Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Радио қабылдағыштың жобалануы радио қабылдағыштың әртүрлі компоненттерінің электрондық жобалануын қамтиды, ол антеннадан радиожиілік сигналын өңдеп, аудио сияқты қолданылатын ақпаратты шығарады. Қазіргі заманғы қабылдағыштың күрделілігі және қолданылатын схемалар мен әдістердің мүмкін диапазоны электроника және коммуникациялық инженерияда толығырақ қарастырылады. Осы мақалада "радио қабылдағыш" термині радиосигналды қабылдауға және сигналдан пайдалы ақпарат алуға, ең бастысы, коммуникациялық немесе хабар тарату жүйесінде радиосигналды тарату кезінде модуляцияланған базалық сигналды (мысалы, аудио) қайта құруға арналған кез келген құрылғыны білдіреді.
Radio receiver design includes the electronic design of different components of a radio receiver which processes the radio frequency signal from an antenna in order to produce usable information such as audio. The complexity of a modern receiver and the possible range of circuitry and methods employed are more generally covered in electronics and communications engineering. The term radio receiver is understood in this article to mean any device which is intended to receive a radio signal in order to generate useful information from the signal, most notably a recreation of the so called baseband signal (such as audio) which modulated the radio signal at the time of transmission in a communications or broadcast system.
Негізгі ескертулер
Радио қабылдағыштың конструкциясында практикалық нәтижеге қол жеткізу үшін бірнеше негізгі критерийлерді ескеру қажет. Басты критерийлер – күшейту, таңдау, сезімталдық және тұрақтылық. Қабылдағышта бастапқыда радиотасымалдағыш сигналына енгізілген ақпаратты қалпына келтіру үшін детектор болуы керек, бұл процесс модуляция деп аталады. Күшейту қажет, себебі антеннамен ұсталған сигналдың қуат деңгейі өте төмен болады, пиковат немесе фемтоваттар шамасында. Құлаққаптар арқылы естілетін сигналды алу үшін бұл сигнал триллион есе немесе одан да көп күшейтілуі керек. Қажетті күшейту шамалары соншалықты үлкен, сондықтан логарифмдік бірлік – децибел қолданылады. Триллион есе күш – 120 децибелге тең, бұл көптеген стандартты қабылдағыштарда қол жеткізілетін мән. Күшейтуді қабылдағыштың бір немесе бірнеше күшейткіш сатылары қамтамасыз етеді. Күшейтудің бір бөлігі жүйенің радиожиіліктік бөлігінде, ал қалғаны қалпына келтірілген ақпараттың (аудио, бейне немесе деректер сигналдары) жиіліктерінде қолданылады. Таңдау – бұл берілісте болатын көптеген станциялардың арасынан тек біреуін таңдау мүмкіндігі. Жолақты өткізгіш сүзгі – қабылдағыштың әдеттегі сатысы. Қабылдағышта жеткілікті таңдау үшін бірнеше жолақты өткізгіш сүзгілер болуы мүмкін. Сонымен қатар, қабылдағыштың конструкциясы қабылдағышта пайда болатын қате сигналдардан қорғалуын қамтамасыз етуі керек, олар қажетті сигналға кедергі келтіруі мүмкін. Белгілі бір аймақтағы хабар тарату станцияларына жиіліктер тағайындалады, соның арқасында қабылдағыштар қажетті хабарды дұрыс таңдай алады. Бұл берілген аймақта жұмыс істейтін хабар тарату станцияларының санын шектейтін маңызды фактор. Сезімталдық – бұл сигналды фондық шудан қалпына келтіру қабілеті. Шу жіберуші мен қабылдағыш арасындағы жолда пайда болады, бірақ қабылдағыштың өзінде де маңызды мөлшерде пайда болады. Кез келген тізбек абсолюттік нөлден жоғары температурада кездейсоқ шу тудырады, ол қажетті сигналдарға қосылады. Кейбір жағдайларда атмосфералық шу қабылдағыштың өзінде туындайтын шудан әлдеқайда көп болады, бірақ кейбір конструкцияларда сигналдарды жылу шуымен жасыруды болдырмау үшін қабылдағыштың кейбір сатыларына криогендік салқындату сияқты шаралар қолданылады. Жақсы қабылдағыш дизайнының шу көрсеткіші жұмыс температурасы мен қажетті сигналдың ені үшін теориялық минимумнан бірнеше есе ғана жоғары болуы мүмкін. Мақсаты – қалпына келтірілген сигналдың шуға қатынасын мақсатты қолдану үшін жеткілікті деңгейге жеткізу. Бұл қатынас децибелмен де көрсетіледі. Сигналдың шуға қатынасы 10 дБ (сигнал шудан 10 есе күшті) тәжірибелі операторлар үшін дауыстық байланыс үшін қолдануға болады, бірақ жоғары сапалы музыканы қайтаруға арналған қабылдағышқа 50 дБ немесе одан да жоғары сигналдың шуға қатынасы қажет болуы мүмкін. Тұрақтылық кемінде екі мағынада қажет. Жиіліктік тұрақтылық: қабылдағыш кіріс радио сигналына «түйілуі» керек және уақыт өте келе немесе температураның өзгеруіне байланысты «қайыстырылмауы» керек. Сонымен қатар, күшейтудің үлкен шамасын мұқият бақылау керек, сонда қабылдағышта қате шығындар пайда болмайды. Бұл қалпына келтірілген ақпараттың бұрмалануына немесе ең жаман жағдайда басқа қабылдағыштарға кедергі келтіретін сигналдардың сәулеленуіне әкелуі мүмкін. Детектор сатысы радиожиіліктік сигналдан ақпаратты қалпына келтіреді және бастапқыда тасымалдағыш толқынға енгізілген дыбысты, бейнені немесе деректерді шығарады. Детекторлар амплитудалық модуляция үшін «мұқаба» детекторы сияқты қарапайым немесе жиілік секіруі сияқты жаңа әдістер үшін күрделі тізбектер болуы мүмкін. Қабылдағыш үшін негізгі емес, автоматты күшейтуді басқару пайдаланушыға ыңғайлы, себебі ол автоматты түрде алынған сигнал деңгейлерінің өзгеруіне немесе әртүрлі таратушылардан алынған әртүрлі деңгейлерге бейімделеді. Осы көптеген, кейде қарама-қайшы факторларды шешу үшін әртүрлі тәсілдер мен қабылдағыштың «блок-схемалары» әзірленді. Осы техникалық мақсаттарға қол жеткізілгеннен кейін, қалған жобалау процесі экономика, патенттік құқықтар және тіпті сән сияқты факторлармен күрделенеді.
