無線電接收器
在無線電通信中,無線電接收器,也稱為接收器,無線或簡單的無線電,是一種接收無線電波的電子設備,並將其攜帶的信息轉換為可用形式。它與天線一起使用。天線截距無線電波(射頻的電磁波),並將其轉換為適用於接收器的微型交流電流,並且接收器提取了所需的信息。接收器使用電子過濾器將所需的射頻信號與天線拾取的所有其他信號(電子放大器)分開,以增加信號的功率以進行進一步處理,最後通過解調恢復所需的信息。
無線電接收器是使用無線電系統的所有系統的重要組件。接收器產生的信息可能是以聲音,視頻(電視)或數字數據的形式。無線電接收器可以是單獨的電子設備,也可以是另一個設備中的電子電路。對於大多數人來說,最熟悉的無線電接收器類型是廣播無線電接收器,該廣播電台接收器可再現由無線電廣播電台傳遞的聲音,這是歷史上第一個大眾市場廣播應用程序。廣播接收器通常稱為“廣播”。但是,無線電接收器在現代技術的其他領域,電視,手機,無線調製解調器,無線電時鐘以及通信,遙控器和無線網絡系統的其他組件中非常廣泛使用。
廣播無線電接收器
廣播接收器最熟悉的形式是廣播接收器,通常稱為無線電,該廣播接收器接收旨在用於當地廣播電台傳播的公共接收的音頻程序。聲音是由收音機中的揚聲器複製的,也可以通過收音機上的插孔插入插孔。收音機需要電力,由收音機內的電池或電源線插入電源插座。所有收音機都有一個音量控制,以調整音頻的響度,並具有某種類型的“調諧”控件來選擇要接收的廣播電台。
調製類型
AM和FM
模擬無線電廣播系統中使用了兩種調製。 AM和FM。
在振幅調製(AM)中,無線電信號的強度通過音頻信號變化。 AM廣播帶允許在Longwave範圍內的148至283 kHz之間進行廣播,在無線電頻譜的中等頻率(MF)範圍內,在526至1706 kHz之間進行廣播。在大約2.3至26 MHz之間的短波頻段中,也允許廣播,用於長距離國際廣播。
在頻率調製(FM)中,無線電信號的頻率通過音頻信號略有變化。 FM廣播在非常高的頻率(VHF)範圍內約為65至108 MHz之間的FM廣播頻段允許。在不同國家 /地區,確切的頻率範圍有所不同。
FM立體聲電台以立體聲音(立體聲)廣播,傳輸了代表左右麥克風的兩個聲通道。立體聲接收器包含其他電路和並行信號路徑,以重現兩個單獨的通道。相比之下,單聲道接收器僅接收一個是左和右通道的組合(總和)的單個音頻通道。儘管存在AM立體聲發射機和接收器,但它們尚未實現FM立體聲的普及。
大多數現代收音機都能同時接收AM和FM廣播電台,並可以選擇接收哪個樂隊;這些稱為AM/FM收音機。
數字音頻廣播(DAB)
數字音頻廣播(DAB)是一種先進的無線電技術,在1998年在某些國家 /地區首次亮相,它以數字信號為數字信號,而不是AM和FM的模擬信號傳輸音頻。它的優勢是,DAB具有比FM更高的聲音(儘管許多電台都不選擇以如此高質量的方式傳輸),對無線電噪聲和乾擾具有更大的免疫力,可以更好地利用稀缺的無線電頻譜帶寬,並提供高級用戶功能,例如電子程序指南,體育評論和圖像幻燈片。它的缺點是它與以前的收音機不兼容,因此必須購買新的DAB接收器。截至2017年,有38個國家 /地區提供DAB,有2,100個車站為聽力區提供了4.2億人。美國和加拿大選擇不實施DAB。
DAB廣播電台的工作方式不同於AM或FM站點:單個DAB站傳輸了一個寬1,500 kHz帶寬信號,該信號從9到12個通道中,聽眾可以從中選擇。廣播公司可以以不同的比特速率傳輸通道,因此不同的通道可以具有不同的音頻質量。在不同國家 /地區,DAB電台在Band III (174–240 MHz)或L樂隊(1.452–1.492 GHz)中廣播。
接待
無線電波的信號強度降低了它們從發射器傳播的距離越遠,因此只能在其發射器範圍內接收一個無線電站。範圍取決於發射器的功率,接收器的靈敏度,大氣和內部噪聲以及任何地理障礙物,例如發射器和接收器之間的山丘。 AM廣播樂隊無線電波旅行,隨著地球輪廓沿線的地面浪潮的流行,因此可以在數百英里距離處可靠地接收AM廣播電台。由於其較高的頻率,FM頻段無線電信號無法超越視覺範圍。將接收距離限制在約40英里(64公里),可以被發射器和接收器之間的丘陵所阻擋。但是,FM無線電不太容易受到無線電噪聲( RFI , Sferrics ,static)的干擾,並且具有更高的保真度。比AM更好的頻率響應,音頻失真較少。因此,在仍然播放AM廣播的國家中,嚴肅的音樂通常僅由FM電台廣播,並且AM電台專門從事廣播新聞, Talk Radio和Sports Radio 。像FM一樣,DAB信號沿視線傳播,因此接收距離受視覺範圍限制至約30-40英里(48-64 km)。
廣播接收器的類型
收音機以多種樣式和功能製造:
- 控制台收音機- 一個獨立的廣播,揚聲器旨在站在地板上。
- 桌子收音機還稱為“壁爐架廣播” - 一個獨立的收音機,揚聲器旨在坐在桌子,櫥櫃或壁爐壁爐架上。儘管存在一些“無繩”電池供電的台式收音機,但表收音機通常會插入牆壁出口。
- 時鐘收音機- 床頭櫃收音機,還包括一個鬧鐘。可以將鬧鐘設置為早上打開收音機,而不是鬧鐘,以喚醒所有者。
- 調諧器- 組件家庭音頻系統中的高保真AM/FM無線電接收器。它沒有揚聲器,但是輸出了一個音頻信號,該音頻信號被輸入系統並通過系統的揚聲器播放。
- 便攜式收音機- 一台由可以隨身攜帶的電池提供動力的廣播。現在,收音機通常與CD播放器和便攜式媒體播放器中的其他音頻源集成在一起。便攜式收音機通常足夠小,可以手工固定,或者對於較大的收音機,帶有手柄或攜帶皮帶。便攜式收音機可能有一個安排插座電源的安排,可以在有插座時保存電池。便攜式“緊急”收音機可以是太陽能和/或手動曲柄動力的。
- 汽車收音機- 一台集成到車輛儀表板中的廣播,在開車時用於娛樂。幾乎所有現代汽車和卡車都配備了收音機,通常還包括CD播放器。
- 衛星無線電接收器 - 從直接廣播衛星接收音頻編程的訂閱無線電接收器。訂戶必須支付每月費用。它們主要設計為汽車收音機。
- 短波接收器- 這是一個廣播廣播,還接收了短波樂隊。它用於短波聆聽。
- AV或立體聲接收器(在上下文中通常稱為接收器)是Hi-Fi或家庭影院系統中的一個組件,將無線電和音頻放大器組合在一個單元中,該單元連接到揚聲器,並且經常與其他輸入和輸出組件相連(例如轉盤,電視,磁帶甲板以及CD和DVD播放器)
其他應用程序
無線電接收器是使用無線電系統的所有系統的重要組件。除了上述廣播接收器外,無線電接收器還用於現代技術的各種電子系統中。它們可以是單獨的設備(無線電),也可以是包含在其他電子設備中的子系統。收發器是一個單位中的發射器和接收器。以下是通過功能組織的一些最常見類型的列表。
- 廣播電視接收- 電視接收一個代表移動圖像的視頻信號,該信號由一系列靜止圖像組成,以及代表相關聲音的同步音頻信號。電視收到的電視頻道佔據了比音頻信號更大的帶寬,從600 kHz到6 MHz。
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雙向語音通信-雙向收音機是一個音頻收發器,同一設備中的接收器和發射器,用於雙向人與人之間的語音通信。無線電鏈路可以使用一個單個無線電通道,其中只有一個無線電一次可以傳輸。因此,不同的用戶輪流說話,按下他們的收音機上的推動按鈕,該按鈕在發射器上切換。或者無線電鏈接可能是完整的雙工,這是一個使用兩個無線電通道的雙向鏈接,因此與手機一樣,兩個人都可以同時交談。
- 手機- 通過無線電信號連接到電話網絡的便攜式電話,該電信信號與當地天線交換,稱為電池塔。手機具有高度自動化的數字接收器,可在UHF和微波帶中運行,並接收雙面語音通道的傳入側,以及一個控制撥號呼叫並在單元塔之間切換電話的控制通道。他們通常還具有其他幾個接收器,可以將它們與其他網絡相連: WiFi調製解調器,藍牙調製解調器和GPS接收器。電池塔具有復雜的多通道接收器,可同時接收許多手機的信號。
