Как AM-радио отфильтровывает только желаемую частоту?

10

Я понимаю, что электромагнитные волны в воздухе вызывают переменный ток в антенне. Я также понимаю, что, как только вы отфильтруете сигнал, чтобы получить желаемую частоту, вы можете получить огибающую сигнала и управлять динамиком.

Что я не понимаю, так это бит посередине, где радио принимает сигнал от антенны и отфильтровывает только желаемую частоту. Скажем, это очень простое радио, которое заботится только об одной частоте. Можете ли вы объяснить, как это работает в электронике, и как это будет работать, если вы пытаетесь написать радио в программном обеспечении, основанном на дискретных данных?

Брайан Гордон
источник
Пожалуйста, добавьте больше описания того, что вы ищете в «программно-определяемом радио». Предполагая, что вы все еще имеете в виду прием аналоговых радиостанций, это был бы скорее вопрос программного обеспечения, чем вопроса электроники, в основном программного обеспечения, управляющего цифровыми генераторами и фильтрами.
user3169
1
@ user3169 Я просто пытаюсь перенести вопрос в область, где у меня есть интуиция. Как только это произойдет на компьютере и на языке программного обеспечения, я смогу это понять. Ресурсы, которые я нашел, берут ответ, называют его «полосовой фильтр», возможно, показывают некоторые принципиальные схемы, которые для меня не имеют смысла, и оставим это при этом. Я пытаюсь понять, что происходит на самом деле, а не теряться в деталях реализации. Например, генерирует ли он сигнал с несущей частотой и фазой, а затем как-то их микширует? Такое интуитивное объяснение.
Брайан Гордон
Я не могу объяснить с вашей точки зрения, не видя «ресурсы», на которые вы смотрите. Я могу только объяснить, что делают современные аналоговые AM-радиоприемники.
user3169
Я хотел бы затронуть часть вашего вопроса, касающуюся программного обеспечения. У вас есть образец этих дискретных данных, которые вы можете опубликовать? Или, в своем ответе, я приведу пример некоторых данных, которые можно было бы использовать для программной радиосвязи?
MDMoore313

Ответы:

26

Он использует то, что называется фильтром. Вы можете создавать фильтры из всевозможных вещей.

Фильтры RC, сделанные из резисторов и конденсаторов, являются, вероятно, самыми простыми для понимания. По сути, конденсатор действует как резистор, но с разным сопротивлением на разных частотах. Когда вы добавляете резистор, вы можете создать делитель напряжения, который зависит от частоты. Это называется RC фильтр. Вы можете сделать фильтры верхних и нижних частот с одним резистором и одним конденсатором. Фильтр нижних частот предназначен для пропускания низких частот и блокирования высоких частот, в то время как фильтр верхних частот делает обратное. Низкочастотный сигнал в ряду с верхним частотом образует полосу пропускания, которая пропускает частоты в некотором диапазоне и блокирует другие частоты. Обратите внимание, что работа RC-фильтра (и большинства фильтров в этом отношении) будет зависеть от источника и импеданса нагрузки.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Фильтры также могут быть сделаны с другими компонентами, такими как индукторы. Индукторы также действуют как резисторы, но они изменяются в противоположном направлении как конденсаторы. На низких частотах индуктор выглядит коротким, а конденсатор - разомкнутым. На высоких частотах индуктор выглядит как разомкнутый, а конденсатор - как короткое замыкание. LC-фильтры представляют собой тип фильтра, построенный с индукторами и конденсаторами. Можно создать довольно острый LC-фильтр, который быстро отключается и легко настраивается с помощью переменного конденсатора. Это то, что обычно делается для простых радиостанций, таких как кристаллические.

