 않는 고정 주파수에 맞춰 조정된다. 고정 주파수는 IF 증폭기의 최적화를 단순화한다.^[10] IF 앰프는 중심 주파수 f 주변에서_IF 선택적이다. 고정된 중앙 주파수는 IF 앰프의 단계를 최상의 성능을 위해 세심하게 튜닝할 수 있도록 한다(이 튜닝을 IF 앰프 "경정"이라고 한다). 수신 주파수와 함께 중심 주파수가 변경되었다면 IF 단계는 튜닝을 추적해야 했을 것이다. 슈퍼히터오디엔은 그렇지 않다.

일반적으로 IF 중심 주파수 f는_IF 원하는 수신 주파수 f의_RF 범위보다 작도록 선택된다. 튜닝된 회로를 사용하여 낮은 주파수에서 높은 선택도를 얻는 것이 더 쉽고 저렴하기 때문이다. 특정 Q로 튜닝된 회로의 대역폭은 주파수 자체에 비례하므로(더 낮은 주파수에서 더 높은 Q를 달성할 수 있음) 동일한 선택성을 달성하기 위해 필요한 IF 필터 단계는 더 적다. 또한 낮은 주파수에서 높은 이득을 얻는 것이 더 쉽고 저렴하다.

그러나 넓은 주파수 범위(예: 스캐너 및 스펙트럼 분석기)에 걸쳐 수신을 위해 설계된 많은 현대식 수신기에서 수신 주파수보다 높은 첫 번째 IF 주파수가 이중 변환 구성에 사용된다. 예를 들어, Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF 수신기는 10 kHz ~ 30 MHz를 커버한다.^[14] 대역스위치 RF 필터가 있으며 입력은 81.4MHz의 첫 번째 IF와 1.4MHz의 두 번째 IF 주파수에 혼합된다. 첫 번째 LO 주파수는 81.4~111.4MHz로 오실레이터에 적합한 범위다. 그러나 수신기의 원래 RF 범위를 1.4MHz 중간 주파수로 직접 변환하려면 LO 주파수는 튜닝된 회로를 사용하여 달성할 수 없는 1.4~31.4MHz를 커버해야 한다(고정 인덕터가 있는 가변 캐패시터에는 500:1의 캐패시턴스 범위가 필요하다). IF 주파수가 높은 경우 이미지 거부 문제는 결코 아니다. 첫 번째 IF 단계는 12 kHz 대역폭의 결정 필터를 사용한다. 81.4MHz 1차 IF와 80MHz를 혼합하여 1.4MHz 2차 IF를 생성하는 2차 주파수 변환(트리플 변환 수신기 제작)이 있다. 첫 번째 IF의 대역폭이 2.8MHz보다 훨씬 작기 때문에 두 번째 IF의 이미지 거부는 문제가 되지 않는다.

수신기에 대한 간섭을 피하기 위해, 면허 당국은 송신소에 공통 IF 주파수를 할당하는 것을 피할 것이다. 표준 중간 주파수는 중파 AM 라디오의 경우 455kHz, 방송 FM 수신기의 경우 10.7MHz, 텔레비전의 경우 38.9MHz(유럽) 또는 45MHz, 위성 및 지상 마이크로파 장비의 경우 70MHz이다. 이러한 구성 요소와 관련된 툴링 비용을 피하기 위해 대부분의 제조업체는 제공된 주파수의 고정 범위에 따라 수신기를 설계하는 경향이 있었으며, 이는 중간 주파수의 전세계적인 사실상의 표준화를 초래했다.

초기의 슈퍼히트에서 IF 단계는 종종 더 적은 수의 구성요소로 민감성과 선택성을 제공하는 재생 단계였다. 그러한 초신성들은 초신성 혹은 재생성이라고 불렸다.^[16] 이를 Q승수라고도 하며, 특히 선택성을 높이기 위해 기존 수신기를 약간 수정하는 것을 포함한다.