- 無繩電話-手機可移植的座機電話,並通過短距離雙面無線電鏈路與其餘手機通信,而不是由電線連接。聽筒和基站都有在UHF頻段中運行的無線電接收器,該接收器接收短距離雙向雙面無線電鏈路。
- Citizens Band Radio-在27 MHz樂隊中運行的雙向半雙鏈電台,無牌照。它們通常安裝在車輛中,並由卡車司機和送貨服務使用。
- 對講機- 手持式短距離半雙鏈雙向收音機。
- 掃描儀- 一個接收器,可以通過反复穿過通道來連續監視多個頻率或無線電通道,並簡要聆聽每個通道進行傳輸。當發現發射器時,接收器在該通道處停止。掃描儀用於監視緊急警察,火災和救護車的頻率,以及其他兩條無線電頻率,例如公民樂隊。掃描功能也已成為通信接收器,對講機和其他雙向收音機的標準功能。
- 通信接收器或短波接收器- 涵蓋LF , MF ,短波( HF )和VHF頻段的通用音頻接收器。主要與單獨的短波發射器一起用於通信站,業餘廣播電台和短波偵聽的雙向語音通信。
- 單向(單純)語音通信
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數據通信
- 無線(WiFi)調製解調器- 一種自動化的短範圍數字數據發射器和便攜式無線設備上的接收器,該設備通過微波與附近的接入點,路由器或網關通信,將便攜式設備與本地計算機網絡( WLAN )連接到交換數據,以交換數據與其他設備。
- 藍牙調製解調器- 在便攜式無線設備上用作電線或電纜連接的便攜式無線設備上的2.4-2.83 GHz數據收發器,主要是在便攜式設備之間交換文件,並與無線播放器進行連接的音樂播放器交換文件耳機。
- 微波繼電器- 長距離高帶寬點對點數據傳輸鏈路,該鏈接由盤子天線和發射器組成,該鏈條和發射器將微波梁傳輸到另一個盤子天線和接收器。由於天線必須處於視線狀態,因此距離被視覺範圍限制在30-40英里處。微波鏈接用於私人業務數據,廣泛的計算機網絡(WANS)以及電話公司,以在城市之間傳輸遠程電話和電視信號。
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衛星通信-通信衛星用於地球上廣泛分開點之間的數據傳輸。其他衛星用於搜救,遙感,天氣報告和科學研究。與衛星和航天器的無線電通信可能涉及很長的路徑長度,從35,786公里(22,236英里)的地球同步衛星到數十億公里的星際航天器。該航天器發射器可用的功率和有限的功率必須使用非常敏感的接收器。
- 衛星應答器-通信衛星中的接收器和發射器,該衛星接收了多個數據渠道,帶有長途電話,電視信號。或從衛星接地站的微波上鏈接信號上的互聯網流量,並以不同的下行鏈路頻率將數據重新傳輸到另一個地面站。在直接廣播的衛星中,應答器直接向消費者家中的衛星廣播或衛星電視接收器廣播。
- 衛星地面站接收器-通信衛星地面站接收來自繞地球的通信衛星的數據。 NASA深空網絡等深空地面站從遙遠的科學航天器上獲得了弱信號,該航天台上的行星際勘探任務。它們的直徑約為85英尺(25 m)的大型天線,並且非常敏感的無線電接收器類似於射電望遠鏡。接收器的RF前端通常通過液氮冷凍冷卻至-195.79°C(-320°F),以減少電路中的無線電噪聲。
- 遙控器-遙控接收器接收控制設備的數字命令,該命令可能像太空車輛或無人機一樣複雜,或者像車庫門開啟器一樣簡單。遙控系統通常還合併了遙測通道,以將受控設備狀態的數據傳輸回控制器。無線電控制模型和其他型號包括模型車,船,飛機和直升機的多通道接收器。無鑰匙進入系統中使用了短距離無線電系統。
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放射定位- 這是無線電波來確定對象的位置或方向。
- 雷達- 一種傳輸狹窄的微波樑的設備,這些設備從目標回到接收器上,用於定位飛機,航天器,導彈,船隻或陸地車輛等物體。接收器通常連接到同一天線,表明目標方向。廣泛用於航空,運輸,航行,天氣預報,太空飛行,汽車碰撞系統和軍隊中。
- 全球導航衛星系統(GNSS)接收器,例如與美國全球定位系統一起使用的GPS接收器- 使用最廣泛的電子導航設備。一個自動化的數字接收器,從低地球軌道中的幾個衛星接收同時數據信號。使用極其精確的時間信號,它計算到衛星的距離,並從此計算接收器在地球上的位置。 GNSS接收器以便攜式設備的形式出售,並且還包含在手機,車輛和武器,甚至是砲彈中。
- VOR接收器 - 飛機上使用VOR導航信標的VHF信號在108至117.95 MHz之間的飛行器,以非常準確地確定通往信標的方向,以進行空中導航。
- 野生動物跟踪接收器 - 帶有定向天線的接收器,用於跟踪野生動物的野生動物,這些動物用較小的VHF發射器標記為野生動物管理。
- 其他
接收器的工作方式
無線電接收器連接到天線,該天線將某些能量從輸入的無線電波轉換為微小的射頻交流電壓,該電壓電壓應用於接收器的輸入。天線通常由金屬導體的排列組成。無線電波的振盪電場和磁場將電子來回推動,從而產生振盪電壓。
天線可以被封閉在接收器的情況下,就像AM收音機的鐵氧體環天線和手機的平坦倒置F天線一樣。就像在FM收音機上使用的鞭子天線一樣,連接到接收器的外部,或單獨安裝並通過電纜連接到接收器,就像屋頂電視天線和衛星菜餚一樣。
接收器的主要功能
實用無線電接收器對來自天線的信號執行三個基本功能:過濾,擴增和解調:
帶通濾波
來自許多發射機的無線電波同時通過空氣,而不會彼此干擾,並且由天線接收。這些可以在接收器中分開,因為它們具有不同的頻率。也就是說,來自每個發射器的無線電波以不同的速率振盪。為了分離所需的無線電信號,帶通濾波器允許所需的無線電傳輸的頻率通過,並在所有其他頻率下封鎖信號。
帶通濾波器由一個或多個共振電路(調諧電路)組成。諧振電路在天線輸入和接地之間連接。當傳入的無線電信號處於諧振頻率時,共振電路具有很高的阻抗,並且來自所需站點的無線電信號將傳遞到接收器的以下階段。在所有其他頻率上,共振電路的阻抗都較低,因此在這些頻率下進行信號。
- 帶寬和選擇性:請參見圖。無線電傳輸中的信息(調製)包含在載波頻率( C )兩側的兩個狹窄頻率頻段中,因此濾波器必須通過一個頻率頻段,而不僅僅是單個頻率。接收器收到的頻率頻段稱為其Passband (PB) ,而在Kilohertz中的PassBand寬度稱為帶寬(BW) 。濾波器的帶寬必須足夠寬,以使邊帶不變,但狹窄,以阻止相鄰頻率上的任何干擾傳輸(例如圖中的S2 )。接收器拒絕接近所需站點的不必要的廣播電台的能力是一個重要的參數,稱為濾波器確定的選擇性。在現代接收器石英晶體中,陶瓷諧振器或表面聲波(SAW)過濾器通常使用與電容器 - 電感器調諧電路網絡相比具有更清晰的選擇性。
- 調整:要選擇一個特定的電台,無線電被“調節”到所需發射機的頻率。收音機具有撥號或數字顯示,顯示了其調諧的頻率。調整將接收器的通帶的頻率調整為所需無線電發射器的頻率。轉動調諧旋鈕會改變調諧電路的諧振頻率。當諧振頻率等於無線電發射器的頻率時,調諧電路同情振盪,將信號傳遞到接收機的其餘部分。
放大
接收天線拾取的無線電波的功率隨著其與傳輸天線的距離的平方降低。即使在無線電廣播電台中使用了強大的發射器,如果接收器距離發射器幾英里以上,則接收器天線截獲的功率也很小,也許與picowatts或formtowatts一樣低。為了增加恢復信號的功率,放大器電路使用電池或牆壁插頭的電力來增加信號的振幅(電壓或電流)。在大多數現代接收器中,實際放大的電子組件是晶體管。
接收器通常具有幾個階段的放大階段:從帶通濾波器中的無線電信號放大以使其足夠強大以驅動異位調節器,然後將來自解調器的音頻信號放大,以使其足夠強大以操作揚聲器。無線電接收器的放大程度通過稱為其靈敏度的參數來衡量,該參數是天線處站點的最小信號強度,以微伏測量,以清楚地接收信號,並具有一定的信號噪聲比率。由於很容易在任何期望的程度上放大信號,因此許多現代接收器的靈敏度的極限不是放大程度,而是電路中存在的隨機電子噪聲,這可能會淹沒弱的無線電信號。
