スーパーヘテロダイン受信機

1955年頃に東芝が製造した5管式スーパーヘテロダイン受信機

1975 年頃のスーパーヘテロダイントランジスタ ラジオ回路

スーパーヘテロダイン受信機（superheterodyne receiver）は、周波数混合を用いて受信信号を固定の中間周波数（IF）に変換する無線受信機の一種で、元の搬送周波数よりも効率的かつ選択的に処理できる。エドウィン・ハワード・アームストロングがこの概念を考案したが、リュシアン・レヴィ、ウォルター・ショットキー、ヘンリー・ラウンド、ジョン・レンショウ・カーソン^{[ 1 ]}も関連するアイデアを研究した。^{[ 2 ]}スーパーヘテロダイン設計は今日のほとんどの無線受信機で使用されており、振幅変調（AM）を含む多くの変調方式に使用できる。^{[ 3 ]}

ナヒンによれば、アンテナ信号周波数をスペクトル内の新たな位置へシフトさせる受信機はすべてヘテロダイン受信機である。接頭辞「スーパー」は、イメージ除去のためのRF入力フィルタと、隣接チャネル抑圧のための固定周波数狭帯域中間周波増幅器の両方を備えた受信機に用いられる。 ^{[ 2 ]}

先駆者

初期のラジオ

初期のモールス信号によるラジオ放送は、スパークギャップに接続されたオルタネータを用いて行われていました。出力信号は、ギャップの物理的構造によって定義される搬送周波数で、オルタネータからの交流信号によって変調されていました。オルタネータの出力周波数は一般的に可聴範囲にあったため、可聴振幅変調（AM）信号が生成されます。シンプルな無線検波器によって高周波搬送波が除去され、残る変調信号が点と線からなる可聴信号として ユーザーのヘッドフォンに送られました。

1904年、エルンスト・アレクサンダーソンはアレクサンダーソン・オルタネーターを発表しました。これは、従来のスパークギャップ方式よりも高出力かつはるかに高い効率で無線周波数出力を直接生成する装置です。しかし、スパークギャップ方式とは異なり、オルタネーターからの出力は選択された周波数の純粋な搬送波でした。既存の受信機で受信した短点と長点は通常、聞こえない、つまり「超音波」でした。受信機のフィルタリング効果により、これらの信号は一般的にクリック音またはドンという音を発し、これは聞こえるものの、短点と長点の区別を困難にしていました。

1905年、カナダの発明家レジナルド・フェッセンデンは、2つのアレクサンダーソン型オルタネータを互いに近接した周波数で動作させ、1つの信号ではなく2つの信号を送信するというアイデアを考案しました。受信機は両方の信号を受信し、検波プロセスの一環として、ビート周波数のみが受信機から出力されます。ビート周波数が聞き取れる程度に近接した2つの搬送波を選択することにより、結果として得られるモールス信号は、単純な受信機でも容易に聞き取ることができるようになりました。例えば、2つのオルタネータが3kHzの周波数で動作する場合、ヘッドフォンからの出力は3kHzの短点または長点となり、容易に聞き取ることができます。

フェッセンデンはこのシステムを説明するために、「（周波数の）差によって生成される」という意味の「ヘテロダイン」という用語を考案しました。この言葉はギリシャ語の「 hetero-（異なる）」と「 -dyne（力）」に由来しています。

再生

モールス信号は、送信も受信も容易だったため、ラジオの黎明期に広く使用されていました。音声放送とは異なり、増幅器の出力は元の信号の変調度と厳密に一致する必要がありませんでした。そのため、様々なシンプルな増幅システムを使用できました。その一つの方法は、初期の三極管増幅管の興味深い副作用を利用したものでした。プレート（陽極）とグリッドの両方を同じ周波数に同調した共振回路に接続し、増幅段のゲインが1よりはるかに高い場合、グリッドとプレート間の 浮遊容量結合によって増幅器が発振状態になるのです。

1913年、エドウィン・ハワード・アームストロングは、この効果を利用して、単一の三極管から可聴モールス信号を出力する受信システムを開発しました。陽極で取り出された増幅器の出力は、「ティッカー」を介して入力に接続され、フィードバックを発生させ、入力信号を1をはるかに超える振幅で駆動しました。これにより、出力は指定された周波数で大きな増幅とともに振動しました。元の信号が短点または長点の終わりで途切れると、振動は減衰し、短い遅延の後、音は消えました。

アームストロングはこの概念を再生受信機と呼び、それはすぐに当時最も広く使用されたシステムの一つとなりました。1920年代の多くの無線システムは再生原理に基づいており、1940年代までIFF Mark IIなど、特殊な用途で使用され続けました。

無線方向探知

モールス信号源であっても再生システムが適さない役割が 1 つありました。それは無線方向探知(RDF)のタスクです。

再生システムは高度に非線形であり、ある閾値を超える信号は極めて大きく増幅され、時には送信機のように機能するほどに増幅されることもありました（これが元のIFFシステムの根幹を成していました）。RDFでは、信号の強度を用いて送信機の位置を特定するため、元の信号（多くの場合非常に弱い）の強度を正確に測定するためには、線形増幅が必要となります。

