Odbiór superheterodynowy

Schemat blokowy superheterodyny  Jak zostało już napisane w dziale poświęconym schematom blokowym superheterodyna jest najdoskonalszym układem radiowym, stosowanym do dzisiaj w praktycznie każdym urządzeniu radioodbiorczym, poczynając od zwykłych 'jamników' po telefony komórkowe i radary. Aby zrozumieć na czym polegają jej zalety należy najpierw opisać podstawowe wymagania stawiane odbiornikom i wynikające z nich ograniczenia możliwości poszczególnych układów.
  Oczywiste są dwa podstawowe parametry odbiornika - CZUŁOŚĆ i SELEKTYWNOŚĆ. Czułość jest parametrem mówiącym jak słaby sygnał dany odbiornik jest w stanie odebrać, oczywiście im wyższa tym lepiej. Czułość zależy bezpośrednio od wzmocnienia odbiornika - większe wzmocnienie powoduje, że słaby sygnał daje już słyszalny w głośniku lub słuchawkach efekt. Selektywność natomiast to parametr opisujący możliwość wychwycenia jednej żądanej, aktualnie odbieranej stacji spośród innych, leżących na skali bardzo blisko. Selektywność uzyskuje się za pomocą odpowiednich filtrów wybierających odbieraną częstotliwość spośród wszystkich przychodzących z anteny. Filtrami tymi są OBWODY STROJONE, im tych obwodów jest więcej tym selektywność jest większa. Z tego powodu odbiornik dwuobwodowy jest lepszy od jednoobwodowego a gorszy od pięcioobwodowego.
  We wszystkich typach odbiorników poza superheterodynami, niezależnie od rodzaju zastosowanego detektora odbierana jest bezpośrednio sygnał o częstotliwości nadajnika dostarczony bezpośrednio przez antenę. Z tego powodu te odbiorniki są czasami nazywane odbiornikami bezpośredniego wzmocnienia. Oznacza to, że wszystkie obwody strojone odbiornika muszą być nastrojone na jedną i tą samą częstotliwość - częstotliwość odbieranej stacji. Przestrajanie radia na inną stację wymaga przestrajania wszystkich obwodów, podobnie zamiana zakresów. Analogicznie, uzyskanie odpowiedniego wzmocnienia warunkującego dużą czułość wymaga zastosowania odpowiedniej ilości wzmacniaczy w.cz, gdyż ze względu na zakłócenia nie jest możliwe zbudowanie bardzo czułego wzmacniacza m.cz.
  Wspomniane wyżej parametry nie są tak istotne na falach długich i częściowo średnich, gdzie ze względu na stosunkowo wysoki poziom zakłóceń nie da się i tak uzyskać bardzo wysokiej czułości, oraz stosunkowo dużej szerokości pasma w stosunku do obieranej częstotliwości. Natomiast wraz z upowszechnieniem się zakresu fal krótkich i zwiększeniem tłoku w eterze czułość i selektywność zyskiwały coraz bardziej na znaczeniu. Zwłaszcza selektywność - szerokość pasma zajmowanego przez stacje pracujące z modulacją AM (a więc tą używaną na zakresach długo, średnio i krótkofalowych) wynosi od 7 do 11kHz (dzisiejsza norma definiuje ją na 9kHz). W przypadku fal długich i częściowo średnich wartość stosunku wymaganej szerokości pasma do odbieranej częstotliwości jest niewielka - co nie wymaga dużej selektywności, a więc i dużej ilości obwodów strojonych, inaczej jest na zakresie fal krótkich. Dodatkowo wraz ze wzrostem częstotliwości spada wzmocnienie pojedyńczego stopnia, czyli zwiększa się wymagana ilość lamp do zapewnienia odpowiedniej czułości.
  Wymienione przed chwilą czynniki powodują, że dobry odbiornik musi mieć wiele obwodów strojonych i wiele stopni wzmocnienia (lamp). Skonstruowanie takiego odbiornika jest zaś praktycznie niemożliwe zwłaszcza ze względu na większą ilość obwodów. Każdy z tych obwodów musi być tak samo przestrajany za pomocą pokrętła strojenia. Problemem staje się tu współbieżność przestrajania obwodów, gdyż każda, nawet niewielka rozbieżność przy większej ilości obwodów powoduje silne tłumienie niszczące efekt dużego wzmocnienia. Dodatkowo ze względu na bliskie fizyczne położenie tych elementów, powstają pomiędzy nimi sprzężenia co objawia się gwizdami w odbiorniku przy dostrajaniu się do stacji lub wręcz wzbudzeniem się odbiornika (odbiornik zamienia się wtedy w nadajnik). Zredukować to można przez bardzo rozbudowane obwody zasilania, ekrany, bardzo precyzyjny montaż itp. - odbiornik staje się wielki, ciężki i drogi, bardzo trudny w strojeniu (w fabryce), oraz podatny na zmiany wartości elementów spowodowane nagrzewaniem lub starzeniem.