解調
無線電信號過濾並放大後,接收器必須從調製射頻載波波中提取信息的調製信號。這是由稱為解調器(檢測器)的電路完成的。每種類型的調製都需要不同類型的解調器
許多其他類型的調製也用於專業目的。
將解調器的調製信號輸出通常會擴大以提高其強度,然後通過某種類型的傳感器將信息轉換回人使用的形式。代表聲音的音頻信號(如廣播收音機中)被耳機或揚聲器轉換為聲波。如電視接收器中,代表移動圖像的視頻信號通過顯示器轉換為燈光。與無線調製解調器中的數字數據一樣,將其作為輸入到與人類用戶交互的計算機或微處理器。
- 是解調
- 最容易理解的解調類型是AM解調,在AM無線電中用於恢復音頻調製信號,該信號代表聲音,並由無線電揚聲器轉換為聲波。它是由稱為信封檢測器(請參閱電路)的電路來完成的,該電路由二極管(D)組成,其輸出遍布旁路電容器(C) 。
- 請參閱圖。來自調諧電路的振幅調製無線電信號顯示在(a)上。快速振盪是射頻載波波。音頻信號(聲音)包含在波的振幅(大小)的緩慢變化(調製)中。如果將其直接應用於揚聲器,則該信號無法轉換為聲音,因為軸兩側的音頻偏移相同,平均為零,這將不會導致揚聲器的隔膜的淨運動。 (b)當將此信號作為輸入V I應用於檢測器時,二極管(d)將電流朝一個方向進行,但不能朝相反的方向傳遞,從而允許僅在信號的一側通過電流的脈衝。換句話說,它將AC電流糾正為脈衝直流電流。所得的電壓V O應用於負載r L不再平均為零。它的峰值與音頻信號成正比。 (c)旁路電容器(c)由二極管的電流脈沖向上充電,其電壓跟隨脈衝的峰,即音頻波的信封。它執行平滑(低通濾波)功能,刪除射頻載體脈衝,使低頻音頻信號通過負載r L。音頻信號被放大並應用於耳機或揚聲器。
調諧射頻(TRF)接收器
在最簡單的無線電接收器類型(稱為調諧的射頻(TRF)接收器)中,以上三個函數是連續執行的:(1)濾波來自天線的無線電信號的混合物被過濾以提取所需變送器的信號; (2)通過射頻(RF)放大器發送該振盪電壓,以將其強度提高到足以驅動解調器的水平; (3)解調器從調製的無線電載波中恢復調製信號(在廣播接收器中是音頻信號,以代表聲波的音頻速率振蕩的電壓振盪); (4)調製信號在音頻放大器中進一步放大,然後將其應用於揚聲器或耳機以將其轉換為聲波。
儘管TRF接收器用於少數應用中,但它具有實際缺點,使其不如下面的超近似接收器,這在大多數應用中都使用。缺點源於以下事實:在TRF中,過濾,放大和解調是在傳入無線電信號的高頻上完成的。濾波器的帶寬隨其中心頻率增加,因此,隨著TRF接收器的調諧到不同的頻率,其帶寬也會變化。最重要的是,無線電頻譜的擁塞增加要求無線電通道在頻率上非常接近。在無線電頻率上構建過濾器非常困難,該頻率具有足夠狹窄的帶寬以分離距離緊密間隔的廣播電台。 TRF接收器通常必須具有許多級聯的調諧階段才能達到足夠的選擇性。下面的優點部分描述了超近似接收器如何克服這些問題。
超近地近地設計
埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)於1918年發明的SuperPhetrodyne接收器是幾乎所有現代接收器中使用的設計,除了一些專用應用程序。
在超明近地內,從天線的射頻信號在處理之前,將來自天線的射頻信號轉移到較低的“中間頻率”(如果)。來自天線的傳入射頻信號與接收器中局部振盪器(LO)產生的未調製信號混合。混合在稱為“混合器”的非線性電路中進行。混合器輸出時的結果是在這兩個頻率之間的差異處的雜差或Beat頻率。該過程類似於在不同頻率上一起演奏的兩個音符產生節拍音符的方式。該較低的頻率稱為中間頻率(如果)。 IF信號還具有調製邊帶,該邊帶載有原始RF信號中存在的信息。 IF信號通過過濾器和放大器階段通過,然後在檢測器中解調,恢復原始調製。
接收器很容易調整;要接收不同的頻率,只需要更改本地振盪器頻率。混合器以固定的中間頻率(如果)運行後的接收器階段,因此IF帶通濾波器不必調整為不同的頻率。固定頻率允許現代接收器使用複雜的石英晶體,陶瓷諧振器或表面聲波(SAW)(如果過濾器具有很高的Q因子)來提高選擇性。
需要接收器前端的RF過濾器,以防止以圖像頻率以任何無線電信號的干擾。沒有輸入過濾器,接收器可以在兩個不同的頻率下接收傳入的RF信號。可以設計接收器以在這兩個頻率中的任何一個上接收;如果將接收器設計為在一個上接收,則其他頻率上的任何其他廣播電台或無線電噪聲可能會通過並干擾所需的信號。一個可調的RF濾波器級拒絕圖像頻率;由於它們遠離所需頻率,因此簡單的過濾器提供了足夠的拒絕。拒絕乾擾信號的頻率更接近所需的信號是由中間頻率放大器的多個尖銳調整階段來處理的,而中間頻率放大器的多個階段不需要更改其調諧。該過濾器不需要極好的選擇性,但是由於接收器被調整為不同的頻率,因此必須與本地振盪器一起“跟踪”。 RF濾波器還用於限制應用於RF放大器的帶寬,從而阻止其被帶外信號過載。
為了達到良好的圖像排斥和選擇性,許多現代超級接收器使用兩個中間頻率。這稱為雙轉換或雙轉換超級快速差。首先將傳入的RF信號與第一個混合器中的一個局部振盪器信號混合,以將其轉換為高if頻率,以使有效的過濾從圖像頻率中脫出,然後在第二個中將其與第二個局部振盪器信號混合在一起混合器將其轉換為低頻率的低頻率濾波。有些接收器甚至使用三個轉換。
以額外的階段為代價,超近似接收器的優勢比通過TRF設計實現了更大的選擇性。在使用非常高的頻率的地方,只有接收器的初始階段才能以最高的頻率運行;其餘階段可以在較低的頻率下提供大部分接收器增益,這可能更容易管理。與多階段TRF設計相比,簡化了調整,並且只有兩個階段需要在調諧範圍內進行跟踪。接收器的總擴增在不同頻率下的三個放大器之間分配。 RF,如果和音頻放大器。這減少了在大多數放大器階段以與TRF接收器相同的頻率運行的接收器中遇到的反饋和寄生振盪問題。
最重要的優勢是通過以較低的中間頻率進行過濾可以實現更好的選擇性。接收器最重要的參數之一是其帶寬,即它接受的頻率頻段。為了拒絕附近的干擾站或噪音,需要一個狹窄的帶寬。在所有已知的過濾技術中,濾波器的帶寬與頻率成正比增加,因此通過在較低的情況下執行過濾 ,而不是原始無線電信號的頻率 ,可以實現更狹窄的帶寬。如果沒有超墨件,現代的FM和電視廣播,手機和其他通信服務以及狹窄的頻道寬度將是不可能的。
自動增益控制(AGC)
來自接收器天線的無線電信號的信號強度(振幅)因數量級而巨大變化,具體取決於無線電發射器的距離,其功能強大以及沿無線電波路徑的傳播條件。從給定發射器接收到的信號的強度隨時間而變化,這是由於無線電波通過的路徑的傳播條件(例如多徑干擾)的變化。這稱為褪色。在AM接收器中,來自檢測器的音頻信號的振幅和聲音體積與無線電信號的幅度成正比,因此褪色會導致體積的變化。另外,隨著接收器在強站和弱站點之間進行調整,揚聲器的聲音體積會大不相同。如果沒有自動系統來處理它,則在AM接收器中,將需要持續調整音量控制。
對於其他類型的調製(例如FM或FSK),調製的幅度與無線電信號強度不會有所不同,但是在所有類型中,解調器都需要一定範圍的信號幅度才能正常運行。信號幅度不足會導致異位調節器的噪聲增加,而過度的信號幅度會導致放大器階段過載(飽和),從而導致信號的失真(剪輯)。
因此,幾乎所有現代接收器均包含一個反饋控制系統,該系統可以監視檢測器處無線電信號的平均水平,並調整放大器的增益以給出最佳信號級別以進行解調。這稱為自動增益控制(AGC)。可以將AGC與人眼中的黑暗適應機制進行比較。進入黑暗房間時,虹膜開口會增加眼睛的增長。以最簡單的形式,AGC系統由一個整流器組成,該整流器將RF信號轉換為不同的直流水平,低通濾波器以平滑變化並產生平均水平。將其作為控制信號應用於早期的放大器階段,以控制其增益。在超膽道接收器中,通常將AGC應用於IF放大器,並且可能有第二個AGC環路來控制RF放大器的增益,以防止其過載。
