ตัวกรอง AM วิทยุจะกรองเฉพาะความถี่ที่ต้องการได้อย่างไร

10

ฉันเข้าใจว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอากาศทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าสลับในเสาอากาศ ฉันเข้าใจเช่นกันว่าเมื่อคุณกรองสัญญาณเพื่อให้ได้ความถี่ที่ต้องการคุณจะได้รับซองจดหมายของสัญญาณและขับลำโพง

สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจคือบิตที่อยู่ตรงกลางซึ่งวิทยุจะรับสัญญาณจากเสาอากาศและกรองเฉพาะความถี่ที่ต้องการ สมมติว่าเป็นวิทยุง่าย ๆ ที่ใส่ใจเพียงความถี่เดียว คุณสามารถอธิบายวิธีการทำงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวิธีการนี้จะทำงานอย่างไรถ้าคุณพยายามเขียนวิทยุในซอฟต์แวร์โดยใช้ข้อมูลตัวอย่างที่แยกส่วน

frequency radio am software-defined-radio

— Brian Gordon
แหล่งที่มา

โปรดเพิ่มคำอธิบายเพิ่มเติมสิ่งที่คุณกำลังมองหาใน "วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์" สมมติว่าคุณยังคงหมายถึงการรับสถานีวิทยุอะนาล็อกนั่นอาจเป็นคำถามซอฟต์แวร์มากกว่าคำถามอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปซอฟต์แวร์จะควบคุมออสซิลเลเตอร์และตัวกรองดิจิทัลบางประเภท

— user3169

1

@ user3169 ฉันแค่พยายามนำคำถามมาสู่อาณาจักรที่ฉันมีปรีชาญาณ เมื่ออยู่ในคอมพิวเตอร์และในภาษาของซอฟต์แวร์ฉันก็สามารถเข้าใจได้ แหล่งข้อมูลที่ฉันพบใช้คำตอบเรียกมันว่า "ตัวกรองผ่านแถบความถี่" อาจแสดงไดอะแกรมวงจรบางอย่างที่ไม่มีความหมายสำหรับฉันแล้วปล่อยไว้ที่นั้น ฉันพยายามที่จะเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นจริงแทนที่จะหลงทางในรายละเอียดการใช้งาน ตัวอย่างเช่นมันสร้างสัญญาณด้วยความถี่พาหะและเฟสแล้วผสมสัญญาณอย่างใดอย่างหนึ่งหรือไม่ คำอธิบายที่เข้าใจง่ายแบบนั้น

— Brian Gordon

ฉันไม่สามารถอธิบายได้จากมุมมองของคุณโดยไม่เห็น "ทรัพยากร" ที่คุณกำลังดูอยู่ ฉันสามารถอธิบายได้ว่าวิทยุ AM แบบอะนาล็อกที่ทันสมัยกำลังทำอะไรอยู่

— user3169

ฉันต้องการสัมผัสกับส่วนซอฟต์แวร์ของคำถามของคุณคุณมีตัวอย่างของข้อมูลตัวอย่างที่คุณสามารถโพสต์ได้หรือไม่? หรือในคำตอบของฉันฉันจะให้ตัวอย่างของข้อมูลบางอย่างที่สามารถนำไปใช้ในการติดตั้งซอฟต์แวร์วิทยุได้หรือไม่?

— MDMoore313

26

มันใช้สิ่งที่เรียกว่าตัวกรอง คุณสามารถสร้างตัวกรองจากสิ่งต่าง ๆ ได้ทุกประเภท

ตัวกรอง RC ที่ทำจากตัวต้านทานและตัวเก็บประจุอาจเป็นวิธีที่เข้าใจง่ายที่สุด โดยพื้นฐานแล้วตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นตัวต้านทาน แต่มีความต้านทานต่างกันที่ความถี่ต่างกัน เมื่อคุณเพิ่มตัวต้านทานคุณสามารถสร้างตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับความถี่ สิ่งนี้เรียกว่าตัวกรอง RC คุณสามารถสร้างตัวกรอง pass และ high pass ที่ต่ำได้ด้วยตัวต้านทานหนึ่งตัวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัว ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำออกแบบมาเพื่อส่งความถี่ต่ำและบล็อกความถี่สูงในขณะที่ฟิลเตอร์กรองความถี่สูงทำหน้าที่ตรงกันข้าม แบบ low pass ในซีรีย์ที่มี high pass เป็น bandpass ซึ่งผ่านความถี่ในบางช่วงและบล็อกความถี่อื่น ๆ โปรดทราบว่าการทำงานของตัวกรอง RC (และตัวกรองส่วนใหญ่สำหรับเรื่องนั้น) จะขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาและความต้านทานโหลด

