Heterodyyni

Heterodyyni eli keskinäismodulaatio on radiotekniikassa ja muussakin signaalinkäsittelyssä yleisessä käytössä oleva, mutta myös esimerkiksi korvin kuultavilla audiotaajuuksilla esiintyvä ja esimerkiksi äänisynteesin yhteydessä hyödynnetty ilmiö, jossa kahden eritaajuisen signaalin sekoittuminen tuottaa alkuperäisten signaalien summa- ja erotustaajuudet. Nimitys tarkoittaa karkeasti kääntäen "erivoimaista" ja on lähtöisin radioalan havainnoista. Ensimmäiset radiovastaanottimet olivat "omavoimaisia" eli toimivat pelkästään antennista saatavan signaalin voimalla.
Elektronisen musiikin yhteydestä tunnettu rengasmodulaatio tuottaa heterodyyni-ilmiön korvin kuultavalla taajuusalueella. Puolet ilmiöstä voidaan havaita vaikkapa kitaraa viritettäessä, jolloin kahden hieman eri korkeudelta soitetun kielen yhteinen ääni soutaa vuoroin vaiheeseen ja pois. Tämä soututaajuus, "beat", on taajuuksien erotustaajuus. Joidenkin soittimien virittäjät päättelevät varsinkin matalien kielten oikean vireen tarkkailemalla toisten kielten kanssa saatua beat-taajuutta. Jos myös summataajuus halutaan kuuluviin, signaalit pitää sekoittaa epälineaarisesti niin että toinen signaali muokkaa toisen voimakkuutta. Kitaraa viritettäessä tapahtuu signaalin hetkellisarvojen summautuminen, mutta rengasmodulaatiossa signaalit "kerrotaan" keskenään.
Historiaa.
Kanadalainen Reginald Fessenden tutki ilmiötä ensimmäisten joukossa radiotekniikan saralla, mutta hänen aikanaan radiotaajuiset oskillaattorit eivät olleet kovin tarkkoja eikä ilmiö saanut suurta huomiota heti.
Alun perin radiosähkötykseen käytettiin radiolähetintä, jossa kipinäväliin aikaansaatu valokaari tuotti radiotaajuista aaltoilua hyvin laajalla spektrillä. Valokaarta pulssittamalla saatiin lähetettyä pitkiä ja lyhyitä sähkötysmerkkejä. Vastaanottoon käytettiin kohereeriputkea, joka epäselektiivisenä laitteena oli hyvin arka kaikelle sähkömagneettiselle toiminnalle lähistöllä. Sekä lähetys- että vastaanottotekniikka olivat soveltumattomia äänen välittämiseen. Rudolf Goldschmidt kehitti vaihtovirtageneraattoriin perustuvia suurtaajuusgeneraattoreita (100 kHz luokassa), joilla roottorivirtaa katkomalla saatiin aikaan pulssitettua kapeaspektristä kantoaaltoa. Näin oli mahdollista erotella eri lähetysasemat toisistaan, käyttämällä viritettävää resonanssipiiriä kohereerin apuna. Tämä ei ratkaissut kohereerin perimmäistä ongelmaa eli herkkyyttä läheltä tuleville häiriösignaaleille esimerkiksi valokatkaisijoista ja moottoriajoneuvoista. Koska kantoaalto oli pulssitettua muttei sisältänyt muuta informaatiota, suora kuuntelu tuotti vain naksahduksia kytkentäkohdissa. Goldschmidt kehitti katkojaperiaatetta muistuttavan "äänirattaan" joka asetettiin pyörimään antennipiirissä olevan kelan magneettinapojen välille. Se vuoroon pidensi ja lyhensi magneettipiirin pituutta hammaslukuun ja kierroslukuun verrannollisesti. Sillä saatiin tuotettua vertailutaajuus, joka poikkesi sopivasti lähetteen kantoaaltotaajuudesta. Myöhemmin tarkoitukseen kehitettiin elektroniputkiin perustuvia oskillaattoreita vertailutaajuuden tuottamiseksi (BFO, Beat Frequency Oscillator). Sekoittamalla kummalla tahansa tavalla tuotettu vertailutaajuus antennista tulevaan signaaliin, saatiin kuuluviin erotustaajuista piipitystä. Näin oli myös mahdollista ilman eri virityspiiriä erottaa eri taajuudella lähettävät asemat toisistaan piipityksen korkeuden perusteella. Sovellus ei vaatinut erityisen tarkkaa oskillaattoria.
Kun generaattorin roottorivirtaa (tai lähetysvahvistimen vahvistuskerrointa) moduloitiin äänitaajuisella vaihtovirralla, tämä heijastui lähetetyn kantoaallon voimakkuuteen. Viritettävällä resonanssipiirillä, ilmaisindiodilla ja kuulokkeella voitiin vastaanottaa suoraan kuunneltavaa ääntä, mikä ei ollut mahdollista moduloimattoman sähkötyssignaalin kohdalla. Riittävän lähellä lähetintä viritinpiiri ei ollut välttämätön, yksinkertaisimmat kidevastaanottimet sisälsivät sarjaan kytketyt antennisilmukan, kuulokkeen ja pistekontaktidiodin. Havaittiin myös että äänitaajuuksien sekoittaminen kantoaaltoon tuotti kantoaallon taajuuden ympärille äänispektrin levyiset sivukaistat. Esimerkiksi 100 kHz kantoaaltoon sekoitettu 4 kHz levyinen puhekaista tuotti taajuuksia väliltä 96...104 kHz. Lähetettä pystyi kuuntelemaan myös vertailuoskillaattorin avulla, joka tässä sovelluksessa säädettiin toimimaan kantoaallon taajuudella. Tämä havainto johti uusiin mahdollisuuksiin. Lähetettävästä signaalista saatettiin suodattaa pois toinen sivukaista sekä kantoaalto lähes kokonaan (SSB-lähetys). Tällöin ei tarvinnut käyttää tehoa läheskään yhtä paljon, koska teho voitiin keskittää toiseen sivukaistaan, josta lähetteen informaatio oli poimittavissa vertailutaajuutta käyttäen. Omavoimainen vastaanotin ei toiminut sellaisen lähetteen kanssa kovin hyvin.
