スーパーヘテロダイン
Superheterodyne, Superhet

市販のトランジスタラジオは、販売当初から、ほとんどがスーパーヘテロダイン(SH)という方式を採用しています。この方式はラジオの受信回路の一つで、方式自体は真空管の時代からあるものです。現在、ラジオのみならず多くの通信機器に広く使用されている方式です。

戦前の日本では、再生式と呼ばれる受信に調整が必要なもののシンプルで安価なラジオが主流で、感度は高く操作不要な一方で、複雑で高価なSH方式は、戦前は日本ではあまり普及していなかったようです。しかし、戦後、GHQが再生方式のラジオの製造をGHQが禁止したことから、ほとんどのラジオはSH方式となりました。禁止の理由は、感度を上げるために行っている正帰還が強すぎると、ラジオ自身が電波発振器となり妨害電波を発生させ、軍用通信の障害となったためのようです。

上の写真はソニーの古いラジオ(TR-6, 1956)のチラシですが、技術としてのスーパーヘテロダインを売り文句にしています。トランジスタラジオが発売されだした頃、前述の通り真空管ラジオはほぼSH方式でしたが、トランジスタラジオは、低価格化のため二石程度しか使っていないシンプルな（性能の悪い）ラジオも出回っており、それに対する売り文句として使われていたようです。そのうち、6石のスーパーラジオが当たり前になるにつれて、わざわざ技術の名前として名前が出されることも無くなったようです。

概要

• アンテナからの信号（高周波）や、そこから取り出した音声信号（低周波）をそのまま増幅するタイプのラジオはストレートラジオと呼ばれており、前出の二石のラジオ等にはこのような回路が使用されていました。これに対して、スーパーヘテロダイン方式では、アンテナから得られた電気信号の周波数を、別の中間周波数(中波の場合は455kHzが多いです）に変換して増幅しており、これによって選択度や感度を実現しています。
• ストレートラジオには以下の2つの課題があり、性能を大きく上げることが難しい面があります。
  • 感度を上げるために高周波増幅の増幅度を上げると、増幅された信号が流れる際に発生してしまう電波がアンテナに戻って正帰還されることにより発振してしまうため、増幅度は余り上げられない。
  • 放送波は、中波の場合で搬送波±7.5kHzの範囲に音声成分が含まれており、選択度を上げるためには、同調で切り出す周波数をこの範囲に近づけることが望ましい。しかし、LC共振での同調では、ピークの鋭さは、周波数に比例するため、異なった周波数で鋭さを一定に保つことが難しい。
    （並列共振のQ値=鋭さの指標は、ω₀共振周波数　C:インダクタンス　R:並列抵抗成分　として、Q=ω₀CRで表される。）
• SH回路では、放送局により異なった受信周波数を、それに依らない一定の周波数に変換してから増幅することで、上記の2つの問題を回避しています。放送波とは異なる周波数を増幅することで、発振の問題も回避できますし、常に決まった周波数を取り扱うことで、共振回路の切り出し幅が周波数から受ける影響も回避できます。SHは下の図のようなブロックになっています。発振回路の信号と混合することによる周波数の変換と、目的の周波数のみ切り出して増幅する中間周波増幅の二つの部分の回路がミソになっています。

  

スーパーヘテロダイン発明の経緯

ヘテロダイン

スーパーヘテロダインの前に、無線通信においてヘテロダインという現象が発見され、利用されていました。ヘテロダインは2つの周波数から別の周波数を得るという意味（Hetero=異なる,Dyne=力）のようで、1905年にカナダの発明家フェッセンデンが発見して名付けました。

