Радиоприемник - Radio receiver

Портативный радиовещательный AM / FM-приемник с батарейным питанием, используемый для прослушивания аудиозаписей местных радиостанций .
Современный приемник связи , используемый на станциях двусторонней радиосвязи для связи с удаленными местами с помощью коротковолнового радио .
Девушка слушает ламповое радио в 1940-х годах. Во время золотого века радио , 1925–1955, семьи собирались вечером послушать домашний радиоприемник.

В радиосвязи , А приемник радиосигналов , также известный как приемник , в беспроводных , или просто радио , представляет собой электронное устройство , которое принимает радиоволны и преобразует информацию , передаваемую ими в удобной форме. Используется с антенной . Антенна улавливает радиоволны ( электромагнитные волны ) и преобразует их в крошечные переменные токи, которые прикладываются к приемнику, а приемник извлекает желаемую информацию. Приемник использует электронные фильтры для отделения желаемого радиочастотного сигнала от всех других сигналов, принимаемых антенной, электронный усилитель для увеличения мощности сигнала для дальнейшей обработки и, наконец, восстанавливает желаемую информацию посредством демодуляции .

Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радио . Информация, создаваемая приемником, может быть в форме звука, движущихся изображений ( телевидение ) или цифровых данных . Радиоприемник может быть отдельным элементом электронного оборудования или электронной схемой в другом устройстве. Самый знакомый тип радиоприемника для большинства людей - это радиоприемник, воспроизводящий звук, передаваемый радиостанциями , исторически первое радиоприложение для массового рынка. Радиоприемник обычно называют «радио». Однако радиоприемники очень широко используются в других областях современной техники, в телевизорах , сотовых телефонах , беспроводных модемах и других компонентах связи, дистанционного управления и беспроводных сетевых систем.

Радиоприемники вещания

Самая известная форма радиоприемника - это радиоприемник, часто называемый просто радио , который принимает аудиопрограммы , предназначенные для общественного приема, передаваемые местными радиостанциями . Звук воспроизводится либо через громкоговоритель в радио, либо через наушники, которые подключаются к разъему на радио. Радиоприемнику требуется электроэнергия , обеспечиваемая либо батареями внутри радиоприемника, либо шнуром питания, который подключается к электрической розетке . Все радиостанции имеют регулятор громкости для регулировки громкости звука и некоторый тип регулятора "настройки" для выбора радиостанции для приема.

Типы модуляции

Модуляция - это процесс добавления информации к волне несущей радиосвязи .

AM и FM

В системах аналогового радиовещания используются два типа модуляции; AM и FM.

При амплитудной модуляции (AM) мощность радиосигнала зависит от аудиосигнала. Вещание AM разрешено в диапазонах AM-вещания, которые находятся между 148 и 283 кГц в длинноволновом диапазоне и между 526 и 1706 кГц в диапазоне средних частот (MF) радиоспектра . AM-вещание также разрешено в коротковолновых диапазонах от 2,3 до 26 МГц, которые используются для международного вещания на большие расстояния.

При частотной модуляции (FM) частота радиосигнала незначительно изменяется звуковым сигналом. FM-вещание разрешено в диапазонах FM-вещания от 65 до 108 МГц в диапазоне очень высоких частот (VHF). Точные диапазоны частот несколько различаются в разных странах.

Стереофонические FM- радиостанции передают стереофонический звук (стерео), передавая два звуковых канала, представляющих левый и правый микрофоны . Стерео ресивер содержит дополнительные схемы и параллельные пути сигнала для воспроизведения двух отдельных каналов. Монофонический приемник, напротив, получает только один аудио канал , который представляет собой комбинацию (сумма) левого и правого каналов. Хотя существуют передатчики и приемники AM-стерео , они не достигли популярности FM-стерео.

Большинство современных радиостанций могут принимать радиостанции AM и FM и имеют переключатель для выбора диапазона для приема; они называются радиоприемниками AM / FM .

Цифровое аудиовещание (DAB)

Цифровое аудиовещание (DAB) - это передовая радиотехнология, которая дебютировала в некоторых странах в 1998 г. и передает звук с наземных радиостанций в виде цифрового сигнала, а не аналогового сигнала, как это делают AM и FM. Его преимущества заключаются в том, что DAB может обеспечить более высокое качество звука, чем FM (хотя многие станции не выбирают передачу с таким высоким качеством), имеет большую устойчивость к радиошумам и помехам, лучше использует ограниченную полосу радиочастотного спектра и обеспечивает расширенные пользовательские функции, такие как электронная программа передач , спортивные комментарии и слайд-шоу с изображениями. Его недостаток в том, что он несовместим с предыдущими радиостанциями, поэтому необходимо покупать новый приемник DAB. По состоянию на 2017 год 38 стран предлагают DAB, при этом 2100 станций обслуживают зоны прослушивания, в которых проживает 420 миллионов человек. США и Канада отказались от внедрения DAB.

Радиостанции DAB работают иначе, чем станции AM или FM: одна станция DAB передает сигнал с шириной полосы 1500 кГц, который передает от 9 до 12 каналов, из которых слушатель может выбирать. Радиовещательные компании могут передавать канал с разной скоростью передачи данных , поэтому разные каналы могут иметь разное качество звука. В разных странах станции DAB вещают либо в диапазоне III (174–240 МГц), либо в диапазоне L (1,452–1,492 ГГц).

Прием

Мощность сигнала радиоволн уменьшается чем дальше они перемещаются от передатчика, так что радиостанция может быть получена только в пределах ограниченного диапазона своего передатчика. Диапазон зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, атмосферных и внутренних шумов , а также любых географических препятствий, таких как холмы между передатчиком и приемником. Радиоволны диапазона AM распространяются как земные волны, которые повторяют контур Земли, поэтому радиостанции AM могут быть надежно приняты на расстоянии в сотни миль. Радиосигналы FM-диапазона из-за своей более высокой частоты не могут выходить далеко за пределы визуального горизонта; ограничивает расстояние приема примерно 40 милями (64 км) и может быть заблокировано холмами между передатчиком и приемником. Однако FM-радио менее восприимчиво к помехам от радиошумов ( RFI , sferics , static) и имеет более высокую точность воспроизведения ; лучшая частотная характеристика и меньшее искажение звука , чем AM. Итак, во многих странах серьезная музыка транслируется только на FM-станциях, а AM-станции специализируются на радионовостях , ток-радио и спорте. Как и FM, сигналы DAB распространяются по линии прямой видимости, поэтому расстояние приема ограничено визуальным горизонтом примерно 30–40 миль (48–64 км).

Типы широковещательных приемников

Прикроватные радиочасы , сочетающие в себе радиоприемник и будильник.

Радиоприемники бывают разных стилей и функций:

Другие приложения

Радиоприемники являются важными компонентами всех систем, использующих радио . Помимо радиовещательных приемников, описанных выше, радиоприемники используются в огромном разнообразии электронных систем современной техники. Это может быть отдельный элемент оборудования ( радио ) или подсистема, встроенная в другие электронные устройства. Приемопередатчик является передатчик и приемник объединены в один блок. Ниже приведен список наиболее распространенных типов, упорядоченный по функциям.

Как работают приемники

Символ антенны

Радиоприемник подключен к антенне, которая преобразует часть энергии входящей радиоволны в крошечное высокочастотное переменное напряжение, которое подается на вход приемника. Антенна обычно состоит из металлических проводников. Колеблющиеся электрические и магнитные поля радиоволны толкают электроны в антенне вперед и назад, создавая колебательное напряжение.

Антенна может быть заключена внутри корпуса приемника, как и с ферритовыми рамочными антеннами с AM радиостанций и плоской перевернутой F антенной сотовых телефонов; прикрепленный к внешней стороне приемника, как штыревые антенны, используемые в FM-радиоприемниках , или установленный отдельно и соединенный с приемником с помощью кабеля, как телевизионные антенны на крыше и спутниковые антенны .

Основные функции ресивера

Практические радиоприемники выполняют три основные функции с сигналом от антенны: фильтрацию , усиление и демодуляцию :

Полосовая фильтрация

Обозначение полосового фильтра, используемого в блок-схемах радиоприемников

Радиоволны от многих передатчиков проходят по воздуху одновременно, не мешая друг другу, и принимаются антенной. Их можно разделить в приемнике, потому что они имеют разные частоты ; то есть радиоволна от каждого передатчика колеблется с разной скоростью. Чтобы выделить желаемый радиосигнал, полосовой фильтр пропускает частоту желаемой радиопередачи и блокирует сигналы на всех других частотах.

Полосовой фильтр состоит из одного или нескольких резонансных контуров (настроенных контуров). Резонансный контур включен между антенным входом и землей. Когда входящий радиосигнал находится на резонансной частоте, резонансный контур имеет высокий импеданс, и радиосигнал от нужной станции передается на следующие каскады приемника. На всех остальных частотах резонансный контур имеет низкий импеданс, поэтому сигналы на этих частотах передаются на землю.

