Back to Basics – The Superhet
by Terry Adams
Slide No: 1
Historical Timeline
1820:Hans Christian Ørsted demonstrated that a wire carrying a current wasable to deflect a magnetized compass needle
1831: Michael Faraday discovered electromagnetic induction. He proposedthat such forces extended into the empty space around the conductor
1838:Morse demonstrates telegraphy
1861:Transcontinental telegraph by wire
1873: James Clark Maxwell described the theoretical basis of thepropagation of electromagnetic waves in his paper 'ADynamical Theory of the Electromagnetic Field'
1874:Ferdinand Braun discovered rectifying abilities of crystals
1883:Edison invents the Edison effect
1886:Heinrich Rudolf Hertz produces and detects electric waves
1888: Hertz validated Maxwell's theory through experiment
1893: Nikola Tesla delivers a lecture "On Light and other High FrequencyPhenomena". Tesla used sensitive electromagnetic receiversthat were unlike the less responsive coherers used later by Marconi
Slide No: 2
Historical Timeline (2)
1894:Sir Oliver Lodge demonstrated the reception of Morse code signallingusing radio waves using a "coherer"
1894: Jagdish Chandra Bose, demonstrated use of radio waves in Calcutta.He ignited gunpowder and rang a distant bell using electromagneticwaves, proving that signals can be sent without using wires
1894:Alexander Popov built a coherer
1895: Guglielmo Marconi is the first to achieve successful radio transmission
1896: Marconi awarded patent for radio. This is the initial patent for radio
1895: Marconi is the first to achieve successful radio transmission
1896: Marconi awarded first patent for radio
1896: Bose went to London on a lecture tour and met Marconi
1897:J.J.Thompson discovers the electron
1897: Marconi established the radio station on the Isle of Wight
1898:Marconi opened the first radio factory on Hall Street, Chelmsford
1899: Bose announced his invention of the "iron-mercury-iron coherer”
1900: Reginald Fessenden made weak transmission of voice over airwaves
Slide No: 3
Historical Timeline (3)
1901: Marconi claims to have received in St. John's, Newfoundland a radiosignal transmitted from Poldhu in Cornwall
1901:Fessenden noticed beats were detected between two signals
1904:John Ambrose Fleming patented the thermionic diode
1906: Fessenden used an Alexanderson alternator and rotary spark-gaptransmitter to make the first radio audio broadcast, fromMassachusetts. Ships heard Fessenden playing O Holy Night on the violin
1906:Cat's whisker diodes developed made of mineral crystals eg galena
1906:Lee De Forest invented the triode by adding a grid to the Fleming valve
1907: Marconi established first permanent transatlantic wireless service fromClifden, Ireland to Glace Bay, Nova Scotia
1910:Edwin Armstrong  invented regenerative receiver utilising a valve
1912: The RMS Titanic sank
1918:Armstrong  invented superheterodyne (superhet) receiver
1919:Walter Schottky invented tetrode valve
1926:Bernhard D.H. Tellegen invented the pentode valve
Slide No: 4
Spark Gap Transmissions
Initially, receiver was a simple
untuned loop but later tuned loops
were used
Around 1890, the coherer,
a primitive form of radio
detector was invented  by French
scientist Édouard Branly.
It consisted of a tube containing two electrodes spaced a small distance apart,with metal filings in the space between them.
When a rf signal is applied to the device,
the initial high resistance of the filings reduces,
allowing an electric current to flow through it.
The coherer was the first device used to detect
radio signals in practical spark gap transmitter.
Slide No: 5
Tuned Radio Frequency (TRF) RX
                        The triode valve's amplifying properties enabled the TRF RXto be developed in which
                         all amplification and selectivity
                         is done at rf
Circuit shown uses 6 triodes - two tuned rf,
one grid-leak detector/amp and three af stages.
Generally 2 or 3 RF amplifiers are needed to
filter and amplify the received signal to a level sufficient to drive the detectorstage with each stage tuned manually
Slide No: 6
Regenerative & Super Regenerative RX
The regenerative receiver was invented and
patented in 1914 by Edwin Armstrong.