• 無線の黎明期であったこの頃、無線通信はモールス符号を用いたもので、可聴の信号があるか無いかどちらかのモードしかありませんでした。初期の送信機は、電気スパークで発生する高周波を用いた火花送信機と言われるものでした（落雷時の雑音と原理は同じです）が、この送信機は出力をあげることが困難でした。
• これに対して、1904年にアメリカGE社のアレキサンダーソンが、「高周波発電機」と呼ばれる装置を発明し（高周波といっても20kHz程度だったようですが）、大出力の高周波（電波）を発生させられるようになりました。日本でも東芝が1920年に軍事用として同様の装置を独自技術で生産しています。ただ、この発電機は周波数が高い正弦波を出力するもので、発信波を受信してそのまま再生しても、可聴周波数でないため聞こえないという問題がありました。
• 1905年にフェッセンデンは、この発電機を周波数を微妙に変えて、2個同時に動作させると、それらの周波数の差の音が得られることを発見し、前述の通りヘテロダインという名前を付けました。例えば、20kHzと22kHzからは2kHzのいわゆる「うなり」が得られ、この周波数は人間が聴くことができるため、モールス符号を表現できるというものです。送信機2台という訳にはいきませんので、いわゆるBFO(Beat Frequency Oscillator)のように、このケースであれば、受信機側で22kHzの発振器を置くことで実用化されました。
• 下のグラフは、1番目が20kHz, 2番目がが22kHzのサインカーブで、3番目が足し合わせたものです(実際の信号ではなくて、LTSpiceによるシミュレーションです)。周期500μm(=周波数で2kHz)で強弱が現れていることがわかります。ここで得られる2kHzの音声信号は、波の干渉による「うなり」で周期的な振幅の強弱が発生し、これを人間が2kHzの音として感知できるというもので、2つの正弦波を足し合わせたものなので、スペクトラムとしては含まれる波は20kHと22kHzのみです。

  

スーパーヘテロダイン

スーパーヘテロダインの原理は、その頃、無線の開発に携わっていた幾人かの研究者が発見していたと言われていますが、そのなかで、最初に特許を取得したアームストロングが、発見者として扱われることが多いようです。もともとはラジオ放送ではなく、軍事用途の無線を利用した方向探知機に応用されました。発見者たちは、再生式のラジオ（本来は発振ギリギリ手前で使用する）が発振してしまった際に、その近くの別の受信機で、本来の周波数以外で放送が受信できることに気が付いたことがきっかけと言われています。

• フェッセンデンが発見したヘテロダインと異なり、可聴域ではない周波数への変換が行われていることから、超音波（supersonic)のスーパーから、スーパーヘテロダインと名づけられたとされていますが、スーパーの意味合いについては、いろいろと諸説あるようです。
• この現象はヘテロダインに似ていますが、原理が異なり、得られる信号も異なります。信号の演算は2つの周波数の和ではなく積です。得られる信号は、2つの周波数の和と差の周波数の2つの正弦波を含んでいます。先ほどの図の4番目が20kHzと22kHzの積の信号で、44kHz(周期22.7μs)の密な波が、2kHz(周期500μs)の粗な波を作る形になっています。この波のスペクトル解析すると、2kHz(*), 44kHzの2つの波に分解されます。
  
  (*)2kHzは可聴域ですので、サンプルとしてネーミングの元になった超音波ではないのですが、原理的はお話ということでご理解ください。
• 数式的には、以下の、三角関数の積和の公式で説明されます。

  

  上の例は正弦波の話ですが、実際の放送波は、正弦波の搬送波に変調をかけて音声信号載せているため、もっと複雑です。しかし、原理的には変調された放送波も、正弦波の和に分解されるため、結果的には全部の成分が相応する周波数に変換されることになります。

ラジオへの実装

• 単純な足し算と異なり、信号の純粋な掛け算をアナログ回路で構成するのは、複雑な回路となるそうです。実際のラジオにおいては、足し合わせた信号を、トランジスタ等の非線形的な処理が行われる素子を通し、そのなかから積の成分を取り出すことで実現しています（混合、ミキサー）。トランジスタはベースエミッタ間の電圧Vbeに対応した電流Iがコレクターを流れますが、入力（ベースエミッタ間電圧）に対して電流出力は直線（線形、比例）ではなく、近似的には以下の式で現れます。

