Введение

Конструкция радиоприемника включает в себя электронную разработку различных компонентов радиоприемника, которые обрабатывают радиочастотный сигнал от антенны для получения полезной информации, такой как звук. Сложность современных приемников и возможный спектр используемых схем и методов в большей степени освещаются в электронике и инженерии связи. В данной статье под радиоприемником понимается любое устройство, предназначенное для приема радиосигнала с целью извлечения полезной информации из этого сигнала, в первую очередь – воссоздания так называемого сигнала базовой полосы (например, звука), который модулировал радиосигнал в момент передачи в системе связи или вещания.

Основные соображения

Конструкция радиоприемника должна учитывать несколько фундаментальных критериев для достижения практического результата. Основными критериями являются усиление, селективность, чувствительность и стабильность. Приемник должен содержать детектор для восстановления информации, первоначально наложенной на несущий радиосигнал, процесс, называемый модуляцией. Усиление необходимо, поскольку сигнал, принимаемый антенной, будет иметь очень низкий уровень мощности – порядка пиковатт или фемтоватт. Для получения слышимого сигнала в наушниках этот сигнал необходимо усилить в триллион раз или больше. Величины требуемого усиления настолько велики, что предпочтительнее использовать логарифмическую единицу – децибел; усиление в триллион раз соответствует 120 децибелам, что является значением, достигаемым многими распространенными приемниками. Усиление обеспечивается одной или несколькими каскадами усилителя в конструкции приемника; часть усиления применяется к радиочастотной части системы, а остальная – к частотам, используемым восстановленной информацией (аудио-, видео- или данных). Селективность – это способность "настраиваться" только на одну станцию из множества передающих в данный момент времени. Регулируемый полосовой фильтр является типичным каскадом приемника. Приемник может включать несколько каскадов полосовых фильтров для обеспечения достаточной селективности. Кроме того, конструкция приемника должна обеспечивать устойчивость к паразитным сигналам, которые могут генерироваться внутри приемника и мешать полезному сигналу. Передающие станции в определенной области назначаются частоты таким образом, чтобы приемники могли правильно выбирать нужную передачу; это ключевой фактор, ограничивающий количество передающих станций, которые могут работать в данной области. Чувствительность – это способность восстанавливать сигнал из фонового шума. Шум генерируется как на пути между передатчиком и приемником, так и в собственных схемах приемника. Любая схема при температуре выше абсолютного нуля генерирует некоторый случайный шум, который накладывается на полезный сигнал. В некоторых случаях атмосферный шум значительно превышает шум, генерируемый в собственных схемах приемника, но в некоторых конструкциях для предотвращения маскировки сигналов тепловым шумом применяются такие меры, как криогенное охлаждение некоторых каскадов приемника. Очень хорошо спроектированный приемник может иметь коэффициент шума, лишь в несколько раз превышающий теоретический минимум для рабочей температуры и требуемой полосы пропускания сигнала. Цель состоит в том, чтобы обеспечить достаточное отношение сигнал/шум восстановленного сигнала для предполагаемой цели. Это отношение также часто выражается в децибелах. Опытным операторам для голосовой связи может быть достаточно отношения сигнал/шум 10 дБ (сигнал в 10 раз сильнее шума), но приемник, предназначенный для воспроизведения высококачественной музыки, может потребовать отношения сигнал/шум 50 дБ или выше. Стабильность требуется в двух аспектах. Частотная стабильность: приемник должен оставаться "настроенным" на входящий радиосигнал и не должен "сдвигаться" со временем или температурой. Кроме того, большая величина усиления должна тщательно контролироваться, чтобы избежать генерации паразитных излучений внутри приемника. Это может привести к искажению восстановленной информации или, в худшем случае, к излучению сигналов, мешающих другим приемникам. Детекторный каскад восстанавливает информацию из радиочастотного сигнала и преобразует ее в звук, видео или данные, которые были первоначально наложены на несущую волну. Детекторы могут быть такими же простыми, как огибающий детектор для амплитудной модуляции, или более сложными схемами для более современных методов, таких как частотно-скачкообразный спектр разнесения. Хотя автоматический контроль усиления не является фундаментальным для приемника, он значительно облегчает работу пользователя, поскольку автоматически компенсирует изменение уровней принимаемого сигнала или различные уровни, создаваемые разными передатчиками. Для решения этих многочисленных, иногда противоречивых, задач разработано множество различных подходов и базовых структурных схем приемников. После достижения этих технических целей, дальнейший процесс проектирования усложняется экономическими соображениями, патентными правами и даже модой.

Радиокристаллы

Кристаллическое радио не содержит активных компонентов: оно питается исключительно энергией самого радиосигнала, который, после детектирования, подается на наушники, чтобы звук был вообще слышен. Для достижения даже минимальной чувствительности кристаллическое радио ограничено низкими частотами и требует использования большой антенны (обычно длинного провода). Оно работает за счет детектирования сигнала полупроводниковым диодом, например, оригинальным диодом "кошачий ус", который был изобретен задолго до появления современных полупроводников. Кристаллический приемник очень прост в изготовлении и даже может быть собран из подручных материалов, как, например, радио в окопе. Однако для работы кристаллическому радио необходим сильный радиочастотный сигнал и длинная антенна. Оно обладает низкой избирательностью, поскольку имеет только один колебательный контур.