IF 밴드패스 필터

IF 단계에는 원하는 선택도를 달성하기 위한 필터 및/또는 복수의 튜닝된 회로가 포함된다. 이 필터링은 인접한 방송 채널 사이의 주파수 간격과 같거나 작은 대역 패스를 가져야 한다. 이상적으로는 필터는 인접 채널에 높은 감쇠를 가지지만, 수신된 신호의 품질을 유지하기 위해 원하는 신호 스펙트럼에 걸쳐 평탄한 응답을 유지한다. 이것은 하나 이상의 이중 튜닝 IF 변압기, 쿼츠 결정 필터 또는 멀티폴 세라믹 결정 필터를 사용하여 얻을 수 있다.^[17]

텔레비전 수신기의 경우, 1941년 미국이 처음 승인한 NTSC 시스템에서 사용되는 것과 같이, 잔존적인 측면 대역 수신에 필요한 정밀한 대역전송 특성을 생산할 수 있는 다른 기술은 없었다. 1980년대까지 다중 구성 요소 캐패시터 인덕터 필터는 정밀 전자기계 표면 음향파(SAW) 필터로 대체되었다. 정밀 레이저 밀링 기법으로 제작된 SAW 필터는 생산 비용이 저렴하고 공차가 극히 근접할 수 있으며 작동 상태가 매우 안정적이다.

디모듈레이터

수신된 신호는 이제 오디오 신호(또는 다른 베이스밴드 신호)가 복구된 다음 추가로 증폭되는 디모듈레이터 단계에 의해 처리된다. AM 감속은 RF 신호의 간단한 정류(일명 봉투 검출)와 중간 주파수의 잔재를 제거하기 위한 간단한 RC 로우패스 필터를 필요로 한다.^[18] FM 신호는 판별기, 비율 검출기 또는 위상 잠금 루프를 사용하여 감지할 수 있다. 연속파 및 단일 사이드밴드 신호는 소위 박동 주파수 오실레이터를 사용하는 제품 검출기가 필요하며, 다른 유형의 변조에 사용되는 다른 기법이 있다.^[19] 그런 다음 결과 오디오 신호(예를 들어)가 증폭되고 확성기를 구동한다.

로컬 오실레이터가 수신 신호보다 높은 주파수(일반적인 경우)에 있는 소위 하이사이드 주입을 사용했을 때, 원래 신호의 주파수 스펙트럼이 역전된다. 단일 측면 대역과 같은 특정 유형의 변조의 경우 분광기(및 IF 필터링)가 이를 고려해야 한다.

다중 변환

영상 응답과 같은 장애물을 극복하기 위해, 일부 수신기는 주파수 변환의 여러 연속 단계와 다른 값의 여러 IF를 사용한다. 두 개의 주파수 변환과 IF가 있는 수신기를 이중 변환 슈퍼헤테로디네라고 하며, 세 개의 IF가 있는 수신기를 트리플 변환 슈퍼헤테로디네라고 한다.

이것이 이루어지는 주된 이유는 단일 IF로 낮은 이미지 응답과 선택성 사이에 트레이드오프가 있기 때문이다. 수신 주파수와 영상 주파수 사이의 분리는 IF 주파수의 두 배와 같기 때문에 IF 주파수가 높을수록 입력에서 영상 주파수를 제거하고 낮은 영상 응답을 얻기 위해 RF 필터를 설계하기가 쉽다. 그러나 IF가 높을수록 IF 필터에서 높은 선택성을 달성하기가 어렵다. 단파 주파수 이상에서는 낮은 이미지 응답에 필요한 높은 IF와의 튜닝에서 충분한 선택성을 확보하기가 어려워 성능에 영향을 미친다. 이 문제를 해결하려면 두 개의 IF 주파수를 사용하려면 먼저 입력 주파수를 높은 IF로 변환하여 낮은 영상 응답을 달성한 다음 이 주파수를 낮은 IF로 변환하여 두 번째 IF 필터에서 양호한 선택성을 달성하십시오. 튜닝을 개선하기 위해 세 번째 IF를 사용할 수 있다.

예를 들어 500kHz에서 30MHz까지 튜닝할 수 있는 수신기의 경우 3개의 주파수 변환기를 사용할 수 있다.^[10] 455 kHz의 IF를 사용하면 방송 밴드(1600 kHz 미만) 신호로 적절한 프런트 엔드 선택성을 쉽게 얻을 수 있다. 예를 들어 수신 중인 스테이션이 600kHz일 경우 로컬 오실레이터를 1055kHz로 설정하여 (-600+1055=) 455kHz에 이미지를 제공할 수 있다. 그러나 1510kHz의 스테이션은 455kHz에서 영상을 잠재적으로 생성할 수 있으므로 이미지 간섭을 일으킬 수 있다. 그러나 600kHz와 1510kHz의 차이가 너무 크기 때문에 1510kHz 주파수를 거부하는 프런트 엔드 튜닝 설계가 용이하다.

