Радиоприёмник

Радиоприёмные устройства делятся по следующим признакам:

• по основному назначению: радиовещательные, телевизионные, связные, пеленгационные, радиолокационные, для систем радиоуправления, измерительные и др.;
• по роду работы: радиотелеграфные, радиотелефонные, фототелеграфные и т. д.;
• по виду модуляции, применяемой в канале связи: амплитудная, частотная, фазовая, однополосная (разные виды), импульсная (разные виды);
• по диапазону принимаемых волн, согласно рекомендациям МККР:
  • мириаметровые волны — 100-10 км, (3 кГц-30 кГц), СДВ
  • километровые волны — 10-1 км, (30 кГц-300 кГц), ДВ
  • гектометровые волны — 1000—100 м, (300 кГц-3 МГц), СВ
  • декаметровые волны — 100-10 м, (3 МГц-30 МГц), КВ
  • метровые волны — 10-1 м, (30 МГц-300 МГц), УКВ
  • дециметровые волны — 100-10 см, (300 МГц-3 ГГц), ДМВ
  • сантиметровые волны — 10-1 см, (3 ГГц-30 ГГц), СМВ
  • миллиметровые волны — 10-1 мм, (30 ГГц-300 ГГц), ММВ
  • приёмник, включающий все широковещательные диапазоны (ДВ, СВ, КВ, УКВ) называют всеволновым.
• по принципу построения приёмного тракта: детекторные, прямого усиления, прямого преобразования, регенеративные, сверхрегенераторы, супергетеродинные с однократным, двукратным или многократным преобразованием частоты;
• по способу обработки сигнала: аналоговые и цифровые;
• по применённой элементной базе: на кристаллическом детекторе, ламповые, транзисторные, на микросхемах;
• по исполнению: автономные и встроенные (в состав др. устройства);
• по месту установки: стационарные, бортовые, носимые;
• по способу питания: сетевое, автономное или универсальное.

• чувствительность
• избирательность (селективность)^[7][8]
• уровень собственных шумов^[9]
• динамический диапазон
• помехоустойчивость
• стабильность

В самом общем виде принцип работы радиоприёмника выглядит так:

• колебания электромагнитного поля (смесь полезного радиосигнала и помех разного происхождения) наводят в антенне переменный электрический ток;
• полученные таким образом электрические колебания фильтруются для отделения требуемого сигнала от нежелательных (помех);
• из сигнала выделяется (детектируется) заключённая в нём полезная информация;
• полученный в результате сигнал преобразуется в вид, пригодный для использования: звук, изображение на экране телевизора, поток цифровых данных, непрерывный или дискретный сигнал для управления исполнительным устройством (например, телетайпом или рулевой машиной) и т. д.

В зависимости от конструкции приёмника сигнал в его тракте может проходить, кроме детектирования, многоэтапную обработку: фильтрацию по частоте и амплитуде, усиление, преобразование частоты (сдвиг спектра), оцифровку с последующей программной обработкой и преобразованием в аналоговый вид^[10].

В 1887—1888 годах немецкий физик Генрих Герц построил искровой передатчик радиоволн (радиопередатчик) с катушкой Румкорфа и полуволновой дипольной передающей антенной (первый в мире радиопередатчик) и искровой приёмник радиоволн (первый в мире радиоприёмник), осуществил первую в мире радиопередачу и радиоприём радиоволн, доказал существование радиоволн, теоретически предсказанное Максвеллом на основе работ Фарадея и изучил некоторые основные свойства радиоволн (прохождение, поглощение, отражение, преломление, интерференция, стоячая волна и др.)^[11].

В 1894 г., 14 августа, Лодж и Александр Мирхед на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфордском университете произвели первую успешную демонстрацию радиотелеграфии. В ходе демонстрации радиосигнал азбуки Морзе был отправлен из лаборатории в соседнем Кларендоновском корпусе и принят аппаратом на расстоянии 40 м — в театре Музея естественной истории, где проходила лекция^[12]. Изобретённый Лоджем радиоприёмник — «Прибор для регистрации приёма электромагнитных волн» — содержал когерер (кондуктор), источник тока, реле и гальванометр^[13]. Когерер представлял собой стеклянную трубку, набитую металлическими опилками («трубка Бранли»), которые для восстановления чувствительности к «волнам Герца» следовало периодически встряхивать; для этой цели использовался электрический звонок или механизм с молоточком-зацепом (собственно, этой комбинации трубки с «прерывателем»-трамблёром Лодж и дал название «когерер»)^[14].