このニーズに対応するため、当時のRDFシステムは、1以下の電圧で動作する三極管を使用していました。このようなシステムから使用可能な信号を得るには、数十、あるいは数百もの三極管を陽極とグリッドで接続する必要がありました。これらの増幅器は膨大な電力を消費し、稼働を維持するために保守技術者のチームが必要でした。しかしながら、微弱な信号で方向探知を行うことの戦略的価値は非常に高く、英国海軍本部は高コストを正当化できると判断しました。

歴史

概念化

第一次世界大戦中、パリのアームストロング通信部隊研究所で製作された試作型スーパーヘテロダイン受信機の一つ。ミキサーと局部発振器（左）と、3つの中間周波増幅段と検波段（右）の2つのセクションから構成されています。中間周波数は75kHzでした。

スーパーヘテロダイン方式のコンセプトは、数人の研究者によってわずか数ヶ月間隔で特許出願されたにもかかわらず、しばしばアメリカのエンジニア、エドウィン・アームストロングの功績として知られています。彼はRDF受信機のより良い製造方法を検討していた際に、このコンセプトに出会いました。彼は、RDFをより高周波数の「短波」に移行させることでより実用的になると結論付け、これらの信号用の線形増幅器を構築する実用的な方法を模索していました。当時、短波とは500kHz以上の周波数を指し、既存の増幅器の能力を超えていました。

再生型受信機が発振状態になると、近くの受信機も他の放送局を受信し始めることが指摘されていました。アームストロングらは最終的に、この現象は放送局の搬送周波数と再生型受信機の発振周波数との間の「超音波ヘテロダイン」現象によるものだと推測しました。最初の受信機が高出力で発振し始めると、その信号はアンテナを通って逆流し、近くの受信機で受信されます。その受信機では、2つの信号は元のヘテロダイン方式と同様に混合され、2つの信号の周波数差に応じた出力が生成されます。

例えば、300kHzの放送局に同調した単独の受信機を考えてみましょう。近くに2台目の受信機を設置し、高ゲインで400kHzに設定すると、400kHzの信号が送信され、1台目の受信機で受信されます。この受信機では、2つの信号が混合され、4つの出力が生成されます。1つは元の300kHz、もう1つは受信した400kHz、そしてもう2つは100kHzの差分と700kHzの和です。これはフェッセンデンが提案したのと同じ効果ですが、彼のシステムでは、ビート周波数が可聴になるように2つの周波数が意図的に選択されています。この場合、すべての周波数が可聴範囲をはるかに超えているため、「超音速」となり、スーパーヘテロダインと呼ばれます。

アームストロングは、この効果が「短波」増幅の問題に対する潜在的な解決策となることに気づきました。なぜなら、「差」出力は元の変調を維持しながらも、搬送周波数が低くなるからです。上記の例では、100kHzのビート信号を増幅し、そこから元の情報を取り出すことができるため、受信機はより高い300kHzの元の搬送波に同調する必要がありません。適切な周波数の組み合わせを選択することにより、非常に高い周波数の信号であっても、既存のシステムで増幅可能な周波数まで「低減」できるのです。

例えば、当時の効率的な増幅範囲をはるかに超える1500kHzの信号を受信するには、例えば1560kHzの発振器を設置する必要がありました。アームストロングはこれを「局部発振器」、つまりLOと呼びました。その信号は同じ装置内の2つ目の受信機に送られるため、それほど強力である必要はなく、受信局の信号とほぼ同等の強度の信号を生成するだけで十分でした。ただし、実際にはLOは比較的強い信号になる傾向があります。LOからの信号が受信局の信号と混ざると、出力の1つがヘテロダイン差周波数（この場合は60kHz）になります。彼はこの差を「中間周波数」と呼び、しばしば「IF」と略されました。

1919年12月、E・H・アームストロング少佐は、短波増幅を実現する間接的な方法、いわゆるスーパーヘテロダイン方式を公表した。この方式の考え方は、例えば150万サイクル（200メートル）の入力周波数を、効率的に増幅できる適切な超可聴周波数まで下げ、この電流を中間周波増幅器に通し、最終的に整流して1段または2段の可聴周波数増幅を行うというものである。^{[ 4 ]}

スーパーヘテロダイン方式の「秘訣」は、LO周波数を変えることで異なる放送局を受信できることです。例えば、1300kHzの信号を受信するには、LOを1360kHzに調整すれば、同じ60kHzのIF周波数が得られます。つまり、増幅部を単一の周波数、つまり設計IFで動作するように調整できるため、効率化がはるかに容易になります。

発達

最初の商用スーパーヘテロダイン受信機^{[ 5 ]}は、1924年3月4日に発売されたRCA Radiola AR-812で、価格は286ドル（2024年の5,250ドルに相当）でした。6つの三極管（ミキサー、局部発振器、中間周波段2段、音声増幅段2段）で構成され、中間周波は45kHzでした。競合受信機よりも優れた性能を備え、商業的に成功を収めました。

