Heterodyning ist eine Radiosignalverarbeitungstechnik erfunden 1901 vom kanadischen Erfinder-Ingenieur Reginald Fessenden, in dem neue Frequenzen durch das Kombinieren oder das Mischen von zwei Frequenzen geschaffen werden. Heterodyning ist für Frequenzverschiebungssignale in eine neue Frequenzreihe nützlich, und wird auch an den Prozessen der Modulation und demodulation beteiligt. Die zwei Frequenzen werden in einem nichtlinearen signalbearbeitenden Gerät wie eine Vakuumtube, Transistor oder Diode, gewöhnlich genannt einen Mixer verbunden. In der allgemeinsten Anwendung werden zwei Signale an Frequenzen f und f gemischt, zwei neue Signale, ein an der Summe f + f der zwei Frequenzen und anderen am Unterschied f  f schaffend. Diese neuen Frequenzen werden heterodynes genannt. Normalerweise nur eine der neuen Frequenzen werden gewünscht, und das andere Signal wird aus der Produktion des Mixers gefiltert. Heterodynes sind nah mit dem Phänomen dessen verbunden "schlägt" in der Musik.

Geschichte

Die heterodyne Technik wurde vom kanadischen Erfinder-Ingenieur Reginald Fessenden 1901 demonstriert, aber wurde sehr weit nicht verfolgt, weil die lokalen Oszillatoren, die zurzeit verwenden werden, nicht stabil waren. Die frühen Radiosender der Zeit konnten Audio-(Ton) nicht übersenden, und haben stattdessen Information durch radiotelegraphy gesandt, SMS-Nachrichten mit verschiedenen Länge-Pulsen von Funkwellen mit dem Morsezeichen-Code darlegend. Die heterodyne Technik wurde als ein Mittel erfunden, Morsezeichen-Code (Dauernde Welle) hörbare Signale zu machen. "Der heterodyne" von Fessendon oder "geschlagener" Empfänger hatten einen lokalen Oszillator (LO), der ein Radiosignal erzeugt hat, das angepasst ist, um in der Frequenz am eingehenden Signal nah zu sein, das wird erhält. Wenn die zwei Signale gemischt werden, wird eine "geschlagene" Frequenz, die dem Unterschied zwischen den zwei Frequenzen gleich ist, geschaffen. Durch die Anpassung der lokalen Oszillator-Frequenz richtig ist die geschlagene Frequenz in der Audioreihe, und kann als ein Ton in den Ohrhörern des Empfängers gehört werden, wann auch immer das Sender-Signal da ist. So ist der Morsezeichen-Code "Punkte" und "Spuren" als hupende Töne hörbar. Diese Technik wird noch in der Radiotelegrafie, der lokale Oszillator verwendet, jetzt den geschlagenen Frequenzoszillator oder BFO genannt. Fessenden hat das Wort heterodyne vom griechischen Wurzelhetero - "verschiedene" und dyn-"Macht" (vgl dynamis) ins Leben gerufen.

Empfänger von Superheterodyne

Die wichtigste und weit verwendete Anwendung der heterodyne Technik ist im superheterodyne Empfänger (superhet), erfunden vom amerikanischen Ingenieur Edwin Howard Armstrong 1918. In diesem Stromkreis wird das eingehende Radiofrequenzsignal von der Antenne mit einem Signal von einem LO gemischt und durch die heterodyne Technik zu einem niedrigeren festen Frequenzsignal genannt die Zwischenfrequenz (IF) umgewandelt. Das, WENN verstärkt und gefiltert wird, bevor er auf einen Entdecker angewandt wird, der das Audiosignal herauszieht, das an den Lautsprecher gesandt wird.

Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die verschiedenen Frequenzen der verschiedenen erhaltenen Stationen alle zu demselben WENN Frequenz vor der Erweiterung und Entstörung umgewandelt werden. Die komplizierten Verstärker- und Bandfilter-Stufen, die in vorherigen Empfängern stimmbar gemacht werden mussten, um an den verschiedenen Stationsfrequenzen zu arbeiten, im superheterodyne können gebaut werden, um an einer fester Frequenz, WENN zu arbeiten, ihr Design vereinfachend. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass, WENN beträchtlich niedriger ist als die RF Frequenz des eingehenden Radiosignals.