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ตัวกรองสามารถทำกับส่วนประกอบอื่น ๆ เช่นตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทาน แต่จะเปลี่ยนไปในทิศทางตรงกันข้ามในฐานะตัวเก็บประจุ ที่ความถี่ต่ำตัวเหนี่ยวนำจะดูเหมือนสั้นในขณะที่ตัวเก็บประจุมีลักษณะเหมือนแบบเปิด ที่ความถี่สูงตัวเหนี่ยวนำจะดูเหมือนเปิดในขณะที่ตัวเก็บประจุดูเหมือนสั้น ตัวกรอง LC เป็นประเภทของตัวกรองที่สร้างขึ้นด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ เป็นไปได้ที่จะสร้างตัวกรอง LC ที่ค่อนข้างคมซึ่งจะตัดออกอย่างรวดเร็วและปรับได้ง่ายด้วยตัวเก็บประจุแบบแปรผัน นี่คือสิ่งปกติสำหรับวิทยุแบบง่าย ๆ เช่นวิทยุคริสตัล

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้}

คุณสามารถสร้างตัวกรอง bandpass จากสิ่งใดก็ตามที่มีความถี่พ้อง ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในซีรีย์หรือในรูปแบบขนานวงจรถังเรโซแนนที่สามารถใช้เป็นตัวกรอง bandpass หรือ bandstop ขึ้นอยู่กับวิธีที่คุณขอขึ้น เสาอากาศยังเป็นตัวกรอง bandpass ซึ่งจะรับคลื่นความถี่ได้ดีเท่านั้นที่มีความยาวคลื่นรอบขนาดของเสาอากาศ ใหญ่เกินไปหรือเล็กเกินไปและจะไม่ทำงาน ช่องสามารถใช้เป็นตัวกรองได้ - กล่องโลหะปิดผนึกมีโหมดคลื่นนิ่งต่าง ๆ และสามารถใช้เป็นตัวกรองได้ คลื่นอิเล็กทรอนิกส์ยังสามารถแปลงเป็นคลื่นอื่นเช่นคลื่นอะคูสติกและตัวกรอง ตัวกรอง SAW (คลื่นพื้นผิวอะคูสติก) และตัวกรองคริสตัลทำงานได้ทั้งโดยการสั่นพ้องทางกลและใช้เอฟเฟกต์ piezoelectric เพื่อเชื่อมต่อกับวงจร นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างตัวกรองออกจากสายส่งโดยใช้ประโยชน์จากการเหนี่ยวนำและความจุโดยธรรมชาติรวมทั้งการใช้ประโยชน์จากสัญญาณรบกวนเชิงสร้างสรรค์และการทำลายที่เป็นผลมาจากการสะท้อนกลับ ฉันได้เห็นตัวกรองคลื่นไมโครเวฟจำนวนหนึ่งที่ทำจากทองแดงที่มีรูปร่างประหลาดที่พิมพ์บน PCB สิ่งเหล่านี้เรียกว่ากระจายฟิลเตอร์องค์ประกอบ อนึ่งฟิลเตอร์อื่น ๆ เหล่านี้ส่วนใหญ่สามารถจำลองเป็นวงจร LC หรือ RLC ได้

ตอนนี้วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์นั้นเป็นสัตว์ที่ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง เนื่องจากคุณกำลังทำงานกับข้อมูลดิจิตอลคุณไม่สามารถทิ้งตัวต้านทานและตัวเก็บประจุบางตัวที่มีปัญหาได้ คุณสามารถใช้ทอพอโลยีมาตรฐานบางตัวเช่น FIR หรือ IIR แทนได้ สิ่งเหล่านี้สร้างจากตัวคูณและตัวเพิ่ม แนวคิดพื้นฐานคือการสร้างการเป็นตัวแทนโดเมนเวลาของตัวกรองที่คุณต้องการจากนั้นให้ใช้ตัวกรองนี้กับข้อมูล ผลลัพธ์ถูกกรองข้อมูล เป็นไปได้ที่จะสร้างตัวกรอง FIR ระดับต่ำและแบบ bandpass

