Radyo Alıcıları Nasıl Çalışır? Kristalden Süperheterodine

Hiç güç kaynağı olmadan, sadece havadaki sinyalin enerjisiyle çalışan bir alıcı yapmak mümkün, ve bu aslında radyoculuğun en eski ve en öğretici deneylerinden biri. Antene çarpan elektromanyetik dalga, antende çok küçük bir gerilim (mikrovolt seviyesinde) indükliyor. Bu sinyal önce bir rezonans devresinden (bir bobin ve değişken bir kondansatörden oluşan LC devresi, bunu ayrı bir yazıda ayrıntılı anlatmıştım) geçiyor. Bu devre, istediğiniz istasyonun frekansına ayarlandığında sadece o frekansı güçlü şekilde geçiriyor, diğerlerini büyük ölçüde eliyor.

Sonrasında bir diyot devreye giriyor. Diyot, gelen yüksek frekanslı AM sinyalinin sadece bir yarısını (pozitif veya negatif) geçiriyor, yani sinyali "doğrultuyor". Bunun ardından basit bir alçak geçiren filtre (küçük bir kondansatör), yüksek frekanslı taşıyıcıyı süzüp geriye sadece ses bilgisini bırakıyor. Bu işleme demodülasyon diyoruz, ve kristal radyoda bunu tamamen pasif bileşenlerle, hiçbir güç kaynağı kullanmadan yapıyorsunuz. Çıkan sinyal son derece zayıf olduğu için, yüksek dirençli bir kulaklıkla dinleniyor.

Kristal radyonun iki büyük açığı var. Birincisi, hiç güçlendirme (amplifikasyon) yok — sinyal ne kadar zayıfsa, kulağınıza o kadar zayıf ulaşıyor, güçlü yerel istasyonlar dışında pratikte pek bir şey duyamıyorsunuz. İkincisi, tek bir LC devresiyle sağlanan seçicilik (istenen istasyonu komşularından ayırma yeteneği) sınırlı. Bant kalabalıklaştıkça, yan yana duran iki istasyon birbirine karışmaya başlıyor.

Bu iki sorunu çözmenin en bariz yolu, sinyali önce güçlendirip sonra daha keskin filtrelerden geçirmek gibi görünüyor. Ama burada pratik bir güçlük çıkıyor: bir alıcıyı 550 kHz'de de, 1600 kHz'de de, aynı kalitede keskin filtrelemek isterseniz, bandın her noktasında ayrı ayrı optimize edilmiş devrelere ihtiyacınız olur — bu hem pahalı hem de pratikte gerçekleştirmesi zor bir mühendislik problemi. İşte 1918'de, Amerikalı mühendis Edwin Armstrong'un ortaya koyduğu çözüm tam olarak burada devreye giriyor.

Armstrong'un fikri, aslında zekice bir hile: hangi istasyonu dinlemek isterseniz isteyin, alıcının içinde sinyali her zaman aynı sabit frekansa indirin. Böylece filtreleme ve güçlendirme işini, bandın her noktası için değil, sadece o tek sabit frekans için, bir kere ve çok iyi optimize edersiniz. Bu sabit frekansa Ara Frekans (Intermediate Frequency, IF) deniyor, ve AM yayın alıcılarında tarihsel olarak yerleşmiş standart değer 455 kHz (FM yayın alıcılarında ise genelde 10,7 MHz kullanılır).

Bu sabit frekansa inme işini yapan parça karıştırıcı (mixer), ve karıştırıcının ihtiyaç duyduğu ikinci sinyali üreten parça da lokal osilatör. Lokal osilatör, dinlemek istediğiniz istasyonun frekansının her zaman IF kadar üzerinde bir frekans üretiyor. Siz istasyon değiştirdikçe (yani değişken kondansatörü çevirdikçe), lokal osilatör de otomatik olarak takip edip aynı farkı koruyor — bu yüzden iki kademe (RF giriş devresi ve lokal osilatör) genelde tek bir "çift ganjlı" değişken kondansatörle birlikte ayarlanır.

Bir karıştırıcıya iki farklı frekans verdiğinizde, çıkışta orijinal iki frekansı değil, onların toplamını ve farkını içeren yeni bileşenler elde edersiniz. Bu, trigonometrideki çarpım-toplam özdeşliklerinden gelen, tüm karıştırıcı devrelerin temelini oluşturan bir davranış.

Buradaki asıl güzellik şu: siz frekans düğmesini çevirip 1200 kHz'lik başka bir istasyona geçtiğinizde, lokal osilatör de otomatik olarak 1655 kHz'e kayıyor (yine 455 kHz fark korunuyor), ve IF filtre yine değişmeden aynı 455 kHz'i işliyor. Bant boyunca hangi istasyonu seçerseniz seçin, alıcının "asıl işi yapan" kısmı hiç değişmiyor.

Süperheterodin mimarisinin bir de "faturası" var: SWL yazımda kısaca değindiğim ayna frekans (image frequency) sorunu. Karıştırıcı, sadece istediğiniz istasyonla lokal osilatörün farkını almıyor; lokal osilatörden IF kadar uzakta olan başka bir frekans da, tesadüfen aynı IF değerini üretebiliyor.

Bu yüzden iyi alıcı tasarımlarında, karıştırıcıdan önce bir RF ön-seçici filtre bulunur — bu filtrenin tek görevi, ayna frekansı karıştırıcıya ulaşmadan önce olabildiğince zayıflatmaktır. IF ne kadar yüksek seçilirse, ayna frekans o kadar istenen frekanstan uzaklaşır ve bu ön filtrenin işi kolaylaşır — modern alıcılarda bazen birden fazla karıştırma kademesi (çift/üçlü dönüşüm) kullanılmasının sebeplerinden biri de budur.

Bir istasyonun sinyal gücü, özellikle HF'te, sürekli aynı kalmaz; iyonosferik koşullara bağlı olarak yükselip alçalabilir (buna fading denir, ve bu konuyu propagasyon yazımda ele almıştım). Eğer alıcının kazancı sabit olsaydı, güçlü anlarda ses kulak tırmalayıcı, zayıf anlarda duyulmaz hale gelirdi.

AGC (Automatic Gain Control — Otomatik Kazanç Kontrolü), demodülatörden alınan sinyal seviyesini sürekli ölçüp, bu ölçüme göre IF amplifikatörün kazancını otomatik olarak ayarlayan bir geri besleme devresi. Sinyal güçlendiğinde kazancı kısar, sinyal zayıfladığında kazancı artırır. Sonuç olarak, kulağınıza ulaşan ses seviyesi, havadaki gerçek sinyal gücündeki iniş-çıkışlardan büyük ölçüde bağımsız, nispeten sabit kalır. Modern telsizlerde ses iletimi yazımda bahsettiğim ALC'nin (verici tarafındaki kazanç kontrolü) alıcı tarafındaki kardeşi diyebiliriz AGC için.