§ 5.13. Супергетеродинный приемник

Определения и обозначения

Супергетеродинный приёмник — устройство, в котором принятый радиосигнал преобразуется в сигнал постоянной промежуточной частоты, усиливается и затем демодулируется. Это позволяет не перестраивать основной усилитель при переходе от одной станции к другой.

Гетеродин — генератор высокочастотных электрических колебаний, частоту которого изменяют при настройке приёмника. Он создаёт вспомогательный сигнал, необходимый для преобразования частоты принятой станции.

Смеситель — узел, где взаимодействуют колебания принятого сигнала и гетеродина. В результате появляются колебания с суммарной и разностной частотами, из которых выбирают нужную для дальнейшего усиления.

Промежуточная частота — модуль разности частот принимаемого сигнала и гетеродина: f_пр = |f_г − f_с|. При настройке она остаётся постоянной, поэтому усилитель и фильтры можно сделать заранее рассчитанными на одну частоту.

Как это устроено

Сигнал от нескольких радиостанций попадает в антенну, а затем во входной избирательный контур. Контур пропускает колебания, близкие к частоте выбранной станции, и ослабляет остальные, потому что без предварительного отбора смеситель получил бы сразу много сигналов. На выходе формируется высокочастотный сигнал нужной станции.

Одновременно с выбором станции перестраивается гетеродин. Это необходимо потому, что промежуточная частота должна оставаться неизменной: при изменении f_с частоту f_г изменяют так, чтобы |f_г − f_с| = f_пр. Поэтому настройка приёмника обычно связана с согласованным изменением двух частот.

В смесителе сигнал станции и колебания гетеродина воздействуют друг на друга. Нелинейные свойства узла создают составляющие с частотами f_г + f_с и |f_г − f_с|, а также другие слабые компоненты. Усилитель промежуточной частоты и его фильтры пропускают прежде всего разностную составляющую, равную принятому стандарту f_пр.

Усиление и избирательность удобнее обеспечивать на постоянной промежуточной частоте, чем на частоте каждой станции. Приёмник получает возможность использовать один тщательно настроенный усилитель и одинаковые фильтры во всём диапазоне перестройки. Это повышает чувствительность и помогает отделять нужный сигнал от соседних.

После усилителя промежуточной частоты сигнал остаётся модулированным: в его изменениях содержится звуковая информация. Детектор отделяет эту низкочастотную составляющую от высокочастотного носителя, а усилитель звуковой частоты увеличивает её мощность. Затем электрический сигнал поступает на громкоговоритель и превращается в звук.

Узлы супергетеродинного приёмника и преобразование сигнала

Таблица показывает путь сигнала слева направо: от приёма радиоволн к получению звука. Для каждого узла полезно различать вход, выполняемое преобразование и результат, поскольку эти этапы не заменяют друг друга.

Гетеродин не принимает информацию станции, а только создаёт опорные колебания. Смеситель изменяет частотный состав сигнала, тогда как детектор извлекает уже содержащуюся в нём звуковую информацию.

Разбор задач

Задача 1

Частота станции f_с = 1000 кГц, а частота гетеродина f_г = 1465 кГц. Требуется найти промежуточную частоту. Поскольку усилитель обычно выделяет разностную составляющую, нужно взять модуль разности, а не сумму.

1. Записываем формулу: f_пр = |f_г − f_с|.
2. Подставляем значения: f_пр = |1465 − 1000| кГц = 465 кГц.
3. Проверяем единицы: обе исходные частоты заданы в килогерцах, значит и результат получен в килогерцах.

Ответ: промежуточная частота равна 465 кГц. Именно на этой частоте далее должен работать основной усилитель.

Задача 2

Дано f_пр = 465 кГц и f_с = 1200 кГц. Возможны два положения гетеродина, потому что разность двух частот имеет одинаковый модуль при расположении гетеродина выше или ниже частоты станции.

1. Составляем условие: |f_г − 1200| = 465 кГц.
2. При настройке выше частоты сигнала: f_г = 1200 + 465 = 1665 кГц.
3. При настройке ниже частоты сигнала: f_г = 1200 − 465 = 735 кГц.

Ответ: частоту гетеродина можно установить равной 1665 кГц или 735 кГц. На практике схема приёмника выбирает один из вариантов, чтобы избежать нежелательных каналов.

Задача 3

Приёмник настроен на станцию 1000 кГц, гетеродин работает на 1465 кГц, а f_пр = 465 кГц. Нужно найти другую частоту, которая даст ту же промежуточную частоту, и объяснить зеркальный канал. Искомый сигнал должен удовлетворять тому же условию разности частот.

1. Записываем уравнение: |1465 − f| = 465 кГц.
2. Один корень уже известен: f = 1000 кГц. Второй получается при сигнале выше гетеродина: f = 1465 + 465 = 1930 кГц.
3. Сигнал 1930 кГц после смесителя тоже создаёт составляющую 465 кГц, поэтому называется зеркальным каналом.

Ответ: побочная частота равна 1930 кГц. Входной контур должен ослабить её до смесителя, иначе она может пройти тот же тракт и вызвать помеху.

Типичные ошибки

Складывают частоты вместо вычитания. Суммарная составляющая действительно возникает в смесителе, но усилитель обычно выделяет разностную. Проверьте, какая частота указана как промежуточная, и используйте f_пр = |f_г − f_с|.

Принимают промежуточную частоту за частоту гетеродина или станции. Эти величины относятся к разным колебаниям, а промежуточная частота является результатом их взаимодействия. Самопроверка проста: подставьте значения в формулу разности.

Путают смеситель с детектором. Смеситель создаёт новые высокочастотные составляющие, а детектор выделяет низкочастотную информацию из уже усиленного модулированного сигнала. Если в описании узла говорится о появлении суммы и разности, это смеситель.

Не учитывают два значения гетеродина и зеркальный канал. Модуль разности допускает расположение одной частоты по обе стороны от другой. Решая задачу, раскройте модуль или рассмотрите оба случая, а затем вспомните о подавлении зеркального сигнала входным контуром.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны частота, период и круговая частота колебаний, сложение гармонических колебаний и устройство колебательного контура. Супергетеродинный приёмник использует модуляцию, детектирование и усиление электрических сигналов. Его принцип применяют в радиовещательных, телевизионных, связных и измерительных устройствах.

Что запомнить

• Супергетеродин преобразует частоту принятого сигнала в постоянную промежуточную частоту.
• Гетеродин создаёт вспомогательные колебания, частоту которых изменяют при настройке.
• Смеситель образует колебания с суммарной и разностной частотами.
• Промежуточная частота равна модулю разности частот сигнала и гетеродина.
• Основное усиление и избирательность обеспечиваются на промежуточной частоте.
• После усиления детектор выделяет звуковой или информационный сигнал.
• При одной промежуточной частоте возможен зеркальный канал, поэтому нужен входной избирательный контур.