Szuperheterodin rádiókészülék

A szuperheterodin rádiókészülék egy olyan rádiókészülék, ahol bemenő rádiójelet egy alacsonyabb, középfrekvenciájú jellé alakítják azáltal, hogy összekeverik a készüléken belüli, az oszcillátor által generált jellel. Ezt a középfrekvenciát könnyebb kezelni és erősíteni, mint a kezdeti rádiófrekvenciát.

Szuperheterodin elven működő rádióvevő

Az egyenes vevők hiányosságának áthidalására találták ki a szuperheterodin elvet. Úgy kerülték ki a sok együtt hangolandó rezgőkör problémáját, hogy bevezettek egy úgynevezett középfrekvenciát (KF, angolul IF = intermediate frequency). Az összes szűrőkört és jelerősítőt erre a rögzített középfrekvenciára hangolják. A bejövő jel frekvenciáját pedig a lehető leghamarabb erre a frekvenciára keverik le.

A szuperheterodin rádiókészülékeket nevezik még szuper-rendszernek vagy frekvenciaváltós rendszernek is.

Szuperheterodin elven mind adó, mind vevőkészülékeket jelenleg is gyártanak, viszont egyre inkább kezdi kiszorítani az SDR alapú technológia. Mivel a digitális jelfeldolgozás felső határfrekvenciája napjainkban is korlátozott, így az SDR technológiát gyakran ötvözik a szuperheterodin rendszerrel.

Szuperheterodin elven működnek a földfelszíni, kábel és műholdas televízió vevőkészülékek és adóberendezések nagy része is.

A szuperheterodin elv

Ha egy modulált jelet összekeverünk egy oszcillátorról jövő szinuszos jellel, előáll egy új vivőfrekvencia. Ez az újonnan előállt vivőfrekvencia nem tiszta szinuszos jel, hanem modulált rádiófrekvenciás jel, ahol a moduláló alapsávi jel megegyezik az eredetileg bejövő modulált jel moduláló alapsávi jelével. A keverés során csak a vivőfrekvencia változik meg, maga az átvitt információ változatlan marad.

A hordozófrekvencia megváltoztatása oly módon, hogy a moduláció változatlan marad. Ez történik pl. a frekvenciaváltó (szuperheterodin) vevőkészülékek keverőfokozatában is, amely a rádiófrekvenciás hordozófrekvenciát alakítja át a sokkal könnyebben felerősíthető és szűrhető középfrekvenciára.

Ezt a folyamatot nevezik még transzponálásnak, illetve frekvenciaátalakításnak is.

Fizikai alapja

Ha U1 és U2 amplitúdójú, f1 és f2 frekvenciájú szinuszos jelet összekeverünk, akkor idő függvényében a kimenő feszültség amplitúdója a következő képlet szerint alakul:

$U_{ki}=U_{1}sin(\omega _{1}t)U_{2}sin(\omega _{2}t)={\frac {U_{1}U_{2}}{2}}(cos((\omega _{1}-\omega _{2})t)-cos((\omega _{1}+\omega _{2})t))$

vagyis az összekevert jel két komponenst tartalmaz, de azok az eredeti két jel frekvenciáitól eltérőek:

$f_{K1}=f_{1}+f_{2}$

$f_{K2}=f_{1}-f_{2}$

Attól függően, hogy a szuperheterodin készülékben melyik komponenst használjuk középfrekvenciaként, kétféle keverés lehetséges:

• ha a használt középfrekvenciánál az antennajel nagyobb frekvenciájú, akkor felső
• ha a használt középfrekvenciánál az antennajel kisebb frekvenciájú, akkor alsó

keverésről beszélünk.

A szuperheterodin rendszer előnyei és hátrányai

A szuperheterodin rendszer előnyei

• A középfrekvenciát olyan nagyságúnak lehet megválasztani, amely frekvencián a szükséges erősítés és a szelektivitás a lehető legolcsóbb alkatrészekkel megvalósíthatóak.
• A behangolt középfrekvenciás köröket, sávszűrőket az állomásra hangolási folyamatnál nem szükséges utánhangolni. Így a középfrekvenciás erősítő akárhány hangolt kört tartalmazhat, hangoláskor nincs együttfutási probléma.
• Leegyszerűsítette a frekvenciamodulált jelek vételére alkalmas vevőkészülékeket, hiszen a frekvenciamodulált jelek demodulálása is egy vagy több hangolt kört tesz szükségessé, amit állomáskereséskor szintén egyszerre kell hangolni a nagyfrekvenciás erősítővel. Kereskedelmi forgalomba műsorszóró FM vételre alkalmas készülékek csak szuperheterodin kivitelben készültek.
• Nem szükséges, hogy a demodulátor előtti teljes erősítés ugyanazon a frekvencián történjen, ami nagy erősítésnél instabilitást okozna.
• Mivel az erősítés frekvenciája nem az antennakör frekvenciáján történik, így az erősített jel ha visszajut a készülék bemenetére, nem okoz gerjedést.
• Adóberendezéseknél az adási frekvenciától jóval kisebb frekvenciájú jelen történhet a moduláció, ami nagyobb frekvenciastabilitást ad.
• Adóberendezéseknél a bonyolult, több hangolt kört tartalmazó modulátorok (pl. SSB) rezgőköreit nem kell átállítani az adási frekvencia megváltoztatásával. A frekvenciamodulált jel előállítása is egyszerűbben megoldható kisebb frekvencián.

