Wie filtert ein AM-Radio nur die gewünschte Frequenz heraus?

Ich verstehe, dass elektromagnetische Wellen in der Luft einen Wechselstrom in der Antenne induzieren. Ich verstehe auch, wie Sie, sobald Sie das Signal gefiltert haben, um die gewünschte Frequenz zu erhalten, die Hüllkurve des Signals erhalten und einen Lautsprecher ansteuern können.

Was ich nicht verstehe, ist das Bit in der Mitte, in dem das Radio das Signal von der Antenne empfängt und nur die gewünschte Frequenz herausfiltert. Angenommen, es ist ein sehr einfaches Radio, das sich nur um eine einzelne Frequenz kümmert. Können Sie erklären, wie dies in der Elektronik funktioniert und wie dies funktionieren würde, wenn Sie versuchen würden, ein Radio in eine Software zu schreiben, die auf diskret abgetasteten Daten basiert?

Es wird ein sogenannter Filter verwendet. Sie können Filter aus allen möglichen Dingen erstellen.

RC-Filter aus Widerständen und Kondensatoren sind wahrscheinlich am einfachsten zu verstehen. Grundsätzlich wirkt der Kondensator als Widerstand, jedoch mit unterschiedlichem Widerstand bei unterschiedlichen Frequenzen. Wenn Sie einen Widerstand hinzufügen, können Sie einen frequenzabhängigen Spannungsteiler erstellen. Dies wird als RC-Filter bezeichnet. Sie können Hochpass- und Tiefpassfilter mit einem Widerstand und einem Kondensator herstellen. Ein Tiefpassfilter ist so ausgelegt, dass es niedrige Frequenzen durchlässt und hohe Frequenzen blockiert, während ein Hochpassfilter das Gegenteil bewirkt. Ein Tiefpass in Reihe mit einem Hochpass bildet einen Bandpass, der Frequenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs durchlässt und andere Frequenzen blockiert. Beachten Sie, dass der Betrieb eines RC-Filters (und der meisten Filter) von der Quelle und der Lastimpedanz abhängt.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Filter können auch mit anderen Komponenten wie Induktoren hergestellt werden. Induktivitäten wirken ebenfalls wie Widerstände, ändern sich jedoch als Kondensatoren in die entgegengesetzte Richtung. Bei niedrigen Frequenzen sieht eine Induktivität wie eine kurze aus, während ein Kondensator wie eine offene aussieht. Bei hohen Frequenzen sieht ein Induktor wie eine Unterbrechung aus, während ein Kondensator wie ein Kurzschluss aussieht. LC-Filter sind Filtertypen mit Induktivitäten und Kondensatoren. Es ist möglich, einen ziemlich scharfen LC-Filter herzustellen, der schnell abschaltet und mit einem variablen Kondensator einfach abzustimmen ist. Dies wird normalerweise für einfache Funkgeräte wie Kristallfunkgeräte durchgeführt.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sie können Bandpassfilter aus allem machen, was eine Resonanzfrequenz hat. Ein Kondensator und ein Induktor in Reihe oder parallel bilden einen Resonanz-Tankkreis, der als Bandpass- oder Bandsperrfilter verwendet werden kann, je nachdem, wie Sie ihn genau anschließen. Eine Antenne ist auch ein Bandpassfilter - sie empfängt nur Frequenzen mit Wellenlängen um die Größe der Antenne. Zu groß oder zu klein und es wird nicht funktionieren. Hohlräume können auch als Filter verwendet werden - eine versiegelte Metallbox verfügt über verschiedene Stehwellenmodi, die zur Verwendung als Filter genutzt werden können. Elektronische Wellen können auch in andere Wellen wie Schallwellen umgewandelt und gefiltert werden. SAW-Filter (Surface Acoustic Wave) und Kristallfilter arbeiten beide durch mechanische Resonanz und nutzen den piezoelektrischen Effekt als Schnittstelle zur Schaltung. Es ist auch möglich, Filter aus Übertragungsleitungen zu bauen, indem ihre inhärente Induktivität und Kapazität sowie konstruktive und destruktive Interferenzen ausgenutzt werden, die sich aus Reflexionen ergeben. Ich habe eine Reihe von Mikrowellenbandfiltern gesehen, die aus einem verrückt geformten Stück Kupfer bestehen, das auf eine Leiterplatte gedruckt ist. Diese nennt manFilter für verteilte Elemente . Übrigens können die meisten dieser anderen Filter alle als LC- oder RLC-Schaltungen modelliert werden.

Jetzt ist ein softwaredefiniertes Radio ein ganz anderes Tier. Da Sie mit digitalen Daten arbeiten, können Sie nicht einfach einige Widerstände und Kondensatoren auf das Problem werfen. Stattdessen können Sie einige Standardfiltertopologien wie FIR oder IIR verwenden. Diese bestehen aus einer Kaskade von Multiplikatoren und Addierern. Die Grundidee besteht darin, eine Zeitbereichsdarstellung des benötigten Filters zu erstellen und diesen Filter dann mit den Daten zu falten. Das Ergebnis sind gefilterte Daten. Es ist möglich, Tiefpass- und Bandpass-FIR-Filter zu bauen.

