スーパーヘテロダイン受信機とは？わかりやすく解説

スーパーヘテロダイン受信機（スーパーヘテロダインじゅしんき、英: superheterodyne receiver^[1]）は、ヘテロダインにより、受信した電波を一旦中間周波数の信号に変換する方式（スーパーヘテロダイン方式）を使った受信機のこと。スーパーヘテロダイン方式は、ラジオやテレビの受信機で性能の高い方法として使われる。

概要

スーパーヘテロダイン受信機の原理は、それまでの受信機の設計の欠点を克服するものである。Q値の高いフィルタ回路でも高周波帯では帯域幅が広く、高周波同調 (TRF) 受信機は周波数の選択性が弱い。再生受信機はTRF受信機よりも感度がよいが、安定性や選択性には問題があった。

スーパーヘテロダイン方式の受信機では、受信する周波数 f_o の信号が低い固定周波数 f_IF に変換される。変換された周波数 f_IF を中間周波数 (IF) と呼ぶ。AMラジオ受信機（中波）の場合、その周波数は455 kHzが一般的である。FM受信機 (VHF) では10.7 MHzが一般的に使用される。テレビではVHF放送のみであった時代においては26.75 MHzを用い規格化されたが^[2]、UHF放送対応のため58.75 MHzに引き上げられた^[3]。

受信した信号は全て局部発振器で生成された波形と混合器で混合される。ユーザーは局部発振器の発振周波数 f_LO を調整することで選局を行う。混合器では局部発振信号と受信信号群が混合され、f_o の信号は |f_o - f_LO| = f_IF と、f_o + f_LO に変換される^{[注釈 1]}。変換された信号のうち、f_IF の信号のみがフィルタによって選択され次の増幅（中間周波増幅）・検波（復調）回路へと導かれる。一方で混合器で発生した f_o + f_LO の信号はフィルタによって除去され、また中間周波増幅段は f_IF の信号のみを選択的に増幅するようになっているため十分に低減される。

上側と下側

中間周波数 f_IF がいくつにするかは、局発周波数 f_LO が受信信号の周波数 f_o よりどれだけ高いかあるいは低いかに依存する。いずれの場合も中間周波数 f_IF は |f_LO - f_o| となる。このとき局発周波数 f_LO には、f_LO = f_o + f_IF と、f_LO = f_o - f_IF の2つが選べる。f_LO が受信周波数よりも高い f_o + f_IF とするのを上側ヘテロダインまたは、ハイ・サイド・インジェクション^[4]という。逆に局部発振周波数が受信周波数よりも低いのを下側ヘテロダインまたはロー・サイド・インジェクション^[5]という。なお上側ヘテロダインでは信号の周波数成分が逆になる。実際に変化があるかどうかは、その信号の周波数スペクトルが対称性を持つかどうかに依存し、もし不都合な場合は復調後に反転増幅を行う。

中波AMラジオでは、下側を用いると中波帯の下限近くにて、例えば531 - 455 = 76 (kHz) と局部発振周波数が低くなり過ぎるので上側を用いる。

イメージ周波数

スーパーヘテロダイン方式の主な欠点として、イメージ（日本語では「えいぞう」と呼び「影像」の字を宛てる）と呼ばれる問題がある。イメージ周波数を f_img と置く。中間周波数 f_IF の信号には、上側ヘテロダインであれば、目的とする受信周波数 f_o の信号と局発の信号を混合した信号 f_IF = f_LO - f_o の他に、周波数 f_LO + f_IF = f_img の関係を満たすイメージ周波数の信号が、ともに f_IF に周波数変換され、混信のもととなる。

同じように、下側ヘテロダインであれば、周波数 f_LO - f_IF = f_img の関係を満たす f_img の信号も同時に f_IF に変換されてしまう。

この混じり込む信号の周波数をイメージ周波数（あるいは影像周波数）、イメージ周波数の信号をイメージ信号と呼ぶ。周波数軸上でみると、局部発振器の周波数 f_LOを軸に、受信したい信号 f_o とイメージ信号 f_img とがそれぞれ中間周波数 f_IF ぶんだけ離れ、鏡像のような関係になっている。

イメージ周波数にある別の信号を拾ってしまうと干渉して妨害となるので、一般的なスーパーヘテロダイン方式では同調部や高周波増幅部でイメージ周波数の信号を十分に低減しなければならない。

局発周波数と、目的の周波数、中間周波数との関係を整理してまとめると、以下のようになる（イメージ周波数 = f_img）。

f_{img}={\begin{cases}f_{o}+2f_{IF},&{\mbox{if }}f_{LO}>f_{o}{\mbox{ (high side injection)}}\\f_{o}-2f_{IF},&{\mbox{if }}f_{LO}<f_{o}{\mbox{ (low side injection)}}\end{cases}}

[4] 周波数の差の式が絶対値表現なのは、局部発信周波数 f_LO が受信周波数 f_o より高い場合に周波数が負にならないようにしたものである。

[10] 7極周波数変換管など。なおトランジスタが安価に供給される現代では安定性その他の面から局部発信回路と混合回路とを分離する設計が少なくない

[12] ただし、「うなり」の項目で説明している振幅の和（周波数f1とf2の信号の単純な和は、周波数|f1-f2|の包絡線の形を持つ、周波数 ( f1 + f2 ) ÷ 2（ ← ÷ 2に注意）の信号になる）によるものではなく、ヘテロダインの項目で説明しているように混合器による、変位の積によるものである。

[15] 米軍の放出品や秋葉原などの電気街で仕入れた部品、故障したラジオから剥ぎ取った部品を用い、手作りでラジオを組み立てるのが、ちょうどよい小遣い稼ぎとなった^[11]。

[1] 「superheterodyne」は「supersonic heterodyne」に由来し、英語では「superhet」と略記されることもある。

[2] 「TV受信機中間周波数の選定」『テレビジョン』第15巻第6号、映像情報メディア学会、1961年、doi:10.3169/itej1954.15.358、2023年8月28日閲覧。

[3] “テレビ技術史概要と関連資料調査” (pdf). 技術の系統化調査報告. 国立科学博物館. p. 202. 2023年8月9日閲覧。

[5] 英: high side injection

[6] 英: low side injection

[7] “TNJ-033「ejωt」を考えるなかで出会うイメージ除去ミキサや超高速ADC（中編：イメージ除去ミキサなるものを考える）”. アナログ・デバイセズ. 2023年8月8日閲覧。

[8] 梅原優. “広帯域ダイレクトコンバージョン受信機のウェーバー式イメージ抑圧法の改良に関する研究” (pdf). 横浜国立大学新井研究室. 2023年8月8日閲覧。

[9] 英: image rejection ratio

[11] 当時は500 kHz以上を全て「short wave」と称していた。

[13] “国民型受信機 (戦後の認定受信機)”. 日本ラジオ博物館. 2023年8月9日閲覧。

[14] “アマチュアの自作ラジオ”. 日本ラジオ博物館. 2023年8月9日閲覧。

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[注釈 1]

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[注釈 3]

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[注釈 4]

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スーパーヘテロダイン受信機とは？わかりやすく解説