ダイレクトコンバージョン受信機

無線設計の種類

ダイレクトコンバージョン受信機（DCR ）は、ホモダイン受信機、シンクロダイン受信機、ゼロ中間周波数受信機（ゼロIF受信機）とも呼ばれ、受信信号の搬送周波数と同一または非常に近い周波数の局部発振器によって駆動される同期検波を用いて、入力無線信号を復調する無線受信機の設計です。これは、中間周波数（IF）への初期変換を行う標準的なスーパーヘテロダイン受信機とは対照的です。 ^[1]

単一の周波数変換のみを実行するという簡素化により、基本的な回路の複雑さは軽減されますが、ダイナミックレンジなど、他の問題が発生します。当初の形態では、複雑な位相同期回路を実装しなければ、AM信号やFM信号を受信するには適していませんでした。これらの技術的課題やその他の問題により、発明当時（1930年代）にはこの技術は実用的ではありませんでしたが、現在の技術、特にソフトウェア無線によって、一部の民生用製品を含む特定の分野で再び使用されるようになりました。

動作原理

変調信号からベースバンド信号への変換は、1回の周波数変換で行われます。これにより、スーパーヘテロダイン受信機の2回（またはそれ以上）の周波数変換、IF段、そしてイメージ除去といった複雑な問題を回避できます。受信した無線周波数信号は、スーパーヘテロダイン受信機と同様に、周波数ミキサーに直接送られます。ただし、スーパーヘテロダイン受信機とは異なり、局部発振器の周波数は受信信号の周波数からオフセットされておらず、受信信号と同一です。その結果、中間周波数（IF）段の後に同期検波（プロダクト検波）を使用するスーパーヘテロダイン受信機から得られる復調出力と同様の復調出力が得られます。

技術的な問題

スーパーヘテロダイン受信機の性能に匹敵するには、通常 IF 段で行われる機能の多くは、ベースバンドで実現されなければなりません。自動利得制御(AGC)を利用する高利得 IF 増幅器がないため、ベースバンド出力レベルは受信信号強度に応じて非常に広い範囲で変化する可能性があります。これが設計の実用性を制限する大きな技術的課題の 1 つです。もう 1 つの問題は、この設計ではAM 信号の包絡線検波を実装できないことです。したがって、放送で使用される AM または FM 信号を直接復調するには、局部発振器を搬送周波数に位相同期させる必要があります。これは、スーパーヘテロダイン設計の IF 段の出力にあるより堅牢な包絡線検波器や比率検波器に比べて、はるかに要求の厳しい作業です。しかし、直交検波とそれに続くデジタル信号処理を使用するダイレクトコンバージョン設計の場合、これは回避できます。ソフトウェア無線技術を使用すると、2 つの直交出力を処理して、局部発振器周波数に近い周波数からダウンコンバートされた信号に対してあらゆる種類の復調とフィルタリングを実行できます。デジタルハードウェアの普及と、ベースバンドへの周波数変換に関係するアナログコンポーネントの改良により、このより単純なトポロジが多くのアプリケーションで実用的になりました。

歴史と応用

ホモダイン方式は、スーパーヘテロダイン方式（2段変換モデル）を超える設計を模索していた英国の科学者チームによって1932年に開発されました。この設計は後に「シンクロダイン」と改名されました。単一変換段による優れた性能に加え、回路の複雑さと消費電力の低減も実現しました。この設計は、局部発振器の熱ドリフト（時間とともに周波数が変化する）という問題を抱えていました。このドリフトを補正するため、局部発振器の周波数を位相検出器で放送入力信号と比較しました。これにより補正電圧が生成され、局部発振器の周波数を変化させることで、所望の信号との同期を維持しました。このタイプのフィードバック回路は、現在では位相同期回路として知られるものへと発展しました。この方式は数十年前から存在していましたが、部品の許容誤差が大きな要因となり、実装が困難でした。この種の回路が正常に動作するには、部品の許容誤差を小さく抑える必要がありました。

利点

ミキシング段から発生する不要な副産物ビート信号は、オーディオ出力段のローパスフィルタによって完全に除去されるため、それ以上の処理は必要ありません。この受信機設計は高い選択性というさらなる利点も備えており、高精度な復調器となっています。この設計原理を拡張することで、必要な送信信号と重なり合う可能性のある側波帯を持つ隣接チャネル放送信号を分離することが可能になります。また、この設計はパルス変調伝送モード信号の検出性能も向上させます。

デメリット

受信機では信号漏洩経路が発生する可能性があります。高いオーディオ周波数ゲインが必要となるため、電源ハムノイズの除去が困難になる場合があります。局部発振器のエネルギーがミキサー段を通過してアンテナ入力に漏れ込み、その後ミキサー段に反射して戻ってくる可能性があります。結果として、局部発振器のエネルギーが自己混合し、DCオフセット信号が生成されます。このオフセット信号はベースバンドアンプに過負荷をかけ、目的の信号を受信できないほど大きくなる可能性があります。この問題に対処するための設計変更はありますが、受信機の複雑さが増します。設計の複雑さが増すと、ダイレクトコンバージョン受信機の利点が上回ることがよくあります。

現代の用法

ウェス・ヘイワードとディック・ビンガムの1968年の論文は、ダイレクトコンバージョン設計への新たな関心を呼び起こした。^[2]

集積回路の開発と、低コストのICパッケージへの完全な位相同期回路の組み込みにより、この設計は広く受け入れられるようになりました。用途はAMラジオ信号の受信に限定されず、より複雑な変調方式の処理にも利用されています。^[3]ダイレクトコンバージョン受信機は現在、携帯電話、ポケベル、テレビ、航空電子機器、医療用画像装置、ソフトウェア無線システムなど、多くの受信機アプリケーションに組み込まれています。^[4]

参照

参考文献

^ mwrf.com: 受信機の種類の違い、パート1 引用: 「…ダイレクトコンバージョン受信機は、ホモダイン受信機またはゼロIF受信機とも呼ばれ、受信機アーキテクチャの一種です（図1）。ダイレクトコンバージョン受信機は、RF信号を1つの段階で0Hz信号に変換します…」、バックアップ
^ ヘイワード、ウェス、ビンガム、ディック（1968年11月）「直接変換 ― 見過ごされてきた技術」QST ARRL: 15–17 , 156.
^ 「クワッド復調器によるダイレクトコンバージョン受信機の強化」 Microwaves & RF 2004 . 2011年2月9日閲覧。
^ 「ダイレクトコンバージョン受信機」QSLネットワーク. 2011年2月9日閲覧。

外部リンク

ホモダインとシンクロダインの歴史英国無線技術者協会誌、1954年4月
米国特許706,740、「無線信号方式」（ヘテロダイン原理） - 1902年8月12日 -レジナルド・フェッセンデン

[mwrf-1] wrf.com: 受信機の種類の違い、パート1 引用: 「…ダイレクトコンバージョン受信機は、ホモダイン受信機またはゼロIF受信機とも呼ばれ、受信機アーキテクチャの一種です（図1）。ダイレクトコンバージョン受信機は、RF信号を1つの段階で0Hz信号に変換します…」、バックアップ

[2] ヘイワード、ウェス、ビンガム、ディック（1968年11月）「直接変換 ― 見過ごされてきた技術」QST ARRL: 15–17 , 156.

[3] 「クワッド復調器によるダイレクトコンバージョン受信機の強化」 Microwaves & RF 2004 . 2011年2月9日閲覧。

[4] 「ダイレクトコンバージョン受信機」QSLネットワーク. 2011年2月9日閲覧。