アームストロングは自身のアイデアを実践に移し、その技術はすぐに軍に採用された。1920年代に商用ラジオ放送が始まった頃は、発振器用の真空管が別途必要だったこと、受信機が一般的に高価だったこと、そして操作に高度な技術が必要だったことから、この技術はあまり普及しなかった。初期の家庭用ラジオでは、同調式無線周波数受信機（TRF）の方が安価で、技術者でない人でも使いやすく、操作コストも低かったため、より普及していた。アームストロングは最終的にスーパーヘテロダイン方式の特許をウェスティングハウス社に売却し、ウェスティングハウス社はそれをラジオ・コーポレーション・オブ・アメリカ（RCA）社に売却した。RCA社は1930年までスーパーヘテロダイン受信機市場を独占した。^{[ 6 ]}

スーパーヘテロダインが考案された当初の動機は、三極管増幅器を高周波で用いることの難しさにあったため、中間周波数を低くすることに利点があった。この時代、多くの受信機は30kHzのIF周波数しか使用していなかった。^{[ 7 ]}鉄心変圧器の自己共振を利用したIF変圧器を用いることが多いこれらの低いIF周波数では、イメージ周波数の除去性能は劣っていたものの、無線周波数で三極管を用いる際の難しさを克服し、堅牢性の低いニュートロダインTRF受信機と十分に競合することができた。その後、増幅管として四極管と五極管が発明され、より高いIF周波数（455kHzが一般的な標準）が用いられるようになり、イメージ周波数の除去性能は大幅に向上した。しかしその後、低い IF 周波数 (通常 60 kHz) が、二重または三重変換通信受信機の2 番目(または 3 番目) の IF ステージで再び使用されるようになりました。これは、低い IF 周波数でより簡単に達成できる選択性を利用し、イメージ除去は、より高い IF 周波数であった以前の IF ステージで達成されるようになったためです。

1920年代、これらの低周波数帯では、市販のIFフィルタは1920年代のオーディオ用中間結合トランスと非常によく似ており、構造も配線もほぼ同じだったため、「IFトランス」と呼ばれていました。1930年代半ばには、はるかに高い中間周波数（通常440～470kHz程度）を使用するスーパーヘテロダイン方式の受信機では、他のRFアプリケーションに類似した同調トランスが使用されるようになりました。しかし、「IFトランス」という名称はそのまま残り、「中間周波数」を意味するようになりました。現代の受信機では、通常、セラミック共振器または表面弾性波共振器と、従来の同調インダクタIFトランスを組み合わせて使用​​しています。

1940 年代の真空管スーパーヘテロダイン AM 放送受信機「オール アメリカン ファイブ」は、必要な真空管が 5 本だけだったので、製造コストが安かった。

1930 年代までに、真空管技術の進歩により TRF 受信機のコスト面での優位性が急速に失われ、放送局の数が爆発的に増加したことにより、より安価で高性能な受信機の需要が生まれました。

真空管に追加グリッドが導入されたのは、より近代的なスクリーングリッド四極管が登場する前のことですが、この四極管には2つの制御グリッドが備わっていました。この管はミキサー機能と発振器機能を統合し、いわゆるオートダインミキサーで初めて使用されました。その後すぐに、スーパーヘテロダイン動作用に特別に設計された管、特にペンタグリッドコンバータが導入されました。この時代、各管段がコストに影響を与える主な要因であったため、管の数を減らすことでTRFおよび再生受信機設計の利点はさらに減少しました。

1930年代半ばまでに、TRF受信機の商用生産はスーパーヘテロダイン受信機に大きく置き換えられました。1940年代までに、真空管スーパーヘテロダインAM放送受信機は、5つの真空管（通常はコンバータ（ミキサー／局部発振器）、中間周波増幅器、検波器／オーディオ増幅器、オーディオ電力増幅器、整流器）を使用することから、「オール・アメリカン・ファイブ」と呼ばれる製造コストの低い設計へと改良されました。この頃から、スーパーヘテロダイン設計はほぼすべての商用ラジオおよびテレビ受信機に採用されるようになりました。

特許争い

フランスの技術者ルシアン・レヴィは、 1917年8月に特許出願番号493660でスーパーヘテロダイン原理の特許を出願した。^{[ 8 ]}アームストロングも1917年に特許を出願した。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} レヴィはアームストロングより約7ヶ月前に最初の特許を出願した。^{[ 12 ]} ドイツの発明家ウォルター・H・ショットキーも1918年に特許を出願した。^{[ 8 ]}

当初、米国はアームストロングを発明者として認め、1920年6月8日に米国特許1,342,885号が発行された。^{[ 12 ]}さまざまな変更と法廷審問の後、アームストロングの申請の9つの請求項のうち7つを含む米国特許1,734,938号がレヴィに付与され、残りの2つの請求項はGEのアレクサンダーソンとAT&Tのケンドールに付与された。^{[ 12 ]}