Design of a radio receiver must consider several fundamental criteria to produce a practical result. The main criteria are gain, selectivity, sensitivity, and stability. The receiver must contain a detector to recover the information initially impressed on the radio carrier signal, a process called modulation. Gain is required because the signal intercepted by an antenna will have a very low power level, on the order of picowatts or femtowatts. To produce an audible signal in a pair of headphones requires this signal to be amplified a trillion fold or more. The magnitudes of the required gain are so great that the logarithmic unit decibel is preferred a gain of 1 trillion times the power is 120 decibels, which is a value achieved by many common receivers. Gain is provided by one or more amplifier stages in a receiver design; some of the gain is applied at the radio frequency part of the system, and the rest at the frequencies used by the recovered information (audio, video, or data signals). Selectivity is the ability to "tune in" to just one station of the many that may be transmitting at any given time. An adjustable bandpass filter is a typical stage of a receiver. A receiver may include several stages of bandpass filters to provide sufficient selectivity. Additionally, the receiver design must provide immunity from spurious signals that may be generated within the receiver that would interfere with the desired signal. Broadcasting transmitters in any given area are assigned frequencies so that receivers can properly select the desired transmission; this is a key factor limiting the number of transmitting stations that can operate in a given area. Sensitivity is the ability to recover the signal from the background noise. Noise is generated in the path between transmitter and receiver, but is also significantly generated in the receiver's own circuits. Inherently, any circuit above absolute zero generates some random noise that adds to the desired signals. In some cases, atmospheric noise is far greater than that produced in the receiver's own circuits, but in some designs, measures such as cryogenic cooling are applied to some stages of the receiver, to prevent signals from being obscured by thermal noise. A very good receiver design may have a noise figure of only a few times the theoretical minimum for the operating temperature and desired signal bandwidth. The objective is to produce a signal to noise ratio of the recovered signal sufficient for the intended purpose. This ratio is also often expressed in decibels. A signal to noise ratio of 10 dB (signal 10 times as powerful as noise) might be usable for voice communications by experienced operators, but a receiver intended for high fidelity music reproduction might require 50 dB or higher signal to noise ratio. Stability is required in at least two senses. Frequency stability; the receiver must stay "tuned" to the incoming radio signal and must not "drift" with time or temperature. Additionally, the great magnitude of gain generated must be carefully controlled so that spurious emissions are not produced within the receiver. These would lead to distortion of the recovered information, or, at worst, may radiate signals that interfere with other receivers. The detector stage recovers the information from the radio frequency signal, and produces the sound, video, or data that was impressed on the carrier wave initially. Detectors may be as simple as an "envelope" detector for amplitude modulation, or may be more complex circuits for more recently developed techniques such as frequency hopping spread spectrum. While not fundamental to a receiver, automatic gain control is a great convenience to the user, since it automatically compensates for changing received signal levels or different levels produced by different transmitters. Many different approaches and fundamental receiver "block diagrams" have developed to address these several, sometimes contradictory, factors. Once these technical objectives have been achieved, the remaining design process is still complicated by considerations of economics, patent rights, and even fashion.
