中間周波数

通信および電子工学において、中間周波数（IF）は、送信または受信の中間ステップとして搬送波がシフトされる周波数である。 ^{[1]中間周波数は、}ヘテロダインと呼ばれるプロセスで搬送信号と局部発振器信号を混合することによって生成され、差周波数またはビート周波数の信号が得られる。中間周波数はスーパーヘテロダイン無線受信機で使用され、そこでは最終的な検出が行われる前に、入力信号が増幅のためにIFにシフトされる。

中間周波数への変換は、いくつかの理由で便利です。複数の段階のフィルターを使用する場合、それらをすべて固定周波数に設定できるため、フィルターの構築と調整が容易になります。低周波数のトランジスタは一般にゲインが高いため、必要な段階が少なくなります。固定周波数が低いほど、選択性の高いフィルターを簡単に作成できます。

スーパーヘテロダイン受信機には、このような中間周波数の段階が複数存在する場合があります。2 段階または 3 段階は、それぞれ ダブル(またはデュアル) 変換またはトリプル変換と呼ばれます。

中間周波数が使用される一般的な理由は3つあります。^{[2] [3]}非常に高い周波数（ギガヘルツ）では、信号処理回路のパフォーマンスが低下します。トランジスタなどの能動デバイスでは、大きな増幅（ゲイン）が得られません。^[1]コンデンサとインダクタを 使用する通常の回路は、ストリップラインや導波管などの扱いにくい高周波技術に置き換える必要があります。そのため、高周波信号は、より便利な処理のために低いIFに変換されます。たとえば、衛星放送受信アンテナでは、アンテナで受信されたマイクロ波ダウンリンク信号は、比較的安価な同軸ケーブルで建物内の受信機に信号を運ぶことができるように、アンテナではるかに低いIFに変換されます。元のマイクロ波周波数で信号を取り込むには、高価な導波管が必要になります。

異なる周波数に同調できる受信機の場合、2 つ目の理由は、処理のために各局のさまざまな周波数を共通周波数に変換することです。すべてのステージが異なる周波数の同調を追跡できる多段増幅器、フィルタ、および検出器を構築することは困難ですが、同調可能な発振器を構築することは比較的簡単です。スーパーヘテロダイン受信機は、入力ステージの局部発振器の周波数を調整することでさまざまな周波数に同調し、その後のすべての処理は同じ固定周波数 (IF) で行われます。IF を使用しない場合、初期の同調無線周波数受信機( TRF) で必要だったように、周波数が変更されるたびにラジオやテレビの複雑なフィルタと検出器をすべて同時に同調する必要があります。より重要な利点は、受信機の同調範囲にわたって一定の帯域幅が提供されることです。フィルタの帯域幅は中心周波数に比例します。TRF のような、受信 RF 周波数でフィルタリングが行われる受信機では、受信機がより高い周波数に同調されると、帯域幅が増加します。

中間周波数を使用する主な理由は、周波数選択性を向上させることです。^[1]通信回路では、周波数が近い信号または信号成分を分離または抽出することが非常に一般的なタスクです。これはフィルタリングと呼ばれます。いくつかの例としては、周波数が近い複数のラジオ局の中から 1 つの局を拾ったり、テレビ信号から色副搬送波を抽出したりすることが挙げられます。既知のフィルタリング技術はすべて、フィルタの帯域幅が周波数に比例して増加します。したがって、信号をより低い IF に変換し、その周波数でフィルタリングを実行すると、より狭い帯域幅とより高い選択性を実現できます。チャネル幅が狭いFMおよびテレビ放送、および携帯電話やケーブルテレビなどのより現代的な通信サービスは、周波数変換を使用しないと不可能です。^[4]

放送受信機で最も一般的に使用される中間周波数は、AM受信機では約455kHz、FM受信機では10.7MHzです。特殊用途の受信機では、他の周波数が使用されることもあります。デュアルコンバージョン受信機には、イメージ除去を向上させるための高い中間周波数と、必要な選択性のための低い中間周波数の2つの中間周波数があります。最初の中間周波数は入力信号よりも高い場合もあり、固定同調RFステージによって不要な応答を簡単に除去できます。^[5]

デジタル受信機では、アナログ/デジタル コンバータ(ADC) は低いサンプリング レートで動作するため、入力 RF を IF にミックスダウンして処理する必要があります。中間周波数は、送信された RF 周波数に比べて低い周波数範囲になる傾向があります。ただし、IF の選択は、ミキサー、フィルター、アンプなど、より低い周波数で動作できる利用可能なコンポーネントに大きく依存します。IF の決定には、他の要因も関係します。IF が低いとノイズの影響を受けやすく、IF が高いとクロック ジッターが発生する可能性があるためです。

現代の衛星テレビ受信機は、複数の中間周波数を使用している。^[6]一般的なシステムの 500 のテレビチャンネルは、衛星からKuマイクロ波帯域の 10.7～11.7 GHz と 11.7～12.75 GHz の 2 つのサブバンドで加入者に送信される。ダウンリンク信号は衛星放送受信アンテナで受信される。低雑音ブロック ダウンコンバータ(LNB)と呼ばれるアンテナの焦点にあるボックスで、各周波数ブロックは 9.75 GHz と 10.6 GHz の 2 つの固定周波数ローカル発振器によって 950～2150 MHz の IF 範囲に変換される。2 つのブロックのうち 1 つは、内部のセットトップ ボックスからの制御信号によって選択され、これによりローカル発振器の 1 つがオンになる。この IF は、同軸ケーブルで建物内のテレビ受信機に運ばれる。ケーブル会社のセットトップ ボックスでは、信号は可変周波数発振器によってフィルタリングのために 480 MHz の低い IF に変換される。^[6]これは30MHzのバンドパスフィルタを通過し、衛星上のトランスポンダの1つから複数のチャンネルを運ぶ信号が選択されます。さらに処理を行って希望のチャンネルを選択し、復調してテレビに信号を送ります。