  • Пропускная способность и избирательность : см. Графики. Информация ( модуляции ) в радиопередаче содержится в двух узких полосах частот называемые боковые полосы (SB) по обе стороны от несущей частоты (C) , такфильтр должен пройти полосу частот,не только одну частоту. Полоса частот, принимаемых приемником, называется его полосой пропускания (PB) , а ширина полосы пропускания в килогерцах называется полосой пропускания (BW) . Полоса пропускания фильтра должна быть достаточно широкой, чтобы пропускать боковые полосы без искажений, но достаточно узкой, чтобы блокировать любые мешающие передачи на соседних частотах (например, S2 на схеме). Способность приемника отклонять нежелательные радиостанции, близкие по частоте к желаемой станции, является важным параметром, называемым избирательностью, определяемой фильтром. В современных приемникахчасто используются фильтры из кварцевого кристалла , керамического резонатора или поверхностных акустических волн (ПАВ), которые имеют более высокую избирательность по сравнению с сетями, состоящими из настроенных цепей конденсатор-индуктор.
  • Настройка : для выбора конкретной станции радио « настраивается » на частоту нужного передатчика. Радиоприемник оснащен циферблатом или цифровым дисплеем, на котором отображается частота, на которую оно настроено. Настройка - это подгонка частоты полосы пропускания приемника к частоте желаемого радиопередатчика. При повороте ручки настройки изменяет резонансную частоту в резонансном контуре . Когда резонансная частота равна частоте радиопередатчика, настроенный контур колеблется в согласии, передавая сигнал остальной части приемника.
Частотный спектр типичного радиосигнала от передатчика радио AM или FM. Он состоит из компонента (C) на частоте несущей волны f C , с модуляцией, содержащейся в узких полосах частот, называемых боковыми полосами (SB), чуть выше и ниже несущей.
(правый график) Как полосовой фильтр выбирает один радиосигнал S1 из всех радиосигналов, принимаемых антенной. Сверху на графиках показано напряжение от антенны, приложенное к фильтру V in , передаточная функция фильтра T и напряжение на выходе фильтра V out как функция частоты f . Передаточная функция T - это количество сигнала, которое проходит через фильтр на каждой частоте:

Усиление

Символ усилителя

Мощность радиоволн, принимаемых приемной антенной, уменьшается пропорционально квадрату ее расстояния от передающей антенны. Даже с мощными передатчиками, используемыми на радиовещательных станциях, если приемник находится на расстоянии более нескольких миль от передатчика, мощность, перехватываемая антенной приемника, очень мала, возможно, всего в пиковатт или фемтоватт . Чтобы увеличить мощность восстановленного сигнала, схема усилителя использует электроэнергию от батарей или сетевой вилки для увеличения амплитуды (напряжения или тока) сигнала. В большинстве современных приемников электронные компоненты, которые фактически усиливают звук, являются транзисторами .

Приемники обычно имеют несколько ступеней усиления: радиосигнал от полосового фильтра усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для управления демодулятором, затем аудиосигнал от демодулятора усиливается, чтобы сделать его достаточно мощным для работы динамика. Степень усиления радиоприемника измеряется параметром, называемым его чувствительностью , который представляет собой минимальную мощность сигнала станции на антенне, измеряемую в микровольтах , необходимую для четкого приема сигнала с определенным отношением сигнал / шум. . Поскольку сигнал легко усилить до любой желаемой степени, предел чувствительности многих современных приемников - не степень усиления, а случайный электронный шум, присутствующий в цепи, который может заглушить слабый радиосигнал.

Демодуляция

Символ демодулятора

После фильтрации и усиления радиосигнала приемник должен выделить несущий информацию сигнал модуляции из модулированной несущей радиочастоты . Это делается с помощью схемы, называемой демодулятором ( детектором ). Для каждого типа модуляции требуется свой демодулятор.

Многие другие типы модуляции также используются для специальных целей.

Выходной сигнал модуляции демодулятора обычно усиливается для увеличения его мощности, а затем информация преобразуется обратно в форму, пригодную для использования человеком, с помощью какого-либо типа преобразователя . Звуковой сигнал , представляющий звук, как в вещательном радио, преобразуются в звуковые волны с помощью наушников или громкоговорителя . Видеосигнал , представляющий движущиеся изображения, как в телевизионном приемнике , преобразуется в свет с помощью дисплея . Цифровые данные , как и в беспроводном модеме , используются в качестве входных данных для компьютера или микропроцессора , который взаимодействует с пользователями-людьми.

AM демодуляция
Схема детектора огибающей
Как работает детектор конверта
Самый простой типом демодуляции , чтобы понять , является AM демодуляция, используется в AM радио для восстановления звукового сигнала модуляции, который представляет собой звук и преобразуется в звуковые волны от радиоприемника динамика . Это достигается с помощью схемы, называемой детектором огибающей (см. Схему) , состоящей из диода (D) с байпасным конденсатором (C) на выходе.
См. Графики. Амплитудно - модулированный радиосигнал от колебательного контура показан на (А) . Быстрые колебания - это несущая радиочастота . Звуковой сигнал (звук) содержатся в медленных вариациях ( модуляция ) от амплитуды (размера) волн. Если он был применен непосредственно к динамику, этот сигнал не может быть преобразован в звук, потому что отклонения звука одинаковы по обе стороны от оси, в среднем до нуля, что не приведет к чистому движению диафрагмы динамика. (B) Когда этот сигнал подается на вход V I детектора, диод (D) проводит ток в одном направлении, но не в противоположном, таким образом пропуская импульсы тока только на одной стороне сигнала. Другими словами, он выпрямляет переменный ток к DC тока пульсирующей. Результирующее напряжение V O, приложенное к нагрузке R L, больше не равно нулю; его пиковое значение пропорционально звуковому сигналу. (C) Шунтирующий конденсатор (C) заряжается импульсами тока от диода, и его напряжение следует за пиками импульсов, огибающей звуковой волны. Он выполняет сглаживание ( фильтрации нижних частот ) функцию, удаление импульсов несущей радиочастоты, оставляя звуковой сигнал низкой частоты проходит через нагрузку R L . Аудиосигнал усиливается и подается на наушники или динамик.

Настроенный радиочастотный приемник (TRF)

Блок-схема настроенного радиоприемника. Чтобы добиться достаточной избирательности для отбрасывания станций на соседних частотах, необходимо было использовать несколько каскадных ступеней полосового фильтра. Пунктирная линия указывает на то, что полосовые фильтры необходимо настраивать вместе.

В простейшем типе радиоприемника, называемом приемником настроенной радиочастоты (TRF) , три вышеупомянутые функции выполняются последовательно: (1) смесь радиосигналов от антенны фильтруется для выделения сигнала желаемого передатчика; (2) это колебательное напряжение передается через усилитель радиочастоты (РЧ), чтобы увеличить его силу до уровня, достаточного для управления демодулятором; (3) демодулятор восстанавливает модуляцию сигнал (который в вещательных приемниках является звуковым сигналом , колеблющееся напряжения на звуковую частоту скорости , представляющей звуковые волны) от модулированного радио несущей волны ; (4) сигнал модуляции дополнительно усиливается в аудиоусилителе , затем подается в громкоговоритель или наушник для преобразования его в звуковые волны.

Хотя приемник TRF используется в нескольких приложениях, он имеет практические недостатки, которые делают его хуже супергетеродинного приемника, указанного ниже, который используется в большинстве приложений. Недостатки связаны с тем, что в TRF фильтрация, усиление и демодуляция выполняются на высокой частоте входящего радиосигнала. Полоса пропускания фильтра увеличивается с увеличением его центральной частоты, поэтому, поскольку приемник TRF настроен на разные частоты, его полоса пропускания меняется. Наиболее важно то, что увеличивающаяся перегрузка радиочастотного спектра требует, чтобы радиоканалы располагались очень близко друг к другу по частоте. Чрезвычайно сложно создать фильтры, работающие на радиочастотах с достаточно узкой полосой пропускания, чтобы разделить близко расположенные радиостанции. Приемники TRF обычно должны иметь много каскадных каскадов настройки для достижения адекватной селективности. В разделе « Преимущества » ниже описано, как супергетеродинный приемник преодолевает эти проблемы.

Супергетеродинный дизайн

Блок-схема супергетеродинного приемника. Пунктирная линия указывает на то, что РЧ-фильтр и гетеродин должны быть настроены в тандеме.

Супергетеродинный приемник, изобретенный в 1918 году Эдвином Армстронгом является конструкция используется практически во всех современных приемников , кроме нескольких специализированных приложений.

В супергетеродине радиочастотный сигнал от антенны перед обработкой сдвигается вниз до более низкой « промежуточной частоты » (ПЧ). Входящий радиочастотный сигнал от антенны смешивается с немодулированным сигналом, генерируемым гетеродином (гетеродином) в приемнике. Смешивание осуществляется в нелинейной схеме, называемой « смеситель ». Результатом на выходе смесителя является гетеродин или частота биений на разнице между этими двумя частотами. Этот процесс аналогичен тому, как две музыкальные ноты на разных частотах, сыгранные вместе, производят ударную ноту . Эта более низкая частота называется промежуточной частотой (ПЧ). Сигнал ПЧ также имеет боковые полосы модуляции, которые несут информацию, которая присутствовала в исходном радиочастотном сигнале. Сигнал ПЧ проходит через каскады фильтра и усилителя, затем демодулируется в детекторе, восстанавливая исходную модуляцию.

Ресивер легко настраивается; чтобы получить другую частоту, нужно только изменить частоту гетеродина. Каскады приемника после смесителя работают на фиксированной промежуточной частоте (ПЧ), поэтому полосовой фильтр ПЧ не нужно настраивать на разные частоты. Фиксированная частота позволяет современным приемникам использовать сложные фильтры ПЧ на кристалле кварца , керамический резонатор или поверхностные акустические волны (ПАВ) с очень высокой добротностью для повышения селективности.

Радиочастотный фильтр на передней панели приемника необходим для предотвращения помех от любых радиосигналов на частоте изображения . Без входного фильтра приемник может принимать входящие радиочастотные сигналы на двух разных частотах. Приемник может быть разработан для приема на любой из этих двух частот; если приемник предназначен для приема на одной частоте, любая другая радиостанция или радиопомехи на другой частоте могут проходить и мешать полезному сигналу. Единственный настраиваемый каскад радиочастотного фильтра отклоняет частоту изображения; поскольку они относительно далеки от желаемой частоты, простой фильтр обеспечивает адекватное подавление. Подавление мешающих сигналов, намного более близких по частоте к полезному сигналу, обрабатывается множеством резко настроенных каскадов усилителей промежуточной частоты, которым не нужно изменять свою настройку. Этот фильтр не требует большой избирательности, но поскольку приемник настроен на разные частоты, он должен «отслеживать» вместе с гетеродином. РЧ-фильтр также служит для ограничения полосы пропускания, применяемой к РЧ-усилителю, предотвращая его перегрузку сильными внеполосными сигналами.

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием

Чтобы добиться как хорошего подавления изображения, так и избирательности, многие современные приемники superhet используют две промежуточные частоты; это называется супергетеродином с двойным преобразованием или двойным преобразованием . Поступающий радиочастотный сигнал сначала смешивается с одним сигналом гетеродина в первом смесителе, чтобы преобразовать его в высокую частоту ПЧ, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию частоты изображения, затем эта первая ПЧ смешивается со вторым сигналом гетеродина во втором смесителе. микшер для преобразования его в низкую частоту ПЧ для хорошей полосовой фильтрации. Некоторые приемники даже используют тройное преобразование .