하지만 30MHz에서는 상황이 다르다. 오실레이터는 455kHz IF를 생성하기 위해 30.455MHz로 설정되지만, 30.910의 스테이션도 455kHz 비트를 생성하므로 두 스테이션이 동시에 들리게 된다. 그러나 30MHz와 30.91MHz를 적절히 구별할 수 있는 RF 튜닝 회로를 설계하는 것은 사실상 불가능하므로, 한 가지 접근방식은 적절한 프런트 엔드 튜닝이 보다 쉬운 낮은 주파수로 단파 대역의 전체 구간을 "전방 변환"하는 것이다.

예를 들어, 29MHz ~ 30MHz, 28MHz ~ 29MHz 등의 범위는 2MHz ~ 3MHz로 변환될 수 있으며, 여기서 더 편리하게 튜닝할 수 있다. 이것은 종종 각 "블록"을 더 높은 주파수(일반적으로 40 MHz)로 변환한 다음 두 번째 믹서를 사용하여 2 MHz 범위를 3 MHz 범위로 변환함으로써 이루어진다. 2 MHz ~ 3 MHz "IF"는 기본적으로 455 kHz의 표준 IF를 가진 또 다른 자급식 슈퍼히터odyne 수신기다.

모던 디자인

마이크로프로세서 기술은 초기 IF 필터가 소프트웨어에서 구현된 후 IF 처리가 이루어지는 소프트웨어 정의 무선 아키텍처에 의해 초Heterodyne 수신기 설계를 대체할 수 있다. 이 기법은 이미 시스템에 필요한 마이크로프로세서가 있기 때문에 휴대 전화에 통합된 초저가 FM 라디오와 같은 특정 설계에서 사용되고 있다.

또한 무선 송신기는 출력 주파수를 생성하기 위해 믹서 단계를 사용할 수 있으며, 슈퍼히터odyne 수신기의 역순으로 작동한다.

장단점

슈퍼히테로디 수신기는 기본적으로 이전의 모든 수신기 설계를 대체했다. 현대 반도체 전자제품의 개발은 진공관을 적게 사용하는 설계의 장점(재생수신기 등)을 부정했다. 슈퍼히터오디네 수신기는 뛰어난 감도, 주파수 안정성 및 선택성을 제공한다. 튜닝된 무선 주파수 수신기(TRF) 설계와 비교했을 때, 슈퍼히트는 튜닝 가능한 앰프보다 튜닝 가능한 오실레이터가 더 쉽게 실현되기 때문에 더 나은 안정성을 제공한다. IF 필터는 낮은 주파수로 작동하면 동일한 Q 계수에 동등한 RF 필터보다 좁은 패스밴드를 제공할 수 있다. 고정 IF는 또한 조정될 수 없는 결정 필터나^[10] 유사한 기술을 사용할 수 있다. 재생 및 초재생 수신기는 높은 감도를 제공했지만, 종종 안정성 문제로 인해 작동에 어려움을 겪는다.

슈퍼헤트 디자인의 장점은 압도적이지만 실제로 해결해야 할 몇 가지 단점이 있다.

영상 주파수(f_IMAGE)

초헤테로디네 수신기의 주요 단점 중 하나는 영상 주파수 문제다. 헤테로디네 수신기에서 영상 주파수는 중간 주파수의 두 배인 스테이션 주파수 플러스(또는 마이너스)와 동일한 원치 않는 입력 주파수다. 영상 주파수는 두 스테이션을 동시에 수신하여 간섭을 발생시킨다. 영상 주파수에서의 수신은 초헤테로디 수신기의 안테나 및 RF 단계의 튜닝(필터링)을 통해 결합할 수 있다.