中間周波数は、第一次世界大戦中の1918年にアメリカの科学者エドウィン・アームストロング少佐によって発明されたスーパーヘテロダイン無線受信機で初めて使用されました。^{[7] [8]}通信部隊の一員であったアームストロングは、当時非常に高かった500〜3500 kHzの周波数でドイツ軍の信号を追跡するための無線方向探知装置を製作していました。当時の三極真空管増幅器は500 kHzを超えると安定して増幅しませんでしたが、その周波数以上で発振させることは簡単でした。アームストロングの解決策は、入力信号に近い周波数を生成する発振管を設定し、それをミキサー管で入力信号と混合して、容易に増幅できる低い差周波数でヘテロダインまたは信号を作成することでした。たとえば、1500 kHzの信号を拾うには、局部発振器を1450 kHzに調整します。 2 つを混合すると 50 kHz の中間周波数が生成されましたが、これは真空管の能力の範囲内でした。スーパーヘテロダインという名前は、超音速ヘテロダインの短縮形であり、ヘテロダイン周波数が直接聞こえるほど低く、連続波(CW)モールス信号(音声や音楽ではない)の受信に使用される受信機と区別するために付けられました。

戦後の1920年、アームストロングはスーパーヘテロダインの特許をウェスティングハウスに売却し、ウェスティングハウスはそれをRCAに売却した。スーパーヘテロダイン回路は、以前の再生型または同調型の無線周波数受信機の設計に比べて複雑になったため、その使用は鈍化したが、中間周波数の選択性と静電気除去の利点が最終的​​に勝ち、1930年までに販売された無線機のほとんどが「スーパーヘテロ」になった。第二次世界大戦中のレーダー開発の際には、非常に高いレーダー周波数を中間周波数にダウンコンバージョンするためにスーパーヘテロダイン原理が不可欠であった。それ以来、中間周波数を備えたスーパーヘテロダイン回路は、事実上すべての無線受信機で使用されている。

• 約20kHzまで^[要出典]、30kHz (ALM SowerbyとHB Dent)、^[10] 45kHz (最初の商用スーパーヘテロダイン受信機: 1923/1924年のRCA Radiola AR-812)、^[9]約50kHz、^[10]約100kHz、^[10]約120kHz ^[10]
• 110kHzはヨーロッパのAM長波放送受信機で使用されていました。^{[1] [11]}
• 175 kHz（粉末鉄心導入前の初期の広帯域受信機および通信受信機）^{[1] [11] [10]}
• 260 kHz（初期の標準放送受信機）^[11] 250–270 kHz ^[1]
• コペンハーゲン周波数割り当て: 415–490 kHz、510–525 kHz ^[11]
• AMラジオ受信機：450kHz、455kHz（最も一般的）、^[11] 460kHz、465kHz、^[10] 467kHz、470kHz、475kHz、480kHz。^[12]
• FMラジオ受信機：262 kHz（古いカーラジオ）、^[8] 455 kHz、1.6 MHz、5.5 MHz、10.7 MHz（最も一般的）、^[11] 10.8 MHz、^[13] 11.2 MHz、11.7 MHz、11.8 MHz、13.45 MHz、^[14] 21.4 MHz、75 MHz、98 MHz。ダブルコンバージョンスーパーヘテロダイン受信機では、10.7 MHzの第1中間周波数がよく使用され、その後に470 kHz（DYNAS ^[15]では700 kHz ）の第2中間周波数が続きます。警察無線受信機、ハイエンド通信受信機、および多くのポイントツーポイントマイクロ波システムでは、トリプルコンバージョン設計が使用されています。最新の DSP チップを搭載した民生用ラジオでは、FM に 128 kHz の「低 IF 」がよく使用されます。
• 狭帯域FM受信機: 455 kHz (最も一般的)、^{[11] [16]} 470 kHz ^[16]
• 短波受信機: 1.6 MHz、^[11] 1.6～3.0 MHz、^[1] 4.3 MHz (40～50 MHz専用受信機の場合)。^[11]ダブルコンバージョンスーパーヘテロダイン受信機では、3.0 MHzの第1中間周波数が465 kHzの第2中間周波数と組み合わされることがあります。^[1]
• システム M を使用するアナログテレビ受信機: 41.25 MHz (オーディオ) および 45.75 MHz (ビデオ)。インターキャリアシステムでは、変換プロセスでチャネルが反転されるため、オーディオ IF はビデオ IF よりも低くなります。また、オーディオ ローカル オシレーターはなく、挿入されたビデオ キャリアがその役割を果たします。
• システム B および類似のシステムを使用するアナログテレビ受信機: 音声信号は 33.4 MHz、映像信号は 38.9 MHz。(周波数変換に関する説明はシステム M の場合と同じです。)
• 衛星アップリンク-ダウンリンク機器: 70 MHz、950～1450 MHz (L バンド) ダウンリンク第 1 IF。
• 地上マイクロ波機器: 250 MHz、70 MHz、または 75 MHz。
• レーダー：30MHz。
• RFテスト機器: 310.7 MHz、160 MHz、21.4 MHz。

• 機械式フィルター
• 低IF受信機
• ゼロIF受信機