Kręcenie gałką strojenia wygląda jak bezpośrednie „łapanie” wybranej stacji. Wewnątrz klasycznego odbiornika dzieje się jednak coś mniej intuicyjnego: sygnał z anteny jest najpierw przenoszony na inną, stałą częstotliwość, a dopiero potem dokładnie filtrowany, wzmacniany i zamieniany na dźwięk. Ten pomysł nosi nazwę superheterodyny.
Rozwiązanie ma ponad sto lat, ale jego logika nadal pozostaje aktualna. Zamiast budować osobny precyzyjny tor dla każdego miejsca na skali, odbiornik sprowadza wszystkie wybrane stacje do wspólnego „punktu roboczego”. To właśnie ten zabieg pozwolił połączyć dużą czułość, dobrą selektywność i wygodne strojenie.
Problem pierwszych odbiorników
W prostym odbiorniku można próbować wzmocnić sygnał dokładnie na częstotliwości, na której nadaje stacja. Tak działały odbiorniki o bezpośrednim wzmocnieniu, nazywane TRF od angielskiego tuned radio frequency. Kłopot pojawia się przy przestrajaniu: obwody rezonansowe i stopnie wzmacniające muszą jednocześnie podążać za wybraną częstotliwością. Na jednym końcu skali mogą pracować znakomicie, a na drugim gorzej rozdzielać sąsiednie stacje lub słabiej wzmacniać.
Inżynierowie potrzebowali więc sposobu, aby zmieniać odbieraną stację, lecz najtrudniejszą część obróbki zawsze wykonywać w tych samych warunkach. Superheterodyna rozwiązuje to przez przemianę częstotliwości.
Mieszacz nie miesza programów, lecz częstotliwości
Na wejściu odbiornika filtr wybiera fragment pasma i ogranicza wpływ bardzo odległych, silnych sygnałów. Następnie fala z anteny trafia do mieszacza. Drugim wejściem mieszacza jest lokalny generator, czyli oscylator wytwarzający sygnał wewnątrz radia. Po połączeniu obu przebiegów powstają nowe składowe, przede wszystkim suma oraz różnica ich częstotliwości.
Odbiornik wybiera jedną z nich jako częstotliwość pośrednią, oznaczaną skrótem p.cz. lub IF. Analog Devices opisuje superheterodynę właśnie jako odbiornik, który miesza sygnał radiowy z lokalnym oscylatorem, wytwarzając częstotliwość pośrednią łatwiejszą do dalszej demodulacji.
Wyobraźmy sobie odbiór stacji FM na 100,0 MHz. Jeśli oscylator lokalny pracuje na 110,7 MHz, różnica wynosi 10,7 MHz. Przestrojenie radia na 101,2 MHz wymaga przesunięcia oscylatora na 111,9 MHz. Różnica ponownie wyniesie 10,7 MHz. Stacja się zmieniła, lecz dalsza część toru nadal otrzymuje sygnał o tej samej częstotliwości.
Dlaczego stała częstotliwość jest tak cenna?
Filtr pracujący na jednej, z góry znanej częstotliwości można zaprojektować znacznie staranniej niż układ, który ma równie dobrze działać w całym szerokim paśmie. W torze p.cz. łatwiej uzyskać duże wzmocnienie i odpowiednio wąskie pasmo przepustowe. Odbiornik odrzuca wtedy stację nadającą obok, a zachowuje informację potrzebną do odtworzenia programu.
W tradycyjnych radioodbiornikach spotykało się często okolice 455 kHz dla AM oraz 10,7 MHz dla FM. Nie są to prawa natury i istnieje wiele innych wartości. Pokazują jednak kompromis projektowy: niższa częstotliwość sprzyja wąskiemu filtrowaniu, wyższa ułatwia obsługę szerszego sygnału. Nota aplikacyjna NXP dotycząca demodulacji na p.cz. 10,7 MHz wskazuje, że ta wartość zapewnia większą dostępną szerokość pasma niż 455 kHz.
Dzięki przemianie częstotliwości główne filtry i wzmacniacze nie muszą za każdym ruchem gałki zmieniać swoich właściwości. Strojenie steruje przede wszystkim obwodem wejściowym oraz oscylatorem lokalnym, natomiast „serce” odbiornika pracuje w stałych warunkach.
Jedna gałka, dwa układy
Klasyczna gałka strojenia wykonywała w rzeczywistości dwie zsynchronizowane czynności. Jedna sekcja kondensatora zmiennego dostrajała obwód wejściowy do wybranej części pasma, druga zmieniała częstotliwość oscylatora lokalnego. Oba tory musiały śledzić się tak, aby ich różnica pozostawała stała.