在某些接收器設計(例如現代數字接收器)中,相關問題是信號的直流。通過類似的反饋系統來糾正這。
歷史
無線電波是在德國物理學家海因里希·赫茲(Heinrich Hertz) 1887年的一系列實驗中首次確定的,以證明詹姆斯·克萊克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)的電磁理論。赫茲使用火花激發的偶極天線產生連接到偶極子和環形天線的波浪和千分尺的火花隙以檢測它們。這些原始設備更準確地描述為無線電波傳感器,而不是“接收器”,因為它們只能檢測到發射機約100英尺內的無線電波,而不是用於通信,而是用作科學實驗中的實驗室儀器。
火花時代
在1887年至1917年的最初三十年的無線電中使用的第一批無線電發射機是Spark Era的時期,是火花隙發射器,通過通過電火花釋放電容來產生無線電波。每種火花都會產生無線電波的短暫脈衝,該脈衝迅速降低至零。這些阻尼的波浪不能像現代AM和FM傳輸一樣調製以攜帶聲音。因此,火花發射器無法傳輸聲音,而是通過radiotelegraphy傳輸信息。運算符使用電報鍵迅速打開和關閉發射器,從而創建了抑制的無線電波(“點”和“ dashes”)的不同長度脈衝,以在Morse代碼中拼寫文本消息。
因此,第一個無線電接收器不必像現代接收器那樣從無線電波中提取音頻信號,而只是檢測到無線電信號的存在,而是在“點”和“ dashes”期間產生了聲音。這樣做的設備稱為“檢測器”。由於目前沒有放大設備,因此接收器的靈敏度主要取決於檢測器。嘗試了許多不同的檢測器設備。火花時代的無線電接收器包括以下各個部分:
- 一個天線,以攔截無線電波並將其轉換為微小的射頻電流。
- 一個調諧電路,由連接到電線線圈的電容器組成,該電容器充當帶通濾波器,從天線拾取的所有信號中選擇所需的信號。電容器或線圈都可以調節以調整接收器到不同發射器的頻率。 1897年之前,最早的接收器沒有調整過電路,他們回應了其天線拾取的所有無線電信號,因此他們的頻率差異很小,並在附近收到了任何發射器。大多數接收器使用一對調諧電路,其線圈磁耦合,稱為諧振變壓器(振盪變壓器)或“鬆散的耦合器”。
- 一個檢測器,該檢測器為接收到每個阻尼波的DC電流脈衝。
- 一種指示的設備,例如耳機,將電流的脈沖轉換為聲波。第一個接收器改為使用電鈴。後來,商業無線系統中的接收器使用了Morse Siphon錄音機,該記錄器由安裝在針頭上的墨水筆上的墨水筆(電流計)搖動,該墨水在移動的紙帶上吸引了一條線。構成摩爾斯的“點”或“破折號”的每一串阻尼波浪都使針頭擺動,形成了線路的位移,可以從膠帶上讀取。有了這樣的自動接收器,無線電操作員不必連續監視接收器。
火花隙發射器發出的信號由以音頻速率重複的阻尼波組成,從120到每秒4000個,因此在耳機中,信號聽起來像是音樂音調或嗡嗡聲,以及摩爾斯密碼“點”和“ dashes” “聽起來像是嗶嗶聲。
第一個使用無線電浪潮進行交流的人是Guglielmo Marconi 。馬可尼(Marconi)發明了很少的人,但他首先相信廣播可能是一種實用的通信媒介,並且單手開發了第一個無線電報系統,發射器和接收器,該系統始於1894 - 5年,主要是通過改進其他人發明的技術。奧利弗·洛奇(Oliver Lodge)和亞歷山大·波波夫(Alexander Popov)也在1894 - 5年同時使用相似的無線電波接收器件進行了實驗,但眾所周知,在此期間,它們僅在此期間傳輸了Morse代碼,只是一系列隨機脈衝。因此,通常會因建立第一個無線電接收器而獲得榮譽。
連管接收器
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馬可尼(Marconi)從1896年開始的第一個連貫無線電接收器的電路
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1904年從Marconi開發的合夥人。
Marconi, Oliver Lodge和Alexander Popov於1894 - 5年發明的第一個無線電接收器使用了一個名為Coerer的原始無線電波探測器,該探測器由Edouard Branly於1890年發明,並由Lodge和Marconi改進。耦合器是玻璃管,兩端都有金屬電極,電極之間的金屬粉末鬆動。它最初具有高電阻。當射頻電壓施加到電極上時,其電阻下降並進行電力。在接收器中,耦合器直接在天線和地面之間連接。除天線外,還將對耦合器與電池和繼電器連接在直流電路中。當傳入的無線電波降低了對焦的電阻時,電池的電流流過它,打開繼電器以敲響鈴鐺或在虹吸記錄器中的紙帶上刻度標記。為了使對耦合器恢復其先前的非導電狀態以接收下一個無線電波的脈衝,必須機械利用它以乾擾金屬顆粒。這是由一個撞擊試管的“拆卸器”完成的,該撞擊器由繼電器驅動的電磁體操作。
續約是一種晦澀的古董裝置,即使到今天,各種類型的確切物理機制也存在一些不確定性。但是,可以看出,它本質上是一種無線電波操作的開關,因此它沒有能力糾正無線電波以解調後來的振幅調製(AM)無線電傳輸。
在一系列長的實驗中,馬可尼(Marconi)發現,通過使用升高的金屬絲單極天線代替赫茲的偶極天線,他可以傳輸更長的距離,超出了地球的曲線,這表明無線電不僅是實驗室的好奇心,而且是商業上可行的通信方法。這最終達到了他歷史悠久的跨大西洋無線變速箱,於1901年12月12日從康沃爾郡的帕爾德(Poldhu)到紐芬蘭(Newfoundland)的聖約翰(St. John's ),距離為3500公里(2200英里),這是由一名士兵接收的。但是,即使這個時代強大的發射機也限制為幾百英里,但通常的耦合器接收器範圍也是如此。
該耦合器仍然是早期無線電接收器中使用的主要檢測器約10年,直到1907年左右被晶體檢測器和電解探測器取代。儘管有很多開發工作,但這是一個非常粗略的不令人滿意的裝置。它不是很敏感,也對沖動無線電噪聲( RFI )做出了反應,例如打開或關閉的附近燈以及預期的信號。由於機械繁瑣的“敲擊”機制,該機制僅限於每分鐘的摩爾斯密碼約12-15個單詞的數據速率,而火花隙發射器可以使用紙膠帶機以高達100 wpm的速度傳輸Morse。
其他早期探測器
該控制者的表現不佳促使大量研究找到更好的無線電波探測器,並發明了許多。嘗試了一些奇怪的設備。研究人員試驗了使用青蛙腿,甚至是屍體作為探測器的人腦。
到20世紀的頭幾年,正在製作有關使用振幅調製(AM)通過無線電傳輸聲音的實驗。因此,檢測器研究的第二個目標是找到可以解碼AM信號的探測器,從無線電載波波中提取音頻(聲音)信號。通過反複試驗發現,這可以通過表現出“不對稱傳導”的檢測器來完成。一個朝著一個方向進行電流但不在另一個方向進行電流的設備。這糾正了交替的電流無線電信號,刪除了載體週期的一側,留下了脈衝直流電流,其振幅隨音頻調製信號而變化。當應用於耳機時,這將重現傳輸的聲音。
以下是在真空管佔據1920年左右之前看到廣泛使用的探測器。除了磁性檢測器可以糾正並因此接收AM信號:
- 磁性檢測器- 由Guglielmo Marconi於1902年通過Ernest Rutherford發明並由Marconi Co.使用的方法開發皮帶輪是由打孔機制轉向的。鐵線穿過連接到天線的細絲線圈,這是由兩個磁體產生的磁場。每當無線電信號通過刺激線圈時,鐵的滯後都會誘導傳感器線圈中的電流脈衝。由於磁探測器對振動不敏感,因此在船舶接收器上使用了。其中之一是RMS泰坦尼克號無線站的一部分,該站在1912年4月15日下沉時被用來召喚幫助。
- 電解探測器(“液體肺泡”) - 由雷金納德·費森登(Reginald Fessenden)於1903年發明,由玻璃棒中的一條薄鍍銀鉑金屬絲組成,尖端與一杯硝酸的表面接觸。電解作用導致電流僅在一個方向上進行。該探測器一直使用到1910年左右。Fessenden在美國海軍船上安裝的電解探測器在1906年聖誕節前夕收到了第一台AM廣播,這是Fessenden使用他的新交流發射器傳播的聖誕節音樂之夜。
