Na skali starego radia częstotliwości są rozrzucone od jednego końca do drugiego. Można więc sądzić, że po obróceniu gałki cały odbiornik zaczyna pracować bezpośrednio na częstotliwości wybranej stacji. W większości klasycznych konstrukcji dzieje się jednak coś znacznie sprytniejszego: radio niemal natychmiast przenosi odebrany program na inną, stałą częstotliwość wewnątrz urządzenia.
Tak działa superheterodyna, układ, który przez ponad sto lat stał się podstawą odbiorników AM, FM, krótkofalowych, telewizyjnych i wielu urządzeń pomiarowych. Jej największa zaleta brzmi paradoksalnie: aby łatwiej odebrać stację na dowolnej częstotliwości, radio najpierw zamienia ją na częstotliwość zawsze taką samą.
Problem dawnych odbiorników: wszystko trzeba było przestrajać
W najprostszym radiu obwody rezonansowe wybierają jedną stację spośród wielu sygnałów obecnych na antenie. Gdy słuchacz zmienia częstotliwość, filtry i wzmacniacze również muszą się do niej dostosować. To trudne zadanie, ponieważ układ powinien przy każdym położeniu gałki zachowywać podobną czułość, szerokość pasma i zdolność oddzielania sąsiednich stacji.
W odbiornikach bezpośredniego wzmocnienia, zwanych TRF, kilka stopni mogło wymagać jednoczesnego przestrajania. Niewielka niedokładność sprawiała, że poszczególne obwody nie trafiały dokładnie w tę samą częstotliwość. Przy wyższych częstotliwościach trudniej było także uzyskać duże, stabilne wzmocnienie bez wzbudzania się układu.
Superheterodyna rozwiązała problem przez rozdzielenie dwóch czynności. Początek odbiornika wybiera interesujący fragment pasma, ale najważniejsze filtrowanie i wzmocnienie odbywa się później, już na jednej, fabrycznie ustalonej częstotliwości pośredniej. Filtry mogą być więc dokładnie zoptymalizowane raz, zamiast zmieniać właściwości przy każdym ruchu skali.
Mieszacz: miejsce, w którym częstotliwość się zmienia
Kluczowym elementem jest mieszacz. Trafiają do niego dwa sygnały: program odebrany przez antenę oraz czysta fala wytwarzana wewnątrz radia przez oscylator lokalny, nazywany też heterodyną. Mieszacz jest układem nieliniowym, dlatego na jego wyjściu pojawiają się nowe składowe, między innymi suma i różnica obu częstotliwości.
Radio wybiera jedną z nich jako częstotliwość pośrednią, oznaczaną skrótem IF od angielskiego intermediate frequency. Dokumentacja pomiarowa Keysight opisuje tę samą zasadę: sygnał oscylatora lokalnego miesza się z sygnałem odebranym, aby ich suma lub różnica odpowiadała częstotliwości pośredniej odbiornika.
Przykład pokazuje całą elegancję pomysłu. Załóżmy, że radio FM odbiera stację na 100,0 MHz, a jego pośrednia częstotliwość wynosi 10,7 MHz. Oscylator lokalny może wtedy pracować na 110,7 MHz. Mieszacz tworzy między innymi różnicę:
110,7 MHz − 100,0 MHz = 10,7 MHz.
Po zmianie stacji na 96,0 MHz oscylator przesuwa się na 106,7 MHz. Różnica nadal wynosi 10,7 MHz. Właśnie to dzieje się podczas strojenia: odbierana częstotliwość się zmienia, oscylator podąża za nią, lecz dalsza część radia wciąż dostaje ten sam sygnał IF.
Dlaczego stała częstotliwość pośrednia tak pomaga?
Wzmacniacz pośredniej częstotliwości może pracować w warunkach, do których został precyzyjnie zaprojektowany. Nie musi obejmować całego pasma FM ani całej skali fal średnich. Ma dobrze wzmacniać i filtrować tylko jeden niewielki obszar. Dzięki temu odbiornik uzyskuje jednocześnie dużą czułość oraz selektywność, czyli zdolność oddzielenia wybranej stacji od sąsiedniej.
W wielu tradycyjnych odbiornikach FM spotyka się IF 10,7 MHz, a w konstrukcjach AM wartość zbliżoną do 455 kHz. Nie są to prawa natury ani jedyne dopuszczalne liczby. Projektant może wybrać inną częstotliwość zależnie od pasma, wymaganych filtrów i sposobu zwalczania zakłóceń. Stała jest nie konkretna wartość, lecz zasada: niezależnie od położenia skali program ma dotrzeć do głównego toru na częstotliwości przewidzianej przez konstrukcję.
Po wzmocnieniu sygnał trafia do demodulatora. W radiu AM odzyskuje on zmiany amplitudy, a w FM zmiany częstotliwości niosące dźwięk. Dopiero potem sygnał audio jest wzmacniany i kierowany do głośnika. Superheterodyna nie zmienia więc treści audycji. Przenosi całe pasmo sygnału wraz z modulacją w wygodniejsze miejsce widma, a następnie pozwala je przetworzyć.
Co naprawdę porusza gałka strojenia?