Настроенная радиочастота

Настроенный радиочастотный приемник (TRF) состоит из радиочастотного усилителя, содержащего одну или несколько каскадов, все настроенные на нужную частоту приема. Далее следует детектор, как правило, огибающий детектор на диоде, за которым идет усиление звуковой частоты. Эта схема была разработана после изобретения триода, что значительно улучшило прием радиосигналов благодаря электронному усилению, которое ранее было недоступно. Значительно более высокая селективность супергетеродинного приемника превзошла конструкцию TRF практически во всех областях применения, однако TRF-приемники продолжали использоваться вплоть до 1960-х годов в более дешевых "транзисторных радиоприемниках" того времени.

Рефлекс

Рефлекторный приемник — разработка начала XX века, представляющая собой однокаскадный TRF-приемник, в котором та же самая электронная лампа использовалась и для усиления звукового сигнала после детектирования. Это было обусловлено тем, что каждая лампа стоила дорого (и потребляла много электроэнергии), поэтому значительное увеличение числа пассивных компонентов считалось более предпочтительным, чем добавление еще одной лампы. Конструкция склонна к нестабильности и в настоящее время устарела.

Регенеративный

Восстановительный приемник также достиг пика своей популярности в то время, когда добавление активного элемента (вакуумной лампы) считалось дорогостоящим. Для увеличения усиления приемника в его единственном RF-усилителе использовалась положительная обратная связь; это также значительно повышало селективность приемника, превосходя ожидания от одной настроенной цепи. Величина обратной связи критически влияла на результирующее усиление и требовала тщательной регулировки оператором радиосвязи. Превышение определенного уровня обратной связи приводило к самовозбуждению каскада на рабочей частоте. Самовозбуждение ухудшало качество приема AM (голосового) радиосигнала, но делало приемник полезным для приема CW (кода Морзе). Сигнал биения между самовозбуждением и радиосигналом создавал слышимый звуковой сигнал. Самовозбуждение регенеративного приемника также могло быть источником местных помех. Усовершенствованная конструкция, известная как суперрегенеративный приемник, улучшила характеристики, позволяя колебаниям нарастать, а затем "гаситься", при этом цикл повторялся с высокой (ультразвуковой) частотой. По прилагаемой схеме практического регенеративного приемника можно оценить его простоту по сравнению с многокаскадным TRF-приемником, при этом он способен достигать сопоставимого уровня усиления за счет использования положительной обратной связи.

Супергетеродин

Практически все современные приемники имеют супергетеродинную конструкцию. Радиочастотный (RF) сигнал от антенны может быть усилен одной ступенью для улучшения коэффициента шума приемника, хотя на более низких частотах это обычно не делается. Радиочастотный сигнал поступает на смеситель вместе с выходом локального генератора, чтобы получить так называемый сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Ранней оптимизацией супергетеродина было объединение локального генератора и смесителя в одну ступень, называемую "конвертером". Локальный генератор настраивается на частоту, несколько более высокую (или низкую), чем желаемая частота приема, чтобы сигнал ПЧ был на определенной частоте, где он дополнительно усиливается в узкополосном многокаскадном усилителе. Настройка приемника включает в себя изменение частоты локального генератора, а дальнейшая обработка сигнала (особенно в части усиления) удобно выполняется на одной частоте (частоте ПЧ), что исключает необходимость дополнительной настройки для приема разных станций. Здесь представлены блок-схемы типичных супергетеродинных приемников для AM и FM-вещания соответственно. Эта конкретная FM-конструкция использует современный фазовый детектор с обратной связью, в отличие от частотного дискриминатора или детектора отношения, используемых в более ранних FM-приемниках. Для одноконверсионных супергетеродинных AM-приемников, предназначенных для средневолнового вещания (AM-вещания), частота ПЧ обычно составляет 455 кГц. Большинство супергетеродинных приемников, предназначенных для FM-вещания (88–108 МГц), используют ПЧ 10,7 МГц. Телевизионные приемники часто используют промежуточные частоты около 40 МГц. Некоторые современные многодиапазонные приемники сначала преобразуют низкочастотные диапазоны в гораздо более высокую частоту (ВЧ), после чего второй смеситель с настраиваемым локальным генератором и вторая ступень ПЧ обрабатывают сигнал, как описано выше.

Радио с программой определения

Радио с программным определением (SDR) — это система радиосвязи, в которой компоненты, традиционно реализованные на аппаратном уровне (например, смесители, фильтры, усилители, модуляторы/демодуляторы, детекторы и т.д.), вместо этого реализуются посредством программного обеспечения на персональном компьютере или встроенной системе. Хотя сама концепция SDR не нова, стремительное развитие цифровой электроники делает практически осуществимыми многие процессы, которые ранее были возможны лишь в теории.