Das höhere superheterodyne System hat früher TRF und verbessernde Empfänger-Designs, und seit den 1930er Jahren ersetzt fast alle kommerziellen Radioempfänger sind superheterodynes gewesen.

Anwendungen

Heterodyning wird sehr weit in der Kommunikationstechnik verwendet, um neue Frequenzen und Bewegungsinformation von einem Frequenzkanal bis einen anderen zu erzeugen. Außer seinem Gebrauch im superheterodyne Stromkreis, der in fast allen Radio- und Fernsehempfängern gefunden wird, wird es in Radiosendern, Modems, Satellitenverkehr und mit dem Satz obersten Kästen, Radar, Radiofernrohren, Telemetrie-Systemen, Mobiltelefonen, Kabelfernsehkonverter-Kästen und headends, Mikrowellenrelais, Metallentdeckern, Atomuhren und militärischen elektronischen Gegenmaßnahmen (Klemmung) Systeme verwendet.

Auf und ab in Konvertern

In in großem Umfang Fernmeldenetzen wie Telefonnetz trunklines, Mikrowellenrelaisnetze, Kabelfernsehsysteme und Nachrichtensatellitenverbindungen, werden große Bandbreite-Höchstverbindungen durch viele individuelle Nachrichtenkanäle durch das Verwenden heterodyning geteilt, um die Frequenz der individuellen Signale bis zu verschiedenen Frequenzen zu bewegen, die den Kanal teilen. Das wird gleichzeitig sendende Frequenzabteilung (FDM) genannt.

Zum Beispiel kann ein koaxiales durch ein Kabelfernsehsystem verwendetes Kabel 500 Fernsehkanäle zur gleichen Zeit tragen, weil jedem eine verschiedene Frequenz gegeben wird, so stören sie einander nicht. An der Kabelquelle oder headend wandeln elektronische upconverters jeden eingehenden Fernsehkanal zu einer neuen, höheren Frequenz um. Sie tun das, indem sie die Fernsehsignalfrequenz, f mit einem lokalen Oszillator an einer viel höheren Frequenz f mischen, einen heterodyne an der Summe f+f schaffend, der zum Kabel hinzugefügt wird. Am Haus des Verbrauchers hat der Kabelsatz-Spitzenkasten einen downconverter, der das eingehende Signal an der Frequenz f+f mit derselben lokalen Oszillator-Frequenz f das Schaffen des Unterschieds heterodyne mischt, den Fernsehkanal zurück zu seiner ursprünglichen Frequenz umwandelnd: (f+f)  f = f. Jeder Kanal wird zu einer verschiedenen höheren Frequenz bewegt. Das Original tiefer wird die grundlegende Frequenz des Signals das Basisband genannt, während der höhere Kanal, zu dem es bewegt wird, den passband genannt wird.

Analoge Videokassette-Aufnahme

Viele analoge Videokassette-Systeme verlassen sich auf einen Downconverted-Farbenunterträger, um Farbeninformation in ihrer beschränkten Bandbreite zu registrieren. Diese Systeme werden "heterodyne Systeme" oder "Farbe - unter Systemen" genannt. Zum Beispiel, für NTSC Videosysteme, das VHS (und S-VHS) wandelt Aufnahme des Systems den Farbenunterträger von den NTSC normalen 3.58 MHz bis ~629 Kilohertz um. FREUND-VHS-Farbenunterträger ist ähnlich downconverted (aber von 4.43 MHz). Die jetzt veralteten 3/4" U-matic Systeme verwenden einen heterodyned ~688-Kilohertz-Unterträger für NTSC Aufnahmen (wie den Betamax von Sony tut, der an seiner Basis ein 1/2  Verbraucherversion von U-matic ist), während Decks des FREUNDS U-MATIC in zwei gegenseitig unvereinbaren Varianten, mit verschiedenen Unterträger-Frequenzen, bekannt als Hallo bändig und Niedrig-bändig gekommen sind. Andere Videokassette-Formate mit Heterodyne-Farbensystemen schließen Video 8 und Hi8 ein.

Das heterodyne System in diesen Fällen wird verwendet, um Phase-verschlüsselte Quadratur umzuwandeln, und Umfang hat Sinus-Wellen von den Sendungsfrequenzen bis Frequenzen recordable in weniger als 1 MHz Bandbreite abgestimmt. Auf dem Play-Back ist die registrierte Farbeninformation heterodyned zurück zu den Standardunterträger-Frequenzen für die Anzeige in Fernsehen und für den Austausch mit anderer Standardvideoausrüstung.