схематический

смоделировать эту схему

Вы можете сделать полосовые фильтры из всего, что имеет резонансную частоту. Конденсатор и индуктор последовательно или параллельно образуют резонансный контур резервуара, который можно использовать в качестве полосового или полосового фильтра, в зависимости от того, как именно вы его подключите. Антенна также является полосовым фильтром - она ​​будет хорошо принимать только те частоты, которые имеют длину волны, соответствующую размеру антенны. Слишком большой или слишком маленький, и это не сработает. Полости также могут быть использованы в качестве фильтров - запечатанный металлический ящик имеет различные режимы стоячей волны, и их можно использовать для использования в качестве фильтров. Электронные волны также могут быть преобразованы в другие волны, такие как акустические волны, и отфильтрованы. Фильтры SAW (поверхностные акустические волны) и кристаллические фильтры работают с помощью механического резонанса и используют пьезоэлектрический эффект для взаимодействия с цепью. Также возможно построить фильтры из линий передачи, используя их индуктивность и емкость, а также используя конструктивные и разрушительные помехи, которые возникают в результате отражений. Я видел несколько микроволновых фильтров, которые сделаны из сумасшедшего кусочка меди, напечатанного на печатной плате. Они называютсяфильтры распределенных элементов . Между прочим, большинство этих других фильтров могут быть смоделированы как схемы LC или RLC.

Теперь радио с программным обеспечением - это совсем другое животное. Поскольку вы работаете с цифровыми данными, вы не можете просто бросить резисторы и конденсаторы на проблему. Вместо этого вы можете использовать некоторые стандартные топологии фильтра, такие как FIR или IIR. Они построены из каскада множителей и сумматоров. Основная идея состоит в том, чтобы создать представление фильтра во временной области, в котором вы нуждаетесь, а затем свернуть этот фильтр с данными. Результатом являются отфильтрованные данные. Возможно создание низкочастотных и полосовых КИХ-фильтров.

Фильтрация идет рука об руку с преобразованием частоты. Есть параметр, который вы увидите повсюду, который называется Q. Это фактор качества. Для полосовых фильтров это связано с шириной полосы и центральной частотой. Если вы хотите сделать фильтр шириной 100 Гц с частотой 1 ГГц, вам понадобится фильтр с астрономически высоким Q. Его невозможно построить. Поэтому вместо этого вы фильтруете фильтр с низким Q (широким), преобразуете с понижением частоты на более низкую частоту, а затем фильтруете с помощью другого фильтра с низким Q. Однако, если вы преобразуете 1 ГГц, скажем, в 10 МГц, фильтр 100 Гц имеет гораздо более разумный Q. Это часто делается в радиостанциях и, возможно, с более чем одним преобразованием частоты. Дополнительно,

В случае цифровых фильтров, чем длиннее фильтр, тем выше Q и тем избирательнее становится фильтр. Вот пример FIR полосового фильтра:

FIR Bandpass

Верхняя кривая представляет собой частотную характеристику фильтра, а нижняя кривая представляет собой график коэффициентов фильтра. Вы можете думать об этом типе фильтра как о способе поиска подходящих фигур. Коэффициенты фильтра содержат определенные частотные компоненты. Как видите, отклик немного колеблется. Идея состоит в том, что это колебание будет соответствовать входной форме волны. Частотные компоненты, которые близко совпадают, появятся на выходе, а частотные компоненты, которые не будут отменены. Сигнал фильтруется путем скольжения коэффициентов фильтра по входному сигналу по одной выборке за раз, и при каждом смещении соответствующие выборки сигнала и коэффициенты фильтра умножаются и суммируются. Это в итоге усредняет компоненты сигнала, которые не соответствуют фильтру.

