Superheterodyne receiver

HeterodyneEdit

Frühe Morsecode-Radiosendungen wurden unter Verwendung eines an eine Funkenstrecke angeschlossenen Generators erzeugt. Das Ausgangssignal lag bei einer durch den physikalischen Aufbau der Lücke definierten Trägerfrequenz, moduliert durch das Wechselstromsignal der Lichtmaschine. Da der Ausgang des Generators im Allgemeinen im hörbaren Bereich lag, erzeugt dies ein hörbares amplitudenmoduliertes (AM) Signal. Einfache Funkdetektoren filterten den Hochfrequenzträger heraus und hinterließen die Modulation, die als akustisches Signal aus Punkten und Strichen an die Kopfhörer des Benutzers weitergegeben wurde.

1904 führte Ernst Alexanderson den Alexanderson-Generator ein, ein Gerät, das direkt einen Hochfrequenzausgang mit höherer Leistung und viel höherer Effizienz als die älteren Funkenstreck-Systeme erzeugte. Im Gegensatz zur Funkenstrecke war der Ausgang des Generators jedoch eine reine Trägerwelle mit einer ausgewählten Frequenz. Bei Erkennung auf vorhandenen Empfängern wären die Punkte und Striche normalerweise unhörbar oder „überschall“. Aufgrund der Filtereffekte des Empfängers erzeugten diese Signale im Allgemeinen ein Klicken oder Klopfen, das hörbar war, aber die Bestimmung von Punkt oder Strich erschwerte.

1905 kam der kanadische Erfinder Reginald Fessenden auf die Idee, zwei Alexanderson-Generatoren zu verwenden, die bei eng beieinander liegenden Frequenzen arbeiten, um die Signale anstelle von einem zu übertragen. Der Empfänger würde dann beide Signale empfangen, und als Teil des Detektionsprozesses würde nur die Schwebungsfrequenz den Empfänger verlassen. Durch die Auswahl von zwei Trägern nahe genug, dass die Schwebungsfrequenz hörbar war, konnte der resultierende Morsecode wieder leicht zu hören, auch in einfachen Empfängern. Zum Beispiel, wenn die beiden Generatoren bei Frequenzen betrieben 3 kHz auseinander, der Ausgang in den Kopfhörern wäre Punkte oder Striche von 3 kHz Ton, so dass sie leicht hörbar.

Fessenden prägte den Begriff „Heterodyn“, was „erzeugt durch eine Differenz“ (in der Frequenz) bedeutet, um dieses System zu beschreiben. Das Wort leitet sich von den griechischen Wurzeln hetero- „anders“ und -dyn „Macht“ ab.

RegenerationEdit

Morsecode wurde in den frühen Tagen des Radios weit verbreitet verwendet, da es einfach war, das Signal sowohl zu erzeugen als auch zu empfangen. Da der Ausgang des Verstärkers im Gegensatz zu Sprachübertragungen nicht eng mit der ursprünglichen Modulation des empfangenen Signals übereinstimmen muss, könnten beliebig viele einfache Verstärkungssysteme verwendet werden. Einer war auf einen interessanten Nebeneffekt der Konstruktion früher Triodenverstärkerröhren zurückzuführen. Wenn sowohl die Platte (Anode) als auch das Gitter mit Resonanzkreisen verbunden sind, die auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind, führt eine kapazitive Streukopplung zwischen dem Gitter und der Platte dazu, dass der Verstärker in Schwingung gerät, wenn die Stufenverstärkung viel mehr als Eins beträgt.

1913 beschrieb Edwin Howard Armstrong ein Empfängersystem, das diesen Effekt nutzte, um mit einer einzigen Triode einen hörbaren Morsecode auszugeben. Der Ausgang der Anode, das Ausgangssignal nach der Verstärkung, wurde über einen „Tickler“ wieder mit dem Eingang verbunden, was zu Rückkopplungen führte, die Eingangssignale weit über die Einheit hinaus trieben. Dies führte dazu, dass der Ausgang mit einer gewählten Frequenz mit großer Verstärkung oszillierte. Wenn das ursprüngliche signal abgeschnitten am ende der dot oder dash, die schwingung abgeklungen wieder und die sound verschwand nach einer kurzen verzögerung.