It consisted of an amplifying valve with its output
connected to its input through a feedback loop,
(tickler coil) providing positive feedback.
Regenerative receivers achieve gain and
selectivity through positive feedback thus
reducing need
for many
expensive valves
by the TRF RX.
In 1922,
developed the
super-regenerative receiver which uses  supersonic quenching to prevent
oscillation.  Works best above 50MHz.
Slide No: 7
Basic Requirements of any Radio Receiver
                        All radio receivers must provide the following : -
Slide No: 8
Disadvantages of Early Receivers
                 Problems included :-
                                    Lack of gain
                                    Lack of selectivity
                                    Inconsistent bandwidth
                 Resulted from trying to achieve all selectivity and
                    amplification at the tuned radio signal frequency
                     As the receiver frequency is tuned, changes in eg skin effect
                 and other losses will alter the Q Factor and Bandwidths achieved
Slide No: 9
The solution to these problems was first proposed during
WW1 by Edwin Armstrong which he  finally implemented
in 1918 as the  Superheterodyne (Superhet) receiver
In which the incoming rf signal was 'heterodyned' (mixed)
with a local oscillator signal to produce a constant
Intermediate Frequency (IF) at which most of the
amplification and selectivity would be achieved
Heterodyning uses a Mixer – where 2 frequencies
are combined in a nonlinear device to create 2 new signals,
the sum (f1 + f2) and the difference (f1 − f2)
One is chosen as the desired IF,
and the other is filtered out
The term IF was used since historically its value was
between that of the rf and af
The Superheterodyne (Superhet) Receiver
Slide No: 10
Consider :-
IF =  0.5 MHz
Input RF = 7 MHz
Local Oscillator (LO) frequency is
chosen using the Mixer difference
output, and is thus either 7.5 MHz (high side) or 6.5 MHz (low side)
High side value is often preferred (ie 7.5 – 7 = 0.5 MHz)
If a new RF of 7.2 MHz is now to be tuned, the Local Oscillator (VFO) ischanged to 7.7 MHz (7.7 – 7.2 = 0.5 MHz)
In this way, the Local Oscillator (LO) becomes the tuning control
Selection of the 0.5 MHz IF (and rejection of the sum output) is done in the IFstrip using tuned circuits, mechanical or crystal filters to achieve eg a 6 kHz(AM/FM), 2.7 kHz (SSB) or eg 250 Hz (CW) bandwidths
Superhet Receiver Theory
Slide No: 11
Consider tuning 7 MHz
RF signal (LO set to 7.5 MHz)
with 0.5 MHz IF :-
Unfortunately, an 8 MHz input
RF signal will also mix with the
7.5 MHz LO to produce a 0.5 MHz IF causing interference
This 8 MHz interfering signal is termed an Image Frequency and is 2 x IFaway from the required rf signal frequency.
To eliminate this interference, the Image Signal is prevented from reachingthe Mixer by a filter between the aerial and the Mixer. The filter in thisexample must accept 7 MHz and reject 8 MHz which is not impossible butwould be easier if a higher IF had been used.