  Wad tych jest w znacznej części pozbawiony odbiornik superheterodynowy. Odbiór superheterodynowy polega na zamianie odbieranej częstotliwości wewnątrz odbiornika w inną, zawsze stałą (dla danego typu odbiornika oczywiście) i niezmienną w czasie pracy. Do tej zmiany służy mieszacz i HETERODYNA. Uzyskana częstotliwość wewnątrz odbiornika (tak zwana częstotliwość pośrednia, w skrócie p.cz.) jest następnie wzmacniana i filtrowana przez odpowiednią ilość odwodów strojonych. Ponieważ ta częstotliwość jest stała i zawsze inna niż odbierana, to wzmacniacz ten robi się dużo prostszy - można użyć dużo obwodów strojonych bez obaw o wzbudzenie, gdyż obwody te są nieprzestrajane, a więc mogą być małe, zamknięte w niewielkiej, szczelnej ekranującej metalowej puszce i umieszczone daleko od siebie. Również wartość tej częstotliwości można dość dowolnie wybrać, więc może ona być na tyle mała, że uda się osiągnąć bardzo duże wzmocnienie, co zmniejsza ilość wymaganych stopni wzmacniacza p.cz. do jednego, a w przypadku najlepszych odbiorników do dwóch.
  Do 'przeniesienia' sygnału radiowego z częstotliwości stacji nadawczej na wewnętrzną częstotliwość pośrednią odbiornika służy układ zwany mieszaczem. Mieszacz wykorzystuje do tworzenia częstotliwości pośredniej oprócz sygnału w.cz. będącego sygnałem odbieranym również drugi sygnał, wytwarzany lokalnie w odbiorniku, o pewnej określonej, ale zmiennej, częstotliwości. Na wyjściu mieszacza jako produkty mieszania tych dwóch sygnałów otrzymamy pewien sygnał wyjściowy, który jest różnorodną kombinacją obu sygnałów wejściowych. Każdy sygnał wejściowy ma określoną częstotliwość, sygnał wyjściowy ma częstotliwość będącą kombinacją częstotliwości sygnałów wejściowych: ich sumy, różnicy, sumy i różnicy ich wielokrotności. Poglądowo przedstawia to rysunek obok. Czarne słupki oznaczone 'A' i 'B' to sygnały wejściowe - odpowiednio odbieranej stacji i lokalny, prążki kolorowe to składowe sygnału wyjściowego. Na osi poziomej jest częstotliwość sygnałów, na osi pionowej ich siła.
Prążki na wyjściu mieszacza  Jak widać z rysunku najsilniejsze są cztery składowe sygnału wyjściowego: A + B, B - A, 2*A i 2*B ('A' i 'B' oznacza ich częstotliwości, odpowiednio sygnału odbieranego i heterodyny), więc praktycznie użyteczne są tylko one. Zwyczajowo wybiera się zawsze składnik B - A, czyli sytuację, kiedy częstotliwość lokalnego generatora odbiornika jest większa od częstotliwości odbieranego sygnału o wartość częstotliwości pośredniej. Jak widać z rysunku mieszacz generuje kilka silnych składników sygnału wyjściowego, w tym dwa (A-B i A+B) będące kombinacjami obu sygnałów wejściowych co może spowodować problemy: można znaleźć taką wartość częstotliwości sygnału wejściowego w.cz., że któryś z wyników jego mieszania z aktualną częstotliwością heterodyny. Jeżeli przez 'P' oznaczymy wartość częstotliwości pośredniej, to przy wybranym wyjściowym prążku sygnału wyjściowego jego częstotliwość jest opisana równaniem B - A = P. Istnieje jednak taka częstotliwość wejściowa C, dla której prawdziwe będzie takie równanie: B - C = P, a więc dla niej i aktualnej częstotliwości lokalnej otrzymamy tą samą częstotliwość pośrednią. Proste przekształcenie tych równań da następujące rozwiązanie: C = 2*P. Oznacza to, że oprócz żądanej stacji odbierana jest stacja o częstotliwości leżącej w odległości podwójnej częstotliwości pośredniej od stacji odbieranej. Sygnał ten jest nazywany sygnałem lustrzanym albo krótko 'lustrem', bo jest jakby lustrzanym odbiciem właściwego sygnału odbieranego.
