「スーパーヘテロダイン受信機」の版間の差分

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'''スーパーヘテロダイン受信機'''({{Lang-en-short|superheterodyne receiver}}<ref>「{{Lang|en|superheterodyne}}」は「{{Lang|en|supersonic heterodyne}}」に由来し、英語では「{{Lang|en|superhet}}」と略記されることもある。</ref>)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。<!--送信機とも書いてあったのだけどどう使うの?-->
 
== 歴史 ==
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」<ref>当時は500kHz以上を全て「{{Lang|en|short wave}}」と称していた。</ref>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、[[再生回路|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<ref>{{Lang-en-short|supersonic heterodyne}}</ref>」([[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 (ヘテロダイン)|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。<!--ふつうの「うなり」と考えると、周波数f1とf2の信号の和は、周波数|f1-f2|の包絡線の形を持つ、周波数 (f1+f2)/2( ← /2に注意)の信号になる。この場合差のほうしか出てこないのだが、(スーパー)ヘテロダインについて、そのような説明がよくされている、が実は間違っている?-->
 
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[[変圧器|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<ref>{{Lang-en-short|autodyne mixer}}</ref>」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<ref>{{Lang-en-short|autodyne converter}}</ref>という。{{仮リンク|オートダイン|en|Autodyne}}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。
 
== 概要 ==
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、[[高周波同調受信機|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 ''f''<sub>IF</sub>に変換される。周波数 ''f''<sub>IF</sub>を中間周波数 (IF) と呼ぶ。[[振幅変調|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。[[周波数変調|FM]]受信機 ([[超短波|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 (ヘテロダイン)|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 ''f''<sub>LO</sub>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''-''f''<sub>LO</sub>|=''f''<sub>IF</sub>と''f''+''f''<sub>LO</sub>に変換される。変換された信号のうち、''f''<sub>IF</sub>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''+''f''<sub>LO</sub>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''f''<sub>IF</sub>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。
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[[ファイル:RF1-IF2-receiver.png|center]]<!-- あまり適切な図ではない -->
 
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。
 
{{仮リンク|イメージ応答|en|Image response}}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。
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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{{仮リンク|スキャナ (ラジオ)|en|Scanner (radio)|label=スキャナ}}もある。
 
== 歴史 ==
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]][[アノード|プレート]][[グリッド]]も接続される場合、グリッドとプレート間の[[容量性カップリング|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]]」<ref>当時は500kHz以上を全て「{{Lang|en|short wave}}」と称していた。</ref>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、[[再生回路|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<ref>{{Lang-en-short|supersonic heterodyne}}</ref>」([[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 (ヘテロダイン)|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。<!--ふつうの「うなり」と考えると、周波数f1とf2の信号の和は、周波数|f1-f2|の包絡線の形を持つ、周波数 (f1+f2)/2( ← /2に注意)の信号になる。この場合差のほうしか出てこないのだが、(スーパー)ヘテロダインについて、そのような説明がよくされている、が実は間違っている?-->
 
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[[変圧器|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<ref>{{Lang-en-short|autodyne mixer}}</ref>」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<ref>{{Lang-en-short|autodyne converter}}</ref>という。{{仮リンク|オートダイン|en|Autodyne}}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。
 
== 脚注 ==