การกรองจะไปพร้อมกับการแปลงความถี่ มีพารามิเตอร์ที่คุณจะเห็นทุกที่ที่เรียกว่า Q. นี่คือปัจจัยด้านคุณภาพ สำหรับตัวกรอง bandpass มันเกี่ยวข้องกับแบนด์วิดท์และความถี่กลาง ถ้าคุณต้องการสร้างตัวกรองที่กว้าง 100 Hz ที่ 1 GHz คุณจะต้องใช้ตัวกรองที่มีค่าสูงทางดาราศาสตร์ Q. ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้าง ดังนั้นสิ่งที่คุณต้องทำคือกรองด้วยตัวกรอง Q (กว้าง) ต่ำเปลี่ยนเป็นความถี่ที่ต่ำกว่าแล้วกรองด้วยตัวกรอง Q ตัวต่ำอื่น อย่างไรก็ตามถ้าคุณแปลง 1 GHz เป็น 10 MHz ตัวกรอง 100 Hz จะมีเหตุผลมากกว่านี้ถามบ่อยครั้งมักจะทำในวิทยุและอาจมีการแปลงความถี่มากกว่าหนึ่งครั้ง นอกจากนี้

ในกรณีของตัวกรองดิจิตอลยิ่งมีตัวกรองนานเท่าใดยิ่งมีค่าตัวกรองยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น นี่คือตัวอย่างของตัวกรอง bandpass FIR:

FIR Bandpass

เส้นโค้งด้านบนคือการตอบสนองความถี่ของตัวกรองและเส้นโค้งด้านล่างเป็นค่าสัมประสิทธิ์ของตัวกรอง คุณสามารถนึกถึงตัวกรองประเภทนี้เพื่อค้นหารูปร่างที่ตรงกัน สัมประสิทธิ์ตัวกรองมีส่วนประกอบความถี่เฉพาะ อย่างที่คุณเห็นการตอบสนองนั้นแกว่งไปมาเล็กน้อย แนวคิดก็คือความผันผวนนี้จะตรงกับรูปแบบของคลื่นอินพุต ส่วนประกอบความถี่ที่ตรงกันอย่างใกล้ชิดจะปรากฏในองค์ประกอบเอาต์พุตและความถี่ที่ไม่ได้ถูกยกเลิก สัญญาณจะถูกกรองโดยการเลื่อนค่าสัมประสิทธิ์ตัวกรองไปตามสัญญาณอินพุตหนึ่งตัวอย่างในแต่ละครั้งและในแต่ละออฟเซ็ตตัวอย่างสัญญาณที่สอดคล้องกันและค่าสัมประสิทธิ์ตัวกรองจะถูกคูณและรวมเข้าด้วยกัน สิ่งนี้จะทำให้ส่วนประกอบของสัญญาณโดยเฉลี่ยไม่ตรงกับตัวกรอง

\cos (A) \cos (B) = \frac{1}{2} (\cos (A + B) + \cos (A - B))

$\cos(A)\cos(B) = \frac{1}{2}(\cos(A+B)+\cos(A-B))$

— alex.forencich
แหล่งที่มา

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 สำหรับสิ่งนั้น นักเรียน EE ชั้นปีที่ 4 และค่อนข้างสบายด้วยตัวกรองซึ่งเป็นคำจำกัดความที่ง่ายและมีประสิทธิภาพที่สุดที่ฉันเคยได้ยินเพื่ออธิบายตัวกรอง RC ไม่ว่า OP จะรู้หรือไม่ว่าตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้านั้นเป็นเรื่องที่แตกต่างกันหรือไม่ :)

— MDMoore313

ฉันพูดถึงการผสมที่ด้านล่าง แต่ฉันคิดว่าฉันจะให้รายละเอียดเพิ่มเติมอีกสองสามข้อ

— alex.forencich

ขออภัยที่ยังไม่ได้อ่าน +1

— Matt Young

คำอธิบายของตัวกรองดิจิตัลกำลังทำให้ฉันทึ่ง มันสามารถระบุส่วนประกอบความถี่ได้ใช่ไหม ดังนั้นการใช้ประโยชน์จากความจริงที่ว่าหูของมนุษย์ไม่สามารถบอกความแตกต่างในเฟสได้จริงเหรอ? หากเป็นเรื่องจริงนั่นคือทางลัดที่ฉันกำลังมองหา

— Brian Gordon

2

อืม ... เฟสถูกเก็บรักษาไว้ใน passband มากหรือน้อย แต่คุณจะได้รับการเปลี่ยนเฟสเมื่อการตอบสนองของตัวกรองถูกตัดออก แนวคิดคือส่วนประกอบในสัญญาณอินพุตที่มีความถี่ตรงกับตัวกรองจะถูกส่งผ่านโดยมีการปรับเปลี่ยนน้อยที่สุดทั้งในแอมพลิจูดและเฟส

— alex.forencich

13

สิ่งนี้ทำได้โดยใช้ระบบการปรับ Heterodyne ตัวอย่างเช่นสมมติว่าคุณต้องการปรับจูนสถานีที่ 1200kHZ คุณตั้งค่าปุ่มหมุนปรับแต่งของคุณเป็น "1200" ซึ่งตั้งค่า oscillator แบบโลคัลเพื่อสร้างความถี่ 745kHz เมื่อคุณผสมพวกเขาหนึ่งในความถี่ที่เกิดขึ้นคือความแตกต่าง (ความถี่ที่คุณต้องการปรับ - 745kHz)

