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2011年2月 8日 (火)

受信機のはなし

受信機とは
[Receiver]で放送や通信を受信する機械のこと。ここでは無線通信に関しての受信機の構成を書いてみます。
Rx_2
ハード的には
上図に435MHz帯のアマチュア無線機の例をあげますが、スーパーへテロダイン方式と呼ばれる構成を取っています。古くはゲルマニウムラジオと呼ばれるものは、RF入力を直接検波(DET)して音声の変調波を取り出していましたが、異なった局を選択する能力(選択度)が弱かったり、感度が低かったりして現在のような形に進んできました。
 このスーパーへテロダイン方式の特徴は入力された信号をミキサーで一度低い周波数に変換し、増幅したのちに検波するという点です。なぜ、一度低い周波数に変換するかというと、
1)高い周波数では狭いフィルター(BPF...バンドパスフィルター)が作りにくいため、選択度のよい受信機を作りにくいため。
2)高い周波数のままで何段も増幅すると増幅した信号が入力に戻ってしまい発振しやすくなり、結果として感度の高い受信機を作りにくくなるため。
 また周波数を変換することのメリットとして、
3)信号を選択する方法として、以前はもっぱら高周波段のBPFの性能で選択度が決まってしまい、バリアブルコンデンサー(バリコン)などの機械的方法で同調回路を変化させて受信しなければならなかったが、IF周波数に変換して落とすための局部発振器( Local OSC )の周波数を変化させるだけで選局できるようになった。高周波増幅側のBPFは帯域内を通過するある程度広いものでも使えるようになった。
 カーラジオなどを考えてみると、大昔のカーラジオもワンプッシュ選局が出来、パネルに5個ぐらいのプッシュボタンが付いていて、それらを押すと選局できるというものでした。当時からすでにスーパーへテロダイン方式だったのですが、周波数を変えるのにコイルの中に入れたフェライトコアを出し入れしてインダクタンスを変えて同調をとるしくみで、5個のプッシュボタンの機構にはそのコアを個別に出仕入れするメカが組み込まれていました。ボタンに局を登録するには、まずボタンを引っ張り出し、選局ダイアルで選局した後、ボタンを押し戻すとコアの位置が記憶されるような機械でした。
 このメカニカルな機構がやがては5つの個別コイルを電気的に切り替える方法に進化し、現在ではマイコンにメモリーさせてPLLにて周波数を自由に変えられるようになりました。
 高周波増幅部のBPFは受信したい帯域内のみを通過させ、不要な信号からの妨害を防ぐ働きをします。比較的狭い帯域ならばヘリカルフィルターなど使うことが出来ますが、高価になります。通常のラジオなどは可変容量ダイオードを使って同調をとる方式で、マイコンからのD/A出力やVCOのコントロール電圧などを利用して希望の周波数に同調する方式をとっています。
ミキサー部は一般的にはFETやトランジスタの非直線領域を利用して行いますが、高性能の通信機器ではDBM(ダブルバランスドミキサー)など専用のモジュールを使いますが、高いLocal発振レベルが必要とされたりしますので、選定には注意が必要です。
 IF増幅部は変調信号によってすこし異なります。AM信号や携帯電話などのW-CDMAなど振幅成分に変調がかかった信号を増幅するには信号強度が弱い場合にゲイン(増幅度)を合わせて大きくしておく必要がありますが、強い信号の場合にはアンプが飽和して信号が歪んでしまいます。このようなことを防ぐため AGC( Automatic Gain Control)と呼ばれる検波出力が大きくなるとIFのゲインを下げる機構を使い、歪まないで増幅できるしくみがあります。FM信号では積極的に信号を飽和させ、AM的なパルスノイズなどを低減させ感度を十分確保します。信号検波にはそれぞれの変調にあった検波回路を使いますが、最近の携帯電話などではIF周波数をI/Q検波で復調した数MHz帯域ある検波信号を、直接 A/Dコンバーターで取り込み、信号処理する方式が一般的になっています。
ソフト的には
 スーパーへテロダイン方式で高周波増幅とIF増幅でゲインをかせげる利点と裏腹に、様々な注意点が増えてきました。それは第1にイメージ周波数と呼ばれる flo ±IF の周波数が受信できてしまう問題です。上図の例では 445.7MHz + 10.7MHz = 456.4MHz がイメージ周波数です。この周波数を受信できないように高周波段のBPFで十分減衰させる必要がありあます。また高周波増幅部のゲインを上げすぎるとミキサー段で強入力時信号が飽和してしまう点、IFの増幅度を上げすぎると内部雑音が増えてS/Nがかせげないなどスーパーへテロダイン方式に伴う設計の難しさが表れています。
 現在のI/Q検波方式などでは、直接信号と同じ周波数のLocalOSCを使う「ゼロIF検波」などデジタルBS受信チュナーなどで開発されていますが、今後はソフトウェア受信機などさまざまな可能性が開けてゆくと考えます。

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