Einige U-matic (3/4 ) Decks zeigen 7-Nadeln-Minilärm-Stecker, um zu erlauben, von Bändern ohne einen heterodyne Umwandlungs- und unten Umwandlungs-zu synchronisieren, als ein Industrie-VHS, S-VHS und Hi8 Recorder zu tun.

Musik-Synthese

Der theremin, ein elektronisches Musikinstrument, verwendet den heterodyne Grundsatz, um eine variable Audiofrequenz als Antwort auf die Bewegung der Hände des Musikers in der Nähe von einigen so genannten Antennen zu erzeugen, die als Kondensatorteller handeln. Die Produktion eines festen Radiofrequenzoszillators wird mit diesem eines Oszillators gemischt, dessen Frequenz durch die variable Kapazität zwischen der Antenne und dem thereminist betroffen wird, weil diese Person sie oder seine Hand in der Nähe von der Wurf-Kontrollantenne bewegt. Der Unterschied zwischen den zwei Oszillator-Frequenzen erzeugt einen Ton in der Audioreihe.

Der Ringmodulator ist ein Typ von heterodyne, der in einige Synthesizer vereinigt ist oder als eine eigenständige Audiowirkung verwendet ist.

Optischer heterodyning

Optische heterodyne Entdeckung (ein Gebiet der aktiven Forschung) ist eine Erweiterung der heterodyning Technik zu höher (sichtbaren) Frequenzen. Diese Technik konnte optische Modulatoren außerordentlich verbessern, die Dichte der durch Glasfaserleiter getragenen Information vergrößernd. Es wird auch in der Entwicklung von genaueren Atomuhren angewandt, die auf dem direkten Messen der Frequenz eines Laserbalkens gestützt sind.

Da optische Frequenzen weit außer der Manipulationskapazität jedes ausführbaren elektronischen Stromkreises sind, sind alle Foton-Entdecker von Natur aus Energieentdecker, die nicht elektrische Feldentdecker in Schwingungen versetzen. Jedoch, da Energieentdeckung von Natur aus "Quadratgesetz"-Entdeckung ist, mischt sie wirklich jede optische Frequenzgegenwart auf dem Entdecker. So macht die empfindliche Entdeckung von spezifischen optischen Frequenzen optische heterodyne Entdeckung nötig, in der zwei verschiedene (nahe bei) Wellenlängen des Lichtes den Entdecker illuminieren, so dass die schwingende elektrische Produktion dem Unterschied zwischen ihren Frequenzen entspricht. Das erlaubt äußerst schmale Band-Entdeckung (viel schmaler, als jeder mögliche Farbenfilter erreichen kann), sowie Präzisionsmaße der Phase und Frequenz eines leichten Signals hinsichtlich einer Bezugslicht-Quelle, als in Laserdoppler Vibrometry.

Um diese Phase empfindliche Entdeckung ist Maße von Doppler der Windgeschwindigkeit beworben worden, und durch dichte Medien darstellend. Die hohe Empfindlichkeit gegen das Hintergrundlicht ist für LIDAR besonders nützlich.

In der Spektroskopie der optischen Wirkung von Kerr (OKE) erzeugen optischer heterodyning des OKE-Signals und ein kleiner Teil des Untersuchungssignals ein Mischsignal, das aus der Untersuchung, heterodyne OKE-Untersuchung und homodyne OKE Signal besteht. Die Untersuchung und homodyne OKE Signale können herausgefiltert werden, das Heterodyne-Signal für die Entdeckung verlassend.

Mathematischer Grundsatz

Heterodyning basiert auf der trigonometrischen Identität:

Das Produkt linker Hand Seite vertritt die Multiplikation ("das Mischen") einer Sinus-Welle mit einer anderen Sinus-Welle. Die rechte Seite zeigt, dass das resultierende Signal der Unterschied von zwei sinusförmigen Begriffen, ein an der Summe der zwei ursprünglichen Frequenzen, und ein am Unterschied ist, der, wie man betrachten kann, getrennte Signale ist.