За счет дополнительных каскадов супергетеродинный приемник обеспечивает более высокую избирательность, чем может быть достигнута конструкция TRF. Там, где используются очень высокие частоты, только начальный каскад приемника должен работать на самых высоких частотах; остальные каскады могут обеспечивать большую часть усиления приемника на более низких частотах, которыми, возможно, будет легче управлять. Настройка упрощена по сравнению с многоступенчатой ​​конструкцией TRF, и только две ступени необходимо отслеживать в диапазоне настройки. Общее усиление приемника делится между тремя усилителями на разных частотах; РЧ, ПЧ и аудиоусилитель. Это уменьшает проблемы с обратной связью и паразитными колебаниями , которые встречаются в приемниках, где большинство каскадов усилителя работают на той же частоте, что и в приемнике TRF.

Наиболее важным преимуществом является то, что лучшая селективность может быть достигнута путем фильтрации на более низкой промежуточной частоте. Одним из наиболее важных параметров приемника является его полоса пропускания , диапазон частот, который он принимает. Для подавления помех от соседних станций или шума требуется узкая полоса пропускания. Во всех известных методах фильтрации полоса пропускания фильтра увеличивается пропорционально частоте, поэтому, выполняя фильтрацию на более низкой частоте, а не на частоте исходного радиосигнала , можно получить более узкую полосу пропускания. Современное FM- и телевизионное вещание, мобильные телефоны и другие услуги связи с их узкой шириной канала были бы невозможны без супергетеродина.

Автоматическая регулировка усиления (AGC)

Сила сигнала ( амплитуда ) радиосигнала от антенны приемника сильно различается на порядки величины в зависимости от того, как далеко находится радиопередатчик, насколько он мощный, а также от условий распространения радиоволн. Сила сигнала, принимаемого от данного передатчика, изменяется со временем из-за изменения условий распространения на пути, по которому проходит радиоволна, таких как многолучевые помехи ; это называется затуханием . В AM-приемнике амплитуда звукового сигнала от детектора и громкость звука пропорциональны амплитуде радиосигнала, поэтому замирание вызывает колебания громкости. Кроме того, поскольку ресивер настроен между сильными и слабыми станциями, громкость звука из динамика будет сильно отличаться. Без автоматической системы управления этим в AM-приемнике потребовалась бы постоянная регулировка громкости.

С другими типами модуляции, такими как FM или FSK, амплитуда модуляции не зависит от мощности радиосигнала, но для всех типов демодулятор требует определенного диапазона амплитуды сигнала для правильной работы. Недостаточная амплитуда сигнала вызовет увеличение шума в демодуляторе, в то время как чрезмерная амплитуда сигнала вызовет перегрузку (насыщение) каскадов усилителя, вызывая искажение (ограничение) сигнала.

Поэтому почти все современные приемники включают систему управления с обратной связью, которая отслеживает средний уровень радиосигнала на детекторе и регулирует усиление усилителей, чтобы обеспечить оптимальный уровень сигнала для демодуляции. Это называется автоматической регулировкой усиления (AGC). AGC можно сравнить с механизмом адаптации к темноте в человеческом глазу ; при входе в темную комнату усиление зрения увеличивается за счет раскрытия радужной оболочки. В своей простейшей форме система АРУ ​​состоит из выпрямителя, который преобразует РЧ-сигнал в переменный уровень постоянного тока, и фильтра нижних частот для сглаживания колебаний и получения среднего уровня. Он применяется в качестве управляющего сигнала к более раннему каскаду усилителя, чтобы управлять его усилением. В супергетеродинном приемнике АРУ обычно применяется к усилителю ПЧ , и может быть второй контур АРУ для управления усилением ВЧ усилителя, чтобы предотвратить его перегрузку.

В некоторых конструкциях приемников, таких как современные цифровые приемники, связана проблема смещения сигнала по постоянному току . Это исправляется аналогичной системой обратной связи.

История

Радиоволны были впервые идентифицированы в 1887 году в серии экспериментов немецкого физика Генриха Герца, которые доказали электромагнитную теорию Джеймса Клерка Максвелла . Герц использовал дипольные антенны с искровым возбуждением для генерации волн и микрометровые искровые промежутки, прикрепленные к дипольным и рамочным антеннам для их обнаружения. Эти примитивные устройства более точно описываются как датчики радиоволн, а не «приемники», поскольку они могли обнаруживать радиоволны только в пределах 100 футов от передатчика и использовались не для связи, а как лабораторные инструменты в научных экспериментах.

Эпоха искры

Гульельмо Маркони , построивший первые радиоприемники, с его ранним искровым передатчиком (справа) и когерерным приемником (слева) 1890-х годов. Приемник записывает азбуку Морзе на бумажную ленту.
Типовая блок-схема неусиленного радиоприемника из эпохи беспроводной телеграфии
Пример трансатлантического радиотелеграфного сообщения, записанного на бумажной ленте сифонным записывающим устройством в приемном центре RCA в Нью-Йорке в 1920 году. Перевод азбуки Морзе приведен под лентой.

Первыми радиопередатчиками , использовавшимися в течение первых трех десятилетий радио с 1887 по 1917 год, в период, называемом эрой искры , были передатчики с искровым разрядником, которые генерировали радиоволны, разряжая емкость через электрическую искру . Каждая искра создавала кратковременный импульс радиоволн, который быстро уменьшался до нуля. Эти затухающие волны нельзя было модулировать для передачи звука, как в современной передаче AM и FM . Таким образом, искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию по радиотелеграфу . Передатчик быстро включался и выключался оператором с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы затухающих радиоволн разной длины («точки» и «тире») для написания текстовых сообщений азбукой Морзе .

Таким образом, первые радиоприемники не должны были извлекать звуковой сигнал из радиоволн, как современные приемники, а просто определяли наличие радиосигнала и воспроизводили звук во время «точек» и «тире». Устройство, которое это делало, называлось « детектором ». Поскольку в то время усилительных устройств не было, чувствительность приемника в основном зависела от детектора. Было перепробовано много разных детекторных устройств. Радиоприемники в эпоху искры состояли из следующих частей:

  • Антенны , чтобы перехватить радиоволны и преобразовывать их в крошечных радиочастотных электрических токов .
  • Колебательный контур , состоящий из конденсатора , подключенного к катушке провода, который выступал в качестве полосового фильтра , чтобы выбрать нужный сигнал из всех сигналов подобран антенной. Либо конденсатор, либо катушка регулировались, чтобы настроить приемник на частоту различных передатчиков. Самые ранние приемники, до 1897 года, не имели настроенных цепей, они реагировали на все радиосигналы, принимаемые их антеннами, поэтому у них была небольшая способность различать частоты и они принимали любой передатчик в непосредственной близости. В большинстве приемников использовалась пара настроенных цепей с магнитно-связанными катушками , называемая резонансным трансформатором (трансформатор колебаний) или «свободный ответвитель».
  • Детектор , который произвел импульс постоянного тока для каждого затухающей волны получен.
  • Показывающее устройство, такое как наушник , которое преобразует импульсы тока в звуковые волны. В первых приемниках вместо этого использовался электрический звонок . Более поздние приемники в коммерческих беспроводных системах использовали сифонный регистратор Морзе , который состоял из чернильной ручки, установленной на игле, вращаемой электромагнитом ( гальванометром ), который рисовал линию на движущейся бумажной ленте . Каждая цепочка затухающих волн, составляющая «точку» или «черту» Морзе, заставляла стрелку качаться, создавая смещение линии, которое можно было прочитать с ленты. С таким автоматическим приемником радисту не приходилось постоянно следить за приемником.

Сигнал от передатчика искрового промежутка состоял из затухающих волн, повторяющихся со скоростью звука от 120 до, возможно, 4000 в секунду, поэтому в наушниках сигнал звучал как музыкальный тон или жужжание, а «точки» и «тире» азбуки Морзе "звучало как гудок.

Первым, кто использовал радиоволны для связи, был Гульельмо Маркони . Сам Маркони мало что изобрел, но он был первым, кто поверил, что радио может быть практической средой связи, и в одиночку разработал первые беспроводные телеграфные системы, передатчики и приемники, начиная с 1894-1818 годов, в основном за счет улучшения технологий, изобретенных другими. Оливер Лодж и Александр Попов в то же время в 1894–1894 годах также экспериментировали с подобным приемным устройством для радиоволн, но, как известно, в этот период они не передавали азбуку Морзе, а только цепочки случайных импульсов. Поэтому Маркони обычно приписывают создание первых радиоприемников.

Приемник когерера

Когерер 1904 года, разработанный Маркони.
Один из первых когерерных приемников Маркони, использованный в его демонстрации «черного ящика» в Тойнби-холле, Лондон, 1896 год. Когерер находится справа, а «ответвитель» позади него. Реле слева, батарейки на заднем плане.
Типичный коммерческий радиотелеграфный приемник первого десятилетия 20 века. Когерер (справа) обнаруживает импульсы радиоволн, а «точку» и «тир» из Морзе кода были записаны чернилами на бумажной ленте с помощью сифона записывающего устройства (слева) и транскрибируемой позже.

Первые радиоприемники, изобретенные Маркони, Оливером Лоджем и Александром Поповым в 1894-1895 годах, использовали примитивный детектор радиоволн , называемый когерером , изобретенный в 1890 году Эдуардом Бранли и усовершенствованный Лоджем и Маркони. Когерер представлял собой стеклянную трубку с металлическими электродами на каждом конце, с рыхлым металлическим порошком между электродами. Первоначально он имел высокое сопротивление . Когда на электроды подавалось высокочастотное напряжение, их сопротивление падало, и они проводили электричество. В приемнике когерер был подключен непосредственно между антенной и землей. Помимо антенны, когерер был включен в цепь постоянного тока с батареей и реле . Когда приходящая радиоволна уменьшала сопротивление когерера, ток от батареи протекал через него, включив реле, чтобы позвонить в звонок или сделать отметку на бумажной ленте в сифонном самописце . Чтобы вернуть когерер в его предыдущее непроводящее состояние для приема следующего импульса радиоволн, его нужно было механически постучать, чтобы нарушить работу металлических частиц. Это было сделано с помощью «декогерера» - хлопушки, ударяющей по трубке, работающей от электромагнита, питаемого от реле.