- 熱離子二極管( Fleming Valve ) - 第一個真空管,由John Ambrose Fleming於1904年發明,由約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)於1904年發明,由一個裝有兩個電極的疏散玻璃燈泡組成:由與直覺燈泡和金屬燈泡類似的熱線絲組成的陰極板陽極。馬可尼(Marconi)的顧問弗萊明(Fleming)發明了閥門作為跨大西洋無線接收的更敏感的檢測器。細絲是由單獨的電流通過它加熱的,並通過熱發射發射將電子發射到管中,這一效果是由托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)發現的。無線電信號在陰極和陽極之間應用。當陽極為正時,電子電流從陰極流到陽極,但是當陽極為負時,電子被排斥,沒有電流流動。弗萊明閥在有限的程度上使用了,但不流行,因為它昂貴,燈絲壽命有限,並且不像電解或晶體探測器那樣敏感。
- 晶體探測器( CAT的晶須檢測器) - 亨利·HC Dunwoody和Greenleaf Whittier Pickard於1904年至1906年發明了,基於Karl Ferdinand Braun 1874年在1874年發現的“不對稱傳導”,這些晶體是最成功,最廣泛使用的偵探真空管時代,並將其名字命名為水晶無線電接收器(下圖) 。晶體探測器是第一個半導體電子設備之一,由晶體大小的卵石組成,這些卵石大小的卵石是晶體半導體礦物質的卵石,例如galena (硫化物),其表面被安裝在可調臂上的細金屬金屬絲接觸。這起到了原始二極管的作用,該二極管僅在一個方向上進行電流。除了在晶體收音機中使用外,還將卡木木晶體探測器用於一些早期的真空管收音機中,因為它們比真空管網格裂口檢測器更敏感。
在真空管時代,“檢測器”一詞從含義無線電波檢測器變為表示解調器,該設備可以從無線電信號中提取音頻調製信號。這就是今天的含義。
調諧
“調整”是指調整接收器的頻率,以使所需無線電傳輸的頻率。第一個接收器沒有調諧電路,檢測器直接連接到天線和地面之間。由於除天線以外沒有任何頻率選擇性組件,因此接收器的帶寬等於天線的寬帶寬。這是可以接受的,甚至是必要的,因為第一個赫茲的火花發射器也缺乏調諧電路。由於火花的衝動性質,無線電波的能量分佈在非常寬的頻率上。要從此寬帶信號中接收足夠的能量,接收器也必須具有寬帶的帶寬。
當一個以上的火花發射器在給定區域輻射時,它們的頻率重疊,因此它們的信號相互干擾,導致接待。需要一些方法來允許接收器選擇要接收的發射器信號。由不良調諧發射器產生的多個波長導致信號“抑制”或死亡,大大降低了傳輸的功率和範圍。 1892年,威廉·克魯克斯(William Crookes)就廣播進行了演講,他建議利用共鳴來減少發射機和接收器的帶寬。然後可以“調整”不同的發射器以在不同的頻率上傳輸,因此它們不會干擾。接收器還將具有共振電路(調諧電路),並且可以通過將其諧振電路“調諧”到與發射器相同的頻率來接收特定的傳輸,類似於調整樂器與另一個樂器的共振。這是所有現代廣播中使用的系統。
Tuning用於Hertz的原始實驗中,並在1890年代初期至中期出現在不專門為無線電通信設計的無線系統中,調整的實際應用。尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的1893年3月演講,展示了照明的無線傳輸(主要是他認為是地面傳導),其中包括調音的元素。無線照明系統由帶線天線的火花興奮的接地諧振變壓器組成,該變壓器在整個房間中傳輸了電源到另一個諧振變壓器,該變壓器調諧到發射器的頻率,該變速器點燃了Geissler管。在奧利弗·洛奇(Oliver Lodge)的1894年赫茲(Hertz)作品講座中,解釋並證明了在自由空間“赫茲(Hertzian Waves)”(無線電)中使用調諧。當時,洛奇(Lodge)展示了無線電波的物理和光學品質,而不是試圖構建通信系統,但他會繼續開發調音無線電(他稱為“語法”)的方法(申請了1897年專利),包括使用可變的方法對調子天線的電感。
到1897年,調諧系統的優點已經變得明確,Marconi和其他無線研究人員已將調諧電路融合在一起,這些電路由連接在一起的電容器和電感器組成,將其連接到發射機和接收器中。調諧電路的作用像是調諧叉的電類似物。它的諧振頻率具有很高的阻抗,但在所有其他頻率下都具有低阻抗。在天線和檢測器之間連接起來,它用作帶通濾波器,將所需站的信號傳遞到檢測器,但將所有其他信號路由到地面。接收到的站點F的頻率由電容C和電感L中的電感L確定:
感應耦合
為了拒絕接近頻率到所需站點的其他發射器的無線電噪聲和乾擾,接收器中的帶通濾波器(調諧電路)必須具有狹窄的帶寬,僅允許狹窄的頻率通過。第一個接收器中使用的帶通濾波器的形式一直在接收器中一直使用,直到最近,它是雙音調的電感耦合電路或諧振變壓器(振盪變壓器或RF變壓器)。天線和地面連接到電線線圈,該線線將其磁與第二個線圈與電容器隔開,並在其上連接到檢測器。從天線通過初級線圈的RF交流電流產生了一個磁場,該磁場誘導了供應器的二次線圈中的電流。初級和次級都是調節的電路。初級線圈與天線的電容產生了共鳴,而次級線圈在其上引起了電容器的共鳴。兩者都被調整為相同的諧振頻率。
該電路有兩個優勢。一個是,通過使用正確的轉彎比,天線的阻抗可以與接收器的阻抗相匹配,以將最大RF功率傳遞給接收器。阻抗匹配對於在這個時代的未放大接收器中實現最大接收範圍很重要。線圈通常具有TAPS,可以通過倍增開關選擇。第二個優點是,由於“鬆散的耦合”,它的帶寬比簡單的調諧電路要窄得多,並且可以調整帶寬。與普通變壓器不同,這兩個線圈被“鬆散耦合”。在物理上分離,因此並非所有磁場都與初級經過次級的磁場,從而降低了相互的電感。這給了耦合的調諧電路“更清晰”,比單個調諧電路更窄的帶寬。在與晶體接收器廣泛使用的“海軍型”鬆散耦合器(請參閱圖片)中,將較小的次級線圈安裝在可能滑入或從主盤中滑出的機架上,以改變線圈之間的相互電感。當操作員以附近的頻率遇到干擾信號時,次級可以從主要的頻率上滑落,從而減少耦合,從而縮小帶寬,從而拒絕乾擾信號。一個缺點是,寬鬆的耦合器中的所有三個調整 - 主要調整,次級調整和耦合 - 均互動。改變另一個改變了其他。因此,在新站點進行調整是連續調整的過程。
選擇性變得越來越重要,因為在狹窄的頻率上傳輸的連續波發射器將火花發射器取代,並且廣播導致擠滿了無線電頻譜的緊密間隔的廣播電台的擴散。諧振變壓器繼續用作真空管收音機中的帶通濾波器,並發明了新形式。雙調節變壓器進行AM接收器的另一個優點是,正確調整後,它具有“平坦的頂部”頻率響應曲線,而不是單個調諧電路的“峰值”響應。這使其可以通過載體兩側的AM調製的邊帶,幾乎沒有失真,這與單個調諧電路降低了較高的音頻頻率。直到最近,在所有現代接收器中使用的超螺旋電路中的帶通濾波器都是用共振變壓器製成的,稱為IF Transformers 。
專利爭議
馬可尼(Marconi)的初始無線電系統的調音相對較差,限制了其範圍並增加了乾擾。為了克服這個缺點,他在發射器和接收器的“語法”中開發了一個四電路系統,並帶有調諧線圈。他的1900年英國#7,777(四項四人)專利於1900年4月提交,並在一年後授予了專利糾紛的大門,因為它侵犯了奧利弗·洛奇(Oliver Lodge)的同步專利,並於1897年5月首次提交。費迪南德·布勞恩(Ferdinand Braun) 。馬可尼(Marconi)能夠在英國和法國獲得專利,但美國調整的四巡迴賽專利於1900年11月提交,最初是根據洛奇(Lodge)的調整系統預期的。由布勞恩(Braun)和洛奇(Lodge)。進一步的澄清和重新提取被拒絕,因為它侵犯了特斯拉為他的無線電力傳輸系統獲得的兩項先前專利的一部分。馬可尼(Marconi)的律師設法獲得了由另一位審查員重新考慮的重新提交的專利,該專利因其既有的約翰·斯通·斯通·斯通(John Stone Tuning Ptent)而最初拒絕了它,但終於在1904年6月批准了它,基於它具有獨特的可變感應系統的系統與通過改變天線的長度來調整的石頭不同。當洛奇(Lodge)的同步專利於1911年再延長了7年時,馬可尼公司(Marconi Company)同意解決該專利糾紛,並於1912年使用其專利購買Lodge的廣播公司,為他們提供了他們需要的優先專利。多年來,其他專利糾紛將出現,包括1943年美國最高法院對馬可尼公司在第一次世界大戰期間起訴美國政府對專利侵權的能力的裁決。他們自己的專利似乎沒有優先考慮洛奇,石頭和特斯拉的專利。