Кристалл радиосы
Кристалл радиосында ешқандай активті бөліктер қолданылмайды: ол тек радиосигналдың өзімен қуаттанады, оның анықталған қуаты дыбыс естілуі үшін құлаққаптарға жіберіледі. Тіпті минималды сезімталдыққа қол жеткізу үшін, кристалл радио үлкен антеннаны (әдетте ұзын сымды) пайдаланып, төмен жиіліктермен шектеледі. Ол, қазіргі жартылай өткізгіштер әзірленбеген заманда ашылған, алғашқы «мысық мұрты» диоды сияқты, жартылай өткізгіш диодтың қандай да бір түрін пайдалану арқылы сигналды анықтауға негізделген. Кристалл қабылдағышы өте қарапайым, оны жасау оңай немесе тіпті дала жағдайында жасауға болады, мысалы, «траншея радиосы». Дегенмен, кристалл радионың жұмыс істеуі үшін күшті радиожиілікті сигнал және ұзын антенна қажет. Ол тек бір реттелген тізбек болғандықтан, таңдау қабілеті нашар.
A crystal radio uses no active parts: it is powered only by the radio signal itself, whose detected power feeds headphones in order to be audible at all. In order to achieve even a minimal sensitivity, a crystal radio is limited to low frequencies using a large antenna (usually a long wire). It relies on detection using some sort of semiconductor diode such as the original cat's whisker diode discovered long before the development of modern semiconductors. A crystal receiver is very simple and can be easy to make or even improvise, for example, the foxhole radio. However, the crystal radio needs a strong RF signal and a long antenna to operate. It displays poor selectivity since it only has one tuned circuit.
Реттелген радиожиілік
Реттелген радиожиілік қабылдағышы (TRF) радиожиілік күшейткіштен тұрады, оның бір немесе бірнеше каскады бар, барлығы тілеулі қабылдау жиілігіне келтірілген. Одан кейін, әдетте диодты қолданатын оқшаулағыш, одан соң дыбыс күшейтіледі. Бұл триодты вакуумдық түтік ойлап табылғаннан кейін дамытылды, бұл радиосигналдарды қабылдауды электрондық күшейту арқылы күрт жақсартты, бұрын мұндай мүмкіндік болмаған еді. Супергетеродин қабылдағышының айтарлықтай жақсарған таңдамалық қабілеті TRF дизайнын дерлік барлық қолданыста жеңіп шықты, алайда TRF дизайны сол дәуірдің арзан "транзисторлық радиоларында" 1960 жылдарға дейін қолданылып келді.
The tuned radio frequency receiver (TRF) consists of a radio frequency amplifier having one or more stages all tuned to the desired reception frequency. This is followed by a detector, typically an envelope detector using a diode, followed by audio amplification. This was developed after the invention of the triode vacuum tube, greatly improving the reception of radio signals using electronic amplification which had not previously been available. The greatly improved selectivity of the superheterodyne receiver overtook the TRF design in almost all applications, however the TRF design was still used as late as the 1960s among the cheaper "transistor radios" of that era.
