Superheterodynmottagare

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök

Superheterodynmottagaren är en mottagare av radiosignaler som utnyttjar heterodynprincipen för att omvandla den avlyssnade radiofrekvensen till mottagarens förutbestämda mellanfrekvens. Resten av mottagaren är byggd för att enbart hantera radiosignaler på denna fasta mellanfrekvens. Bör ej förväxlas med den äldre heterodynmottagaren. En dubbelsuper är en mottagare med två mellanfrekvenser i rad, se vidare nedan.

En viktig fördel är att med en låg mellanfrekvens kan man lättare bygga selektiva filter som utestänger oönskade radiostationer nära den avlyssnade frekvensen. En annan fördel är att man slipper göra en mängd frekvensberoende kretsar i mottagaren och ändra alla synkront när man vill lyssna på en annan sändarfrekvens.

Superheterodynmottagaren uppfanns och patenterades av Edwin Howard Armstrong 1918. Den slog igenom på allvar på 1930-talet. Ända sedan dess är i stort sett alla mottagare av radiosignaler superheterodyner. Det gäller apparater för rundradio, TV, kommunikationsradio, radiolänk med mera.

Teknisk funktion[redigera | redigera wikitext]

I mottagarens blandarsteg blandas antennsignalen multiplikativt med en frekvens fosc som alstras i mottagarens lokaloscillator. Enligt heterodynprincipen kommer då en radiostation på frekvensen fra att även uppträda på fra+ fosc samt på | fra– fosc|. Mottagarens efterföljande mellanfrekvenssteg är byggt för att enbart ta emot den fasta radiofrekvensen fmf. Bara de radiostationer som uppfyller villkoret | fra± fosc|= fmf kommer därför att kunna höras. När man vill lyssna på en annan radiofrekvens, ändrar man lokaloscillatorns fosc så att andra antennsignaler uppfyller villkoret | fra± fosc|= fmf.

Det finns alltid två olika fra som uppfyller villkoret | fra± fosc|= fmf. Mottagaren filtrerar redan i ingångssteget bort den ena frekvensen ur antennsignalen så att bara den andra når blandarsteget. Den oönskade frekvensen brukar kallas spegelfrekvens.

Exempel med siffror[redigera | redigera wikitext]

En klassisk mellanfrekvens i radiomottagare för långvåg, mellanvåg och kortvåg är 455 kHz. Låt oss för enkelhets skull säga 500 kHz, det vill säga 0,5 MHz. Antag nu att vi lyssnar på en mellanvågsstation på 1 MHz. För att omvandla 1 MHz till 0,5 MHz måste fosc vara antingen 0,5 MHz eller 1,5 MHz. Den lägre frekvensen är inte lämplig, eftersom den sammanfaller med vår mellanfrekvens. Alltså använder mottagaren fosc=1,5 MHz när vi lyssnar på 1 MHz.

Även en sändare på 2 MHz kommer med fosc=1,5 MHz att omvandlas till vår mellanfrekvens 0,5 MHz. 2 MHz är alltså den spegelfrekvens som vi behöver filtrera bort innan vi blandar antennsignalen med fosc. I detta fall ligger spegelfrekvensen dubbelt så högt som den frekvens vi vill lyssna på och är därför inte svår att filtrera bort.

Men antag att vi istället lyssnar på en sändare på 30 MHz i kortvågsbandets översta del. Med fosc=30,5 MHz hamnar spegelfrekvensen på 31 MHz. En sändare på spegelfrekvensen ligger här bara 3% ifrån den frekvens vi vill lyssna på. Det är svårt att göra ett filter som effektivt tar bort den ena frekvensen men inte den andra ur antennsignalen när de ligger så nära varandra.

Mottagare med flera mellanfrekvenser[redigera | redigera wikitext]

Avancerade mottagare arbetar ofta med två (eller flera) mellanfrekvenser efter varandra. Först används en hög mellanfrekvens för att få ett stort och lättfiltrerat avstånd mellan lyssnings- och spegelfrekvensen. Därefter blandas signalen vidare ner till en andra, betydligt lägre mellanfrekvens där man kan åstadkomma god selektivitet (särskiljningsförmåga) mellan närliggande radiostationer. En mottagare med två mellanfrekvenser kallas ibland dubbelsuper bland radioamatörer. En trippelsuper har tre olika mellanfrekvenser i rad.

Uppbyggnad av radiomottagare[redigera | redigera wikitext]

En radios blockschema.

Vidstående bild visar blockschemat över en radiomottagare. Principen kallas supeheterodyn och innebär att inkommande signal blandas ner med hjälp av lokaloscillatorn, LO, till en mellanfrekvens, MF. Blandningen ger två frekvenser ut. Dessa är:

f_1=f_{in}+fo \

respektive

f_2=f_{in}-fo \

Själva blandningen går teoretiskt till på så sätt att logaritmisk addition innebär en multiplikation. Man kan till exempel addera två strömmar kring Vbe hos en transistor och få produkten ut. Produkten ut kan sedan skrivas som en summa av de två signalerna vars frekvens är summan respektive differensen.