動作原理

典型的なシングルコンバージョン・スーパーヘテロダイン受信機のブロック図。この図はスーパーヘテロダイン受信機に共通するブロック^{[ 13 ]}で構成されており、RFアンプのみがオプションとなっている。赤い部分は入力される無線周波数（RF）信号を処理する部分、緑の部分は中間周波数（IF）で動作する部分、青い部分は変調（オーディオ）周波数で動作する部分である。点線は局部発振器とRFフィルタを連動して調整する必要があることを示している。

スーパーヘテロダイン無線の仕組み。横軸は周波数fです。青いグラフは回路のさまざまなポイントでの無線信号の電圧スペクトルを示しています。赤いグラフは回路内のフィルタの伝達関数を示しています。赤い帯の太さは、前のグラフの信号が各周波数でフィルタを通過する割合を示しています。アンテナからの入力無線信号(上のグラフ)は、目的の無線信号S1と、さまざまな周波数の信号で構成されています。RF フィルタ(2 番目のグラフ)は、イメージ周波数LO  -  IFのS2などの信号を除去します。そうしないと、IF フィルタを通過して干渉が発生します。残りの合成信号は、局部発振器信号 ( LO ) (3 番目のグラフ)とともにミキサーに適用されます。ミキサーでは、信号S1 がLO 周波数と結合され、これらの周波数の差、つまり中間周波数 (IF) でヘテロダインが作成され、ミキサー出力に出力されます(4 番目のグラフ)。これはIFバンドパスフィルタ（5番目のグラフ）を通過し、増幅および復調されます（復調は図示されていません）。不要な信号は他の周波数でヘテロダインを形成し（4番目のグラフ）、IFフィルタによって除去されます。

アンテナは無線信号を収集する。オプションのRF増幅器を備えた同調RF段は、ある程度の初期選択性を提供する。これはイメージ周波数を抑制するために必要であり、また、強い通過帯域外信号が初期増幅器を飽和させるのを防ぐ役割も果たす。局部発振器は混合周波数を提供する。これは通常、受信機を異なる放送局に同調させるために使用される可変周波数発振器である。周波数ミキサーは、スーパーヘテロダイン方式の名称の由来となっている実際のヘテロダイン処理を実行する。これは、入力無線周波数信号を、より高いまたはより低い固定の中間周波数（IF）に変換する。IFバンドパスフィルタと増幅器は、無線のゲインと狭帯域フィルタリングの大部分を供給する。復調器は、 IF無線周波数から音声またはその他の変調信号を抽出し、抽出された信号は音声増幅器によって増幅される。^{[ 2 ]}

回路の説明

無線信号を受信するには、適切なアンテナが必要である。アンテナの出力は非常に小さく、多くの場合はわずか数マイクロボルトである。アンテナからの信号は、いわゆる無線周波数（RF）増幅器で同調され、増幅されることもあるが、この段階は省略されることも多い。この段階の1つまたは複数の同調回路は、意図した受信周波数から大きく離れた周波数をブロックする。受信機を特定の放送局に同調させるために、局部発振器の周波数は、（例えば）同調ノブによって制御される。局部発振器とRF段階の同調には、可変コンデンサまたはバリキャップダイオードが使用されることがある。^{[ 14 ]} RF段階の1つ（またはそれ以上）の同調回路の同調は、局部発振器の同調に追従する必要がある。

局部発振器とミキサー

次に信号は回路に送られ、そこで局部発振器(LO) と呼ばれる可変周波数発振器からの正弦波と混合されます。ミキサーは非線形コンポーネントを使用して、和ビート周波数信号と差ビート周波数信号の両方を生成します。 ^{[ 15 ]}それぞれの信号には目的の信号の変調が含まれています。ミキサーの出力には、元の RF 信号 ( f _{RF )}、局部発振器信号 ( f _{LO )}、および 2 つの新しいヘテロダイン周波数( f _RF  +  f _LO、f _RF  −  f _{LO )}が含まれます。ミキサーは、3 次以上の相互変調積などの追加の周波数を意図せず生成する場合があります。理想的には、IFバンドパス フィルタは、 f _IFで目的の IF 信号以外をすべて除去します。IF 信号には、受信した無線信号がf _RFで持っていた元の変調 (送信情報) が含まれています。

局部発振器の周波数f _LOは、所望の受信無線周波数f _{RF が}f _IFに混合されるように設定されます。正負の周波数の対応関係により、局部発振器周波数には2つの選択肢があります。局部発振器周波数が所望の受信周波数よりも低い場合、ローサイド注入（f _IF = f _RF − f _LO）と呼ばれ、局部発振器周波数がより高い場合、ハイサイド注入（f _IF = f _LO − f _RF）と呼ばれます。