水晶無線電接收器
儘管它是1904年在無線電報時代發明的,但水晶無線電接收器也可以糾正AM的傳輸,並成為通往廣播時代的橋樑。除了是無線電報時代商業站中使用的主要類型外,它是第一個被公眾廣泛使用的接收器。在20世紀的前二十年中,隨著廣播電台開始以AM Voice( Radiotelephony )而不是Radiotelegraphy的形式傳輸時,廣播的聆聽成為了流行的愛好,而水晶是最簡單,最便宜的探測器。購買或自製這些廉價可靠的接收器的數百萬人為第一個廣播廣播創造了大眾聽眾,該廣播始於1920年左右。到1920年代後期,水晶接收器已被真空管接收器取代,並在商業上過時了。然而,直到第二次世界大戰之前,青年和窮人繼續使用它。今天,這些簡單的廣播接收器是由學生作為教育科學項目構建的。
水晶無線電使用Harrison HC Dunwoody和Greenleaf Whittier Pickard於1904年發明的貓晶須檢測器來從射頻信號中提取音頻。它由礦物晶體(通常是galena)組成,該晶體由可調節臂上的細絲(“貓晶須”)輕輕觸摸。所得的粗分半導體連接起著Schottky屏障二極管的作用,僅在一個方向上進行。只有晶體表面上的特定位點作為檢測器連接起來,並且連接可能會因絲毫振動而破壞。因此,每次使用之前都會通過反複試驗發現一個可用的站點;操作員會將貓的晶須拖到水晶上,直到收音機開始運行。後來的半導體研究人員弗雷德里克·塞茲(Frederick Seitz)寫道:
這種可變性與似乎神秘的事物接壤,困擾著晶體探測器的早期歷史,並引起了後來一代的許多真空管專家,以將晶體整流的藝術視為接近不可證明的晶體。
水晶無線電沒有放大,並脫離了從廣播電台收到的無線電波的力量,因此必須用耳機聆聽。它無法駕駛揚聲器。它需要長的電線天線,其靈敏度取決於天線的大小。在無線時代,它被用於具有巨大天線的商業和軍事長波站,即使包括跨大西洋的交通,也可以接受長距離的輻射式流量。但是,當用來接收廣播電台時,典型的家庭水晶套件的範圍約為25英里。在復雜的晶體收音機中,使用電感耦合的調諧電路“鬆散的耦合器”來增加Q。但是,與現代接收器相比,它的選擇性仍然很差。
異差接收器和BFO
從1905年左右開始,連續波(CW)發射器開始替代火花發射器的輻射圖形,因為它們的範圍要大得多。第一個連續的波發射器是1904年發明的Poulsen Arc , Alexanderson交流發電機開發了1906 - 1910年,由真空管發射器從1920年左右開始取代。
這些發射器產生的連續波輻射圖信號需要不同的接收方法。火花隙發射器產生的Radiotelegraphy信號由以音頻速率重複的阻尼波的字符串組成,因此Morse代碼的“點”和“ DASHES”在接收器耳機中被視為音調或嗡嗡聲。然而,新的連續波輻射儀信號僅由未經調節的載體(正弦波)組成。這些在接收器耳機中聽不清。為了接收這種新的調製類型,接收器必須在載體的脈衝期間產生某種音調。
這樣做的第一個原始設備是Tikker ,由Valdemar Poulsen於1908年發明。這是一個在調諧器輸出中用電容器的電容器的振動中心,該電容器用作基本調製器,以音頻速率中斷載體,因此在存在載體時會在耳機中產生嗡嗡聲。類似的設備是魯道夫·戈德施密特(Rudolph Goldschmidt)發明的“音調輪”,這是一個由電動機旋轉的電動機旋轉的車輪,其圓周圍繞其圓周,這與固定的刷子接觸。
1901年,雷金納德·費森登(Reginald Fessenden)發明了一種更好的方法來實現這一目標。在他的雜化接收器中,將傳入無線電波載體F C偏移的未修飾正弦波無線電信號應用於晶體檢測器,例如晶體檢測器或電解檢測器,以及來自天線的無線電信號。在檢測器中,兩個信號混合在一起,在總和f c + f o和這些頻率之間的差異f c -f o產生兩個新的雜差( BEAT )頻率。通過正確選擇f o,下部雜種f c -f o在音頻頻率範圍內,因此每當載體存在時,它都可以作為耳機的音調。因此,摩爾斯密碼的“點”和“破折號”被聽到音樂“嗶嗶聲”。在此預擴增期間,該方法的主要吸引力是,雜項接收器實際上放大了信號,檢測器具有“混合器增益”。
接收器的時間超過了時間,因為當發明它時,沒有振盪器能夠以所需的穩定性產生射頻正弦波f o 。費森登首先使用了他的大型射頻交流發電機,但這對於普通接收器來說是不實際的。雜尼接收器一直是實驗室的好奇心,直到出現廉價的緊湊型連續波源,埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)和亞歷山大·邁斯納( Alexander Meissner)於1913年發明的真空管電子振盪器。雜化振盪器是節拍頻率振盪器(BFO)的祖先,該振盪器(BFO)用於今天在通信接收器中接收輻射圖。每次將接收器調諧到新站點時,都必須重新調整異差振盪器,但是在現代超近似接收機中,BFO信號以固定的中間頻率擊敗,因此BEAT頻率振盪器可以是固定的頻率。
阿姆斯特朗後來在他的超螺旋式接收器中使用了費森登的雜尼原理(下圖) 。
真空管時代
1906年, Lee de Forest發明的Audion ( Triode )真空管是第一個實用的放大裝置和革命的無線電。真空管發射器取代了火花發射器,並使得四種新型的調製類型:連續波(CW)輻射圖,振幅調製(AM)在1915年左右,可以攜帶音頻(聲音),頻率調製(FM),在1938年左右,它具有大大改善的音頻質量和單個邊帶(SSB)。
放大的真空管使用電池或電源插座的能量來增加無線電信號的功率,因此真空管接收器可能更敏感,並且具有比以前未放大接收器更大的接收範圍。增加的音頻輸出功率還使他們能夠駕駛揚聲器而不是耳機,從而允許多個人聆聽。第一批揚聲器是在1915年左右生產的。這些變化導致無線電從孤獨的愛好到流行的社會和家庭消遣。第一次世界大戰期間的振幅調製(AM)和真空管發射器的發展以及戰後廉價接收管的可用性為開始的AM廣播奠定了基礎,該舞台是在1920年左右自發彈出的。
無線電廣播的出現大大增加了廣播接收器的市場,並將其轉變為消費品。在1920年代初,無線電接收器是一種禁止的高科技設備,許多隱秘的旋鈕和控件都需要技術技能來操作,並安裝在一個沒有吸引力的黑色金屬盒中,並帶有帶有微小的喇叭聲揚聲器。到1930年代,廣播接收器已成為一件家具,該家具裝在一個有吸引力的木箱中,並具有任何人可以使用的標準化控件,這些控件在家庭客廳中佔據了尊敬的位置。在早期收音機中,多個調諧電路需要調整多個旋鈕以在新電台中調整。最重要的易用創新之一是“單旋鈕調整”,通過將調諧電容器機械地連接在一起來實現。 1924年發明的動態圓錐揚聲器比以前的喇叭揚聲器大大提高了音頻響應,從而使音樂以良好的忠誠度複製。添加了便利功能,例如大型發光錶盤,音調控制,按鈕調整,調整指示器和自動增益控制(AGC)。接收器市場分為上述廣播接收器和通信接收器,這些接收器用於雙向無線電通信,例如Shortwave Radio 。
真空管接收器需要在不同電壓下進行幾個電源,在早期收音機中,這些電源是由單獨的電池提供的。到1930年,已經開發了足夠的整流管,昂貴的電池被換成房屋電流的變壓器電源取代。