Рефлекс
Рефлекстік қабылдағыш – 20-шы ғасырдың басында жасалған, бір сатылы TRF қабылдағышынан тұратын құрылғы, бірақ ол детекторланғаннан кейін дыбыс сигналын күшейту үшін де сол күшейткіш түтікті пайдаланған. Бұл түтіктердің әрқайсысының өндіріс құны жоғары (және электр қуатын көп тұтынушы) болған заман болғандықтан, қосымша түтік орнатудың орнына пассивті элементтердің санын көбейту тиімді деп есептелген. Бұл конструкция өте тұрақсыз және қазірде қолданылмайды.
The reflex receiver was a design from the early 20th century which consists of a single stage TRF receiver but which used the same amplifying tube to also amplify the audio signal after it had been detected. This was in an era where each tube was a major cost (and consumer of electrical power) so that a substantial increase in the number of passive elements would be seen as preferable to including an additional tube. The design tends to be rather unstable, and is obsolete.
Қайта жаңғыртылатын
Регенеративті қабылдағыштың да өркендеу кезеңі болды, себебі белсенді элементті (вакуумдық түтік) қосу қымбат деп есептелді. Қабылдағыштың күшейімін арттыру үшін, оның жалғыз радиожиілікті күшейткіш сатысында оң кері байланыс қолданылды; бұл қабылдағыштың селективтігін бір рет күйленген тізбектен күтілетіннен әлдеқайда арттырды. Кері байланыстың мөлшері нәтижедегі күшейімді анықтауда өте маңызды болды және радио операторы оны мұқият реттеуі керек еді. Кері байланысты белгілі бір шектен асыру сатының өзі күйленген жиілігінде тербелуіне себеп болды. Өздігінен тербеліс AM (дауыс) радиосигналын қабылдау сапасын төмендетті, бірақ оны CW (Морзе коды) қабылдағышы ретінде пайдалы етті. Тербеліс пен радиосигнал арасындағы айырмашылық дыбыстық «сылдыр» дыбысын тудыратын болды. Регенеративті қабылдағыштың тербелісі жергілікті кедергілердің көзіне айналуы мүмкін. Суперрегенеративті қабылдағыш деп аталатын жақсартылған конструкция, тербелістің жинақталуына мүмкіндік берді, содан кейін ол «сөндірілді», бұл цикл жылдам (ультрадыбыстық) жылдамдықпен қайталанды. Нақты регенеративті қабылдағыштың схемасынан оның көп сатылы TRF қабылдағышымен салыстырғандағы қарапайымдығын көруге болады, сонымен қатар оң кері байланыс арқылы күшейтудің бірдей деңгейіне қол жеткізуге болады.
The regenerative receiver also had its heyday at the time where adding an active element (vacuum tube) was considered costly. In order to increase the gain of the receiver, positive feedback was used in its single RF amplifier stage; this also increased the selectivity of the receiver well beyond what would be expected from a single tuned circuit. The amount of feedback was quite critical in determining the resulting gain and had to be carefully adjusted by the radio operator. Increasing the feedback beyond a point caused the stage to oscillate at the frequency it was tuned to. Self oscillation reduced the quality of its reception of an AM (voice) radio signal but made it useful as a CW (Morse code) receiver. The beat signal between the oscillation and the radio signal would produce an audio "beeping" sound. The oscillation of the regenerative receiver could also be a source of local interference. An improved design known as the super regenerative receiver improved the performance by allowing an oscillation to build up which was then "quenched", with that cycle repeating at a rapid (ultrasonic) rate. From the accompanying schematic for a practical regenerative receiver, one can appreciate its simplicity in relation to a multi stage TRF receiver, while able to achieve the same level of amplification through the use of positive feedback.