W analogowym odbiorniku gałka często sterowała wielosekcyjnym kondensatorem obrotowym. Jedna sekcja przestrajała obwód wejściowy, aby przepuszczał okolice wybranej stacji, a druga zmieniała częstotliwość oscylatora lokalnego. Obie części musiały poruszać się razem i zachowywać właściwą różnicę w całym zakresie skali. To tak zwane współbieżne strojenie.
Jeśli współbieżność była źle ustawiona, radio mogło dobrze odbierać na jednym końcu skali, a słabo na drugim. Podczas naprawy starych odbiorników regulowano więc nie tylko położenie wskazówki. Cewki i trymery służyły do zestrojenia toru wejściowego, heterodyny oraz filtrów IF. Charakterystyczne metalowe puszki na chassis lampowego radia często kryją właśnie transformatory pośredniej częstotliwości.
W nowoczesnym tunerze gałka może być jedynie enkoderem, a częstotliwość oscylatora jest ustawiana przez syntezę PLL. Matematyka pozostaje jednak podobna: układ dobiera częstotliwość lokalną tak, aby wybrany program pojawił się w odpowiednim miejscu dalszego toru.
Częstotliwość lustrzana: cena za sprytną zamianę
Mieszacz nie wie, po której stronie oscylatora lokalnego znajduje się stacja. Liczy się dla niego wartość różnicy. Jeśli oscylator pracuje na 110,7 MHz, zarówno sygnał 100,0 MHz, jak i sygnał 121,4 MHz są od niego oddalone o 10,7 MHz. Oba mogą więc zostać przemienione na tę samą częstotliwość pośrednią.
Ten drugi, niepożądany sygnał nazywa się częstotliwością lustrzaną. Gdyby dotarł do mieszacza z dostateczną siłą, radio mogłoby odebrać niewłaściwą stację albo zakłócenie. Dlatego przed mieszaczem znajduje się filtr wejściowy. Nie musi on jeszcze zapewniać całej selektywności odbiornika, ale powinien stłumić częstotliwość lustrzaną i bardzo silne sygnały spoza wybranego zakresu.
W bardziej wymagających urządzeniach stosuje się podwójną lub wielokrotną przemianę. Pierwsza częstotliwość pośrednia może być wysoka, aby ułatwić odrzucenie sygnału lustrzanego, a druga niższa, aby uzyskać wąskie i dokładne filtrowanie. Takie rozwiązania były szczególnie popularne w odbiornikach komunikacyjnych i skanerach szerokopasmowych.
Wynalazek z wojny i skomplikowana historia pierwszeństwa
Rozwój superheterodyny przyspieszył podczas I wojny światowej, gdy potrzebne były odbiorniki czułe na bardzo słabe sygnały o wysokich częstotliwościach. Edwin Howard Armstrong opracował praktyczny układ we Francji i zgłosił amerykański patent. IEEE REACH udostępnia patent nr 1 342 885, złożony w lutym 1919 roku i przyznany 8 czerwca 1920 roku.
Historia nie sprowadza się jednak do jednego nazwiska. Francuski inżynier Lucien Lévy wcześniej opisał podstawowe elementy metody, a Walter Schottky pracował nad podobnym rozwiązaniem niezależnie. Zestawienie IEEE Communications Society pokazuje równoległe zgłoszenia patentowe i wkład kilku konstruktorów. Armstrong odegrał ogromną rolę w praktycznym rozwinięciu oraz popularyzacji układu, ale późniejsze spory patentowe skorygowały uproszczoną opowieść o wyłącznym pierwszeństwie.
Superheterodyna szybko trafiła do sprzętu konsumenckiego. W zbiorach muzeum The Henry Ford znajduje się przenośny odbiornik wykonany przez Armstronga w 1923 roku. Muzeum podkreśla, że technika zwiększała czułość i selektywność, czyli dokładnie te cechy, które zadecydowały o jej wieloletnim sukcesie.
Czy superheterodyna nadal jest potrzebna?
Współczesne odbiorniki coraz częściej przenoszą część pracy do układów cyfrowych. Sygnał po jednej przemianie może zostać zamieniony na dane i dalej filtrowany programowo. W urządzeniach SDR szybki przetwornik potrafi nawet próbkować szeroki fragment pasma bez klasycznego analogowego toru IF. Nie oznacza to jednak, że idea zniknęła.
Przemiana częstotliwości nadal występuje w telefonach, systemach satelitarnych, radarach, tunerach telewizyjnych i przyrządach laboratoryjnych. Keysight wskazuje, że analizatory sygnałów wykorzystują odbiornik superheterodynowy do przesuwania sygnału wejściowego przed analizą jego częstotliwości, czasu i modulacji.
Za zwykłym ruchem gałki kryje się więc niezwykle trwały pomysł: zamiast budować cały odbiornik tak, aby równie dobrze pracował na każdej stacji, należy każdą stację sprowadzić do warunków, które radio zna najlepiej. Dzięki temu z pozornego chaosu wielu fal urządzenie wydobywa jeden program, wzmacnia go, filtruje i oddaje słuchaczowi jako czysty dźwięk.