${\displaystyle f_{\mathrm {IMIGE}}={\begin}f+2f_{\mathrm {}IF} }},&{\text{}f_{}{\mathrm {LO}}>f{\text{ (고측 주입)}}}\f-2f_{\mathrm {}IF} }}},&{\text{}f_{}{\mathrm {LO}}<f{\text{ (저측 주입)}}}\end{case}}$

예를 들어, 580 kHz의 AM 방송국은 455 kHz IF의 수신기로 튜닝된다. 로컬 오실레이터는 580 + 455 = 1035 kHz로 조정된다. 그러나 580 + 455 + 455 = 1490 kHz의 신호도 로컬 오실레이터에서 455 kHz 떨어져 있으므로 원하는 신호와 영상이 모두 로컬 오실레이터와 혼합될 때 중간 주파수에 나타난다. 이 영상 주파수는 AM 방송 대역 내에 있다. 실용적인 수신기는 영상 주파수 신호의 진폭을 크게 줄이기 위해 변환기 앞에 튜닝 단계를 가지고 있으며, 또한 같은 지역의 방송국에는 그러한 영상을^{[citation needed]} 피하기 위해 주파수가 할당되어 있다.

원하지 않는 주파수는 $원하는{\displaystyle {}_{}}$ 주파수의 "미러 이미지"라고 불리는데, 이는 그것이${\displaystyle {}_{}}$f ${\displaystyle o_{}}$ {\$displaystyle$ f_${o}\!}$에 대해 반사되는 원하는 주파수의 "미러 이미지"이기 때문이다$.$ 입력에 부적절한 필터링이 있는 수신기는 원하는 주파수와 이미지 주파수라는 두 개의 다른 주파수에서 동시에 신호를 수신할 것이다. 영상 주파수에 있는 라디오 수신은 원하는 신호의 수신을 방해할 수 있으며, 영상 주파수 주변의 노이즈(정적)는 수신기의 신호 대 잡음 비(SNR)를 최대 3dB까지 감소시킬 수 있다.

초기 Autodyne 수신기는 일반적으로 150kHz 정도의 IF만 사용했다. 그 결과 대부분의 Autodyne 수신기는 영상 간섭을 피하기 위해 종종 이중 튜닝 코일을 포함하는 더 큰 프런트 엔드 선택성이 필요했다. 이후 더 높은 주파수에서 잘 증폭할 수 있는 튜브가 개발되면서 더 높은 IF 주파수가 사용되어 영상 간섭 문제가 줄어들었다. 일반적인 소비자 라디오 수신기는 RF 단계에서 단 하나의 튜닝된 회로만 가진다.

이미지 주파수에 대한 민감도는 (1) 믹서 앞에 있는 필터 또는 (2) 이미지를 억제하기 위해 더 복잡한 믹서 회로에 의해서만 최소화될 수 있다. 이는 거의 사용되지 않는다. 단일 IF 주파수를 사용하는 대부분의 튜닝 가능 수신기에서 RF 스테이지에는 로컬 오실레이터와 함께 튜닝이 수행되는 RF 프런트 엔드의 튜닝 회로가 하나 이상 포함된다. 첫 번째 변환기가 고정 로컬 오실레이터를 사용하는 더블(또는 트리플) 변환 수신기에서, 이것은 오히려 첫 번째 IF 주파수 범위에 매핑되는 주파수 범위를 수용하는 고정 대역 통과 필터일 수 있다.

이미지 제거는 수신기의 중간 주파수를 선택하는 데 중요한 요소다. 대역 통과 주파수와 영상 주파수가 멀리 떨어져 있을수록 대역 통과 필터는 간섭 영상 신호를 감쇠시킨다. 대역 패스와 영상 주파수 사이의 주파수 분리가 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {I\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{F}}_{}}$ $displaystyle 2f_{\mathrm}$이므로$IF}$ $\}\backslash !\},$ 중간 주파수가 높을수록 이미지 제거 기능이 향상된다. 고정 조정된 RF 스테이지가 영상 신호를 거부할 수 있는 경우 충분히 높은 값을 먼저 사용하는 것이 가능할 수 있다.

영상 주파수에서 간섭 신호를 거부하는 수신기의 능력은 영상 제거비로 측정된다. 이것은 수신 주파수에서 신호로부터 수신기 출력의 비율(데시벨 단위)이며, 영상 주파수에서 동일한 강도 신호에 대한 출력이다.

국부 발진기 방사선

국소 발진기의 표류 방사선을 인근 수신기가 탐지할 수 있는 수준 이하로 유지하는 것은 어려울 수 있다. 수신기의 로컬 오실레이터가 안테나에 도달할 수 있는 경우, 저전력 CW 송신기의 역할을 할 것이다. 결과적으로, 수신기라는 것은 그 자체로 무선 간섭을 일으킬 수 있다.