Radiotaajuisia signaaleja pystytään summaamaan samalla periaatteella joten esimerkiksi taajuusmodulaatiossa on mahdollista summata moduloidun matalataajuisen oskillaattorin signaali kiinteään kantoaaltoon. Kantoaallon suora taajuusmodulointi olisi ollutkin aikoinaan vaikeaa, sillä generaattorin roottori ei olisi pystynyt seuraamaan vaadittavia noepudenvaihdoksia. Summaustekniikalla pystyttiin myös tuottamaan kantoaaltotaajuuksia joihin generaattorit eivät suoraan ylettyneet.
Nykyään heterodyyni-ilmiötä hyödynnetään keskeisenä tekniikkana signaalinkäsittelyssä. Sen avulla on mahdollista erotella radiospektristä hyvin kapeita kaistoja sekä vastaanottaa signaaleja joihin minkään omavoimaisen tekniikan herkkyys ei riitä.
Heterodyynivastaanotin.
Yksinkertaisimmat heterodyynivastaanottimet sisältävät yhden heterodyyniasteen. Heterodyyniaste koostuu oskillaattorista sekä sekoittimesta, joka pohjaa yleensä johonkin vahvistinkytkentään. Heterodyyniasteelle tuleva signaali sekoittuu oskillaattorin taajuuteen, josta on tuloksena pelikuvamaiset taajuuskaistat oskillaattoritaajuuden ympärillä. Toinen sivukaista suodatetaan pois ja saadaan alkuperäinen signaali.
Toisen maailmansodan aikaan heterodyynivastaanottimet olivat jo hyvin yleisiä. Ne soveltuivat kaikkien vanhan- ja uudentyyppisten lähetysten vastaanottoon. Niiden suuri ongelma sodan aikana oli, että ne kaikki sisälsivät radiotaajuisen oskillaattorin. Koska oskillaattorin signaalia vuoti aina jonkun verran vastaanottimesta ulos, sotajoukot pystyivät etsimään vastaanottimia vastaavaa vertailutekniikkaa käyttäen. Monissa Saksan miehittämissä maissa radiovastaanottimen hallussapidosta ja käytöstä voitiin tuomita kuolemaan ilman oikeudenkäyntiä, joten omavoimaisten kidekoneen tyyppisten vastaanottimien suosio kasvoi uudestaan ja sellaisia rakennettiin jopa taloustarvikkeista. Ne vaativat kuitenkin usein hyvin näkyvät antennilankaviritelmät.
Tavallisimmat vastaanottimet ovat nykyään superheterodyynejä. Niissä on useampi kuin yksi heterodyyniaste. Ensimmäinen aste toimii yhdellä tai useammalla kiinteällä vertailutaajuudella ja sillä erotellaan radiospektristä vastaanotettava kaista (esim. ULA, LA, KA jne) ja muilla erotellaan tästä kaistasta tarkempia osa-alueita. Tällöin yhdenkään yksittäisen heterodyyniasteen ei tarvitse ylettyä kovin laajalle taajuusalueelle. Esimerkiksi analogisessa TV-lähetyksessä on useita eritaajuisia lähetevirtoja yhdistetty samalla radiokanavalla lähetettäviksi ja vastaanotin sisältää useita heterodyyniasteita näiden osalähetteiden erottamiseksi.
Muuta huomionarvoista.
Keskinäismodulaatio vaikuttaa myös mitattaessa esimerkiksi äänentoistojärjestelmien toiston tarkkuutta alkuperäiseen signaaliin nähden. Koska laitteet sisältävät epälineaarisia komponentteja kuten transistoreita, väistämättä osa käsiteltävistä taajuuksista alkuperäisessä signaalissa sekoittuu toisiinsa aiheuttaen vääristymiä toistossa. Tällöin puhutaan keskinäismodulaatiosäröstä.
Vanhoissa radionauhureissa saattoi olla "beat cancel" tai vastaavasti nimetty useimmiten kaksiasentoinen kytkin. Tämän tarkoitus oli säätää nauhurin poistopäähän syötettävä esimagnetointisignaali taajuudeltaan sellaiseksi, että vastaanotossa ja nauhoituksessa ei kuulu korvinkuultavaa sivuääntä esimagnetoinnin ja vastaanottimen vertailutaajuuden välillä. Tällä oli merkitystä eritoten pitkän aaltoalueen AM-lähetysten kohdalla, jossa kantoaalto ja vertailutaajuus saattoivat olla vain joitain kymmeniä kilohertsejä.