スーパーヘテロダイン受信機
スーパーヘテロダイン受信機(superheterodyne receiver)は、ヘテロダインにより、受信した電波を一旦中間周波数の信号に変換する方式(スーパーヘテロダイン方式)を使った受信機のこと。スーパーヘテロダイン方式は、ラジオやテレビの受信機で性能の高い方法として使われる。
スーパーヘテロダイン受信機の原理は、それまでの受信機の設計の欠点を克服するものである。Q値の高いフィルタ回路でも高周波帯では帯域幅が広く、高周波同調 (TRF) 受信機は周波数の選択性が弱い。再生受信機はTRF受信機よりも感度がよいが、安定性や選択性には問題があった。
スーパーヘテロダイン方式の受信機では、可変周波数 fの信号が検波の前にもっと低い固定周波数 fIFに変換される。周波数 fIFを中間周波数 (IF) と呼ぶ。AMラジオ受信機(中波)の場合、その周波数は455kHzであることが多い。FM受信機 (VHF) では10.7MHz、テレビでは55MHzが一般的である。
受信した信号は全て局部発振器で生成された波形と混合器で混合される。ユーザーは局部発振器の発振周波数 fLOを調整することで選局を行う。混合器では、局部発振信号と受信信号群が混合され、fの信号は|f-fLO|=fIFとf+fLOに変換される。変換された信号のうち、fIFの信号のみがフィルタをパスし、増幅され、復調され、元の音声信号に戻される。f+fLOの信号のほうは、フィルタがあればフィルタをパスせず、中間周波増幅段はfIFの信号のみを選択的に増幅するようになっているので十分に低減される。
中間周波数 fIFがいくつになるかは、局発周波数 fLOが受信信号の周波数 fよりどれだけ高いかあるいは低いかに依存する。いずれの場合も中間周波数は|fLO-f|となる。従って、中間周波数が fIFになる、局発周波数 fLOには、fLO=f+fIFとfLO=f-fIFの2つがある。fLOが受信周波数よりも高いf+fIFのほうを上側ヘテロダインまたはハイ・サイド・インジェクションという。逆を下側ヘテロダインまたはロー・サイド・インジェクションという。上側ヘテロダインでは信号の周波数成分が逆になる。実際に変化があるかどうかは、その信号の周波数スペクトルが対称性を持つかどうかに依存する。不都合な場合は、後からさらに逆にする。
中波AMラジオでは、下側を用いると中波帯の下限近くにて、例えば531-455=76 (kHz) と局発周波数が低くなり過ぎるので上側を用いる。
スーパーヘテロダイン方式の主な欠点として、イメージ(日本語では「えいぞう」と呼び「影像」の字を宛てる)と呼ばれる問題がある。
原理から考えて、中間周波数 fIFの信号には、上側ヘテロダインであれば、周波数 fcの目的の信号と局発の信号を混合した信号の他に、周波数 fLO+fIFの信号と局発の信号を混合した信号が混じる。
同じように、下側ヘテロダインであれば、周波数 fLO-fIFの信号と局発の信号を混合した信号が混じる。
この混じり込む信号の周波数をイメージ周波数(あるいは影像周波数)、イメージ周波数の信号をイメージ信号と呼ぶ。周波数軸上でみると、局部発振器の周波数 fLOを中心に、受信したい信号とイメージ信号とがそれぞれ中間周波数 fIFだけ離れ、ミラーイメージのような関係になっている。
イメージ周波数にある別の信号を拾ってしまうと干渉して妨害となるので、一般的なスーパーヘテロダイン方式では同調部や高周波増幅部でイメージ周波数の信号を十分に低減しなければならない。
局発周波数と、目的の周波数、中間周波数との関係を整理してまとめると、以下のようになる(イメージ周波数=fimg)。
f_{img} = \begin{cases} f_{c} + 2f_{IF} , & \mbox{if }  f_{LO} > f_{c}  \mbox{   (high side injection)}\\ f_{c}- 2f_{IF},  & \mbox{if } f_{LO} < f_{c} \mbox{  (low side injection)} \end{cases}