Когерер - это малоизвестное старинное устройство, и даже сегодня существует некоторая неопределенность в отношении точного физического механизма, с помощью которого работали различные типы. Однако можно видеть, что это было по существу бистабильное устройство, управляемый радиоволнами переключатель, и поэтому у него не было возможности выпрямлять радиоволны для демодуляции более поздних радиопередач с амплитудной модуляцией (AM), которые несли звук.

В длинной серии экспериментов Маркони обнаружил, что, используя приподнятую проволочную монопольную антенну вместо дипольных антенн Герца, он мог передавать на большие расстояния, за пределы кривой Земли, демонстрируя, что радио было не просто лабораторной диковинкой, а коммерчески жизнеспособным методом связи. Это привело к его исторической трансатлантической беспроводной передаче 12 декабря 1901 года из Полдху, Корнуолл, в Сент-Джонс, Ньюфаундленд , на расстояние 3500 км (2200 миль), которую принял когерер. Однако обычный диапазон приемников когерера даже с мощными передатчиками той эпохи был ограничен несколькими сотнями миль.

Когерер оставался доминирующим детектором, использовавшимся в ранних радиоприемниках в течение примерно 10 лет, пока не был заменен кристаллическим детектором и электролитическим детектором примерно в 1907 году. Несмотря на большую работу по развитию, это было очень грубое неудовлетворительное устройство. Он был не очень чувствителен, а также реагировал на импульсные радиошумы ( RFI ), такие как включение или выключение ближайшего света, а также на предполагаемый сигнал. Из-за громоздкого механического механизма «отвода назад» он был ограничен скоростью передачи данных кода Морзе примерно 12-15 слов в минуту , в то время как передатчик с искровым разрядником мог передавать данные Морзе со скоростью до 100 слов в минуту с помощью бумажной ленточной машины.

Другие ранние детекторы

Эксперимент по использованию человеческого мозга в качестве детектора радиоволн, 1902 г.

Плохая работа когерера побудила провести множество исследований по поиску более совершенных детекторов радиоволн, и многие из них были изобретены. Были опробованы какие-то странные устройства; исследователи экспериментировали с использованием лягушачьих лапок и даже человеческого мозга от трупа в качестве детекторов.

К первым годам 20 века уже проводились эксперименты по использованию амплитудной модуляции (AM) для передачи звука по радио ( радиотелефония ). Таким образом, вторая цель исследования детекторов состояла в том, чтобы найти детекторы, которые могли бы демодулировать AM-сигнал, извлекая звуковой (звуковой) сигнал из несущей радиоволны . Методом проб и ошибок было обнаружено, что это может быть сделано с помощью детектора с «асимметричной проводимостью»; устройство, которое проводило ток в одном направлении, но не в другом. Это выпрямляло радиосигнал переменного тока, удаляя одну сторону несущих циклов, оставляя пульсирующий постоянный ток, амплитуда которого варьировалась в зависимости от сигнала аудиомодуляции. Применительно к наушнику он воспроизводит передаваемый звук.

Ниже приведены детекторы, которые широко использовались до того, как примерно в 1920 году появились электронные лампы. Все, кроме магнитного детектора, могли исправлять и, следовательно, принимать сигналы AM:

Магнитный детектор
  • Магнитный детектор - разработанный Гульельмо Маркони в 1902 году на основе метода, изобретенного Эрнестом Резерфордом и использовавшегося компанией Marconi Co. до тех пор, пока в 1912 году не использовала вакуумную трубку Audion, это было механическое устройство, состоящее из бесконечной полосы железных проводов, проходящих между двумя шкивы поворачиваются заводным механизмом. Железные провода проходили через катушку из тонкой проволоки, прикрепленную к антенне, в магнитном поле, созданном двумя магнитами . Гистерезиса железа индуцируется импульс тока в катушке датчика каждый разрадиосигнал передается через катушку возбуждения. Магнитный детектор использовался в корабельных приемниках из-за его нечувствительности к вибрации. Одна была частью беспроводной станции RMS Titanic, которая использовалась для вызова помощи во время его знаменитого затопления 15 апреля 1912 года.
Электролитический детектор
  • Электролитический детектор жидкий барреттер »). Изобретенный в 1903 году Реджинальдом Фессенденом , он состоял из тонкой посеребренной платиновой проволоки, заключенной в стеклянный стержень, с кончиком, контактирующим с поверхностью чашки с азотной кислотой . Электролитическое действие заставило ток проходить только в одном направлении. Детектор использовался примерно до 1910 года. Электролитические детекторы, которые Фессенден установил на кораблях ВМС США, приняли первую радиопередачу AM в канун Рождества 1906 года, в вечер рождественской музыки, передаваемой Фессенденом с помощью его нового передатчика генератора переменного тока.
Ранний клапан Флеминга.
Ресивер клапана Marconi для использования на кораблях имел два клапана Fleming (вверху) на случай перегорания одного. Он использовался на RMS Titanic .
  • Термоэмиссионный диод ( клапан Флеминга ) - первая вакуумная лампа , изобретенная в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , состояла из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: катод, состоящий из нити накаливания, подобной той, что используется в лампе накаливания, и металлического пластина анода . Флеминг, консультант Маркони, изобрел клапан как более чувствительный датчик для трансатлантического беспроводного приема. Нить накала нагревалась отдельным током через нее и испускала электроны в трубку за счет термоэлектронной эмиссии , эффект, который был обнаружен Томасом Эдисоном . Радиосигнал подавался между катодом и анодом. Когда анод был положительным, ток электронов протекал от катода к аноду, но когда анод был отрицательным, электроны отталкивались, и ток не протекал. Клапан Флеминга использовался ограниченно, но не пользовался популярностью, поскольку был дорогим, имел ограниченный срок службы нити накала и не был таким чувствительным, как электролитические или кристаллические детекторы.
Детектор усов galena cat из кристального радио 1920-х годов

В эпоху электронных ламп термин «детектор» изменился с обозначения детектора радиоволн на демодулятор , устройство, которое могло извлекать сигнал модуляции звука из радиосигнала. В этом его смысл сегодня.

Тюнинг

«Настройка» означает настройку частоты приемника на частоту желаемой радиопередачи. Первые приемники не имели настроенной схемы, детектор подключали напрямую между антенной и землей. Из-за отсутствия каких-либо частотно-селективных компонентов, кроме антенны, полоса пропускания приемника была равна ширине полосы пропускания антенны. Это было приемлемо и даже необходимо, потому что первые искровые передатчики Герца также не имели настроенной схемы. Из-за импульсивного характера искры энергия радиоволн распределялась по очень широкой полосе частот. Чтобы получить достаточно энергии от этого широкополосного сигнала, приемник также должен был иметь широкую полосу пропускания.

Когда более одного искрового передатчика излучали в данной области, их частоты перекрывались, поэтому их сигналы мешали друг другу, что приводило к искаженному приему. Требовался какой-то метод, позволяющий приемнику выбирать, какой сигнал передатчика принимать. Множественные длины волн, создаваемые плохо настроенным передатчиком, вызвали «затухание» или затухание сигнала, что значительно уменьшило мощность и дальность передачи. В 1892 году Уильям Крукс прочитал лекцию по радио, в которой предложил использовать резонанс для уменьшения полосы пропускания передатчиков и приемников. Затем различные передатчики могут быть «настроены» для передачи на разных частотах, чтобы они не создавали помех. Приемник также имел бы резонансный контур (настроенный контур) и мог бы принимать конкретную передачу, «настраивая» свой резонансный контур на ту же частоту, что и передатчик, аналогично настройке музыкального инструмента для резонанса с другим. Это система, используемая во всех современных радио.

Настройка использовалась в первоначальных экспериментах Герца, и практическое применение настройки проявилось в начале и середине 1890-х годов в беспроводных системах, не предназначенных специально для радиосвязи. Лекция Николы Теслы в марте 1893 года, демонстрирующая беспроводную передачу энергии для освещения (в основном, за счет того, что он считал проводимостью через землю), включала элементы настройки. Система беспроводного освещения состояла из заземленного резонансного трансформатора с искровым возбуждением и проволочной антенны, которая передавала мощность через комнату на другой резонансный трансформатор, настроенный на частоту передатчика, который зажигал лампу Гейсслера . Использование настройки в свободном пространстве «волны Герца» (радио) было объяснено и продемонстрировано в лекциях Оливера Лоджа 1894 года о работе Герца. В то время Лодж демонстрировал физические и оптические свойства радиоволн вместо того, чтобы пытаться построить систему связи, но он продолжил разработку методов (запатентованных в 1897 году) настройки радио (то, что он называл «синтонией»), включая использование переменных индуктивность для настройки антенн.

К 1897 году преимущества настроенных систем стали очевидны, и Маркони и другие исследователи беспроводной связи включили настроенные схемы , состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности, соединенных вместе, в свои передатчики и приемники. Настроенная схема действовала как электрический аналог камертона . Он имел высокое сопротивление на резонансной частоте и низкое сопротивление на всех остальных частотах. Подключенный между антенной и детектором, он служил полосовым фильтром , передавая сигнал желаемой станции детектору, но направляя все остальные сигналы на землю. Частота принимаемой станции f определялась емкостью C и индуктивностью L в настроенной цепи:

Индуктивная связь
Индуктивно связанный когерерный приемник Маркони из его неоднозначного патента на "четырехконтурную схему" от апреля 1900 г. 7,777.
Приемный трансформатор Braun с 1904 г.
Кристаллический приемник 1914 года с подстроечным трансформатором типа "свободная муфта". Вторичная обмотка (1) может быть сдвинута внутрь или наружу первичной (в коробке) для регулировки муфты. Другие компоненты: (2) первичный настроечный конденсатор, (3) вторичный настроечный конденсатор, (4) нагрузочная катушка, (5) кристаллический детектор, (8) наушники.