Armstrong bezeichnete dieses Konzept als regenerativen Empfänger und wurde sofort zu einem der am weitesten verbreiteten Systeme seiner Zeit. Viele Funksysteme der 1920er Jahre basierten auf dem regenerativen Prinzip und wurden bis in die 1940er Jahre in spezialisierten Rollen eingesetzt, beispielsweise im IFF Mark II.

RDFEdit

Es gab eine Rolle, in der das regenerative System nicht einmal für Morsecode-Quellen geeignet war, und das war die Aufgabe der Funkpeilung oder RDF.

Das regenerative System war sehr nichtlinear und verstärkte jedes Signal über einem bestimmten Schwellenwert um einen riesigen Betrag, manchmal so groß, dass es sich in einen Sender verwandelte (was das gesamte Konzept hinter IFF war). In RDF wird die Stärke des Signals verwendet, um die Position des Senders zu bestimmen, so dass eine lineare Verstärkung erforderlich ist, damit die Stärke des ursprünglichen Signals, oft sehr schwach, genau gemessen werden kann.

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, verwendeten RDF-Systeme der Ära Trioden, die unterhalb der Einheit betrieben wurden. Um ein nutzbares Signal von einem solchen System zu erhalten, mussten Dutzende oder sogar Hunderte von Trioden verwendet werden, die Anode-zu-Netz miteinander verbunden waren. Diese Verstärker verbrauchten enorme Mengen an Strom und erforderten ein Team von Wartungsingenieuren, um sie am Laufen zu halten. Dennoch war der strategische Wert der Peilung bei schwachen Signalen so hoch, dass die britische Admiralität die hohen Kosten für gerechtfertigt hielt.

Überlagerungbearbeiten

Einer der Prototyp-Superheterodyn-Empfänger, der während des Ersten Weltkriegs im Armstrong Signal Corps Laboratory in Paris gebaut wurde. Es besteht aus zwei Abschnitten, dem Mischer und dem lokalen Oszillator (links) sowie drei ZF-Verstärkungsstufen und einer Detektorstufe (rechts). Die Zwischenfrequenz betrug 75 kHz.

Obwohl eine Reihe von Forschern das Superheterodyn-Konzept entdeckte und Patente im Abstand von nur wenigen Monaten anmeldete (siehe unten), wird Armstrong das Konzept häufig zugeschrieben. Er stieß darauf, als er über bessere Möglichkeiten zur Herstellung von RDF-Empfängern nachdachte. Er war zu dem Schluss gekommen, dass die Umstellung auf höhere „kurzwellige“ Frequenzen RDF nützlicher machen würde, und suchte nach praktischen Mitteln, um einen linearen Verstärker für diese Signale zu bauen. Zu dieser Zeit lag die Kurzwelle über 500 kHz, jenseits der Fähigkeiten eines vorhandenen Verstärkers.

Es war bemerkt worden, dass, wenn ein regenerativer Empfänger in Schwingung geriet, andere Empfänger in der Nähe auch andere Stationen aufnehmen würden. Armstrong (und andere) folgerten schließlich, dass dies durch ein „Überschall-Heterodyn“ zwischen der Trägerfrequenz der Station und der Schwingungsfrequenz des regenerativen Empfängers verursacht wurde. Wenn der erste Empfänger bei hohen Ausgängen zu schwingen begann, würde sein Signal durch die Antenne zurückfließen, um von einem nahe gelegenen Empfänger empfangen zu werden. Auf diesem Empfänger vermischten sich die beiden Signale genau wie im ursprünglichen Heterodynkonzept, wodurch ein Ausgang erzeugt wurde, der die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Signalen darstellt.

Betrachten Sie zum Beispiel einen einsamen Empfänger, der auf einen Sender mit 300 kHz eingestellt war. Wenn ein zweiter Empfänger in der Nähe eingerichtet und auf 400 kHz mit hoher Verstärkung eingestellt ist, gibt er ein 400-kHz-Signal ab, das im ersten Empfänger empfangen wird. In diesem Empfänger mischen sich die beiden Signale, um vier Ausgänge zu erzeugen, einen bei den ursprünglichen 300 kHz, einen bei den empfangenen 400 kHz und zwei weitere, die Differenz bei 100 kHz und die Summe bei 700 kHz. Dies ist der gleiche Effekt, den Fessenden vorgeschlagen hatte, aber in seinem System wurden die beiden Frequenzen absichtlich so gewählt, dass die Schwebungsfrequenz hörbar war. In diesem Fall liegen alle Frequenzen weit außerhalb des hörbaren Bereichs und somit „überschall“, was zu dem Namen Superheterodyne führt.