ミキサーは、 f _RFの目的の入力信号だけでなく、その入力に存在するすべての信号を処理します。多くのミキサー製品（ヘテロダイン）があります。ミキサーによって生成される他のほとんどの信号（近くの周波数の放送局によるものなど）は、IF同調増幅器でフィルタリングできます。これにより、スーパーヘテロダイン受信機の優れた性能が得られます。ただし、f _LOがf _RF  +  f _IFに設定されている場合、 f _LO  +  f _IFで着信する無線信号もf _IFでヘテロダインを生成します。周波数 f _LO  +  f _IFはイメージ周波数と呼ばれ、RF ステージの同調回路で除去する必要があります。イメージ周波数は 目的の周波数f _{RFよりも 2} f _{IF高い（または低い）ため、より高い IF 周波数}f _IFを使用すると、RF ステージで追加の選択性を必要とせずに 受信機のイメージ除去が向上します。

不要なイメージを抑制するには、RF段とLO段のチューニングを互いに「追従」させる必要がある場合があります。狭帯域受信機では、固定同調のRFアンプを搭載している場合もあります。その場合、局部発振器の周波数のみを変更します。ほとんどの場合、受信機の入力帯域はIF中心周波数よりも広くなります。例えば、典型的なAM放送帯受信機は、455kHzのIF周波数で510kHz～1655kHz（約1160kHzの入力帯域）をカバーします。FM放送帯受信機は、10.7MHzのIF周波数で88MHz～108MHzの帯域をカバーします。このような状況では、IFアンプが2つの放送局を同時に受信しないようにRFアンプを調整する必要があります。AM放送帯受信機のLO段が1200kHzに設定されている場合、745kHz（1200kHz - 455kHz）と1655kHzの両方の放送局を受信することになります。したがって、RF段は、IF周波数の2倍離れた局の受信レベルが著しく減衰するように設計する必要がある。このトラッキングは、マルチセクション可変コンデンサまたは共通の制御電圧で駆動されるバラクターを用いて行うことができる。RFアンプは入力と出力の両方に同調回路を備えている場合があり、3つ以上の同調回路をトラッキングする必要がある。実際には、RF周波数とLO周波数は厳密にトラッキングする必要があるが、完全にトラッキングする必要はない。^{[ 16 ] [ 17 ]}

真空管エレクトロニクスの時代、スーパーヘテロダイン受信機では、局部発振器とミキサーの機能を1つの真空管に統合することが一般的でした。これにより、消費電力、サイズ、そして特にコストが削減されました。1つのペンタグリッド変換管は、発振だけでなく、信号増幅と周波数混合も行います。^{[ 18 ]}

ミキサー管またはトランジスタは第1検波器と呼ばれることもあり、IF信号から変調信号を抽出する復調器は第2検波器と呼ばれる。^{[ 19 ]}デュアルコンバージョンスーパーヘテロダインには2つのミキサーがあるため、復調器は第3検波器 と呼ばれる。

IFアンプ

中間周波増幅器（IF増幅器またはIFストリップ）の各段は、受信周波数が変化しても変化しない固定周波数に調整されています。この固定周波数により、IF増幅器の最適化が容易になります。^{[ 13 ]} IF増幅器は中心周波数f _IFを中心に選択的に動作します。中心周波数が固定されているため、IF増幅器の各段を最適な性能が得られるように注意深く調整することができます（この調整はIF増幅器の「アライメント」と呼ばれます）。中心周波数が受信周波数に応じて変化すると、IF段はそれに合わせて調整する必要があります。スーパーヘテロダイン方式ではそうではありません。

通常、IF中心周波数f _IFは、所望の受信周波数範囲f _{RFよりも低い値に設定されます。これは、同調回路を用いて低い周波数で高い選択度を得る方が、より容易かつ安価だからです。一定の}Q値を持つ同調回路の帯域幅は周波数自体に比例します（さらに、低い周波数でより高いQ値を実現できます）。そのため、同じ選択度を得るために必要なIFフィルタ段数は少なくなります。また、低い周波数で高いゲインを得る方が、より容易かつ安価です。

しかし、広い周波数範囲で受信するように設計された多くの現代の受信機（スキャナやスペクトルアナライザなど）では、受信周波数よりも 高い第1のIF周波数が二重変換構成で採用されています。たとえば、Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF受信機は10kHzから30MHzをカバーしています。^{[ 17 ]}この受信機はバンドスイッチ型RFフィルタを備えており、入力を81.4MHzの第1のIFと1.4MHzの第2のIF周波数にミックスします。第1のLO周波数は81.4〜111.4MHzで、発振器としては妥当な範囲です。しかし、受信機の元のRF範囲を1.4MHzの中間周波数に直接変換する場合、LO周波数は1.4〜31.4MHzをカバーする必要があり、これは同調回路を使用して実現できません（固定インダクタ付きの可変コンデンサでは、500:1の容量範囲が必要になります）。このように高いIF周波数ではイメージ除去が問題になることはありません。第1中間周波数段では、12kHzの帯域幅を持つ水晶フィルタを使用します。第2周波数変換（トリプルコンバージョン受信機）では、81.4MHzの第1中間周波数と80MHzを混合して1.4MHzの第2中間周波数を生成します。第1中間周波数の帯域幅は2.8MHzよりはるかに狭いため、第2中間周波数のイメージ除去は問題になりません。