真空管笨重,昂貴,終生有限,消耗了大量功率並產生了大量的廢熱,因此接收器在經濟上可能擁有的管數是一個限制因素。因此,試管接收器設計的目標是在有限數量的管中獲得最大的性能。下面列出的主要無線電接收器設計是在真空管時代發明的。
許多早期真空管接收器中的一個缺陷是,放大階段可以振盪,充當振盪器,產生不必要的射頻交流電流。這些寄生振盪與探測器管中無線電信號的載體混合,產生可聽見的節拍音符(雜化);演講者中的煩人的哨子,mo吟和how叫。振盪是由放大器中的反饋引起的。一個主要的反饋路徑是板和網格之間的電容。這是通過中性電路解決的,後來又在1930年左右的四極管和五座的發展來解決。
埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)是無線電接收器歷史上最重要的人物之一,在此期間,發明了繼續主導無線電通信的技術。他是第一個正確解釋德森特森特三極管如何工作的人。他發明了反饋振盪器,再生接收器,超級增生接收器,超螺旋接收器和現代頻率調製(FM)。
第一個真空管接收器
第一個放大真空管, Audion ,一種原油三極管,是由Lee de Forest在1906年發明的,是無線電接收器的更敏感的檢測器,通過將第三個電極添加到熱離子二極管檢測器, Fleming Valve 。直到1912年左右認識到它的放大能力才被廣泛使用。第一個管接收器是由德森特(De Forest)發明的,由業餘愛好者建造,直到1920年代中期,它使用了一個單一的音調,該音頻起著網格滲透性檢測器的作用無線電信號。在1914年的論文中,埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)解釋了其放大和解調功能,直到埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)解釋了其放大和解調功能,因此存在不確定性。直到1930年代,網格裂谷探測器電路也用於再生, TRF和早期超螺旋接收器(下) 。
為了提供足夠的輸出功率來驅動揚聲器,需要2或3個其他真空管階段才能進行音頻放大。許多早期的業餘愛好者只能負擔得起一個管接收器,並用耳機收聽收音機,因此早期的管放大器和揚聲器以附加組件的形式出售。
除了非常低的增益約為5,壽命約為30至100小時,原始聲音還具有不穩定的特徵,因為它未完全撤離。德森林認為,剩餘空氣的電離是聽覺操作的關鍵。這使其成為更敏感的檢測器,但在使用過程中也導致其電氣特性變化。當管子加熱時,從金屬元素釋放的氣體會改變管子中的壓力,改變板電流和其他特性,因此需要定期調整,以使其保持在正確的工作點。每個聽覺階段通常都有一個變阻器來調節細絲電流,通常是電位計或多位數開關來控制板電壓。絲狀變狀儀也被用作體積控制。許多控制措施使多通用音調接收器變得複雜。
到1914年, GE的Western Electric和Irving Langmuir的Harold Arnold意識到無需殘留氣體。聲音可以單獨使用電子傳導。他們將管子撤離到較低的壓力為10 -9 atm,產生了第一個“硬真空”三座。這些更穩定的管不需要偏置調整,因此收音機的控制措施較少,並且更易於操作。在第一次世界大戰期間,禁止平民無線電使用,但到1920年,大規模生產真空管收音機開始了。在1920年代之前,將“軟”不完全撤離的管子用作檢測器。
再生(自動)接收器
埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)於1913年發明的23歲大學生髮明的再生接收者一直被廣泛使用,直到1920年代後期,特別是由愛好者,他們只能負擔得起單管收音機。如今,該電路的晶體管版本仍用於對講機等一些廉價的應用中。在再生接收器中,通過使用再生(正反饋)增加真空管或晶體管的增益(擴增);帶有反饋循環的輸入電路中,來自管子輸出電路的某些能量被反饋到輸入電路中。早期的真空管的增益非常低(約5)。再生不僅可以將管子的增益大大增加15,000倍或更多,還增加了調諧電路的Q因子,從而減少了接收器的帶寬(銳化),從而大大提高了接收器的帶寬,從而大大提高了選擇性。接收器具有調整反饋的控件。該試管還充當網格螺旋檢測器,以糾正AM信號。
該電路的另一個優點是可以使管子振盪,因此單個管可以用作節拍頻率振盪器和檢測器,並用作漸進式接收器,以使CW radiotelegraphy transmissions可聽見。此模式稱為自動接收器。為了接收放射性圖,增加了反饋直到管振盪,然後將振盪頻率調節到傳輸信號的一側。輸入的無線電載體信號和局部振盪信號混合在管中,並在頻率之間的差異下產生了可聽見的雜尼(Beat)音調。
廣泛使用的設計是阿姆斯特朗電路,其中板電路中的“滴答器”線圈耦合到網格電路中的調諧線圈,以提供反饋。反饋由可變電阻器控制,或者通過將兩個繞組在物理上移動在一起以增加循環增益,或者分開以減少它。這是由稱為變量計(VarioCoupler)的可調節空氣核心變壓器完成的。有時還將再生探測器用於TRF和超膽道接收器。
再生電路的一個問題是,當與大量再生一起使用時,調諧電路的選擇性(Q)可能太清晰,會衰減AM邊帶,從而扭曲音頻調製。這通常是可以使用的反饋量的限制因素。
一個更嚴重的缺點是它可以充當無意的無線電發射機,在附近的接收器中產生干擾( RFI )。在AM接收中,為了獲得最大的敏感性,該管的操作非常接近不穩定性,並且很容易脫離振盪(並且在CW接收中確實振蕩了),並且所得的無線電信號被其電線天線輻射。在附近的接收器中,再生的信號會隨著探測器接收到的站點的信號而擊敗,從而產生令人討厭的雜質,(節拍),how叫和哨聲。振蕩的早期再生很容易被稱為“泡沫”。一種預防措施是在再生檢測器之前使用RF擴增的階段,以將其與天線分離。但是到1920年代中期,“ Regens”不再由主要的廣播製造商出售。
超級接收器
這是埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)於1922年發明的接收器,它以更複雜的方式使用再生,從而獲得更大的收益。它在1930年代的一些短波接收器中使用,如今已在一些廉價的高頻應用中使用,例如對講機和車庫門開瓶器。
在再生接收器中,反饋迴路的循環增益小於一個,因此管(或其他放大裝置)沒有振盪,而是接近振盪,從而給予很大的增益。在超級增生的接收器中,循環增益等於一個,因此放大裝置實際上開始振盪,但振盪被定期中斷。這允許單個管產生超過10 6的收益。
TRF接收器
由恩斯特·亞歷山大( Ernst Alexanderson )於1916年發明的調諧射頻(TRF)接收器,通過在檢測器前使用放大階段的幾個階段,每個階段都使用調諧電路,都調整了電路頻率,從而提高了靈敏度和選擇性。
早期TRF接收器的一個主要問題是它們很複雜,因為每個共振電路必須在收音機工作之前調整為電台的頻率。在後來的TRF接收器中,調音電容器在一個公共軸上機械地連接在一起(“幫派”),以便可以用一個旋鈕調整它們,但是在早期的接收器中,調諧電路的頻率無法使“軌道”足夠好,以至於允許此功能,每個調諧電路都有自己的調諧旋鈕。因此,旋鈕必須同時轉動。因此,大多數TRF組的RF階段不超過三個調諧。
第二個問題是,多個射頻階段都調整為相同的頻率,容易振盪,並且寄生振盪與探測器中的無線電站的載體混合在一起,產生了可聽見的雜質(節奏音符),哨子和mo吟,在演講者。這是通過中性電路的發明(下圖)和四極管在1930年後期的發育來解決的,並在階段之間更好地屏蔽。
如今,TRF設計用於一些集成的(IC)接收器芯片。從現代接收器的角度來看,TRF的缺點是,調諧的RF階段的增益和帶寬不是恆定的,而是隨著接收器調諧到不同頻率而變化。由於具有給定Q的濾波器的帶寬與頻率成正比,因此接收器調諧到較高的頻率,其帶寬增加。
中性接收器