Armstrong erkannte, dass dieser Effekt eine mögliche Lösung für das „Kurzwellen“ -Verstärkungsproblem war, da der „Differenz“ -Ausgang immer noch seine ursprüngliche Modulation beibehielt, jedoch auf einer niedrigeren Trägerfrequenz. Im obigen Beispiel kann man das 100-kHz-Schwebungssignal verstärken und die Originalinformation daraus abrufen, der Empfänger muss den höheren 300-kHz-Originalträger nicht einstellen. Durch die Auswahl eines geeigneten Frequenzsatzes könnten selbst sehr hochfrequente Signale auf eine Frequenz „reduziert“ werden, die von vorhandenen Systemen verstärkt werden könnte.

Um beispielsweise ein Signal mit 1500 kHz zu empfangen, das weit über den Bereich der damals effizienten Verstärkung hinausgeht, könnte man einen Oszillator mit beispielsweise 1560 kHz einrichten. Armstrong bezeichnete dies als „Local Oscillator“ oder LO. Da sein Signal in einen zweiten Empfänger in derselben Vorrichtung eingespeist wurde, musste es nicht stark sein und nur genug Signal erzeugen, um in etwa der Stärke der empfangenen Station zu entsprechen. Wenn sich das Signal vom LO mit dem der Station mischt, ist einer der Ausgänge die Heterodyndifferenzfrequenz, in diesem Fall 60 kHz. Er nannte diese resultierende Differenz die „Zwischenfrequenz“, die oft mit „IF“ abgekürzt wurde.

Im Dezember 1919 veröffentlichte Major E. H. Armstrong eine indirekte Methode zur Erzielung einer kurzwelligen Verstärkung, die als Superheterodyn bezeichnet wird. Die Idee ist, die ankommende Frequenz, die beispielsweise 1.500.000 Zyklen (200 Meter) betragen kann, auf eine geeignete superhörbare Frequenz zu reduzieren, die effizient verstärkt werden kann, dann diesen Strom durch einen Zwischenfrequenzverstärker zu leiten und schließlich zu korrigieren und weiterzumachen zu einer oder zwei Stufen der Audiofrequenzverstärkung.

Der „Trick“ des Superheterodyns besteht darin, dass Sie durch Ändern der LO-Frequenz verschiedene Sender einstellen können. Um beispielsweise ein Signal mit 1300 kHz zu empfangen, könnte man das LO auf 1360 kHz einstellen, was zu den gleichen 60 kHz IF führt. Dies bedeutet, dass der Verstärkerabschnitt so eingestellt werden kann, dass er mit einer einzigen Frequenz arbeitet, das Design WENN, Das ist viel einfacher effizient zu machen.

EntwicklungBearbeiten

Der erste kommerzielle Superheterodyn-Empfänger, der RCA Radiola AR-812, wurde am 4. März 1924 zum Preis von 286 US-Dollar (entspricht 4.270 US-Dollar im Jahr 2019) herausgebracht. Es verwendete 6 Trioden: einen Mixer, einen lokalen Oszillator, zwei ZF- und zwei Audioverstärkerstufen mit einer ZF von 45 kHz. Es war ein kommerzieller Erfolg, mit besserer Leistung als konkurrierende Empfänger.

Armstrong setzte seine Ideen in die Praxis um, und die Technik wurde bald vom Militär übernommen. Es war weniger populär, als der kommerzielle Rundfunk in den 1920er Jahren begann, hauptsächlich aufgrund der Notwendigkeit einer zusätzlichen Röhre (für den Oszillator), der im Allgemeinen höheren Kosten des Empfängers und der zum Betrieb erforderlichen Fähigkeiten. Für frühe inländische Radios waren abgestimmte Hochfrequenzempfänger (TRF) beliebter, weil sie billiger, für einen nicht-technischen Besitzer einfacher zu bedienen und weniger kostspielig zu bedienen waren. Armstrong verkaufte schließlich sein Superheterodyn-Patent an Westinghouse, der es dann an die Radio Corporation of America (RCA) verkaufte, die den Markt für Superheterodyn-Empfänger bis 1930 monopolisierte.