A szuperheterodin rendszer hátrányai

Mivel a keverés során két középfrekvencia is létrejön, így keletkezik egy tükörfrekvencia. A szuperheterodin vevők egyik tulajdonsága, ha a tükörfrekvencián is van adóállomás, akkor annak a jele zavarja a venni kívánt adóállomás jelét. Minél nagyobb középfrekvenciát használ a vevőkészülék, annál kisebb ez a zavaró hatás. Az elnyomás mértéke a tükörszelektivitás, ennek számértéke minimum 200 (46dB) kell legyen. A jobb minőségű vevőkészülékeknél ez az érték 1000-2000 (60-66 dB) között van.

A szuperheterodin rádiókészülékek felépítése

A szuperheterodin rádiókészülékek legfontosabb szerkezeti elemei

• Antenna:
• Nagyfrekvenciás erősítő
• Helyi oszcillátor
• Hangolóegység
• Rádiófrekvenciás keverő
• Középfrekvenciás erősítő
• Demodulátor
• Automatikus erősítésszabályozás (AGC)

Az elem neve	Vevőben	Adóban
Antenna	A környezetéből érkező elektromágneses sugárzást elektromos jellé alakítja	A talppontjára kapcsolt vivőfrekvenciás jelet elektromágneses sugárzássá alakítja.
Nagyfrekvenciás előerősítő	Az antennától érkező elektromos jel egy meghatározott frekvenciatartományát erősíti	Az keverőből érkező vivőfrekvenciás jelet erősíti olyan szintre, ami alkalmas egy adóvégfok meghajtására.
Buffer erősítő		A helyi oszcillátor jelét erősíti arra a szintre, ami a modulátor meghajtásához szükséges.
Helyi (nagyfrekvenciás) oszcillátor	A középfrekvenciás jel előállításához szükséges helyi frekvencia előállítása	A vivőfrekvenciás jel előállításához szükséges helyi frekvencia előállítása
Hangolóegység	A rádiókészülék üzemi frekvenciáját változtatja meg külső beavatkozás hatására, a helyi oszcillátor és a nagyfrekvenciás előerősítő(k) hangolt köreinek módosításával. Továbbá ez a szerkezeti elem gondoskodik arról is, hogy az oszcillátor és nagyfrekvenciás előerősítő közötti különbségi frekvencia mindig a középfrekvencia legyen.
Rádiófrekvenciás keverő	A nagyfrekvenciás előerősítő és a helyi oszcillátor jeléből képez középfrekvenciás jelet.	A középfrekvenciás jelből és a helyi nagyfrekvenciás oszcillátor jeléből képzi a kimenő vivőfrekvenciás jelet.
Középfrekvenciás erősítő	Nagy erősítést végez egy szűk frekvenciatartományban, a KF frekvenciatartományon kívül viszont jelentős csillapítást végez.
Demodulátor	A vivőfrekvenciás jelet átalakítja alapsávi jellé (pl. hangjellé)
Modulátor		Az alapsávi jelből (pl. hangjel) és a helyi oszcillátor jeléből képez modulált jelet.
Automatikus erősítésszabályozás (AGC)	Az ingadozó vételi jel kiegyenlítésére szolgáló áramkör.
Hangfrekvenciás erősítő	A hangjelet erősíti arra a szintre, ami képes megszólaltatni egy fejhallgatót vagy hangszórót.	A mikrofonból érkező jelet erősíti arra a szintre, ami a modulátor meghajtásához szükséges.

Szuperheterodin rendszerű rádióvevő

Szuperheterodin rendszerű rádióadó

Amplitúdó-modulált jelek előállítására képes adó

Frekvenciamodulált jelek előállítására képes adó

A szuperheterodin és az SDR rendszer ötvözése

A technológia a ’90-es években alakult ki, elsők között az ICOM amatőr készülékeiben (az IC756PRO-II például 36 kHz-es KF jelet digitalizál a DSP számára). Vétel oldalon a demoduláció, vagy akár az automatikus erősítésszabályozás (AGC) is ebben a fokozatban, digitális műveletként valósul meg, ahol a jelfeldolgozó egység dedikált célhardveren (DSP) kívül lehet általános célú mikroprocesszor is.

Az SDR által digitalizálható antennajel felső határfrekvenciájának korlátot szab a digitalizálást végző áramkör műveleti sebessége.

SDR alapú frekvenciaváltós vevő

SDR alapú frekvenciaváltós adó