受信機への干渉を避けるため、免許当局は送信局に共通の中間周波数（IF）を割り当てることを避けています。標準的な中間周波数（IF）は、中波AMラジオでは455kHz、FM放送受信機では10.7MHz、テレビでは38.9MHz（欧州）または45MHz（米国）、衛星および地上マイクロ波機器では70MHzです。これらの部品に関連する金型コストを回避するため、ほとんどのメーカーは、提供周波数範囲を固定して受信機を設計する傾向があり、結果として中間周波数は世界的に事実上標準化されました。

初期のスーパーヘテロダインでは、中間周波段は再生段であることが多く、より少ない部品で感度と選択度を実現していました。このようなスーパーヘテロダインは、スーパーゲインナーまたはリジェネレダインと呼ばれていました。^{[ 20 ]}これはQマルチプライアーとも呼ばれ、特に選択度を向上させる目的で既存の受信機に小さな改造を施すものです。

IFバンドパスフィルタ

IF段には、所望の選択度を達成するために、フィルタおよび／または複数の同調回路が含まれる。このフィルタの帯域通過特性は、隣接する放送チャンネル間の周波数間隔と同等かそれ以下でなければならない。理想的には、フィルタは隣接チャンネルに対して高い減衰特性を持ちつつ、受信信号の品質を維持するために、所望の信号スペクトル全体にわたって平坦な応答を維持する。これは、1つまたは複数のデュアル同調IFトランス、水晶フィルタ、または多極セラミック水晶フィルタを使用することで実現できる。^{[ 21 ]}

テレビ受信機の場合、1941年に米国で初めて承認されたNTSC方式で使用されているような、残留側波帯受信に必要な高精度のバンドパス特性を実現できる技術は他にありませんでした。1980年代までに、マルチコンポーネントのコンデンサ・インダクタフィルタは、高精度の電気機械式表面弾性波（SAW）フィルタに置き換えられました。高精度レーザーミリング技術によって製造されるSAWフィルタは、製造コストが低く、非常に狭い許容誤差で製造でき、動作が非常に安定しています。

復調器

受信信号は復調器段で処理され、音声信号（またはその他のベースバンド信号）が復元され、さらに増幅されます。AM復調には包絡線検波が必要ですが、これは整流とローパスフィルタ（ RC回路のように簡単なものでも可）を使って中間周波数の残留物を除去することで実現できます。^{[ 22 ]} FM信号は弁別器、比率検波器、または位相同期回路を使って検出できます。連続波信号と単側波帯信号には、いわゆるビート周波数発振器を使った積検波器が必要で、変調の種類に応じて他の手法も使用されます。^{[ 23 ]}結果として得られた音声信号（例えば）は増幅され、スピーカーを駆動します。

いわゆるハイサイド注入（局部発振器の周波数が受信信号よりも高い場合（一般的））が使用されている場合、元の信号の周波数スペクトルは反転されます。単側波帯変調などの特定の変調方式の場合、復調器（およびIFフィルタリング）はこれを考慮する必要があります。

複数の変換

二重変換スーパーヘテロダイン受信機のブロック図

イメージ応答などの問題を克服するために、一部の受信機では、複数の連続した周波数変換段と、値の異なる複数のIF（中間周波数）を使用します。2つの周波数変換とIFを備えた受信機はデュアルコンバージョン・スーパーヘテロダインと呼ばれ、3つのIFを備えた受信機はトリプルコンバージョン・スーパーヘテロダインと呼ばれます。

これが行われる主な理由は、単一の IF では、低イメージ応答と選択性の間でトレードオフがあるためです。受信周波数とイメージ周波数の分離はIF 周波数の 2 倍に等しいため、IF が高いほど、入力からイメージ周波数を除去して低イメージ応答を実現する RF フィルタの設計が容易になります。ただし、IF が高いほど、IF フィルタで高い選択性を実現することが難しくなります。短波周波数以上では、低イメージ応答に必要な高 IF でのチューニングで十分な選択性を得ることが難しくなり、パフォーマンスに影響します。この問題を解決するには、2 つの IF 周波数を使用できます。最初に入力周波数を高 IF に変換して低イメージ応答を実現し、次にこの周波数を低 IF に変換して 2 番目の IF フィルタで良好な選択性を実現します。チューニングを改善するには、3 番目の IF を使用できます。

例えば、500kHzから30MHzまで同調できる受信機の場合、3つの周波数変換器が使用される可能性がある。^{[ 13 ]} 455kHz中間周波(IF)では、放送帯域(1600kHz以下)の信号に対して適切なフロントエンド選択度を得るのは簡単である。例えば、受信する放送局が600kHzの場合、局部発振器を1055kHzに設定すると、(-600+1055=)455kHzにイメージが生じる。しかし、1510kHzの放送局も(1510-1055=)455kHzにイメージを発生する可能性があり、イメージ干渉を引き起こす可能性がある。しかし、600kHzと1510kHzは非常に離れているため、1510kHzの周波数を除去するようにフロントエンドを設計するのは簡単である。