Чтобы подавить радиопомехи и помехи от других передатчиков, близких по частоте к желаемой станции, полосовой фильтр (настроенная схема) в приемнике должен иметь узкую полосу пропускания , пропускающую только узкую полосу частот. Полосовой фильтр, который использовался в первых приемниках и который продолжал использоваться в приемниках до недавнего времени, представлял собой двойную настраиваемую индуктивно-связанную схему или резонансный трансформатор ( колебательный трансформатор или радиочастотный трансформатор). Антенна и земля были подключены к катушке с проводом, которая была магнитно связана со второй катушкой с конденсатором поперек нее, которая была подключена к детектору. Переменный высокочастотный ток от антенны через первичную катушку создавал магнитное поле, которое индуцировало ток во вторичной катушке, которая питала детектор. И первичная, и вторичная цепи были настроены; первичная катушка резонирует с емкостью антенны, в то время как вторичная катушка резонирует с конденсатором на ней. Оба были настроены на одну и ту же резонансную частоту .

У этой схемы было два преимущества. Первый заключался в том, что при использовании правильного отношения витков импеданс антенны можно было согласовать с импедансом приемника для передачи максимальной РЧ-мощности на приемник. Согласование импеданса было важно для достижения максимального диапазона приема в неусиленных приемниках той эпохи. Катушки обычно имели отводы, которые можно было выбирать с помощью многопозиционного переключателя. Второе преимущество заключалось в том, что из-за «слабой связи» он имел гораздо более узкую полосу пропускания, чем простая настроенная схема , и ее можно было регулировать. В отличие от обычного трансформатора, две катушки были «слабо связаны»; физически разделены, поэтому не все магнитное поле первичной обмотки проходит через вторичную обмотку, что снижает взаимную индуктивность . Это дало связанным настроенным схемам гораздо более "резкую" настройку, более узкую полосу пропускания, чем у одиночной настроенной схемы. В свободном соединителе типа Navy (см. Рисунок) , широко используемом с кварцевыми приемниками , меньшая вторичная катушка была установлена ​​на стойке, которую можно было вставлять или выдвигать из первичной катушки для изменения взаимной индуктивности между катушками. Когда оператор сталкивается с мешающим сигналом на соседней частоте, вторичный может выдвигаться дальше от первичного, уменьшая связь, что сужает полосу пропускания, отклоняя мешающий сигнал. Недостатком было то, что все три регулировки в свободном ответвлении - первичная настройка, вторичная настройка и связь - были интерактивными; изменение одного изменило другие. Таким образом, настройка на новую станцию ​​представляла собой процесс последовательных корректировок.

Избирательность стала более важной, поскольку искровые передатчики были заменены передатчиками непрерывного излучения, которые передавали в узком диапазоне частот, а радиовещание привело к увеличению числа близко расположенных радиостанций, заполняющих радиочастотный спектр. Резонансные трансформаторы продолжали использоваться в качестве полосового фильтра в ламповых радиоприемниках, и были изобретены новые формы, такие как вариометр . Другим преимуществом трансформатора с двойной настройкой для приема AM было то, что при правильной настройке он имел "плоскую вершину" частотной характеристики в отличие от "пикового" отклика одиночной настроенной схемы. Это позволяло пропускать боковые полосы модуляции AM по обе стороны от несущей с небольшим искажением, в отличие от одной настроенной схемы, которая ослабляла более высокие звуковые частоты. До недавнего времени полосовые фильтры в супергетеродинной цепи, используемой во всех современных приемниках, были сделаны с резонансными трансформаторами, называемыми трансформаторами ПЧ .

Патентные споры

Первоначальная радиосистема Маркони имела относительно плохую настройку, ограничивающую радиус действия и добавляющую помехи. Чтобы преодолеть этот недостаток, он разработал четырехконтурную систему с настроенными катушками в « синтоне » как на передатчиках, так и на приемниках. Его патент на тюнинг в Британии 1900 года №7777 (четыре семерки), поданный в апреле 1900 года и выданный годом позже, открыл дверь для патентных споров, поскольку он нарушал синтонные патенты Оливера Лоджа, впервые поданные в мае 1897 года, а также патенты, поданные Фердинанд Браун . Маркони смог получить патенты в Великобритании и Франции, но американская версия его патента на настроенные четыре схемы, поданного в ноябре 1900 года, была первоначально отклонена на основании того, что ее ожидала система настройки Лоджа, а перекомпонованные версии были отклонены из-за предыдущих патентов. компании Braun и Lodge. Дальнейшие разъяснения и повторная подача были отклонены, поскольку они нарушали части двух предыдущих патентов, полученных Теслой на свою систему беспроводной передачи энергии. Юристам Маркони удалось добиться пересмотра повторно поданного патента другим экспертом, который первоначально отклонил его из-за ранее существовавшего патента на настройку Джона Стоуна , но в конце концов он был одобрен в июне 1904 года на основе уникальной системы настройки переменной индуктивности, которая была отличается от Стоуна, который настраивается изменением длины антенны. Когда патент Лоджа Syntonic был продлен в 1911 году еще на 7 лет, компания Marconi согласилась урегулировать этот патентный спор, купив радиокомпанию Лоджа с ее патентом в 1912 году, предоставив им необходимый приоритетный патент. С годами возникнут и другие патентные споры, в том числе решение Верховного суда США 1943 года о способности компаний Marconi подавать в суд на правительство США за нарушение патентных прав во время Первой мировой войны. Суд отклонил иск Marconi Companies, заявив, что они не могут предъявлять иск за нарушение патентных прав, когда казалось, что их собственные патенты не имеют приоритета над патентами Лоджа, Стоуна и Теслы.

Хрустальный радиоприемник

До 1920 года кристаллический приемник был основным типом, используемым на станциях беспроводной телеграфии, и были созданы сложные модели, такие как Marconi Type 106 1915 года.
Семья слушала первые передачи около 1920 года с хрустальным приемником. Мать и отец должны использовать один наушник
После появления ламповых приемников примерно в 1920 году кристаллический набор стал простой дешевой альтернативой радиоприемнику, используемым молодежью и бедняками.
Простое кристаллическое радио. Емкость проволочной антенны, подключенной к катушке, служит конденсатором в настроенной цепи.
Типовая радиосхема с кварцевым резонатором "свободная муфта"

Хотя он был изобретен в 1904 году в эпоху беспроводной телеграфии, хрустальный радиоприемник также мог исправлять передачи AM и служить мостом в эпоху радиовещания. Помимо того, что это был основной тип, используемый на коммерческих станциях в эпоху беспроводной телеграфии, это был первый приемник, широко использовавшийся населением. В течение первых двух десятилетий 20-го века, когда радиостанции начали передавать голос AM ( радиотелефония ) вместо радиотелеграфии, прослушивание радио стало популярным хобби, а кристалл был самым простым и дешевым детектором. Миллионы людей, купивших или сделавших сами эти недорогие надежные приемники, создали массовую аудиторию для первых радиопередач , которые начались примерно в 1920 году. К концу 1920-х годов кристаллический приемник был вытеснен приемниками на электронных лампах и стал коммерчески устаревшим. Однако он продолжал использоваться молодежью и бедняками до Второй мировой войны. Сегодня эти простые радиоприемники конструируются студентами как образовательные научные проекты.

Кристаллическое радио использовало детектор кошачьих усов , изобретенный Харрисоном Х.С. Данвуди и Гринлифом Уиттиером Пикардом в 1904 году, для извлечения звука из радиочастотного сигнала. Он состоял из минерального кристалла, обычно галенита , к которому слегка дотрагивалась тонкая пружинящая проволока («кошачий ус») на регулируемой руке. Полученный грубый полупроводниковый переход функционировал как диод с барьером Шоттки , проводящий только в одном направлении. Только определенные участки на поверхности кристалла работали как соединения детектора, и соединение могло быть нарушено малейшей вибрацией. Таким образом, пригодный для использования сайт был найден методом проб и ошибок перед каждым использованием; оператор водил кошачьим усом по кристаллу, пока не заработало радио. Фредерик Зейтц, более поздний исследователь полупроводников, писал:

Такая изменчивость, граничащая с тем, что казалось мистическим, преследовала раннюю историю кристаллических детекторов и заставила многих экспертов по электронным лампам более позднего поколения считать искусство выпрямления кристаллов почти бесспорным.

Кристаллическое радио не было усилено и питалось от радиоволн, принимаемых радиостанцией, поэтому его приходилось слушать в наушниках ; он не мог управлять громкоговорителем . Для этого требовалась антенна с длинным проводом, и ее чувствительность зависела от размера антенны. В эпоху беспроводной связи он использовался в коммерческих и военных длинноволновых станциях с огромными антеннами для приема радиотелеграфного трафика на большие расстояния, даже включая трансатлантический. Однако при использовании для приема радиовещательных станций типичный домашний кристалл имел более ограниченную дальность действия - около 25 миль. В сложных кварцевых радиоприемниках для увеличения добротности использовалась индуктивно связанная настроенная цепь "свободная связь" . Однако по сравнению с современными приемниками он все еще обладал низкой избирательностью .

Гетеродинный приемник и BFO

Радиоприемник с "тиккером" Поульсена, состоящий из диска коммутатора, вращаемого двигателем для прерывания несущей.

Примерно с 1905 года передатчики непрерывного действия (CW) начали заменять искровые передатчики для радиотелеграфии, потому что они имели гораздо больший диапазон. Первыми передатчиками непрерывного излучения были дуга Поульсена, изобретенная в 1904 году, и генератор переменного тока Alexanderson, разработанный в 1906–1910 годах, которые были заменены ламповыми передатчиками примерно в 1920 году.

Сигналы непрерывной радиотелеграфии, создаваемые этими передатчиками, требовали другого метода приема. Радиотелеграфные сигналы, создаваемые передатчиками с искровым разрядником, состояли из цепочек затухающих волн, повторяющихся со скоростью звука, поэтому «точки» и «тире» кода Морзе были слышны в наушниках приемников в виде тонального сигнала или гудения. Однако новые непрерывные радиотелеграфные сигналы просто состояли из импульсов немодулированной несущей ( синусоидальных волн ). Их не было слышно в наушниках приемника. Чтобы получить этот новый тип модуляции, приемник должен был издавать какой-то тон во время импульсов несущей.