Ingångssteget[redigera | redigera wikitext]

En radios ingångssteg.

Ingångssteget (en. Input Stage) förstärker i kaskad inkommande signal en faktor 250. Eftersom vi har en signalnivå kring 4 μV i antennen är vi då uppe i cirka 1 mV.

Spolen L1 och kondensatorn C1 bildar en parallellresonanskrets vid önskad frekvens som kan svepas av C1 vars resonansfrekvens blir:

f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

Resonanskretsen är av sådan typ att den har en mycket hög impedans för "vald" frekvens. Detta får till följd att bara resonansfrekvensen kommer att förstärkas. Det är dock viktigt med stort Q-värde så att bara vald frekvens plus/minus sidoband selekteras. Q-värdet definieras som:

Q=\frac{R_p}{w_0L}

där Rp är impedansen över parallellresonanskretsen. En slags förlustimpedans med andra ord.

Resonanskretsarna C2L2, C3L3 och C4L4 finns där för att begränsa bruset som annars skulle förstärkas vid dessa höga frekvenser.

Blandningssteget[redigera | redigera wikitext]

En radios blandningssteg.

Blandningssteget (en. Mixer Stage) blandar inkommande signal med lokaloscillatorn (en. Local Oscillator). Detta genererar främst summa respektive differenssignaler enligt ovanstående inledning.

Matematisk beskrivning[redigera | redigera wikitext]

Ingångarna är i det enklaste fallet sinussignaler representerade som:

v_i(t) = A_i \sin 2\pi f_i t\,

Där A är en amplitud, varje f en frekvens och t representerar tiden. En vanlig approach för att addera och subtrahera frekvenserna är att multiplicera de två signalerna som, enligt trigonometriska principer blir:

\sin(A) \cdot \sin(B) \equiv \frac{1}{2}\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right]

Då har vi:

v_1(t)v_2(t) = \frac{A_1 A_2}{2}\left[\cos 2\pi(f_1-f_2)t-\cos 2\pi(f_1+f_2)t\right]

där f1+ f2 respektive f1- f2 ingår.

Lokaloscillatorn[redigera | redigera wikitext]

En radios lokaloscillator.

Lokaloscillatorn (en. Local Oscillator) genererar en frekvens som sveps i takt med att ingångsstegets resonanskrets sveps. Detta för att generera en mellanfrekvens (en. IF) som är konstant. Man måste med andra ord använda en svepbar kondensator med dubbla kapacitanser.

Bilden visar en Hartley-oscillator. Frekvensen bestäms av L1, L2 och C1. Författaren har ingen aning om hur kretsen fungerar. Klart är dock att svepning av C1 sker parallellt med svepningen av C1 i ingångssteget. Detta för att vidmakthålla konstant mellanfrekvens (IF).

Demodulatorn[redigera | redigera wikitext]

En radios demodulator.

Demodulatorn (en. Demodulator) gör om signalen beroende på dess moduleringssätt. Olika moduleringssätt är till exempel de analoga AM (Amplitudmodulering) och FM (Frekvensmodulering) samt de digitala FSK (en. Frequency-shift keying) och PSK (en. Phase-shift Keying). Här avses frekvensmodulation och FM-bandet dvs (88 MHz – 108 MHz).

Demodulatorn är tänkt att fungera som så att gallerlikriktning sker när signalen går positiv och förstärks när den går negativ. Samtidigt kommer högre frekvens ge en högre spänning ut. Detta steg hade kunnat realiserats med en vanlig diod.

Utgångssteget[redigera | redigera wikitext]

En radios utgångssteg.

Utgångssteget (en. Output Stage) förstärker signalen ytterligare samt driver en högtalare.

Transformatorn Tr1 är lämpligen på cirka 50 H och har ett varvtalsförhållande på 1:35 för att generera en effektiv last på den triodkopplade pentoden V1 på 10 kΩ (vid 8 Ω högtalare).

Spänningsförsörjningen[redigera | redigera wikitext]

En radios spänningsförsörjning.

Spänningsförsörjningen (en. Supply) tillhandahåller alla nödvändiga spänningar. I vidstående figur har dock matningen för heatrarna uteslutits. Dessa bör vara två till antalet och inte sällan 6,3 V. Det är lämpligt att få fatt i en toroidtransformator med splittad primär samt vända på den och använda den i kopplingen. I och med att det är en toroid så kan man själv linda önskad heaterspänning (efter att först ha testat hur många volt ett visst antal varv ger och sedan lägga på typ 10 % för förluster).

C1, L1 och C2 utgör ett så kallat pi-filter där det likriktade medelvärdet av den pulserande inspänningen kommer ut som filtrerad utsignal. I fallet ovan har vi alltså cirka 115 V ut.