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

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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?

Brian Gordon
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Bitte fügen Sie eine weitere Beschreibung hinzu, wonach Sie in einem "softwaredefinierten Radio" suchen. Angenommen, Sie meinen immer noch, analoge Radiosender zu empfangen, wäre dies eher eine Softwarefrage als eine Elektronikfrage, im Grunde genommen eine Software, die eine Art digitaler Oszillatoren und Filter steuert.
user3169
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@ user3169 Ich versuche nur, die Frage in einen Bereich zu bringen, in dem ich etwas Intuition habe. Sobald es in einem Computer und in der Sprache der Software ist, kann ich es verstehen. Die Ressourcen, die ich gefunden habe, nehmen die Antwort, nennen es einen "Bandpassfilter", zeigen vielleicht einige Schaltpläne, die für mich bedeutungslos sind, und belassen es dabei. Ich versuche zu verstehen, was wirklich passiert, anstatt mich in den Implementierungsdetails zu verlieren. Erzeugt es beispielsweise ein Signal mit der Trägerfrequenz und -phase und mischt es dann irgendwie? Diese Art von intuitiver Erklärung.
Brian Gordon
Ich kann es aus Ihrer Sicht nicht erklären, ohne die "Ressourcen" zu sehen, die Sie betrachten. Ich kann nur erklären, was moderne analoge AM-Radios tun.
user3169
Ich möchte auf den Software-Teil Ihrer Frage eingehen. Haben Sie ein Beispiel für diese diskret abgetasteten Daten, die Sie veröffentlichen können? Oder gebe ich in meiner Antwort ein Beispiel für einige Daten, die für eine Software-Funkimplementierung verwendet werden könnten?
MDMoore313

Antworten:

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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.

schematisch

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.

schematisch

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:

FIR Bandpass

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.

cos(A)cos(B)=12(cos(A+B)+cos(AB))
alex.forencich
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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 allein dafür. EE-Student im 4. Jahr und etwas komfortabel mit Filtern, und das ist die einfachste und effektivste Definition, die ich für die Beschreibung eines RC-Filters gehört habe. Ob das OP weiß, was ein Spannungsteiler ist, ist eine andere Geschichte :)
MDMoore313
Ich erwähnte das Mischen unten, aber ich nehme an, ich könnte ein paar weitere Details geben.
Alex. Forencich
Entschuldigung, habe nicht so weit gelesen, +1.
Matt Young
Diese Beschreibung der digitalen Filter hat mich umgehauen. Es kann nur Frequenzkomponenten identifizieren, oder? Es nutzt also die Tatsache aus, dass menschliche Ohren keinen Phasenunterschied erkennen können? Wenn das stimmt, ist das genau die Abkürzung, nach der ich gesucht habe.
Brian Gordon
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Naja, so ungefähr. Die Phase bleibt mehr oder weniger im Durchlassbereich erhalten, aber Sie erhalten eine Phasenverschiebung, wenn die Filterantwort abschaltet. Die Idee ist, dass Komponenten im Eingangssignal mit Frequenzen, die mit denen im Filter übereinstimmen, mit minimaler Modifikation sowohl in der Amplitude als auch in der Phase durchlaufen werden, während Komponenten, die außerhalb des Durchlassbereichs liegen, gedämpft / blockiert werden.
Alex. Forencich
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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 .

user3169
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Dies gilt nicht für sehr einfache Kristallradios.
Alex. Forencich
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Tatsächlich gibt es viele mögliche Konfigurationen zwischen dem einfachen Kristallsatz und der Komplexität des Superhet; obwohl ich verstehe, wird letzteres sehr häufig in modernen kommerziellen Designs verwendet.
PeterG
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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.

Mark Jensen
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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.

user76144
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Die Zwischenfrequenz wird mit nichts vermischt. Es ist das Ergebnis des Mischens der HF-Frequenz und der Oszillatorfrequenz. Über die relative Phase zweier verschiedener Frequenzen zu sprechen, ist völlig bedeutungslos.
user207421
Es sei denn, Sie verwenden eine synchrone Erkennung an der ZF. In diesem Fall wird ein Synchron- / Referenzoszillator mit dem ZF-Signal gemischt.
David