Первым грубым устройством, сделавшим это, был тиккер , изобретенный в 1908 году Вальдемаром Поульсеном . Это был вибрационный прерыватель с конденсатором на выходе тюнера, который служил элементарным модулятором , прерывая несущую со скоростью звука, тем самым создавая гудение в наушниках при наличии несущей. Похожим устройством было «колесо звука», изобретенное Рудольфом Гольдшмидтом , колесо, вращаемое двигателем с контактами, расположенными по окружности, которые контактировали с неподвижной щеткой.

Схема гетеродинного радиоприемника Фессендена

В 1901 году Реджинальд Фессенден изобрел лучшее средство для достижения этой цели. В его гетеродинном приемнике немодулированный синусоидальный радиосигнал на частоте f O, смещенной от входящей несущей f C радиоволн, подавался на выпрямляющий детектор, такой как кристаллический детектор или электролитический детектор , вместе с радиосигналом от антенны. В детекторе два сигнала смешиваются, создавая две новые частоты гетеродина ( биений ) в сумме f C  +  f O и разности f C  -  f O между этими частотами. При правильном выборе f O нижний гетеродин f C  -  f O находился в диапазоне звуковых частот , поэтому он был слышен как тональный сигнал в наушниках всякий раз, когда присутствовала несущая. Таким образом, «точки» и «тире» кода Морзе были слышны как музыкальные «гудки». Основным преимуществом этого метода в течение этого периода предварительного усиления было то, что гетеродинный приемник фактически несколько усиливал сигнал, детектор имел «коэффициент усиления смесителя».

Приемник опередил свое время, потому что на момент его изобретения не было генератора, способного генерировать радиочастотную синусоидальную волну f 0 с необходимой стабильностью. Фессенден сначала использовал свой большой радиочастотный генератор переменного тока , но это было непрактично для обычных приемников. Гетеродинный приемник оставался лабораторной диковинкой, пока не появился дешевый компактный источник непрерывных волн, электронный генератор на электронных лампах, изобретенный Эдвином Армстронгом и Александром Мейснером в 1913 году. После этого он стал стандартным методом приема радиотелеграфии в непрерывном режиме. Гетеродинный генератор является предком генератора частоты биений (BFO), который сегодня используется для приема радиотелеграфии в приемниках связи . Гетеродинный генератор приходилось перенастраивать каждый раз, когда приемник настраивался на новую станцию, но в современных супергетеродинных приемниках сигнал BFO бьет с фиксированной промежуточной частотой , поэтому генератор частоты биений может иметь фиксированную частоту.

Позже Армстронг использовал гетеродинный принцип Фессендена в своем супергетеродинном приемнике (см . Ниже) .

Эпоха электронных ламп

В отличие от сегодняшнего дня, когда почти все радиоприемники используют вариант супергетеродинной конструкции, в 20-е годы в радиолампах на электронных лампах использовалось множество конкурирующих схем.
Во время « Золотого века радио » (с 1920 по 1950 год) семьи собирались, чтобы послушать домашнее радио по вечерам, например, эту консоль Zenith, модель 12-S-568 1938 года, 12-ламповый супергетеродин с кнопочной настройкой и 12-ти ламповый супергетеродин. -дюймовый конусный динамик.

Audion ( триод ) вакуумная труба изобретена Lee De Forest в 1906 году была первым практическим усилительным устройство и революции радио. Ламповые передатчики заменили искровые передатчики и сделали возможным четыре новых типа модуляции : непрерывную радиотелеграфию (CW), амплитудную модуляцию (AM) примерно в 1915 году, которая могла передавать звук (звук), частотную модуляцию (FM) примерно в 1938 году, что значительно улучшило качество звука. , и однополосная (SSB).

Усиливающая вакуумная лампа использовала энергию от батареи или электрической розетки для увеличения мощности радиосигнала, поэтому ламповые приемники могли быть более чувствительными и иметь больший диапазон приема, чем предыдущие неусиленные приемники. Увеличенная выходная мощность звука также позволила им использовать громкоговорители вместо наушников , позволяя слушать музыку более чем одному человеку. Первые громкоговорители были произведены примерно в 1915 году. Эти изменения привели к тому, что прослушивание радио быстро превратилось из уединенного хобби в популярное социальное и семейное времяпрепровождение. Развитие амплитудной модуляции (AM) и передатчиков на электронных лампах во время Первой мировой войны, а также доступность дешевых приемных ламп после войны заложили основу для начала AM-радиовещания , которое спонтанно возникло примерно в 1920 году.

Появление радиовещания значительно увеличило рынок радиоприемников и превратило их в потребительский продукт. В начале 20-х годов прошлого века радиоприемник представлял собой устрашающее высокотехнологичное устройство с множеством загадочных ручек и элементов управления, требующих технических навыков для работы, помещенным в непривлекательный черный металлический ящик с рупорным громкоговорителем с жестким звуком . К 1930-м годам радиоприемник превратился в предмет мебели, помещенный в привлекательный деревянный корпус, со стандартными элементами управления, которые мог использовать любой, и занимал уважаемое место в домашней гостиной. В ранних радиостанциях несколько настроенных схем требовали настройки нескольких регуляторов для настройки на новую станцию. Одним из наиболее важных нововведений, упрощающих использование, была «настройка с помощью одной ручки», достигаемая путем механического соединения настроечных конденсаторов. Громкоговоритель динамический конус изобретен в 1924 значительно улучшена аудио частотной характеристики в течение предыдущих рупорных динамиков, позволяя музыку , которая будет воспроизведена с хорошей точностью. Были добавлены такие удобные функции, как большие диски с подсветкой, регуляторы тембра , кнопочная настройка, индикаторы настройки и автоматическая регулировка усиления (AGC). Рынок приемников был разделен на вышеуказанные радиовещательные приемники и приемники связи , которые использовались для двусторонней радиосвязи, например, для коротковолнового радио .

Приемник на электронных лампах требовал нескольких источников питания с разным напряжением, которые в ранних радиоприемниках питались от отдельных батарей. К 1930 году были разработаны соответствующие выпрямительные лампы, а дорогие батареи были заменены трансформаторным источником питания, работающим от домашнего тока.

Вакуумные лампы были громоздкими, дорогими, имели ограниченный срок службы, потребляли большое количество энергии и производили много отработанного тепла, поэтому количество ламп, которые мог иметь приемник с экономической точки зрения, было ограничивающим фактором. Таким образом, цель конструкции лампового приемника заключалась в том, чтобы получить максимальную производительность от ограниченного количества ламп. Основные конструкции радиоприемников, перечисленные ниже, были изобретены в эпоху электронных ламп.

Недостатком многих ранних ламповых приемников было то, что каскады усиления могли колебаться, действовать как генератор , создавая нежелательные переменные токи радиочастоты. Эти паразитные колебания смешиваются с носителем радиосигнала в детекторной трубке, создавая слышимые биения ( гетеродины ); раздражающие свистки, стоны и вой в динамике. Колебания были вызваны обратной связью в усилителях; Одним из основных путей обратной связи была емкость между пластиной и сеткой в ​​ранних триодах . Это было решено с помощью схемы нейтродина , а затем в 1930 году были разработаны тетрод и пентод .

Эдвин Армстронг - одна из самых важных фигур в истории радиоприемников, и в этот период изобрел технологию, которая продолжает доминировать в радиосвязи. Он был первым, кто правильно объяснил, как работает триодная лампа Де Фореста. Он изобрел генератор обратной связи , регенеративный приемник , суперрегенеративный приемник , супергетеродинный приемник и современную частотную модуляцию (FM).

Первые ламповые приемники

Первый коммерческий ресивер Audion компании De Forest, RJ6, выпущенный в 1914 году. Трубка Audion всегда монтировалась вверх дном, тонкая петля из нити накала свисала вниз, чтобы она не провисала и не касалась других электродов в трубке.
Пример однолампового триодного сеточно-проточного приемника 1920 г., первый тип усилительного радиоприемника. В цепи утечки через сетку электроны, притягиваемые к сетке во время положительных полупериодов радиосигнала, заряжают сеточный конденсатор отрицательным напряжением в несколько вольт, смещая сетку около напряжения отсечки , поэтому трубка проводит только в течение положительной половины. -циклы, выпрямляющие радионоситель .

Первая усилительная вакуумная лампа, Audion , грубый триод , была изобретена в 1906 году Ли Де Форестом как более чувствительный детектор для радиоприемников, добавив третий электрод к термоэмиссионному диодному детектору, клапану Флеминга . Он не получил широкого распространения до тех пор, пока его усилительная способность не была признана примерно в 1912 году. В первых ламповых приемниках, изобретенных Де Форестом и построенных любителями до середины 1920-х годов, использовался единственный Audion, который функционировал как детектор утечек в сети, который исправлял и усиливал радиосигнал. Существовала неуверенность в отношении принципа работы Audion, пока Эдвин Армстронг не объяснил его функции усиления и демодуляции в статье 1914 года. Схема сеточного течеискателя также использовалась в регенеративных , TRF и ранних супергетеродинных приемниках (см. Ниже) до 1930-х годов.

Чтобы обеспечить выходную мощность, достаточную для управления громкоговорителем, потребовалось 2 или 3 дополнительных каскада Audion для усиления звука. Многие первые любители могли позволить себе только один ламповый приемник и слушали радио в наушниках, поэтому первые ламповые усилители и динамики продавались как дополнительные устройства.

В дополнение к очень низкому коэффициенту усиления около 5 и короткому сроку службы около 30 - 100 часов, примитив Audion имел неустойчивые характеристики, потому что он был не полностью откачан. Де Форест считал, что ионизация остаточного воздуха является ключом к работе Audion. Это сделало его более чувствительным детектором, но также привело к изменению его электрических характеристик во время использования. Когда трубка нагревается, газ, выделяющийся из металлических элементов, изменяет давление в трубке, изменяя ток пластины и другие характеристики, поэтому требовалось периодическое регулирование смещения, чтобы поддерживать его в правильной рабочей точке. Каждый каскад Audion обычно имел реостат для регулировки тока накала и часто потенциометр или многопозиционный переключатель для управления напряжением пластины. Реостат с нитью также использовался в качестве регулятора громкости. Множество элементов управления усложняли эксплуатацию многотрубных ресиверов Audion.

