Superheterodüünvastuvõtja

Superheterodüünvastuvõtja (lühemalt supervastuvõtja) on tänapäeval põhiline raadiovastuvõtja tüüp. Selle põhifunktsioonideks, nagu ka kõigil teistel raadiovastuvõtjatel, on antenni kaudu vastu võetud signaali viimine kasutajale vastuvõetavasse vormi (näiteks pilt, heli jms).
Supervastuvõtja eripära seisneb selles, et kõik sisendlülituse eraldatud raadiosignaalid muundatakse sagedusmuunduris ühel kindlal sagedusel ‒ vahesagedusel ‒ olevaks signaaliks. Sellel vahesagedusel toimubki signaali põhiline võimendus, eraldamine naabersagedusega signaalidest ja lõpuks informatiivse signaali eraldamine vahesagedusest.
Ajalugu.
Heterodüünvastuvõtja ehk otsemuundusvastuvõtja idee pakkus välja 1901. aastal. Sõna "heterodüün" on tuletatud kreeka sõnast "heteros" ('teine') ja ladina sõnast "dynamis" ('jõud'). Tema ideeks oli antenni kaudu vastu võetud signaali muundamine otse madalsageduslikuks signaaliks, kasutades selleks lähedase sagedusega signaali. Kuna tol ajal polnud võimalik konstrueerida stabiilset kohalikku kõrgsagedusgeneraatorit (ostsillaatorit), ei leidnud see idee laialdasemat kasutust.
Superheterodüünvastuvõtja idee pakkus välja Edwin H. Armstrong 1918. aastal. Ta kasutas ära Fessendeni patenteeritud sageduse muundamise idee selle erinevusega, et vastuvõetud signaal muundatakse ühele kindlale vahesagedusele ja alles sellest saadakse madalsageduslik signaal (audiosignaal). Tulenevalt sellest erinevusest nimetas Armstrong oma leiutise superheterodüünvastuvõtjaks.
Tööpõhimõte.
Antenniga vastu võetud signaali formula_1 võimendatakse kõigepealt kõrgsagedusvõimendiga. Tavaliselt kuulub kõrgsagedusvõimendi koosseisu ka eelselektsioonifilter, mille peamiseks ülesandeks on peegelkanali sagedusega võnkumiste kõrvaldamine. Seejärel liigub signaal edasi segustisse, kus on lisasisendiks kohaliku ostsillaatori genereeritav fikseeritud sagedusega harmooniline signaal formula_2. Ideaalse sagedusmuunduri väljundis saadakse kaks sageduskomponenti: summasagedus formula_3 ja vahesagedus formula_4. Kuna eesmärk on viia signaal vahesagedusele, järgneb segustile vahesagedusfilter, mille eesmärgiks on eraldada vahesagedus formula_5. Järgnevas vahesagedusvõimendis (VSV) toimub vastuvõetud signaali põhiline võimendamine. Seejärel eraldatakse detektoris (D) vahesagedusel olevast signaalist madalsageduslik komponent ‒ helisagedussignaal ehk audiosignaal formula_6.
Kõrgsagedusvõimendi (KSV).
Selle võimendusastme peamiseks eesmärgiks on sobitada antenn vastuvõtjaga ja eelselekteerida soovitud sagedusega signaalid. Võimendusastme "LC"-filtri ribalaius "B" valitakse praktikas järgmise seose järgi:
formula_7 ,
kus formula_8 on vastuvõetud signaali ribalaius, formula_9 on filtri ribalaius ja formula_10 on vahesagedus.
Kõrgsagedusvõimendi müratase peab olema võimalikult madal, sest see ahel määrab peamiselt kogu vastuvõtja mürateguri.
Sagedusmuundur.
Sisemine ostsillaator (heterodüün).
Sisemise ostsillaatori ehk kohaliku ostsillaatori ülesandeks on genereerida stabiilset harmoonilist signaali, kusjuures oluline on genereeritavate võnkumiste sagedus. Kuna superheterodüünvastuvõtja üheks eeliseks on see, et suurem osa signaalitöötlusest toimub ühel sagedusel (vahesagedusel formula_10), peab genereeritav signaal olema valitud nii, et vahesagedus oleks sõltumatult vastuvõetava signaali formula_1 sagedusest formula_13 püsiv (formula_14).
Kuna üldiselt kasutatakse vastuvõtjat rohkem kui ühe sagedusega signaali vastuvõtmiseks, on tarvilik sisemise ostsillaatori sagedust muuta nii, et vastuvõtja oleks häälestatud soovitud raadiokanalile. Lisaks on ostsillaatori ja KSV juhtimine vajalik selleks, et kompenseerida vastuvõetud signaali sageduse muutust (näiteks Doppleri efektist tulenev sagedusnihe).
Segusti.
Segusti sisenditeks on vastuvõetud signaal sagedusega formula_13 ja kohaliku ostsillaatori (generaatori) väljundsignaal sagedusega formula_2. Segusti kui mittelineaarse ahela väljundis on signaalide kombinatsioon, mille spektris sisalduvad lisaks signaalidele sagedustega formula_13 ja formula_2 ka nende vahe formula_19 või formula_4 (vahesagedus) ning ka võnkumised sagedusega formula_3 .
Vahesagedusfilter.