  Ponieważ jedynym miejscem gdzie można się pozbyć sygnału lustrzanego jest wejście odbiornika, a ściślej mówiąc jego filtry wejściowe, to sygnał ten nie może leżeć zbyt blisko sygnału odbieranego, gdyż inaczej filtry muszą być bardzo skomplikowane albo filtracja nie będzie wystarczająco skuteczna. Oznacza to po prostu, że częstotliwość pośrednia nie może być zbyt niska. W praktyce stosowane są dwie wartości: około 128kHz i 460kHz. Ta pierwsza jest zdecydowanie zbyt niska już pod koniec zakresu fal średnich - różnica pomiędzy częstotliwością właściwą i lustrzaną dla fali średniej o częstotliwości 1MHz to tylko około 25%, wtedy filtracja jest już niezbyt skuteczna, i silne stacje mogą być w dwóch miejscach skali: w miejscu właściwym i drugi raz jako lustro dla innej częstotliwości. Jeszcze gorzej jest dla fal krótkich, np. dla częstotliwości 20MHz różnica między odbieranym sygnałem a lustrem to tylko 1%, czyli lustro jest praktycznie nietłumione, nawet dla wyższej częstotliwości pośredniej (460MHz) - stacje krótkofalowe zawsze występują w dwóch miejscach na skali.
  Istnienie lustra jest dużą i podstawową wadą odbioru superheterodynowego. Można sobie z nią poradzić na dwa sposoby: albo zbudować odpowiednio skuteczne filtry wejściowe (bardzo często w superheterodynach stosowane są na wejściu FILTRY PASMOWE sprzężone podkrytycznie), co i tak nie jest w zasadzie praktycznie realizowalne dla fal krótkich. Drugą metodą jest odpowiednie zwiększenie częstotliwości pośredniej, tak aby lustro leżało odpowiednio daleko. Niestety częstotliwość pośrednia nie może być zbyt duża i to z dwóch powodów: zacznie spadać wzmocnienia stopnia p.cz. i będą trudności w uzyskaniu odpowiedniej selektywności - 9kHz dla 128kHz to 7% i nie ma problemu w zbudowaniu filtra o takiej szerokości pasma. Jednak dla 1MHz będzie to już 0.9% i uzyskanie filtra o tak wąskim paśmie robi się trudniejsze. Jak więc widać nie ma dobrej metody likwidacji lustra.
  Dobrym rozwiązaniem jest dopiero podwójna przemiana częstotliwości, spotykana w najbardziej luksusowych odbiornikach (np. Elektrit Oceanic) i to tylko dla zakresu fal krótkich. Schemat blokowy odbiornika z podwójną przemianą widoczny jest obok.
  Podwójna przemiana polega na tym, że sygnał wyjściowy z pierwszego mieszacza jest filtrowany, żeby wydzielić interesujący nas prążek, poczym trafia jako sygnał wejściowy drugiego mieszacza (drugi mieszacz jest oczywiście napędzany drugim generatorem lokalnym) i dopiero druga częstotliwość pośrednia otrzymana na wyjściu drugiego mieszacza jest właściwą częstotliwością pośrednią. W tym układzie pierwsza częstotliwość pośrednia jest w miarę możliwości wysoka, gdyż służy ona do likwidacji lustra. Dobiera się ją w ten sposób, że lustro może zostać silnie stłumione w zwykłym, prostym filtrze wejściowym. Nie musi być ona dokładnie filtrowana, gdyż nie od niej zależy selektywność odbiornika, filtr pierwszej pośredniej może mieć szerokie pasmo, dużo szersze niż szerokość pasma sygnału (9kHz), nie może on po prostu przepuścić innego prążka sygnału wyjściowego, a prążki te będą leżeć dosyć daleko. Dopiero druga częstotliwość pośrednia może być niska, tak aby dało się łatwo uzyskać założone wzmocnienie i selektywność.
  Odbiornik z podwójną przemianą to zwykły odbiornik z pojedynczą przemianą jakby z dołożonym na wejście dodatkowym mieszaczem likwidującym lustro. Niestety, powoduje to znaczną komplikację odbiornika i było stosowane tylko w najlepszych i najdroższych modelach.