Frühe Überlagerungsempfänger verwendeten IFs so niedrig wie 20 kHz, oft basierend auf der Selbstresonanz von Eisenkerntransformatoren. Dies machte sie extrem anfällig für Bildfrequenzstörungen, aber zu dieser Zeit war das Hauptziel eher die Empfindlichkeit als die Selektivität. Mit dieser Technik könnte eine kleine Anzahl von Trioden die Arbeit erledigen, die früher Dutzende von Trioden erforderte.

In den 1920er Jahren sahen kommerzielle ZF-Filter den Audio-Zwischenstufen-Koppeltransformatoren der 1920er Jahre sehr ähnlich, hatten einen ähnlichen Aufbau und waren fast identisch verdrahtet, weshalb sie als „ZF-Transformatoren“ bezeichnet wurden. Mitte der 1930er Jahre verwendeten Superheterodyne viel höhere Zwischenfrequenzen (typischerweise um 440-470 kHz) mit abgestimmten Spulen, die im Aufbau den Antennen- und Oszillatorspulen ähnlich waren. Der Name „IF transformer“ wurde beibehalten und wird noch heute verwendet. Moderne Empfänger verwenden typischerweise eine Mischung aus Keramikresonator- oder SAW-Resonatoren (Surface-Acoustic Wave) sowie herkömmlichen ZF-Transformatoren mit abgestimmter Induktivität.

In den 1930er Jahren erodierten Verbesserungen in der Vakuumröhrentechnologie schnell die Kostenvorteile des TRF-Empfängers, und die Explosion der Anzahl der Rundfunkstationen führte zu einer Nachfrage nach billigeren, leistungsstärkeren Empfängern.

Die Entwicklung der Tetroden-Vakuumröhre mit einem Siebgitter führte zu einer Mehrelementröhre, in der Mischer- und Oszillatorfunktionen kombiniert werden konnten, die zuerst im sogenannten Autodyne-Mischer verwendet wurden. Darauf folgte schnell die Einführung von Röhren, die speziell für den Superheterodynbetrieb entwickelt wurden, insbesondere der Pentagrid-Konverter. Durch die Reduzierung der Röhrenzahl wurde der Vorteil vorhergehender Empfängerkonstruktionen weiter verringert.

Mitte der 1930er Jahre wurde die kommerzielle Produktion von TRF-Empfängern weitgehend durch Überlagerungsempfänger ersetzt. In den 1940er Jahren wurde der superheterodyne AM-Rundfunkempfänger mit Vakuumröhre zu einem billig herzustellenden Design namens „All American Five“ verfeinert, da er fünf Vakuumröhren verwendet: normalerweise ein Konverter (Mixer / lokaler Oszillator), ein ZF-Verstärker, ein Detektor / Audioverstärker, eine Audio-Endstufe und ein Gleichrichter. Ab diesem Zeitpunkt wurde das Superheterodyn-Design für praktisch alle kommerziellen Radio- und Fernsehempfänger verwendet.

Patent battlesEdit

Der französische Ingenieur Lucien Lévy meldete im August 1917 mit brevet n° 493660 das Lagerungsprinzip zum Patent an. Armstrong meldete sein Patent 1917 an. Levy reichte seine ursprüngliche Offenbarung etwa sieben Monate vor Armstrongs ein.Der deutsche Erfinder Walter H. Schottky meldete 1918 ebenfalls ein Patent an.

Zunächst erkannten die USA Armstrong als Erfinder an, und sein US-Patent 1.342.885 wurde am 8. Juni 1920 erteilt. Nach verschiedenen Änderungen und Gerichtsverhandlungen erhielt Lévy das US-Patent Nr. 1.734.938, das sieben der neun Ansprüche in Armstrongs Anmeldung enthielt, während die beiden verbleibenden Ansprüche Alexanderson von GE und Kendall von AT&T.