К 1914 году Гарольд Арнольд из Western Electric и Ирвинг Ленгмюр из GE осознали, что в остаточном газе нет необходимости; Audion мог работать только на электронной проводимости. Они вакуумировали трубки до более низкого давления 10 -9 атм, создав первые триоды «жесткого вакуума». Эти более стабильные лампы не требовали регулировки смещения, поэтому радиоприемники имели меньше элементов управления и были проще в эксплуатации. Во время Первой мировой войны использование радио в гражданских целях было запрещено, но к 1920 году началось массовое производство ламповых радиоприемников. «Мягкие» не полностью откачанные трубки использовались в качестве детекторов в течение 1920-х годов, а затем стали устаревшими.

Регенеративный (автодинный) ресивер

Блок-схема регенеративного приемника
Схема однотрубного регенеративного ресивера Армстронг
Самодельный регенеративный приемник Армстронга, 1922 год. На передней панели видна "щековая" катушка (L3) , соединенная с входными катушками настройки.
Коммерческий регенеративный приемник начала 1920-х годов, Paragon RA-10 (в центре) с отдельным одноламповым РЧ-усилителем 10R (слева), трехламповым детектором DA-2 и двухкаскадным усилителем звука (справа) . Четыре цилиндрических батареи типа «А» с сухими элементами (справа сзади) питали нити трубки, а 2 батареи прямоугольной формы «В» обеспечивали напряжение пластины.
Самодельный однотрубный регенеративный ресивер Армстронг 1940-х годов. Катушка тиклера представляет собой обмотку вариометра, установленную на валу внутри настроечной катушки (вверху справа), который можно вращать с помощью ручки на передней панели.

Регенеративный приемник , изобретенный Эдвин Армстронг в 1913 году , когда он был 23-летний студент колледжа, был очень широко используется до конца 1920 - х годов особенно любителей , которые могли позволить себе лишь в одной трубки радио. Сегодня транзисторные версии схемы все еще используются в нескольких недорогих приложениях, таких как рации . В регенеративном приемнике усиление (усиление) вакуумной лампы или транзистора увеличивается за счет регенерации ( положительная обратная связь ); часть энергии из выходной цепи лампы возвращается во входную цепь с помощью петли обратной связи . Первые электронные лампы имели очень низкий коэффициент усиления (около 5). Регенерация может не только значительно увеличить усиление лампы в 15000 раз и более, но также увеличить добротность настроенной схемы, уменьшив (обострив) полосу пропускания приемника в тот же раз, значительно улучшив селективность . Приемник имел регулятор для регулировки обратной связи. Трубка также действовала как детектор утечки сетки для исправления сигнала AM.

Еще одним преимуществом схемы было то, что трубку можно было заставить колебаться, и, таким образом, одна трубка могла служить как генератором частоты биений, так и детектором, функционирующим как гетеродинный приемник, чтобы сделать слышимую радиотелеграфную передачу CW . Этот режим получил название автодинного приемника. Для приема радиотелеграфии обратная связь увеличивалась до тех пор, пока трубка не начала колебаться, затем частота колебаний настраивалась на одну сторону передаваемого сигнала. Входящий радиосигнал и сигнал локальных колебаний смешивались в трубке и давали слышимый гетеродинный тон (биение) на разности частот.

Широко использовалась схема Армстронга , в которой катушка «щекотки» в цепи пластины была соединена с катушкой настройки в цепи сетки, чтобы обеспечить обратную связь. Обратная связь управлялась переменным резистором или, поочередно, перемещением двух обмоток физически ближе друг к другу, чтобы увеличить усиление контура, или раздельно, чтобы уменьшить его. Это было сделано с помощью регулируемого трансформатора с воздушным сердечником, называемого вариометром (вариопарой). Регенеративные детекторы иногда также использовались в приемниках TRF и супергетеродинных.

Одна проблема с регенеративной схемой заключалась в том, что при использовании с большим количеством регенерации избирательность (Q) настроенной схемы могла быть слишком резкой, ослабляя боковые полосы AM, таким образом искажая модуляцию звука. Обычно это был ограничивающий фактор количества обратной связи, которую можно было использовать.

Более серьезным недостатком было то, что он мог действовать как непреднамеренный радиопередатчик , создавая помехи ( RFI ) в ближайших приемниках. В приеме АМ, чтобы получить максимальную чувствительность Трубу работали очень близко к нестабильности и легко может проникнуть в колебание (и в CW прием сделал осциллирует), и результирующий сигнал радио был излучаемый его проволочной антенной. В соседних приемниках сигнал регенератора будет биться с сигналом станции, принимаемым детектором, создавая раздражающие гетеродины ( биения ), вой и свист. Ранние регенеративы, которые легко колебались, назывались «ляпами» и были запрещены в Европе. Одной из превентивных мер было использование каскада РЧ-усиления перед регенеративным детектором, чтобы изолировать его от антенны. Но к середине 1920-х годов «регены» больше не продавались крупными производителями радиоприемников.

Сверхрегенеративный ресивер

Армстронг представляет свой сверхрегенеративный ресивер, 28 июня 1922 года, Колумбийский университет.

Это был приемник, изобретенный Эдвином Армстронгом в 1922 году, в котором регенерация использовалась более сложным способом, чтобы получить больший выигрыш. Он использовался в нескольких коротковолновых приемниках в 1930-х годах, а сегодня используется в нескольких дешевых высокочастотных устройствах, таких как рации и устройства открывания гаражных ворот .

В регенеративном приемнике коэффициент усиления контура обратной связи был меньше единицы, поэтому лампа (или другое усилительное устройство) не колебалась, но была близка к колебанию, давая большое усиление. В сверхрегенеративном приемнике коэффициент усиления контура был сделан равным единице, поэтому усилительное устройство действительно начинало колебаться, но колебания периодически прерывались. Это позволяло одной лампе давать прирост более 10 6 .

Приемник TRF

Ранний 6-ламповый приемник TRF примерно 1920 года. 3 большие ручки регулируют 3 настроенных контура для настройки на станции.
Приемник Atwater-Kent TRF 1920-х годов с двумя ВЧ каскадами (слева) , детектором и двумя лампами усилителя звука (справа) . Громкоговоритель состоит из наушника, соединенного с акустическим рупором, который усиливает звук.
Настройка приемника Neutrodyne TRF с 3 настроенными контурами (большие ручки) , 1924 г. Для каждой станции необходимо было записать порядковые номера на циферблатах, чтобы станцию ​​можно было снова найти.

Настроенный радиочастотный (TRF) приемник , изобретенный в 1916 году Александерсон , улучшил как чувствительность и селективность при использовании нескольких стадий амплификации перед детектором, каждый с настроенным контуром , все настроены на частоту станции.

Основная проблема ранних приемников TRF заключалась в том, что их было сложно настраивать, потому что каждый резонансный контур должен был быть настроен на частоту станции, прежде чем радио заработало. В более поздних приемниках TRF настроечные конденсаторы были связаны друг с другом механически («объединены») на общем валу, так что их можно было регулировать с помощью одной ручки, но в ранних приемниках нельзя было заставить частоты настроенных цепей «отслеживать» достаточно хорошо, чтобы позволяли это, и каждая настроенная схема имела свою ручку настройки. Поэтому ручки нужно было поворачивать одновременно. По этой причине в большинстве наборов TRF было не более трех настроенных РЧ каскадов.

Вторая проблема заключалась в том, что несколько радиочастотных каскадов, настроенных на одну и ту же частоту, были склонны к колебаниям, а паразитные колебания смешивались с несущей радиостанции в детекторе, создавая слышимые гетеродины ( биения ), свистки и стоны в детекторе. динамик. Это было решено изобретением схемы нейтродина (см. Ниже) и разработкой тетрода примерно в 1930 году, а также улучшением экранирования между ступенями.

Сегодня конструкция TRF используется в нескольких интегральных микросхемах приемника. С точки зрения современных приемников недостатком TRF является то, что усиление и полоса пропускания настроенных РЧ-каскадов не постоянны, а изменяются, поскольку приемник настроен на разные частоты. Поскольку полоса пропускания фильтра с заданным Q пропорциональна частоте, по мере того, как приемник настраивается на более высокие частоты, его полоса пропускания увеличивается.

Приемник нейтродина

Прототип приемника Neutrodyne Хазелтина, представленный 2 марта 1923 года на собрании Американского радиообщества в Колумбийском университете.

Приемник Neutrodyne, изобретенный в 1922 году Луи Хазельтином , представлял собой приемник TRF с «нейтрализующей» схемой, добавленной к каждому каскаду радиоусиления для подавления обратной связи и предотвращения колебаний, которые вызывали раздражающие свистки в TRF. В схеме нейтрализации конденсатор подавал ток обратной связи от цепи пластины к цепи сетки, который был на 180 ° не в фазе с обратной связью, которая вызвала колебание, подавляя его. Neutrodyne был популярен до появления дешевых тетродных ламп примерно в 1930 году.

Приемник Reflex

Блок-схема простого однотрубного рефлекторного приемника

Рефлекс приемник , изобретенный в 1914 году Вильгельма Schloemilch и Отто фон Бронка, и вновь и продолжается до нескольких труб в 1917 году Marius Latour и William H. Присс, был использован в конструкции некоторых недорогих радиоприемников 1920 - х годов , которые пользуются всплеск в небольших портативные ламповые радиоприемники 1930-х годов и несколько первых транзисторных радиоприемников 1950-х годов. Это еще один пример оригинальной схемы, изобретенной для получения максимальной отдачи от ограниченного числа активных устройств. В рефлекторном приемнике РЧ-сигнал от настроенной схемы проходит через одну или несколько усилительных трубок или транзисторов, демодулируется в детекторе , затем полученный аудиосигнал снова проходит через те же каскады усилителя для усиления звука. Отдельные радио и аудиосигналы, присутствующие одновременно в усилителе, не мешают друг другу, поскольку они находятся на разных частотах, что позволяет лампам усиления выполнять «двойную функцию». Помимо одноламповых рефлекторных приемников, некоторые TRF и супергетеродинные приемники имели несколько каскадов, "рефлексированных". Радиостанции Reflex были подвержены дефекту, называемому «сквозное воспроизведение», что означало, что громкость звука не снижалась до нуля при уменьшении громкости.

