Введение

Тип радиоприемника

Приемник прямого преобразования (DCR), также известный как гомодиновый, синхродиновый или приемник с нулевой промежуточной частотой (ПЧ), представляет собой конструкцию радиоприемника, который демодулирует входящий радиосигнал с помощью синхронного детектирования, управляемого местным генератором, частота которого идентична или очень близка к частоте несущей принимаемого сигнала. Это отличается от стандартного супергетеродинного приемника, где это достигается только после начального преобразования в промежуточную частоту. Упрощение, заключающееся в выполнении всего одного преобразования частоты, снижает сложность базовой схемы, но возникают и другие проблемы, например, связанные с динамическим диапазоном. В исходной реализации он был непригоден для приема AM и FM сигналов без использования сложной фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Хотя эти и другие технические трудности делали эту технику довольно непрактичной во время ее изобретения (1930-е годы), современные технологии, и особенно программно-определяемое радио, возродили ее применение в определенных областях, включая некоторые потребительские продукты.

Принцип действия

Преобразование модулированного сигнала в базовую полосу осуществляется одним преобразованием частоты. Это позволяет избежать сложности, присущей супергетеродинам, с их двумя (или более) преобразованиями частоты, промежуточными частотными каскадами и проблемами подавления зеркального канала. Принятый радиочастотный сигнал подается непосредственно на частотный смеситель, как и в супергетеродинном приемнике. Однако, в отличие от супергетеродина, частота гетеродина не отличается от частоты принятого сигнала, а совпадает с ней. Результатом является демодулированный выходной сигнал, аналогичный тому, который можно получить от супергетеродинного приемника с использованием синхронного детектирования (детектор произведения) после промежуточной частоты (ПЧ).

Технические вопросы

Для соответствия характеристикам супергетеродинного приемника, ряд функций, обычно выполняемых на промежуточной частоте (ПЧ), необходимо реализовать в базовой полосе. Поскольку отсутствует высокоусилительный ПЧ-усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), уровень сигнала на выходе базовой полосы может значительно изменяться в зависимости от мощности принимаемого сигнала. Это одна из основных технических сложностей, ограничивающих практическую реализуемость данной схемы. Другая проблема заключается в невозможности реализации огибающей детектирования для AM-сигналов. Таким образом, для прямой демодуляции AM или FM-сигналов (как это используется в радиовещании) требуется фазовая синхронизация гетеродина с несущей частотой, что является гораздо более сложной задачей по сравнению с более надежным огибающим или разностным детектором на выходе ПЧ-каскада в супергетеродинном приемнике. Однако этого можно избежать в схемах прямого преобразования частоты, использующих квадратурное детектирование с последующей цифровой обработкой сигнала. Применяя методы программно-определяемого радио, два квадратурных выходных сигнала могут быть обработаны для выполнения любой демодуляции и фильтрации пониженных по частоте сигналов, близких к частоте гетеродина. Широкое распространение цифрового оборудования, а также совершенствование аналоговых компонентов, участвующих в преобразовании частоты в базовую полосу, сделали эту упрощенную топологию практичной для многих применений.

История и применение

Гомодин был разработан в 1932 году группой британских ученых, искавших конструкцию, превосходящую супергетеродин (двухступенчатую модель преобразования частоты). Позже эта конструкция была переименована в "синхродин". Она не только демонстрировала более высокую производительность благодаря одноступенчатому преобразованию, но и отличалась упрощенной схемотехникой и меньшим энергопотреблением. Недостатком конструкции был тепловой дрейф местного осциллятора, вызывающий изменение его частоты со временем. Для компенсации этого дрейфа частота местного осциллятора сравнивалась с частотой входного сигнала с помощью фазового детектора. Это генерировало корректирующее напряжение, которое изменяло частоту местного осциллятора, поддерживая ее синхронизированной с нужным сигналом. Этот тип контура обратной связи стал основой для современной фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Хотя метод известен уже несколько десятилетий, его реализация долгое время была затруднена в основном из-за требований к высокой точности компонентов, допускаемые отклонения которых должны быть минимальными для успешной работы схемы.

Преимущества

Нежелательные сигналы биений от стадии смешения не требуют дальнейшей обработки, так как полностью подавляются с помощью фильтра нижних частот на аудиовыходе. Конструкция приемника обладает дополнительным преимуществом – высокой селективностью, что делает его прецизионным демодулятором. Принципы проектирования могут быть расширены для обеспечения разделения сигналов соседних каналов, боковые полосы которых могут перекрываться с полезным сигналом. Данная конструкция также улучшает обнаружение сигналов импульсно-модулированного типа передачи.

Недостатки

В приемнике могут возникать каналы утечки сигнала. Высокий коэффициент усиления звуковой частоты, необходимый для работы, может затруднить подавление сетевого гула. Энергия гетеродина может проникать через смеситель к антенному входу и затем отражаться обратно в смеситель. В результате энергия гетеродина самоперемешивается, создавая сигнал смещения постоянного тока. Величина этого смещения может быть достаточной для перегрузки усилителей низкой частоты и блокировки приема полезного сигнала. Существуют конструктивные решения для устранения этой проблемы, однако они усложняют схему приемника. Увеличение сложности конструкции часто нивелирует преимущества приемника прямого преобразования.

Современное использование

Статья Уэса Хейварда и Дика Бингема, опубликованная в 1968 году, возродила интерес к схемам прямого преобразования частоты. Разработка интегральных схем и появление готовых устройств фазовой автоподстройки частоты в недорогих корпусах сделали эту схему широко распространенной. Область применения больше не ограничивается приемом АМ-радиосигналов, она также используется для обработки более сложных видов модуляции. В настоящее время приёмники с прямым преобразованием частоты применяются во многих устройствах, включая сотовые телефоны, пейджеры, телевизоры, авиационную электронику, медицинское оборудование для визуализации и системы программно-определяемого радио.