Супергетеродин
Қазіргі заманғы қабылдағыштардың дені супергетеродиндік құрылымға негіделген. Антеннадан келетін радиожиіліктік (RF) сигнал қабылдағыштың шу деңгейін жақсарту үшін бір күшейткіш сатысынан өтуі мүмкін, бірақ төмен жиіліктерде мұндай күшейту көбінесе қолданылмайды. RF сигналы жергілікті осциллятордың шығысымен бірге араластырғышқа енгізіліп, аралық жиіліктік (IF) сигналды құрайды. Супергетеродиндік қабылдағыштың бастапқы жетілдірілуі – жергілікті осциллятор мен араластырғышты "конвертер" деп аталатын бір құрылғыға біріктіру болды. Жергілікті осциллятор қабылдауға арналған жиіліктен сәл жоғары (немесе төмен) жиілікке бапталады, нәтижесінде IF сигналы тар жолақты көп сатылы күшейткіште одан әрі күшейтілетін белгілі бір жиілікте пайда болады. Қабылдағышты баптау жергілікті осциллятордың жиілігін өзгерту арқылы жүзеге асырылады, ал сигналды өңдеу (әсіресе қабылдағыштың сезімталдығын арттырумен байланысты) ыңғайлы түрде бір жиілікте (IF жиілігінде) жасалады, сондықтан әртүрлі станцияларды іздеу үшін қосымша баптау қажет болмайды. Осы жерде AM және FM радио хабарларын таратуға арналған супергетеродиндік қабылдағыштардың типтік блок-схемалары көрсетілген. Бұл FM құрылғысы, ескі FM қабылдағыштарында қолданылатын жиілік дискриминаторынан немесе қатынас детекторынан айырмашылығы, заманауи фазалық құлыпталған цикл детекторын пайдаланады. Орта толқынды (AM хабарларын тарату) қабылдауға арналған бір түрлендірулі супергетеродиндік AM қабылдағыштарында IF жиілігі әдетте 455 кГц құрайды. FM (88–108 МГц) радио хабарларын таратуға арналған көптеген супергетеродиндік қабылдағыштар 10,7 МГц IF жиілігін қолданады. Телевизиондық қабылдағыштар көбінесе шамамен 40 МГц аралық жиіліктерді пайдаланады. Кейбір заманауи көп диапазонды қабылдағыштар төмен жиілікті диапазонды алдымен әлдеқайда жоғары жиілікке (VHF) түрлендіреді, содан кейін екінші араластырғыш, баптамалы жергілікті осциллятор және екінші IF сатысы сигналды жоғарыда сипатталғандай өңдейді.
Practically all modern receivers are of the superheterodyne design. The RF signal from the antenna may have one stage of amplification to improve the receiver's noise figure, although at lower frequencies this is typically omitted. The RF signal enters a mixer, along with the output of the local oscillator, in order to produce a so called intermediate frequency (IF) signal. An early optimization of the superheterodyne was to combine the local oscillator and mixer into a single stage called "converter". The local oscillator is tuned to a frequency somewhat higher (or lower) than the intended reception frequency so that the IF signal will be at a particular frequency where it is further amplified in a narrow band multistage amplifier. Tuning the receiver involves changing the frequency of the local oscillator, with further processing of the signal (especially in relation to increasing the receiver) conveniently done at a single frequency (the IF frequency) thus requiring no further tuning for different stations. Here we show block diagrams for typical superheterodyne receivers for AM and FM broadcast respectively. This particular FM design uses a modern phase locked loop detector, unlike the frequency discriminator or ratio detector used in earlier FM receivers. For single conversion superheterodyne AM receivers designed for medium wave (AM broadcast) the IF is commonly 455 kHz. Most superheterodyne receivers designed for broadcast FM (88 108 MHz) use an IF of 10.7 MHz. TV receivers often use intermediate frequencies of about 40 MHz. Some modern multiband receivers actually convert lower frequency bands first to a much higher frequency (VHF) after which a second mixer with a tunable local oscillator and a second IF stage process the signal as above.
Бағдарламалық анықтауы бар радио
Бағдарламалық қамтамасыздандырылған радио (SDR) – бұл радиобайланыс жүйесі, онда дәстүрлі түрде аппараттық құралдарда іске асырылатын компоненттер (мысалы, араластырғыштар, сүзгілер, күшейткіштер, модуляторлар/демодуляторлар, детекторлар және т.б.) енді дербес компьютерде немесе кіріктірілген жүйеде бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы іске асырылады. SDR концепциясы жаңа емес, бірақ цифрлық электрониканың үдемелі дамуы бұрын тек теориялық тұрғыда ғана мүмкін болған көптеген процестерді қолдануға мүмкіндік береді.
Software defined radio (SDR) is a radio communication system where components, that have been traditionally implemented in hardware (e. g. mixers, filters, amplifiers, modulators/demodulators, detectors, etc.) are instead implemented by means of software on a personal computer or embedded system. While the concept of SDR is not new, the rapidly evolving capabilities of digital electronics render practical many processes which used to be only theoretically possible.