соз(A)соз(В)знак равно12(соз(A+В)+соз(A-В))
alex.forencich
источник
4
Basically, the capacitor acts as a resistor, but with a different resistance at different frequencies. When you add a resistor, you can build a voltage divider that is frequency dependent.+1 за это в одиночку. Ученик 4-го курса EE, и довольно комфортно с фильтрами, и это самое простое и эффективное определение, которое я слышал для описания RC-фильтра. Знает ли ОП, что такое делитель напряжения, - это
отдельная
Я упомянул о микшировании внизу, но я полагаю, что мог бы дать еще несколько деталей.
alex.forencich
Извините, пока не читал, +1.
Мэтт Янг
Это описание цифровых фильтров поражает воображение. Он может идентифицировать только частотные компоненты, верно? Значит, он использует тот факт, что человеческие уши не могут реально различить фазу? Если это правда, это именно тот ярлык, который я искал.
Брайан Гордон
2
Ну ... вроде. Фаза сохраняется в полосе пропускания, более или менее, но вы получите фазовый сдвиг, когда отклик фильтра обрезается. Идея состоит в том, что компоненты во входном сигнале с частотами, которые совпадают с частотами в фильтре, будут проходить с минимальными изменениями как по амплитуде, так и по фазе, в то время как компоненты, которые выходят за пределы полосы пропускания, будут ослабляться / блокироваться.
alex.forencich
13

Это делается с помощью системы настройки Heterodyne. Например, допустим, вы хотите настроиться на станцию ​​с частотой 1200 кГц. Вы устанавливаете диск настройки на «1200», который устанавливает местный генератор для генерации частоты 745 кГц. Когда вы смешиваете их, одна из результирующих частот является разницей (частота, которую вы хотите настроить - 745 кГц).

Следующий этап - узкополосный усилитель, настроенный на 455 кГц. То, что сейчас составляет 455 кГц, было 455 + 745 или 1200 кГц, то есть станция, которую вы хотели получить. Это (455 кГц) усиливается и обнаруживается, в результате чего слышен звук для этой станции.
Другие частоты все же принимаются, конечно. Но их результирующая частота будет отличаться от 455 кГц, поэтому они не будут усилены.

Было решено использовать промежуточную частоту 455 кГц (в США), поскольку она была ниже стандартной полосы АМ (от 535 кГц до 1610 кГц), поэтому не будет помех для любой станции, которую вы пытаетесь получить.

Это для приема аналогового радиосигнала. Для получения дополнительной информации вы можете проверить Heterodyne , Почему преобразование в промежуточную частоту? и промежуточная частота .

user3169
источник
Это не так для очень простых кристаллических радиоприемников.
alex.forencich
2
На самом деле существует множество возможных конфигураций между простым набором кристаллов и сложностью супергероя; хотя я понимаю, что последнее очень часто используется в современных коммерческих проектах.
peterG
2

Антенна радио будет принимать много сигналов одинаково. нам нужно отфильтровать другие станции и разрешить только сигнал станции, на которую мы настроены. Первоначально это было сделано с использованием как индуктора, так и переменного конденсатора. На некоторой частоте индуктивное реактивное сопротивление будет равно емкостному реактивному сопротивлению, Xl = Xc, давая наименьшее значение импеданса для этого сигнала. этот сигнал затем передается для усиления оставшейся схемой в радио, в то время как другие частоты подавляются, потому что они не на этой резонансной частоте. Пока Q фильтра достаточно высока, вы можете исключить усиление других станций. Также интересно, что эта индуктивная / емкостная цепь колеблется, в истинном смысле осцилляторов ... это означает, что она имеет коэффициент усиления выше 1 и приводится в действие током.

Марк Дженсен
источник
-7

по моему мнению, волна AMPLITUDE MODULATED (содержащая несущую и данные (голос), смешана с промежуточной частотой, которая не в фазе на 180 градусов, что приводит к получению информации (голоса). Помните, что в теории переменного тока волны выходят из Вычитание фазы и синфазные волны добавляют ту же идею здесь.

user76144
источник
Промежуточная частота не смешивается ни с чем. Это результат смешивания частоты RF и частоты генератора. Говорить об относительной фазе двух разных частот совершенно бессмысленно.
user207421
Если вы не используете синхронное обнаружение на ПЧ, в этом случае синхронный / опорный генератор смешивается с сигналом ПЧ.
Дэвид