例えば、中間周波数が455kHzのAMラジオ受信機が1422kHzを受信する場合、通常は上側ヘテロダインが使用されるため局部発振器の周波数は1422+455=1877kHzとなっている。この時、1877+455=2332kHzのイメージ周波数の信号も 455kHzの中間周波数に変換される。この周波数に強い信号やノイズが存在した場合は混信が起こる。現実のラジオ受信機では、目的とする周波数の信号はそのまま通しイメージ信号を十分に減衰させるフィルタを混合器の前に置くことで混信を防いでいる。
また、最近の受信機、例えば、Bluetoothの受信回路ではイメージリジェクション型のミキサが使われるようになってきており、フィルタを置く必要が無くなってきている。このような受信回路では回路構成の工夫により混合器自身がイメージ信号を減衰させる。
受信機がイメージ信号を除去する能力を数値化したものとして、イメージ除去比がある。これは、受信している信号の受信機出力とイメージ周波数での同じ強度の信号の受信機出力との比をデシベルで表現したものであり、値が大きいほどイメージ信号を除去する能力が高くなる。
下図はスーパーヘテロダイン受信機の構成図である。実際、全ての設計でこれらの要素を全て持つとは限らないし、他の設計の複雑さも表されていないが、局部発振器と混合器の後にIF増幅器とフィルタが続く構成は全てのスーパーヘテロダイン受信機で共通である。コスト削減した設計では、局部発振器と混合器の能動部品を1つにする場合(7極周波数変換管など。なおトランジスタラジオでは分けないほうがふつう)がある。
この方式の利点は、回路の大部分でごく狭い範囲の周波数信号だけを通す点である。広範囲の周波数を扱う必要があるのは、周波数変換部より前だけである。例えば、1MHzから30MHzまで受信する場合でも、周波数変換部以降は典型的なIFである455kHzだけを扱えばよい。
イメージ応答のような問題に対処するために、複数段のIFを使うこともある。その場合フロントエンド(高周波部)は1MHzから30MHzを受信可能で、IFの第1段は5MHz、第2段は50kHzなどとする。このような周波数変換を2回行う方式を「ダブルスーパーヘテロダイン」などと呼び、近年では一般的である。影像除去を確実にするために第1段の中間周波数を受信周波数よりも高くする場合もある。
スーパーヘテロダイン受信機は、周波数安定性と選択性に優れている。局部発振器による同調はフィルタによる同調よりも安定させやすく、特に周波数シンセサイザ技術を使えば安定性が増す。同じQ値でも、IFフィルタの方がRFフィルタよりも通過帯域を狭くできる。IFを固定とすることで水晶発振子によるフィルタを使うこともでき、高度な周波数選択性を必要とする用途で活用される。
テレビ受信機の場合、1941年に登場したNTSCシステムに使われていた残留側波帯 (VSB) を受信するのに必要な正確な帯域通過特性を実現できるのはスーパーヘテロダインだけだった。当初、複雑な可変インダクタンスを注意深く調整する必要があったが、1980年代初期以降、電気機械式表面弾性波フィルターが使われるようになった。表面弾性波フィルターは精密レーザー加工で安価に製造でき、高精度で安定している。
その後、IFフィルタ後のIF処理をソフトウェアで実装したソフトウェア無線アーキテクチャが登場した。最近ではアナログのテレビ受信機やデジタルのセットトップボックスにソフトウェア無線を使ったものも登場しつつある。アンテナを小さなコンデンサ経由で集積回路に接続すればよく、全ての信号処理はデジタルで行われる。同様の技術は携帯電話やMP3プレイヤーにFMラジオ機能を実装する際にも使われている。
数百GHzという高い周波数の電波を受信する電波望遠鏡の受信機でも、スーパーヘテロダイン方式が採用されている。この場合、数百GHzの周波数を持つ信号を直接増幅するアンプが存在しないため、パラボラアンテナで集光された電波は直接混合器に導かれる。またイメージの問題に対応するため、上側ヘテロダインと下側ヘテロダインを分離するサンドバンド分離型混合器も開発されている。