  

  この入力に周波数の異なる2つの正弦波の和を入力すると、そこにはこの2つの波の周波数の差と和の正弦波が、成分として含まれています。
• 数式的には、次のような説明がされています。上の指数関数や三角関数など、特定の条件に当てはまる関数は、べき乗項の無限級数の和で表すことができるというものがあります（マクローリン展開）。

  

  この展開式にはx²の項が含まれ、その係数のf''(0)=1ですので、これに2つの波を足し合わせた

  

  を代入すると、

  

  で、入力された2つの正弦波の積の項が得られることが分かります。実際にはこの項以外に、いろいろな成分を含んでいるため、フィルターを使い必要な部分のみを使います。
• スーパーヘテロダインの中間周波数は、局発の周波数で決定されますので、選局は局発の周波数を変更することで行います。原理的にはこれだけでも受信できることになりますが、信号波の入力を、できるだけ目的の周波数に限定することで、選択度や混信防止を図っています。
• そのために、局発の周波数変更に合わせて、同調周波数も変更しており、そのため、同軸２連バリコンが使用されています。ラジオの調整のトラッキングと呼ばれる操作は、この局発周波数と同調周波数を、受信範囲内でできるだけ一致させる調整になります。

中間周波数

• 混合回路、ミキサーをから出てくる信号は、目的とする周波数差以外のに、いろいろな周波数成分を含んでいますので、中間周波増幅の回路は、まずそこから欲しい周波数成分だけを取り出してから増幅します。トランジスタラジオでは、トランス・コンデンサーの共振回路や、セラミックフィルターが主に用いられています。
• MWでは、中間周波数は450kHz近辺が一般に使用されています。JIS C6004(1974)では455kHzと規定されており、基本的には455kHzでしたが、後で出てきますように技術の移り変わりにより、市場にはそれ以外のラジオも多くなってきたことから、2019年にこの規格は廃止されています。戦前ははっきりとした規格はなくまちまちだったみたいですが、MWには175kHz, SWは455kHzが比較的多かったみたいです。戦後、規格統一された当時のアメリカに倣って（部品の輸出という面でも合わせる必要があり）455kHzが広く用いられ、1950年に規格として定められています。
• 技術的な面での中間周波数IFの選定の条件としては、まず受信する放送とかぶらないよう、目的の放送帯(AMだと525-1605kHzぐらい)からは外す必要があります。選択肢としては、放送帯の上側と下側がありますが、増幅する周波数を下げたい当初のメリットからも、低い側の500kHzあたり以下という条件があげられます。
• 低い側については、低すぎると影像（イメージ）という問題が発生します。この現象は、例えば1000kHzを受信するために、局発を1455kHzとすると、その差の455kHzのIFが得られますが、この局発の1455kHzは1910kHz（受信周波数 + 2 x IF）信号も455kHzに変換させるため、混信するというものです。受信波は、最初に同調回路で目的の周波数に絞りますが、羊羹を切るようにはようには切り出せません。このケースでは、910kHz離れてますので十分に分離できますが、IFを小さくするほど混信する信号が強くなってしまいます。
• それで、500kHzよりも低くてなるべく高い周波数で、さらに他の用途でも使われてない周波数ということで（この周波数帯は一部、船舶無線に使われているようです）、450kHz近辺の周波数が使われてきたようです。アメリカでは、世界大恐慌後の1930年始め頃、メーカーが部品の標準化による受信機のコストダウンを目的に規格化されたとき455kHzが採用されたようです。なぜ455kHzかついては、諸説ありはっきりしないようですが、JJ1GRK Homepage「中間周波数についての一考察」http://jj1grk.c.ooco.jp/if_freq.htmに情報・考察があります。
• 1970年代ぐらいまでは、中間周波数はラジオ本体に表記されているケースが多いです。下の写真は、1958年発売のTR-83です。

  