Nie zawsze było to idealne. Mechaniczna dokładność kondensatora, tolerancje cewek i nieliniowość skali wymagały strojenia fabrycznego. Mimo to użytkownik zamiast kilku pokręteł otrzymywał jedno. Według opracowania Engineering and Technology History Wiki prowadzonego przez IEEE History Center możliwość strojenia jednym pokrętłem należała do praktycznych zalet odbiorników superheterodynowych wprowadzanych na rynek w latach 20.
Skąd bierze się częstotliwość lustrzana?
Przemiana ma również słabą stronę. Tę samą częstotliwość pośrednią można otrzymać z dwóch różnych sygnałów wejściowych. Jeżeli odbiornik oczekuje różnicy 10,7 MHz, niepożądana stacja po drugiej stronie częstotliwości oscylatora może także trafić do toru p.cz. To tak zwana częstotliwość lustrzana.
Przed mieszaczem stosuje się więc filtr wejściowy, który przepuszcza okolice żądanej stacji, a tłumi jej „lustro”. Materiał szkoleniowy Texas Instruments RF Basics, RF for Non-RF Engineers pokazuje, że selekcja sygnału, filtracja i wzmocnienie są trzema podstawowymi zadaniami takiego toru, a częstotliwość lustrzana jest niepożądanym wejściem zdolnym wytworzyć tę samą p.cz.
W bardziej wymagających odbiornikach stosuje się dwie przemiany. Pierwsza częstotliwość pośrednia może być stosunkowo wysoka, co pomaga odsunąć lustro i skuteczniej je odfiltrować. Druga bywa niższa, aby umożliwić bardzo precyzyjną selekcję kanału. Ceną są dodatkowe mieszacze, oscylatory i filtry.
Pomysł powstał w kilku miejscach niemal równocześnie
Historia superheterodyny nie sprowadza się do jednego nazwiska. Zasada heterodyny była wykorzystywana przez Reginalda Fessendena już na początku XX wieku. Podczas I wojny światowej kilku konstruktorów rozwijało pomysł przemiany na częstotliwość pośrednią. Francuz Lucien Lévy zgłosił podstawowy układ patentowy w 1917 roku, Edwin Howard Armstrong opracował praktyczny odbiornik i złożył amerykańskie zgłoszenie, a Walter Schottky doszedł do podobnej koncepcji niezależnie w Niemczech.
IEEE REACH udostępnia patent Armstronga nr 1 342 885 oraz przypomina, że jego pierwszeństwo prawne zostało później przyznane Lévy’emu. Armstrong miał jednak ogromny udział w dopracowaniu i komercjalizacji rozwiązania. W marcu 1924 roku RCA zaczęła sprzedawać Radiolę AR-812, jeden z pierwszych komercyjnych odbiorników superheterodynowych przeznaczonych dla szerokiej publiczności.
Czy współczesne radio nadal jest superheterodyną?
W wielu urządzeniach tak, chociaż granice między etapami stały się mniej widoczne. Analogowy mieszacz może przekazać sygnał na p.cz., po czym przetwornik zamienia go na postać cyfrową, a filtrację i demodulację wykonuje procesor. Także w sprzęcie komunikacyjnym stosuje się wielokrotne przemiany, gdy trzeba pogodzić szeroki zakres odbioru z dużą odpornością na zakłócenia.
Istnieją również odbiorniki z bezpośrednią przemianą do pasma podstawowego oraz układy próbkujące sygnał radiowy bez klasycznej p.cz. Nie oznacza to jednak, że stuletnia idea zniknęła. W cyfrowym radiu programowym częstotliwość bywa przesuwana matematycznie, lecz cel pozostaje podobny: przenieść interesujący kanał tam, gdzie można go najwygodniej filtrować i odczytać.
Najważniejszy trik ukryty za skalą
Superheterodyna oddzieliła wybór stacji od precyzyjnej obróbki jej sygnału. Przestrajany początek odbiornika decyduje, czego słuchamy, a stały tor częstotliwości pośredniej wykonuje najtrudniejszą pracę zawsze w tych samych warunkach. Dzięki temu radio mogło stać się jednocześnie czułe, selektywne i proste w obsłudze.
Dlatego ruch wskazówki po skali jest trochę iluzją. Odbiornik nie podąża całym swoim wnętrzem za każdą stacją. Zamiast tego każdą wybraną stację sprowadza do własnego, stałego języka — i dopiero tam zamienia fale radiowe w dźwięk.