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の最新ニュースをまとめて検索！

スーパーヘテロダイン受信機（英: Superheterodyne receiver）は、電波から特定周波数の情報を選択的に取り出す技法、あるいはそれを使った受信機。superheterodyne は supersonic heterodyne に由来し、英語では superhet と略記されることもある。ラジオやテレビの受信機および送信機で特定周波数へのチューニングのために使われる。

[編集] 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」（当時は500kHz以上を全て short wave と称していた）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、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 supersonic heterodyne（うなりのこと）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。1500kHzの周波数を受信したい場合、発振回路が例えば1560kHzの周波数で発振するように設定する。すると、信号の搬送波の周波数は60kHzにまで下がり、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。そのため影像周波数の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同調（TRF）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、TRFは1930年代中ごろには廃れていった。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。

[編集] 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（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_IF に変換される。周波数 f_IF 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 45MHz 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 f_LO 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合成され、受信信号の周波数を全体的に下げる。そのうち、f_IF に下げられた信号が同調回路をパスし、増幅され、復調され、元の音声信号に戻される。局部発振器との合成では、受信信号の周波数に f_LO を加えた周波数の信号も生成される。この高周波の影像はIF段階の同調回路をパスできない。

[編集] 上側と下側

局部発振器で受信信号の周波数 f がどれだけ下げられるかは、f が f_LO より高いか低いかに依存する。いずれの場合も中間周波数は |f − f_LO| となる。従って、f_IF になる可能性のある周波数は f = f_LO + f_IF と f = f_LO − f_IF の2つがある。エイリアスを防ぐには、混合器を通す前に増幅したくない方の周波数をフィルタで除去する必要がある。高い周波数の方を除去する場合を上側ヘテロダインまたは high side injection という（f_LO が受信周波数よりも高いから）。逆を下側ヘテロダインまたは low side injection という。上側ヘテロダインでは信号の周波数成分が逆転される。実際に変化があるかどうかは、その信号のスペクトルが対称性を持つかどうかに依存する。逆転が不都合な場合は、後からさらに逆転させることができる。

[編集] 影像周波数 (f_image)

スーパーヘテロダイン受信機の主な欠点として、影像周波数の問題がある。影像周波数とは、選局対象の周波数に中間周波数の2倍を加えた周波数である。影像周波数に別の放送局があると、2つの放送局を同時に受信してしまい干渉が生じる。影像周波数は、高周波増幅部のフィルタで除去することができる。

[編集] 設計の変遷

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フィルタ回路とIF増幅器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）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。

影像レスポンス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（SAW）フィルタが使われるようになった。SAWフィルタ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。

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、前述の通り影像周波数の問題もある。逆にそれを応用したラジオスキャナもある。

[編集] 関連項目

• 自動利得制御（AGC）
• 復調回路
• 直接変換受信機（DCR）
• 可変周波数発振回路（VFO）
• ストレート受信機
• レフレックス受信機
• うなり
• ヘテロダイン

[編集] 参考文献

• Whitaker, Jerry (1996年). The Electronics Handbook. CRC Press, 1172. ISBN 08-493834-55. 

[編集] 外部リンク

ウィキメディア・コモンズには、ラジオエレクトロニクスに関連するカテゴリがあります。

• Who Invented the Superheterodyne? スーパーヘテロダイン方式の歴史
• Radio Receivers スーパーヘテロダイン受信機についての詳しい解説
• Superheterodyne receivers from microwaves101.com