スーパーヘテロダイン受信機の欠点は、周波数変換部が追加されることでコストが高くなる点である。また、受信したい信号以外の信号の混信には無防備である。中間周波数に強い信号があると、受信したい信号を打ち消すことがある。このためそのような周波数の電波の使用は規制されている。都会では様々な電波発信源があり、混合器での相互変調歪みによって必要な信号の再生が妨げられる場合がある。また、前述の通り影像の問題もある。逆にそれを応用したスキャナ (ラジオ)もある。
スーパーヘテロダインの原理は第一次世界大戦中の1918年、エドウィン・アームストロングが無線方位測定 (RDF) 機器での高周波増幅用三極管の供給不足に対処する手段として考案した。三極管高周波増幅では、同じ周波数に同調した共振回路にプレートもグリッドも接続される場合、グリッドとプレート間の容量結合によって増幅回路が発振してしまう可能性がある。このため、初期の設計では低利得の三極管増幅回路をカスケード接続する必要があり、多大な電力を消費した。しかし、それだけの価値があるとされていた。
アームストロングは、より高い周波数の機器の方が敵の船団をより効率的に発見できることに気づいたが、当時は「短波」の実用的な増幅器は存在しなかった。
アームストロングは、再生式受信機が発振してしまったとき(アームストロングは再生式の考案者でもある)、その傍にある他の受信機が突然、送信されたのとは違う周波数で放送を受信するという現象に遭遇した。アームストロングらは、その現象が放送局の搬送周波数と発振周波数の間で「スーパーソニック・ヘテロダイン」(うなりのこと。ただし、通常の(「うなり」の項目で説明している)振幅の和によるものではなく、ヘテロダインの項目で説明しているように混合器による、変位の積によるものである)が発生しているためだと理解した。例えば、放送局が300kHzで送信していて、発振回路が400kHzで発振している場合、その局の放送は300kHzで受信できるだけでなく、100kHzと700kHzでも受信できる。2つの周波数を混合すると、新たに2つの周波数が生じ、一方は元の周波数の和となり、もう一方はそれらの差になる。この現象をヘテロダインという。
このような洞察から、アームストロングは短波増幅問題の解決策を見出した。例えば、1500kHzの周波数を受信したい場合、発振回路(局部発振器 。略して局発と言う)を1560kHzの周波数で発振するように設定する。すると、信号の周波数は60kHzにまで下がり、高周波増幅性能が低い三極管でも容易に増幅可能となる。
最初のスーパーヘテロダイン回路は、中間周波数 (IF) のフィルタに鉄芯のトランスの自己共振を利用していた(通常は、可変コイルを使う)。初期のスーパーヘテロダイン回路ではIFは20kHzと低かった。そのため#イメージ周波数の信号による干渉が発生しやすいが、当時は周波数選択性よりも感度が重視されていた。
アームストロングは素早く回路を実装でき、その技法は軍により迅速に採用された。しかし1920年代にラジオ放送が始まったころにはまだあまり普及していなかった。これは、発振回路に余分な真空管を必要とすることと、調整に技量を要することが足かせとなったためである。市販のラジオ受信機には、単純さと低価格で優れたニュートロダインという高周波増幅方式が一般に使われた。
1930年代になると、真空管の進歩によってそれらの利点が無効となってきた。まずカソードの間接加熱が実用化され、混合回路と発振回路を1つの五極管で実装可能となった。これを「オートダイン・ミキサー」という。さらにスーパーヘテロダイン用の機能複合型真空管が低価格で製造されるようになり、高周波同調受信機は1930年代中ごろには廃れていった。トランジスタラジオでは簡単に1石で混合と発振をまかなうことができる(オートダイン・コンバーターという。オートダインを参照)。現在では、ラジオ受信機やテレビ受信機はほぼ全てスーパーヘテロダイン方式を採用している。