В СССР датой рождения радио считалось 7 мая 1895 года, когда А. С. Попов продемонстрировал радиоприёмник (грозоотметчик) на заседании Русского физико-химического общества. Первая публикация сообщения о «разрядоотметчике Попова» сделана Д. А. Лачиновым во втором издании его учебника «Основы метеорологии и климатологии» (июль 1895)^[15].

В конце декабря 1899 — январе 1900 года построена первая линия радиосвязи протяжённостью 43,6 км, соединявшая остров Гогланд и город Котка^[16]. В период Первой мировой войны начинают применяться электронные лампы и получает развитие приёмник прямого усиления^[17].

В 1917—1918 гг. во Франции (Л. Леви), в Германии (В. Шоттки) и в США (Э. Армстронг) был предложен принцип супергетеродинного приёма. Из-за несовершенства тогдашних электронных ламп супергетеродин не мог быть качественно реализован^[18].

В 1929—1930 гг. с появлением радиоламп с экранной сеткой (тетродов и пентодов) супергетеродинный приёмник становится основным типом^[18].

В 1950—1960-х годах распространяются транзисторные радиоприёмники. В 1952—1953 годах немецкий физик Герберт Матаре выпустил в Германии, при поддержке промышленника Якоба Михаэля, опытную партию «транзистронов» (точечный транзистор) и представил публике первый радиоприёмник на четырёх транзисторах. Первый в мире коммерческий полностью транзисторный приёмник Regency TR-1 поступил в продажу в США через год, в ноябре 1954 г^[19].

С середины 1970-х гг. начинается широкое применение в приёмниках интегральных микросхем, а во второй половине XX века лампы во всех основных элементах приёмного тракта были заменены полупроводниковыми приборами^[20].

С конца XX — начала XXI века основным направлением развития радиоприёмников стало программно-определяемое радио (SDR, software-defined radio): в таких приёмниках значительная часть обработки сигнала — фильтрация, преобразование частоты, детектирование — выполняется не аналоговыми цепями, а программно, цифровым сигнальным процессором^[20].

В 2005 году фирма Silicon Labs выпустила Si4700 — первую в отрасли однокристальную микросхему FM-тюнера на полностью цифровой CMOS-технологии, интегрирующую весь приёмный тракт от антенного входа до стереоаудиовыхода (занимающую менее 20 мм²); появление первого «радио на чипе» (Radio-on-a-Chip) оценивается как революция в радиоприёмной технике, а к 2011 году компания отгрузила миллиардный DSP-чип радиоприёмника^[21].

Современные приёмники выпускаются в виде однокристальных микросхем, содержащих весь приёмный тракт, включая синтезатор частот, АЦП, декодеры стерео и RDS, и управляются по шине I2C от внешнего или встроенного микроконтроллера^[22]. Примерами таких чипов являются SI473X, RDA5807M и KT0915. Чипы встраиваются в смартфоны, MP3-плееры, автомобильную и бытовую аппаратуру, а также в системы «интернета вещей»; нередко радиоприёмная часть входит в состав системы на кристалле (SoC) как один из функциональных блоков^[23]. Миниатюризация привела к тому, что приёмник перестал быть отдельным устройством: радиоприёмные модули малой мощности используются на коротких расстояниях в беспроводных наушниках и гарнитурах Bluetooth (работающих в диапазоне 2,4–2,4835 ГГц), компьютерной периферии, пультах и датчиках^[24].

На рубеже 2020‑х годов в развитии радиоприёмной техники ключевое значение приобрели концепции когнитивного радио и нейросетевых приёмников. Когнитивное радио предполагает автоматическую адаптацию параметров приёма к текущей помеховой обстановке: устройство анализирует радиоэлектронную обстановку, прогнозирует состояние канала связи и корректирует рабочие характеристики; реализация данной концепции базируется на архитектуре программно‑определяемого радио (SDR)^[25]. В системах мобильной связи поколений 5G и 6G отдельные этапы обработки сигнала в приёмном тракте — в частности, оценку и выравнивание канала, а также демаппирование (англ. demapping) — реализуют с применением алгоритмов машинного обучения; соответствующие решения, именуемые «нейроприёмниками», проходят экспериментальную апробацию в аппаратуре ведущих производителей радиотехнического оборудования^[26]. Перспективным направлением считается машинное обучение на радиочастотах (RFML), применяемое для классификации видов модуляции, идентификации источников излучения и распознавания «радиоотпечатков» передатчиков по I/Q‑данным^[27]. Кроме того, методы нейросетевой обработки исследуются для улучшения традиционных характеристик радиоприёмных устройств — в частности, для расширения динамического диапазона цифровых приёмников^[28].