Louis Hazeltine於1922年發明的中性接收器是TRF接收器,其“中和”電路添加到每個無線電放大階段中,以取消反饋,以防止振盪引起TRF中令人討厭的哨聲。在中和電路中,一個電容器從板電路到網格電路的反饋電流,該電路與導致振蕩的反饋相同180°,從而取消了振盪。直到1930年左右廉價四極管的出現之前,中立性是流行的。
反射接收器
Reflex接收器由Wilhelm Schloemilch和Otto Von Bronk於1914年發明,並於1917年被Marius Latour和William H. Priess重新發現並延伸到多管,是1920年代的一些廉價收音機中使用的設計1930年代的便攜式管收音機,在1950年代的一些第一個晶體管收音機中再次出現。這是發明巧妙的電路的另一個例子,以最大程度地利用有限數量的活動設備。在反射接收器中,來自調諧電路的RF信號通過一個或多個放大管或晶體管(在檢測器中解調) ,然後通過相同的放大器階段以進行音頻擴增,然後再次傳遞結果音頻信號。放大器中同時存在的單獨的無線電和音頻信號不會互相干擾,因為它們處於不同的頻率,因此放大管可以執行“雙重功能”。除了單管反射接收器外,某些TRF和超螺旋接收器還有幾個階段“反射”。反射無線電容易出現稱為“播放”的缺陷,這意味著當音量控制被拒絕時,音頻的音量並沒有達到零。
超近地內接收器
埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)在信號兵團中時於1918年在第一次世界大戰期間發明的超外差是幾乎所有現代接收器中使用的設計,除了一些專業應用。它比上面的其他接收器更複雜,當它被發明時,需要6-9個真空管,將其超出了大多數消費者的預算之外,因此最初主要用於商業和軍事通信站。但是,到1930年代,“超級”替換了上面的所有其他接收器類型。
在雷金納德·費森登(Reginald Fessenden)發明的“雜尼”技術中,使用了無線電信號的頻率,然後在處理之前將無線電信號的頻率移至較低的“中間頻率”(如果) 。它的運行及其比本節中其他無線電設計的優勢在上面的超螺旋式設計中描述了
到1940年代,超級近視廣播接收器已完善成廉價的製造設計,稱為“ All American Five ”,因為它僅使用了五個真空管:通常是一個轉換器(混合器/本地振盪器),是IF放大器,檢測器/音頻放大器,音頻功率放大器和整流器。該設計幾乎用於所有商業無線電接收器,直到晶體管在1970年代取代了真空管。
半導體時代
晶體管在1947年的發明徹底改變了無線電技術,從而使真正的便攜式接收器成為可能,從1950年代後期開始。儘管製造了便攜式真空管收音機,但管量很大且效率低下,消耗了大量功率,需要幾個大電池以產生燈絲和板電壓。晶體管不需要加熱的細絲,減少功耗,並且比真空管較小且脆弱得多。
便攜式收音機
公司首先在1920年代初期商業廣播開始後不久就開始製造作為便攜式商品的廣告收音機。該時代的絕大多數試管收音機都使用了電池,可以在任何地方設置和操作,但是大多數都沒有設計用於便攜性(例如手柄)和內置揚聲器的功能。最早的便攜式管收音機中有一些是Winn“ Portable Wireless No. 149”,該套件於1920年出現,而Grebe Model KT-1則是一年後。諸如Westinghouse Aeriola Jr.和RCA Radiola 1之類的水晶組也被廣告宣傳為便攜式收音機。
多虧了1940年首次開發的微型真空管,較小的便攜式收音機出現在玉尼和通用電氣等製造商的市場上。 Zenith的便攜式無線電線旨在提供娛樂廣播,並能夠調整天氣,海洋和國際短波站。到1950年代,管道的“黃金時代”包括午餐盒大小的管收音機,例如艾默生560,其中包括模製塑料箱。自1940年代以來,像RCA BP10一樣存在所謂的“口袋便攜式”收音機,但它們的實際尺寸與最大的外套口袋兼容。但是,有些(例如私人耳朵和Dyna-mite的袖珍收音機)足夠小,可以容納口袋。
1950年代初期,雙極交界晶體管的開發導致其獲得了許多電子公司的許可,例如德州儀器(Texas Instruments) ,後者生產了有限的晶體管收音機作為銷售工具。由印第安納州印第安納州印第安納波利斯的Idea攝政部(工業發展工程夥伴)製造的Regency TR-1於1951年啟動。隨後是真實的,襯衫大小的便攜式收音機的時代,諸如Sony ,Zenith,Zenith, Zenith,Zenith,Zenith, RCA,Dewald和Crosley提供各種型號。 1957年發布的索尼TR-63是第一個質量生產的晶體管無線電,導致晶體管收音機的大眾市場穿透。
數字技術
1970年代的集成電路(IC)芯片的開發創造了另一場革命,使整個無線電接收器都可以放在IC芯片上。 IC芯片逆轉了與真空管接收器一起使用的無線電設計經濟學。由於將額外的放大設備(晶體管)添加到芯片的邊際成本本質上是零,因此接收器的大小和成本不是取決於使用了多少個活性組件,而是取決於被動組件。電感器和電容器,無法輕易集成在芯片上。 1980年代和1990年代,由UCLA的Asad Ali Abidi率先開發RF CMOS芯片,允許製造低功率無線設備。
當前接收器的趨勢是使用芯片上的數字電路來執行以前由需要被動組件的模擬電路執行的功能。在數字接收器中,對IF信號進行了採樣和數字化,並通過芯片上的數字信號處理(DSP)執行帶通濾波和檢測功能。 DSP的另一個好處是接收器的屬性;通道頻率,帶寬,增益等可以通過軟件動態更改,以應對環境變化;這些系統稱為軟件定義的無線電或認知無線電。
模擬電子執行的許多功能都可以由軟件執行。好處是軟件不受溫度,物理變量,電子噪聲和製造缺陷的影響。
數字信號處理允許使用模擬方法繁瑣,昂貴或不可行的信號處理技術。數字信號本質上是通過某種介質(例如電線)傳遞消息的流或序列。 DSP硬件可以根據當前接收條件和信號的類型調整接收器的帶寬。典型的模擬僅接收器可能具有有限數量的固定帶寬,或者只有一個,但DSP接收器可能具有40或更多的單獨選擇過濾器。 DSP用於手機系統中,以降低傳輸語音所需的數據速率。
在數字廣播系統(例如數字音頻廣播(DAB))中,模擬音頻信號被數字化和壓縮,通常使用修改的離散餘弦變換(MDCT)音頻編碼格式(例如AAC+ )。
使用標準PC控制的“ PC收音機”或旨在由標準PC控制的收音機由使用連接到無線電的串行端口控制的專用PC軟件控制。 “ PC收音機”可能根本沒有前面板,並且可以專門設計用於計算機控制,從而降低成本。
某些PC收音機具有由所有者升級的極好的優勢。 DSP固件的新版本可以從製造商的網站下載並上傳到廣播的閃存中。然後,隨著時間的推移,製造商實際上可以在無線電中添加新功能,例如添加新的過濾器,降低DSP噪聲或僅僅以糾正錯誤。
功能齊全的無線電控製程序允許掃描和許多其他功能,尤其是實時集成數據庫,例如“ TV-Guide”類型功能。這對於在任何給定時間的特定廣播公司的所有頻率上找到所有傳輸特別有用。一些控制軟件設計人員甚至將Google Earth集成到短波數據庫中,因此可以單擊鼠標“飛向給定的發射器站點位置”。在許多情況下,用戶能夠看到信號來自的傳輸天線。
由於收音機的圖形用戶界面具有相當大的靈活性,因此軟件設計人員可以添加新功能。今天可以在高級控制軟件程序中找到的功能包括帶桌,GUI控件對應於傳統無線電控制,本地時間時鐘和UTC時鐘,信號強度計,具有查找功能的短波偵聽數據庫,掃描功能或文本- 對話接口。
集成的下一個級別是“軟件定義的無線電”,其中所有過濾,調製和信號操作都在軟件中完成。這可能是PC SoundCard,也可以是專用的DSP硬件。將有一個RF前端為軟件定義的無線電提供中間頻率。這些系統可以在“硬件”接收器上提供額外的功能。例如,他們可以在以後的日期將大量的無線電頻譜記錄為“播放”的硬盤驅動器。一分鐘將解調簡單的AM廣播的同一SDR也可能能夠解碼下一張HDTV廣播。一個名為GNU廣播的開源項目致力於發展高性能的SDR。
全數字無線電發射器和接收器提出了推進無線電功能的可能性。