지능 작동에서 국소 발진기 방사선은 은밀한 수신기와 그 작동 주파수를 감지하는 수단을 제공한다. 이 방법은 RAPERT 작전 중 MI5가 사용하였다.^[21] 레이더 탐지기가 불법인 관할 지역에서 교통경찰이 사용하는 레이더 탐지기도 이 같은 기법이 사용된다.

국부 오실레이터 방사선은 RF 앰프 단계가 중간에 사용되는 수신기에서가 아니라 안테나 신호가 믹서에 직접 연결되는 수신기에서 가장 두드러진다(그 자체가 국부 오실레이터 신호를 수신한다. 따라서 RF 증폭 단계를 구현하기 어려운 고주파(특히 마이크로파)에서의 수신기와 수신기의 문제는 더욱 심각하다.

로컬 오실레이터 사이드밴드 노이즈

국부 오실레이터는 일반적으로 무시할 수 있는 진폭 변조를 갖는 단일 주파수 신호를 생성하지만 신호의 에너지 일부를 사이드밴드 주파수로 분산시키는 일부 랜덤 위상 변조를 생성한다. 그것은 수신기의 주파수 응답의^{[dubious – discuss]} 상응하는 폭을 넓혀서 저속 디지털 신호 수신과 같은 매우 좁은 대역폭 수신기를 만들려는 목적을 좌절시킬 것이다. 일반적으로 오실레이터가 비선형 모드로 들어가지 않도록 보장하여^{[dubious – discuss]} 오실레이터 위상 노이즈를 최소화하도록 주의를 기울여야 한다.

용어.

첫 번째 검출기, 두 번째 검출기

믹서관이나 트랜지스터를 제1 검출기라고^{[citation needed]} 부르기도 하고, IF 신호에서 변조를 추출하는 디모듈레이터를 제2 검출기라고 부르기도 한다. 이중 변환 슈퍼헤트에는 두 개의 믹서가 있어 디모듈레이터를 세 번째 검출기라고 부른다.

RF 프런트 엔드

믹서까지의 수신기의 모든 구성 요소, 원래 수신되는 무선 주파수에서 신호를 처리하는 모든 부분. 위의 블록 다이어그램에서 RF 프론트 엔드 구성 요소는 빨간색이다.

참고 항목

• H2X 레이더
• 자동 게인 제어
• 디모듈레이터
• 다이렉트 변환 리시버
• VFO
• 단일 사이드밴드 변조(데모레이션)
• 튜닝된 무선 주파수 수신기
• 반사수신기
• 광학 헤테로디네 검출
• 초헤테로디네 송신기

메모들

참조

추가 읽기

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 슈퍼헤테로디네 회로와 관련된 미디어가 있다.

• http://ethw.org/Superheterodyne_Receiver
• 초헤테로디네(superheterodyne) 방법을 연구하는 다양한 발명가들의 역사를 알려주는 기사Douglas, Alan (November 1990). "Who Invented the Superheterodyne?". Proceedings of the Radio Club of America. 64 (3): 123–142..
• Hogan, John L., Jr. (September 1915). "Developments of the Heterodyne Receiver". Proceedings of the IRE. 3 (3): 249–260. doi:10.1109/jrproc.1915.216679. S2CID 51639962.
• Champeix (March–April 1979). "Qui a Inventé le Superhétérodyne?". La Liaison des Transmissions (in French). 116.
  Champeix (April–May 1979). "Qui a Inventé le Superhétérodyne?". La Liaison des Transmissions (in French). 117. Rise Paul Laüt는 레비보다 6개월 전에 출판했고 Etienne은 그 메모를 출판했다.
• Schottky, Walter H. (October 1926). "On the Origin of the Super-Heterodyne Method". Proceedings of the I.R.E. 14 (5): 695–698. doi:10.1109/JRPROC.1926.221074. ISSN 0731-5996. S2CID 51646766.
• Morse, A. M. (1925-07-31). "needed". Electrician. 영어의 노력을 설명한다.
• 29F(2d)953. 암스트롱 대 레비 사건 1928년 12월 3일 http://www.leagle.com/decision/192898229F2d953_1614/ARMSTRONG%20v.%20LEVY으로 결정되었다.
• 슈퍼히테로디 수신기에 대한 심도 있는 소개
• microwaves101.com의 Superheterodyne 수신기
• 슈퍼히터오디네 수신기와 그 기술을 설명하는 멀티페이지 튜토리얼