Das Verwenden dieser trigonometrischen Identität, des Ergebnisses, Zwei-Sinus-Welle-Signale zu multiplizieren, und kann berechnet werden:

Das Ergebnis ist die Summe von zwei sinusförmigen Signalen, ein an der Summe f + f und ein am Unterschied f - f von den ursprünglichen Frequenzen

Mixer

Die zwei Signale werden in einem Gerät genannt einen Mixer verbunden. Es kann von der vorherigen Abteilung gesehen werden, dass der ideale Mixer ein Gerät sein würde, das die zwei Signale multipliziert. Solche Geräte, genannt analoge Vermehrer, bestehen und werden als Mixer an niedrigeren Frequenzen verwendet, aber fungieren gut an den RF Frequenzen nicht, wo heterodyning gewöhnlich verwendet wird. Jedoch wird fast jeder nichtlineare elektronische Bestandteil auch darauf angewandte Signale multiplizieren, heterodyne Frequenzen in seiner Produktion erzeugend, so werden diese meistenteils als Mixer verwendet. Ein nichtlinearer Bestandteil ist derjenige, in dem der Produktionsstrom oder die Stromspannung eine nichtlineare Funktion seines Eingangs sind. Die meisten Stromkreis-Elemente in Kommunikationsstromkreisen werden entworfen, um geradlinig zu sein. Das bedeutet, dass sie dem Überlagerungsgrundsatz folgen; wenn F (v) die Produktion eines geradlinigen Elements mit einem Eingang von v ist:

So, wenn Zwei-Sinus-Welle-Signale auf ein geradliniges Gerät angewandt werden, ist die Produktion einfach die Summe der Produktionen, wenn die zwei Signale getrennt ohne Produktbegriffe angewandt werden. So die Funktion muss F nichtlinear sein. Der einzige Nachteil zum Verwenden eines nichtlinearen Bestandteils aber nicht eines Vermehrers besteht darin, dass, zusätzlich zur Summe und den Unterschied-Frequenzen, es andere unerwünschte Frequenzbestandteile genannt Obertöne erzeugt, die von der Produktion gefiltert werden müssen, um die gewünschte heterodyne Frequenz zu verlassen.

Beispiele von nichtlinearen Bestandteilen, die als Mixer verwendet werden, sind Vakuumtuben und Transistoren, die in der Nähe von der Abkürzung (Klasse C) und Dioden beeinflusst sind. Eisenmagnetische in die Sättigung gesteuerte Kerninduktoren können auch verwendet werden. In der nichtlinearen Optik werden Kristalle, die nichtlineare Eigenschaften haben, verwendet, um leichte Laserbalken zu mischen, um heterodynes an optischen Frequenzen zu schaffen.

Produktion eines Mixers

Um mathematisch zu demonstrieren, wie ein nichtlinearer Bestandteil Signale multiplizieren und heterodyne Frequenzen erzeugen kann, kann die nichtlineare Funktion F in einer Macht-Reihe (Reihe von MacLaurin) ausgebreitet werden:

Um die Mathematik zu vereinfachen, werden die höheren Ordnungsbegriffe über α durch eine Ellipse angezeigt ("... "), und nur die ersten Begriffe werden gezeigt. Die Verwendung der Zwei-Sinus-Wellen an Frequenzen ω = 2πf und ω = 2πf zu diesem Gerät:

Es kann gesehen werden, dass der zweite Begriff oben ein Produkt der Zwei-Sinus-Wellen enthält. Die Vereinfachung mit der trigonometrischen Identität:

So enthält die Produktion sinusförmige Begriffe mit Frequenzen an der Summe ω + ω und Unterschied ω - ω von den zwei ursprünglichen Frequenzen. Es enthält auch Begriffe an den ursprünglichen Frequenzen und an Vielfachen der ursprünglichen Frequenzen 2ω, 2ω, 3ω, 3ω usw.; die Letzteren werden Obertöne genannt. Diese unerwünschten Frequenzen, zusammen mit der unerwünschten heterodyne Frequenz, müssen aus der Mixer-Produktion gefiltert werden, um den gewünschten heterodyne zu verlassen.

Siehe auch

• Optische heterodyne Entdeckung
• Schlagen Sie (Akustik)
• Edwin Howard Armstrong
• Electroencephalography
• Entdeckung von Heterodyne
• Homodyne
• Empfänger von Superheterodyne
• Transverter
• Zwischenmodulation - ein Problem mit starken höherwertigen Begriffen, die in einigen nichtlinearen Mixern erzeugt sind

Referenzen

Links