ขั้นต่อไปคือแอมพลิฟายเออร์แถบแคบที่ปรับได้ถึง 455kHz ตอนนี้ที่ 455kHZ คือ 455 + 745 หรือ 1200kHZ ที่เข้ามาสถานีที่คุณต้องการรับ สิ่งนี้ (455kHz) ได้รับการขยายและตรวจจับส่งผลให้เสียงของสถานีนั้นได้ยิน
แน่นอนว่ายังคงได้รับความถี่อื่น ๆ อยู่ แต่ความถี่ที่ได้นั้นจะแตกต่างจาก 455kHz ดังนั้นพวกมันจะไม่ถูกขยาย

ตัดสินใจใช้ความถี่กลาง 455kHZ (ในสหรัฐอเมริกา) ได้รับการตัดสินเนื่องจากต่ำกว่าย่านความถี่ AM มาตรฐาน (535kHZ ถึง 1610kHz) ดังนั้นจะไม่มีการรบกวนกับสถานีใด ๆ ที่คุณพยายามรับ

นี่คือสำหรับการรับสัญญาณวิทยุอะนาล็อก สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมคุณอาจตรวจสอบHeterodyne , ทำไมการแปลงความถี่กลาง? และความถี่ IF

— user3169
แหล่งที่มา

สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงสำหรับวิทยุคริสตัลที่เรียบง่าย

— alex.forencich

2

ในความเป็นจริงมีการกำหนดค่าที่เป็นไปได้มากมายระหว่างชุดคริสตัลแบบง่ายและความซับซ้อนของ superhet แม้ว่าฉันจะเข้าใจว่าหลังมีการใช้บ่อยมากในการออกแบบเชิงพาณิชย์ที่ทันสมัย

— peterG

2

เสาอากาศวิทยุจะรับสัญญาณจำนวนมากเท่า ๆ กัน สิ่งที่เราต้องการคือการกรองสถานีอื่น ๆ และอนุญาตเฉพาะสัญญาณของสถานีที่เราปรับ วิธีนี้ทำในขั้นต้นคือการใช้ทั้งตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบแปรผัน ในบางความถี่ปฏิกิริยาอินดัคทีฟจะเท่ากับรีแอคแตนซ์ตัวเก็บประจุ Xl = Xc ทำให้เกิดความต้านทานน้อยที่สุดต่อสัญญาณนั้น สัญญาณนั้นจะถูกส่งไปเพื่อขยายโดยวงจรที่เหลืออยู่ในวิทยุในขณะที่ความถี่อื่น ๆ จะถูกระงับเพราะพวกเขาไม่ได้อยู่ที่ความถี่ดังกังวาน ตราบใดที่ Q ของตัวกรองนั้นสูงพอคุณสามารถกำจัดสถานีอื่น ๆ ไม่ให้ขยาย อีกอย่างที่น่าสนใจคือวงจรอินดักทีฟ / คาปาซิทีฟนี้มีความหมายตามความเป็นจริงของออสซิลเลเตอร์ ... หมายความว่ามันมีข้อดีมากกว่า 1 และถูกขับเคลื่อนโดยกระแสไฟฟ้า

— มาร์คเซ่น
แหล่งที่มา

-7

ในความคิดของฉันคลื่น AMPLITUDE MODULATED (ที่มีคลื่นพาหะและข้อมูล (เสียง) ผสมกับความถี่กลางซึ่งอยู่นอกขั้นตอนโดย 180 องศาดังนั้น Yeilding ข้อมูล (เสียง) จำไว้ในทฤษฎี ac ที่คลื่นออกมาจาก การลบเฟสและเฟสเป็นคลื่นเพิ่มความคิดเดียวกันที่นี่

— user76144
แหล่งที่มา

ความถี่กลางไม่ได้ผสมกับอะไรเลย มันเป็นผลมาจากการผสมความถี่ RF และความถี่ออสซิลเลเตอร์ การพูดเกี่ยวกับเฟสสัมพัทธ์ของสองความถี่ที่แตกต่างกันนั้นไม่มีความหมายอย่างสมบูรณ์

— user207421

นอกจากว่าคุณกำลังใช้การตรวจจับแบบซิงโครนัสที่ IF ซึ่งในกรณีนี้ออสซิลเลเตอร์ / การอ้างอิงแบบซิงโครนัสจะถูกผสมกับสัญญาณ IF

— david