Kuna segusti väljundis olev signaal on kombinatsioon erinevate sagedustega signaalidest, on vaja eraldada kõigi erinevate signaalide segust soovitud signaal. Seda ülesannet täidab vahesagedusfilter. Probleeme võib tekkida peegelsagedustega. Superheterodüünvastuvõtja eripäraks on see, et igal kohaliku ostsillaatori sagedusel formula_2 saab vahesageduse moodustada kaks signaalisagedust: formula_23 ja formula_24. Kui soovitakse vastu võtta signaali sagedusel formula_25 ja sagedusel formula_26 töötab teine saatja, siis segusti väljundis ja filtri sisendis on lisaks soovitud signaali sagedusele formula_25 lisaks segav signaal sagedusega formula_26. Seda segavat signaali nimetatakse peegelsageduseks. Kuna vahesagedusfilter ei suuda neid kahte signaali üksteisest eristada, on lahenduseks peegelkanali mahasurumine kõrgsagedusvõimendis eelselektsioonifiltriga.
Vahesagedusvõimendi.
See ahel on mõeldud vahesagedusel oleva signaali võimendamiseks. Selles ahelas toimub põhiline signaali võimendus, tüüpiliselt 80 dB. Et muuta signaali võimsus võimendi väljundis sõltumatuks sisendsignaali võimsusest, rakendatakse reeglina automaatset võimenduse reguleerimist (AVR). AVRi lülitus vähendab võimendi võimendust seda rohkem, mida kõrgem on sisendsignaali tase. Eriti oluline on see amplituudmoduleeritud signaalide korral, kus informatiivse signaali tase väljundis on lineaarselt seotud vastuvõetud signaali võimsusega. Olemuslikult on tegemist negatiivse tagasisidestusega, kus reguleerivaks pingeks on harilikult amplituuddetekteeritud signaali alaliskomponent, mis on võrdeline kandesageduse amplituudiga.
Detektor (demodulaator).
Selles ahelas toimub informatsiooni edastava signaali formula_6 eraldamine vahesagedusega kandesignaalist. Olenevalt modulatsiooniviisist valitakse ka detektor. Eraldatava signaali parameetri alusel eristatakse:
Amplituuddemodulaatorina võib kasutada näiteks mähisjoonedetektorit. Tegemist on RC-ahelaga koormatud diooddetektoriga. Selle lahenduse puhul jälgib koormusel tekkiv pinge amplituudmoduleeritud signaali mähisjoont.
Sagedusdemodulaatorina on võimalik kasutada suhtedetektorit, diskriminaatorit või sünkroondetektorit.
FM-raadio skeeminäide.
Tänapäeva FM-raadiovastuvõtjal moodustavad raadiosagedusaste (KS-võimendi ehk RF-võimendi), pingega tüüritav ostsillaator (VCO) ja segusti trükkplaadil ULL-tuuneri ploki. Selles plokis häälestatakse tuuneri võnkeringid soovitud jaama vastuvõtmiseks vajalikele sagedustele. Ostsillaatorist läheb signaal ka faasilukule (PLL), millele antakse tugisagedus kvartsostsillaatorist. Faasilukust saadakse stabiilne tüürpinge võnkeringide täpseks häälestamiseks tüürpingega, mis rakendatakse mahtuvusdioodidele.
Segusti väljundist läheb signaalide segu vahesagedusvõimendisse, milles eraldab vahesagedusega 10,7 MHz signaali keraamiline pinnalainefilter ja selle väljundsignaali võimendab mikrolülitusel põhinev VS-võimendi. Viimase kiibil on ka FM-signaali demodulaator. Demoduleeritud signaal sisaldab infot piloottooni ja stereofoonilise (kahe kanali) heli kohta. Sellest multiplekssignaalist (täielikust stereosignaalist) moodustab stereodekooder vasaku ja parema kanali helisagedussignaali, mida võimendab kahekanaliline MS-võimendi. Mikroprotsessor juhib faasiluku tööd, võtab vastu juhtimissignaale eelvalikuklahvidelt või infrapunakiirega edastatavaid koode juhtpuldist ja salvestab valitud saatjate sagedused.
Kahekordne sagedusmuundus.
Eelvaadeldud skeemi kohaselt saavutatakse vajalik selektiivsus (eraldusvõime) peegelkanali suhtes kitsaribalise eelselektsiooniga, mis vajab igal laineribal eraldi võnkeringe. Seepärast kasutatakse professionaalsetes AM-vastuvõtjates ja paljude lühilaineribadega nn maailmaraadiotes kahekordset sagedusmuundust. Sel juhul valitakse esimene vahesagedus vastuvõetavate raadiosageduste ülemisest piirist kõrgem (üle 40 MHz). Siis jäävad peegelsagedused väga kõrgete sageduste vahemikku, nii et nende tõhusaks mahasurumiseks piisab ühestainsast madalpääsfiltrist lõikesagedusega 30 MHz (paljude sisendvõnkeringide asemel).
Esimesest segustist väljuv signaal läbib esimesele vahesagedusele vastava ribafiltri ja läheb edasi teise segustusastmesse. Teiseks vahesageduseks võib olla tavaline 455 kHz. Järgnev ribafilter (teine vahesagedusvõimendi) tagab vajaliku selektiivsuse naaberkanali suhtes.