Superhet Receiver Image Problem
Slide No: 12
Output from Aerial can be very small – eg few μV
Needs amplification in a RF Amp before feeding
the Mixer
The level of amplification must be chosen to not
overload the mixer when strong signals are present
The RF Amplifier must have a low noise design
since any noise introduced will be amplified later
Automatic Gain Control (AGC) may applied
Bandpass Filter is used  block the Image Frequency which is
2 x IF from wanted signal. Hence use of a high IF makes
Image Rejection easier
RF Amp and Local Oscillator tuning is ganged to enable them to tracktogether
The RF Amp also helps prevent local oscillator signals radiate from the aerial
Superhet Receiver – RF Amp & Filter
Slide No: 13
Local Oscillator (VFO) generates single frequency that
must be pure, noise and distortion free as possible
The tuning is usually ganged with that of the RF Amp
Mixer is a non-linear (multiplier) device and can be either
Passive using one or more diodes (lower output) or
Active using valves or transistors to amplify output
Active Mixers improve isolation between ports but are less tolerant tooverload and consume more power and can generate more noise
Unbalanced Mixers output some of the RF and LO
signals besides the sum and difference products
Double Balanced Mixers (shown opposite) only
output the sum and difference products
Superhet Receiver – LO & Mixer
Slide No: 14
IF Amp provides  majority of gain and selectivity
at single IF frequency that doesn't change as
the receiver is tuned
IF chosen from standard frequencies
eg 455 kHz, 1.6 MHz, 9 MHz, 10.7 MHz – the higher the IF, the easier tosuppress the Image Frequency
However, the lower the IF, the easier and cheaper to achieve the required gainand selectivity
Filters normally use coupled tuned circuits at low IF
or crystal filters at higher IF
Superhet Receiver – IF Amp & Filter
Slide No: 15
The output of the IF strip feeds the
Demodulator which for an AM signal can
be a simple diode Envelope Detector as
shown opposite, but for an FM signal,
Discriminator is needed which
produces an output related to the
frequency changes in the carrier
Ideally, it is not sensitive to amplitude changes but usually the IF stripamplifies to the limit to give a constant maximum amplitude output
For SSB/CW Carrier Insertion Oscillator (CIO) and the SSB IF feed aDouble Balanced Mixer. The CIO injects the missing Carrier and the AMoutput is then demodulated as per above
The example as shown in the next slide should help explain the principle
Superhet Receiver – Demodulator
Slide No: 16
The output of the IF strip feeds the Demodulator/Detector which in turn feedsthe AF Amp and ultimately the loudspeaker.
The resultant simplified Block Diagram for a Superhet becomes :-
Superhet Receiver Block Diagram
Slide No: 17
Superhet Receiver – Example
Slide No: 18
When choosing the IF for a superhet radio there is a trade-off to be madebetween the advantages of using either a low or a high frequency IF:
    High frequency IF:   The use of a high frequency IF means that thedifference between the wanted frequency and the unwanted image is muchgreater and it is easier to achieve high levels of performance because the frontend filtering is able to provide high levels of rejection
    Low frequency IF:   The advantage of choosing a lower frequency IF is thatthe filters that provide the adjacent channel rejection are lower in frequency.The use of a low frequency IF enables the performance to be high, whilekeeping the cost low
Accordingly there are two conflicting requirements which cannot be easilysatisfied using a single intermediate frequency. The solution is to use a doubleconversion superheterodyne topology to provide a means of satisfying bothrequirements
Double Superhet Receiver
Slide No: 19
 Basic Block Diagram shown below :-
Two Options :-Fixed Frequency 1st LO with 2nd OL variable  - historical
                                1st LO - Xtal, 1st IF Filter - broad, 2nd LO tune within band
                                Variable Frequency 1st LO with 2nd LO fixed – popular
                                1st IF - Roofing Filter, 2nd IF Filter gives most selectivity
Double Superhet Receiver - Options
Slide No: 20
 In many modern receivers, final IF is often only 10's kHz to enable theanalogue signal to be converted to a digital one using DAC.
All filtering etc done digitally before conversion back to analogue using ADC
The FT450 is an example of this with 1st IF up conversion to 68MHz thenfinal IF of 24kHz for DSP:-
Double Superhet Receiver – DSP - FT450
Slide No: 21
Triple Conversion - 1st IF up conversion to 69MHz (Main VFO)
2nd IF 450kHz, whilst 3rd IF is 30kHz for DSP
Triple Superhet Receiver – DSP - FT2000
Slide No: 22
Have seen how radio developed historically from the early radio pioneers
The demands of WW1 developed the need for a better receiver design havinga better stability and selectivity which lead to the Superhet design
Basis of the Superhet is the use of mixing to produce a constant IF at whichmost of the gain and filtering is done
Need to include rf bandpass filter ahead of mixer to eliminate image
Development of Double and Triple superhet designs with tunable 1st LO
Impact of DSP in receiver design – low frequency final IF to facilitatedigitisation
Where next ?       Perhaps the wider adoption of the SDR ?
Slide No: 23
                        Hope you've enjoyed this Back to Basics talk
                          on the Superhet
                       Any questions ?
The End !!!
Slide No: 24