Супергетеродинный приемник

Первый супергетеродинный приемник, построенный в лаборатории Armstrong's Signal Corps в Париже во время Первой мировой войны. Он состоит из двух секций: смесителя и гетеродина (слева), трех каскадов усиления ПЧ и каскада детектора (справа) . Промежуточная частота 75 кГц.
В 1940-х годах супергетеродинный приемник на электронных лампах был переработан в дешевую в производстве форму, названную « All American Five », потому что для этого требовалось всего 5 ламп, которые использовались почти во всех радиоприемниках до конца эры ламповых в 1970-х. .

Супергетеродинная , изобретенный в 1918 году во время Первой мировой войны по Эдвин Армстронг , когда он находился в войсках связи , является конструкция используется почти во всех современных приемниках, за исключением несколько специализированных приложений. Это более сложная конструкция, чем у других вышеупомянутых приемников, и когда она была изобретена, потребовалось от 6 до 9 электронных ламп, что выходило за рамки бюджета большинства потребителей, поэтому первоначально она использовалась в основном на коммерческих и военных станциях связи. Однако к 1930-м годам «супергет» заменил все остальные типы ресиверов, упомянутые выше.

В супергетеродине метод « гетеродина », изобретенный Реджинальдом Фессенденом , используется для сдвига частоты радиосигнала на более низкую « промежуточную частоту » (ПЧ) перед его обработкой. Его работа и преимущества перед другими радиотехническими схемами в этом разделе описаны выше в разделе «Супергетеродинная конструкция».

К 1940-м годам супергетеродинный радиовещательный AM-приемник был усовершенствован до дешевой в производстве конструкции под названием « All American Five », поскольку в нем использовалось всего пять электронных ламп: обычно преобразователь (смеситель / гетеродин), усилитель ПЧ, детектор. / аудиоусилитель, аудиоусилитель мощности и выпрямитель. Эта конструкция использовалась практически для всех коммерческих радиоприемников до тех пор, пока в 1970-х транзистор не заменил вакуумную лампу.

Полупроводниковая эра

Изобретение транзистора в 1947 году произвело революцию в радиотехнике, сделав возможными действительно портативные приемники, начиная с транзисторных радиоприемников в конце 1950-х годов. Несмотря на то, что портативные радиоприемники на электронных лампах были сделаны, лампы были громоздкими и неэффективными, потребляли большое количество энергии и требовали нескольких больших батарей для создания напряжения нити и пластины. Транзисторы не требовали нагреваемой нити накала, что снижало энергопотребление, они были меньше и гораздо менее хрупкими, чем электронные лампы.

Портативные радиоприемники

Портативный радиоприемник на базе зенитного транзистора

Компании впервые начали производство радиоприемников, рекламируемых как портативные, вскоре после начала коммерческого вещания в начале 1920-х годов. В подавляющем большинстве ламповых радиоприемников той эпохи использовались батареи, и их можно было установить и использовать где угодно, но большинство из них не имело таких портативных функций, как ручки и встроенные динамики. Одними из первых портативных ламповых радиоприемников были Winn «Portable Wireless Set No. 149», появившаяся в 1920 году, и Grebe Model KT-1, появившаяся годом позже. Хрустальные устройства, такие как Westinghouse Aeriola Jr. и RCA Radiola 1, также рекламировались как портативные радиоприемники.

Благодаря миниатюрным электронным лампам, впервые разработанным в 1940 году, на рынке появились портативные радиоприемники меньшего размера от таких производителей, как Zenith и General Electric . Линия портативных радиостанций Zenith Trans-Oceanic, впервые представленная в 1942 году, была разработана для обеспечения развлекательных трансляций, а также для возможности настраиваться на погодные, морские и международные коротковолновые станции. К 1950-м годам «золотой век» ламповых портативных устройств включал в себя ламповые радиоприемники размером с коробку для завтрака, такие как Emerson 560, в литых пластиковых корпусах. Так называемые «карманные портативные» радиоприемники, такие как RCA BP10, существовали с 1940-х годов, но их фактические размеры были совместимы только с самыми большими карманами пальто.

Разработка биполярного переходного транзистора в начале 1950-х годов привела к тому, что он был лицензирован рядом электронных компаний, таких как Texas Instruments , которые производили ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Regency TR-1 , сделанные Регентства Отделом IDEA (Industrial Development Engineering Associates) Индианаполис, штат Индиана, был запущен в 1951 году эра подлинной, рубашки карман размера портативных радиоприемников следовали, с производителями , такими как Sony , Zenith, RCA, DeWald и Crosley предлагают различные модели. Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым массовым транзисторным радиоприемником , что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок.

Цифровая технология

Современный смартфон имеет несколько цифровых радиопередатчиков и приемников RF CMOS для подключения к различным устройствам, включая сотовый приемник , беспроводной модем , модем Bluetooth и приемник GPS .

Разработка микросхем на интегральных схемах (IC) в 1970-х годах произвела еще одну революцию, позволив разместить весь радиоприемник на микросхеме IC. Микросхемы IC полностью изменили экономику радиотехники, используемой в ламповых приемниках. Поскольку предельные затраты на добавление дополнительных усилительных устройств (транзисторов) к микросхеме были практически нулевыми, размер и стоимость приемника зависели не от количества используемых активных компонентов, а от пассивных компонентов; катушки индуктивности и конденсаторы, которые нельзя было легко встроить в микросхему. Разработка чипов RF CMOS , впервые начатая Асадом Али Абиди в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1980-х и 1990-х годах, позволила создавать маломощные беспроводные устройства.

Текущая тенденция в приемниках заключается в использовании цифровых схем на кристалле для выполнения функций, которые раньше выполнялись аналоговыми схемами, требующими пассивных компонентов. В цифровом приемнике сигнал ПЧ дискретизируется и оцифровывается, а функции полосовой фильтрации и обнаружения выполняются посредством цифровой обработки сигналов (DSP) на кристалле. Еще одно преимущество DSP заключается в том, что свойства приемника; частота канала, полоса пропускания, усиление и т. д. могут динамически изменяться программным обеспечением для реагирования на изменения в окружающей среде; эти системы известны как программно-определяемые радио или когнитивное радио .

Вместо этого многие функции, выполняемые аналоговой электроникой, могут выполняться с помощью программного обеспечения . Преимущество заключается в том, что на программное обеспечение не влияют температура, физические параметры, электронный шум и производственные дефекты.

Цифровая обработка сигналов позволяет использовать методы обработки сигналов, которые были бы громоздкими, дорогостоящими или иным образом неосуществимыми с аналоговыми методами. Цифровой сигнал - это, по сути, поток или последовательность чисел, которые передают сообщение через какой-либо носитель, например, провод. Аппаратное обеспечение DSP может адаптировать полосу пропускания приемника к текущим условиям приема и типу сигнала. Типичный аналоговый приемник может иметь ограниченное количество фиксированных полос пропускания или только одну, но приемник DSP может иметь 40 или более индивидуально выбираемых фильтров. DSP используется в системах сотовой связи для снижения скорости передачи данных, необходимой для передачи голоса.

В системах цифрового радиовещания, таких как Digital Audio Broadcasting (DAB), аналоговый аудиосигнал оцифровывается и сжимается , обычно с использованием формата кодирования звука с модифицированным дискретным косинусным преобразованием (MDCT) , такого как AAC + .

«Компьютерные радиоприемники» или радиоприемники, которые предназначены для управления с помощью стандартного ПК, управляются специализированным программным обеспечением ПК с использованием последовательного порта, подключенного к радиоприемнику. «Компьютерное радио» может вообще не иметь передней панели и может быть предназначено исключительно для компьютерного управления, что снижает стоимость.

Некоторые радиостанции для ПК имеют большое преимущество в том, что их владелец может модернизировать в полевых условиях. Новые версии прошивки DSP можно скачать с сайта производителя и загрузить во флеш-память радиостанции. Фактически, производитель может со временем добавлять в радиостанцию ​​новые функции, такие как добавление новых фильтров, подавление шума DSP или просто исправление ошибок.

Полнофункциональная программа радиоуправления позволяет сканировать и выполнять множество других функций и, в частности, интегрировать базы данных в режиме реального времени, как, например, возможность типа «TV-Guide». Это особенно полезно для определения местоположения всех передач на всех частотах конкретного вещателя в любой момент времени. Некоторые разработчики управляющего программного обеспечения даже интегрировали Google Планета Земля в коротковолновые базы данных, так что можно «перелететь» к заданному месту расположения передатчика одним щелчком мыши. Во многих случаях пользователь может видеть передающие антенны, откуда исходит сигнал.

Поскольку графический пользовательский интерфейс радиостанции обладает значительной гибкостью, разработчик программного обеспечения может добавить новые функции. Функции, которые можно найти в современных программах управления, включают таблицу диапазонов, элементы управления с графическим интерфейсом, соответствующие традиционным элементам управления радио, локальные часы и часы UTC , измеритель мощности сигнала, базу данных для прослушивания коротких волн с возможностью поиска, возможностью сканирования или текстом. -речевой интерфейс.

Следующим уровнем интеграции является « программно-определяемое радио », где вся фильтрация, модуляция и обработка сигналов выполняются программно. Это может быть звуковая карта ПК или специальное оборудование DSP. Будет интерфейс RF для передачи промежуточной частоты программно-определяемой радиостанции. Эти системы могут предоставлять дополнительные возможности по сравнению с "аппаратными" приемниками. Например, они могут записывать большие участки радиочастотного спектра на жесткий диск для «воспроизведения» позже. Тот же SDR, который в течение одной минуты демодулирует простую трансляцию AM, также может декодировать трансляцию HDTV в следующую. Проект с открытым исходным кодом под названием GNU Radio посвящен развитию высокопроизводительной SDR.

Полностью цифровые радиопередатчики и приемники предоставляют возможность расширения возможностей радио.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Приемники связи, третье издание, Ульрих Л. Роде, Джерри Уитакер, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 2001, ISBN  0-07-136121-9
  • Буга, Н .; Falko A .; Чистяков Н.И. (1990). Чистяков Н.И. (ред.). Теория радиоприемника . Перевод с русского Б. В. Кузнецова. Москва : Мир . ISBN 978-5-03-001321-3  Впервые опубликовано на русском языке как «Радиоприёмные устройства».CS1 maint: postscript ( ссылка )