• 最近のラジオは、450kHzが多く使用されているようです。これは、1978年にMWの放送周波数の間隔が10kHzから9kHzへと変更され、1980年代から採用され始めたPPLと呼ばれる同調方式では、間隔の9kHzに合わせて9の倍数の方が取り扱いやすいからによるものようです。ICR-10Sは、1982年発売で1ICの通常のバリコン同調のラジオですが、部品共用のためなのか方針の変更なのか、すでに450kHzのセラミックフィルタが使用されています。
• 最近のソニーのラジオに、うんと低い中間周波数が使用されているものがあります。前述の通りの低いIFはディメリットも多いのですがミキサー等を工夫して、周波数を下げてIC内で実装できる半導体回路のフィルタで処理することで、IFトランスやセラミックフィルター等の大物外付けパーツの削減を達成しています。CXA1600はAMラジオ用ICですが、IFは55kHzとなっているようです。
• CXA1129は、AM/FMステレオのラジオ用ICで、FMのIFは150kHz, AMは55kHzになっています。後者はブロックフローを見ると、π/2位相のずれた局発を用いて、低いIFを用いたときに問題となるイメージの影響を抑制する、複素ミキサーと呼ばれるミキサーが使用されています。

ダブルスーパー(デュアルコンバージョン)

イメージ(影像)と中間周波数

ストレートラジオの欠点をカバーするスーパーヘテロダインですが、原理上、イメージと呼ばれてる、目的としない信号が入り込む場合があります。受信波1000kHzの場合、局発が1455kHzで中間周波数455kHzが得られますが、同じ原理で1910kHz(受信周波数に中間周波数の2倍を加えたもの)も差が455kHzとなるため、同じように455kHzに変換されてしまい、障害となります。

この場合は、1000kHzと1910kHzで周波数が2倍近く離れていますので、周波数変換に掛ける前に、受信信号をバーアンテナとバリコンでフィルタリングしてこの影響を防いでいます。しかし、周波数がSW帯まで上がって10MHzとなると、10.91MHzがイメージとなりますが、10MHzに近接してくることからフィルター等での分離が十分ではなくなってきます。

この対応として、IFを高く設定することが考えられます。IFを10.7MHzとすれば、イメージは31.4MHzですので、変換前のフィルタは容易になります。一方で、中間周波数のフィルタについては、局間周波数を10kHzとすると、455kHzの場合は445-465kHz(+/-2.2%)が切り出す目標になりますが、10.7MHzとした場合は、10.690-10.710MHz(+/-0.093%)のフィルターが必要にあり、安価・容易な実現が難しいです。

ダブルスーパー(デュアルコンバージョン)

前述の通り、IFが低いとイメージの除去が難しく、高いと今度は近傍局の除去が難しいというトレードオフがあります。ダブルスーパーは周波数変換を2回行うことで、双方を両立させようというものです。

10MHzの受信波に対して、1段目は10.7MHz等の高いIFを取ることで、イメージの分離を容易にします。局発は20.7MHzとすると中間周波数は10.7MHz, イメージ周波数は31.4MHzとなります。周波数変換前の放送波を、LC同調でフィルタリングすることで、10MHzと31.4MHzのフィルタリングは容易です。

1段目で変換されたIF1は、イメージは除去されていますが、近傍局の信号を含んでいます。そのままフィルタリングするのは難しいため、2回目の周波数変換を行い455kHzとします。これにより、近傍局のフィルタリングが容易になります。

どの段を同調させるのか、IFを固定とするのかなどで、種類がいくつかあります。ICF5900では、

FMではIF=10.7MHzが一般的です。FMはステップ100kHz, 帯域75kHzですが、SWはステップ5kHz, 帯域幅15kHzと、フィルタリングのハードルが各段に高く、高IF化も単純に行うことができず、対応の一つとして、次項にありますダブルスーパー、デュアルコンバージョンが使われることがあります。

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2019/01/04
Last update : 2024/04/12