Die Filterung geht Hand in Hand mit der Frequenzumwandlung. Es gibt einen Parameter namens Q. Dies ist der Qualitätsfaktor. Bei Bandpassfiltern hängt dies von der Bandbreite und der Mittenfrequenz ab. Wenn Sie einen 100 Hz breiten Filter mit 1 GHz herstellen möchten, benötigen Sie einen Filter mit einem astronomisch hohen Q. Dieser Wert ist nicht realisierbar. Sie filtern stattdessen mit einem Filter mit niedrigem Q (breit), konvertieren auf eine niedrigere Frequenz herunter und filtern dann mit einem anderen Filter mit niedrigem Q. Wenn Sie jedoch 1 GHz in beispielsweise 10 MHz konvertieren, hat ein 100-Hz-Filter ein viel vernünftigeres Q. Dies wird häufig in Radios und möglicherweise mit mehr als einer Frequenzumwandlung durchgeführt. Zusätzlich,

Bei digitalen Filtern ist der Q-Wert umso höher und der Filter umso selektiver, je länger der Filter ist. Hier ist ein Beispiel eines FIR-Bandpassfilters:

Die obere Kurve ist der Frequenzgang des Filters und die untere Kurve ist eine grafische Darstellung der Filterkoeffizienten. Sie können sich diese Art von Filter als eine Möglichkeit vorstellen, nach passenden Formen zu suchen. Die Filterkoeffizienten enthalten bestimmte Frequenzkomponenten. Wie Sie sehen können, schwingt die Antwort etwas. Die Idee ist, dass diese Schwingung mit der Eingangswellenform übereinstimmt. Frequenzkomponenten, die genau übereinstimmen, werden in den Ausgangs- und Frequenzkomponenten angezeigt, die nicht aufgehoben werden. Ein Signal wird gefiltert, indem die Filterkoeffizienten jeweils eine Abtastung entlang des Eingangssignals verschoben werden, und bei jedem Versatz werden die entsprechenden Signalabtastungen und Filterkoeffizienten multipliziert und summiert. Dies führt im Grunde dazu, dass Signalkomponenten gemittelt werden, die nicht mit dem Filter übereinstimmen.

Dies erfolgt mit einem Heterodyne-Tuning-System. Angenommen, Sie möchten einen Sender mit 1200 kHz einstellen. Sie stellen Ihr Stimmrad auf "1200", wodurch ein lokaler Oszillator eine Frequenz von 745 kHz erzeugt. Wenn Sie sie mischen, ist eine der resultierenden Frequenzen die Differenz (die Frequenz, die Sie einstellen möchten - 745 kHz).

Die nächste Stufe ist ein auf 455 kHz abgestimmter Schmalbandverstärker. Was jetzt bei 455 kHz ist, war 455 + 745 oder 1200 kHz eingehend, die Station, die Sie empfangen wollten. Dies (455 kHz) wird verstärkt und erkannt, was dazu führt, dass das Audio für diesen Sender gehört wird.
Natürlich werden noch andere Frequenzen empfangen. Ihre resultierende Frequenz unterscheidet sich jedoch von 455 kHz, sodass sie nicht verstärkt werden.

Die Verwendung einer Zwischenfrequenz von 455 kHz (in den USA) wurde beschlossen, da sie unter dem Standard-AM-Band (535 kHz bis 1610 kHz) lag, sodass keine Interferenzen mit einem Sender auftreten, den Sie empfangen möchten.

Dies ist für den analogen Funksignalempfang vorgesehen. Weitere Informationen finden Sie unter Heterodyne , Warum die Konvertierung in Zwischenfrequenz? und Zwischenfrequenz .

Die Antenne eines Radios empfängt viele Signale gleichermaßen. Wir wollen die anderen Sender herausfiltern und nur das Signal des Senders zulassen, auf den wir eingestellt sind. Die Art und Weise, wie dies anfänglich gemacht wurde, bestand darin, sowohl einen Induktor als auch einen variablen Kondensator zu verwenden. Bei einer bestimmten Frequenz entspricht die induktive Reaktanz der kapazitiven Reaktanz Xl = Xc, was diesem Signal die geringste Impedanz verleiht. Dieses Signal wird dann weitergeleitet, um von der verbleibenden Schaltung im Radio verstärkt zu werden, während die anderen Frequenzen unterdrückt werden, weil sie nicht bei dieser Resonanzfrequenz liegen. Solange das Q des Filters hoch genug ist, können Sie verhindern, dass die anderen Stationen verstärkt werden. Von Interesse ist auch, dass diese induktive / kapazitive Schaltung im wahrsten Sinne des Wortes von Oszillatoren schwingt ... was bedeutet, dass sie eine Verstärkung von über 1 hat und von einem Strom angetrieben wird.

Meiner Meinung nach wird die AMPLITUDE MODULATED-Welle (die die Trägerwelle und die Daten (Stimme) enthält) mit der Zwischenfrequenz gemischt, die um 180 Grad phasenverschoben ist, wodurch die (Sprach-) Informationen erzeugt werden. Denken Sie in der Wechselstromtheorie daran, dass Wellen aus Phasensubtraktion und Wellen in Phase fügen hier die gleiche Idee hinzu.