しかし、30MHz帯では状況が異なります。発振器は455kHzの中間周波数を生成するために30.455MHzに設定されていますが、30.910MHz帯の放送局も455kHzのビートを生成するため、両方の放送局を同時に受信できます。しかし、30MHzと30.91MHzを適切に識別できるRF同調回路を設計することは事実上不可能です。そこで、短波帯の帯域全体を「一括ダウンコンバート」して低い周波数にすることで、フロントエンドの適切なチューニングが容易になるというアプローチがあります。

例えば、29MHz～30MHz、28MHz～29MHzといった周波数帯域を2MHz～3MHzにダウンコンバートすれば、より容易にチューニングできます。これは通常、まず各「ブロック」を高い周波数（通常は40MHz）に変換し、次に2つ目のミキサーを用いて2MHz～3MHz帯域にダウンコンバートすることで実現されます。2MHz～3MHzの「IF」は、基本的に独立したスーパーヘテロダイン受信機であり、標準IF周波数は455kHzであることが多いです。

モダンなデザイン

マイクロプロセッサ技術により、スーパーヘテロダイン受信機の設計をソフトウェア定義無線アーキテクチャに置き換えることが可能になり、IFフィルタ以降のIF処理をソフトウェアで実装することが可能になります。この技術は、携帯電話に組み込まれた非常に低価格のFMラジオなど、特定の設計において既に利用されています。なぜなら、システムには既に必要なマイクロプロセッサが搭載されているからです。

無線送信機は、ミキサー ステージを使用して出力周波数を生成する場合もあり、これはスーパーヘテロダイン受信機の逆として動作します。

メリットとデメリット

スーパーヘテロダイン受信機は、基本的にそれ以前の受信機設計に取って代わった。現代の半導体エレクトロニクスの発達は、より少ない真空管を使用する設計（再生受信機など）の利点を打ち消した。スーパーヘテロダイン受信機は、優れた感度、周波数安定性、選択性を提供する。同調型無線周波数受信機（TRF）設計と比較すると、同調可能な発振器は同調可能な増幅器よりも容易に実現できるため、スーパーヘテロダイン受信機はより安定した性能を提供する。より低い周波数で動作させると、IFフィルタは同等のRFフィルタよりも同じQ値でより狭い通過帯域を提供することができる。固定IFにより、同調できない水晶フィルタ^{[ 13 ]}や同様の技術を使用することもできる。再生受信機と超再生受信機は高感度を提供したが、安定性の問題に悩まされることが多く、操作が困難であった。

スーパーヘテロダイン設計の利点は圧倒的ですが、実際には対処する必要がある欠点もいくつかあります。

画像周波数（f _IMAGE）

スーパーヘテロダインにおけるイメージ応答の問題を示すグラフ。横軸は周波数、縦軸は電圧です。適切なRFフィルタがない場合、イメージ周波数の信号S2 （緑）は、所望の無線信号S1 （青）と共にIF周波数にもヘテロダイン化されるため、両方ともIFフィルタ（赤）を通過します。つまり、S2はS1に干渉します。${\displaystyle f_{\text{画像}}}$ ${\displaystyle f_{\text{IF}}}$ ${\displaystyle f_{\text{RF}}}$

スーパーヘテロダイン受信機の大きな欠点の一つは、イメージ周波数の問題です。ヘテロダイン受信機において、イメージ周波数とは、放送局の周波数に中間周波数の2倍を加算（または減算）した周波数に等しい不要な入力周波数です。イメージ周波数によって2つの放送局が同時に受信され、干渉が発生します。イメージ周波数での受信は、スーパーヘテロダイン受信機のアンテナとRF段におけるチューニング（フィルタリング）によって対処できます。

^{[ 24 ]}${\displaystyle f_{\mathrm {IMAGE} }={\begin{cases}f_{\mathrm {RF} }+2f_{\mathrm {IF} },&{\text{if }}f_{\mathrm {LO} }>f_{\mathrm {RF} }{\text{ (ハイサイド注入)}}\\f_{\mathrm {RF} }-2f_{\mathrm {IF} },&{\text{if }}f_{\mathrm {LO} }<f_{\mathrm {RF} }{\text{ (ローサイド注入)}}\end{cases}}}$

例えば、580kHzのAM放送局を455kHzの中間周波数を持つ受信機で受信する場合、局部発振器は580+455= 1035kHzに同調されます。しかし、580+(2×455)= 1490kHzの信号も局部発振器から455kHz離れているため、目的の信号とイメージは局部発振器と混合され、中間周波数に現れます。このイメージ周波数はAM放送帯域内にあります。実際の受信機は、コンバータの前段に同調段を備えており、イメージ周波数信号の振幅を大幅に低減します。さらに、同じエリアの放送局は、このようなイメージを避けるための周波数割り当てを受けています。^{[ 25 ]}

不要な周波数は、目的周波数の鏡像（イメージ）と呼ばれます。これは、目的周波数の鏡像を約 で反射したものであるためです。入力側のフィルタリングが不十分な受信機は、目的周波数とイメージ周波数という2つの異なる周波数の信号を同時に受信してしまいます。イメージ周波数で受信された無線信号は、目的信号の受信に干渉する可能性があり、イメージ周波数周辺のノイズ（静電気）は受信機の信号対雑音比（SNR）を最大3dB低下させる可能性があります。 ${\displaystyle f_{LO}\!}$

初期のオートダイン受信機は、通常150kHz程度の中間周波数しか使用していませんでした。そのため、ほとんどのオートダイン受信機は、イメージ干渉を回避するために、フロントエンドの選択度を高める必要があり、多くの場合、二重同調コイルが使用されました。その後、より高い周波数で良好な増幅性能を発揮できる真空管が開発され、より高い中間周波数が使用されるようになり、イメージ干渉の問題は軽減されました。一般的な民生用ラジオ受信機は、RF段に単一の同調回路しか備えていません。

イメージ周波数に対する感度を最小限に抑えるには、(1)ミキサーの前段にフィルタを配置するか、(2)イメージを抑制するためのより複雑なミキサー回路^{[ 26 ]}を使用するしかないが、これはめったに使用されない。単一のIF周波数を使用するほとんどのチューナブル受信機では、RF段のRFフロントエンドに少なくとも1つの同調回路が含まれており、その同調は局部発振器と連動して行われる。最初の変換で固定局部発振器を使用するダブル（またはトリプル）コンバージョン受信機では、これはむしろ、最初のIF周波数範囲にマッピングされる周波数範囲に対応する固定バンドパスフィルタである可能性がある。

イメージ除去は、受信機の中間周波数を選択する上で重要な要素です。バンドパス周波数とイメージ周波数の差が大きいほど、バンドパスフィルタは干渉イメージ信号を減衰させます。バンドパス周波数とイメージ周波数の差は であるため、中間周波数を高くするとイメージ除去性能が向上します。固定同調RF段でイメージ信号を除去できるほど高い第1中間周波数（IF）を使用できる場合もあります。 ${\displaystyle 2f_{\mathrm {IF} }\!}$

受信機がイメージ周波数における干渉信号を除去する能力は、イメージ除去比によって測定されます。これは、受信周波数における信号に対する受信機の出力と、イメージ周波数における等強度信号に対する受信機の出力との比（デシベル単位）です。

局部発振器放射

局部発振器からの迷走放射を、近くの受信機が検知できるレベル以下に抑えることは困難な場合があります。受信機の局部発振器がアンテナまで届く場合、受信機は低出力のCW送信機として機能します。その結果、受信機として機能するはずの機器自体が無線干渉を引き起こす可能性があります。

諜報活動において、局部発振器の放射は、秘密受信機とその動作周波数を検出する手段となります。この方法は、MI5がRAFTER作戦で使用しました。^{[ 27 ]}この技術は、レーダー探知機が違法である地域で交通警察が使用する レーダー探知機にも使用されています。

局部発振器からの放射は、アンテナ信号がミキサー（ミキサー自体が局部発振器信号を受信）に直接接続されている受信機で最も顕著であり、中間にRF増幅段が介在する受信機では顕著ではありません。したがって、安価な受信機や、RF増幅段の実装が困難な高周波数（特にマイクロ波）の受信機では、局部発振器からの放射がより大きな問題となります。

局部発振器のサイドバンドノイズ

局部発振器は通常、振幅変調が無視できる単一周波数信号を生成しますが、ランダム位相変調によって信号エネルギーの一部が側波帯周波数に拡散します。これにより受信機の周波数応答が広がり、低速デジタル信号を受信するような非常に狭帯域な受信機を実現するという目的が達成できなくなります。発振器の位相ノイズを最小限に抑えるには、通常、発振器が非線形モードにならないように注意する必要があります。

参照

• 自動利得制御 - 信号強度を自動的に調整する電子回路
• 復調器 – 搬送波から元の情報信号を抽出するプロセスリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• ダイレクトコンバージョン受信機 – 無線設計の種類リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• H2Xレーダー – 第二次世界大戦中に使用されたアメリカの地上走査レーダーシステムリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 光ヘテロダイン検波 - 電磁放射における情報方式
• 反射受信機
• RFフロントエンド – 無線受信機サブシステム
• 単側波帯 - 搬送波を用いて情報を伝送する電子的な方法リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• スーパーヘテロダイン送信機 – 中間周波数を使用する送信機
• 同調型無線周波数受信機 - 増幅段と検波器を備えた無線受信機
• VFO  – 周波数を一定範囲で調整できる発振器リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

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• スーパーヘテロダイン受信機の詳細な紹介
• スーパーヘテロダイン受信機（microwaves101.comより） 2010年11月26日アーカイブ（Wayback Machineより）
• スーパーヘテロダイン受信機とその技術を解説した複数ページのチュートリアル