¿Por qué la conversión a frecuencia intermedia?

Mientras estudio sobre varios sistemas de comunicación (receptores superheterodinos y receptores de televisión, por nombrar algunos) a menudo encuentro bloques que convierten las señales de RF en señales de frecuencia intermedia (IF). ¿Cuál es la necesidad de esta conversión? ¿No se pueden procesar las señales de RF directamente sin convertirlas en señales de IF?

Remití esta pregunta, pero su respuesta no explicaba la necesidad de la conversión IF.

Esta respuesta se centra en receptores de radio como AM y FM.

Si solo está interesado en recibir una señal de una estación, es posible que no necesite tener o usar una frecuencia intermedia. Puede construir su receptor para sintonizar solo esa frecuencia (la sintonización debe ser nítida), debe rechazar todas las otras fuentes posibles que puedan contaminar la señal que desea.

Esto se realiza mediante un grupo de filtros de paso de banda que, juntos, tienen una banda de paso que es lo suficientemente ancha como para hacer frente a la señal que desea recibir, pero no tan ancha como para permitir que otros entren.

Ahora supongamos que desea sintonizar 2 estaciones: tendría que volver a alinear todo este filtrado para que coincida con una nueva estación. Históricamente, las radios eran simples y sería difícil mover un montón de filtros de paso de banda sintonizados a una nueva frecuencia central.

Era mucho más fácil tener un montón de filtros de paso de banda fijos que realizaban la mayoría de todas las reacciones de canal no deseadas en lugar de intentar alinearlos mientras ajustaba el dial.

Así se concibieron receptores superheterodinos. El amplio rango entrante de muchas estaciones de radio se "mezcló" con un oscilador que se puede sintonizar simplemente con un dial; esto produjo frecuencias de suma y diferencia y, por lo general, la frecuencia de diferencia se convirtió en la nueva frecuencia "deseada". Entonces, para FM (88MHz a 108MHz), la frecuencia IF se convirtió en 10.7MHz y el oscilador estaría (típicamente) a 98.7MHz para sintonizar señales de 88MHz y a 118.7MHz para sintonizar señales de 108MHz.

No me cuelguen de esto: igualmente podría estar a 77.3MHz aumentando a 97.3MHz para producir el mismo conjunto de frecuencias de diferencia. Quizás alguien pueda modificar mi respuesta o aconsejarme sobre esto.

Sin embargo, es un asunto pequeño porque el punto es que una vez que pudiste manipular la frecuencia de portadora de la señal entrante, puedes alimentar el resultado a través de un conjunto fijo de filtros de paso de banda ajustados antes de demodular.

Un poco más de información sobre la banda VHF FM

Va de 88MHz a 108MHz y tiene un IF que es un poco más grande (10.7MHz) que la mitad del rango de frecuencia que cubre. Hay una razón sensata: si el oscilador se sintonizara exactamente para captar 88MHz (es decir, osc = 98.7MHz), la frecuencia de diferencia que produciría desde la parte superior de la banda a 108MHz sería 9.3MHz y esto estaría fuera de banda. la sintonización se centró a 10.7 MHz y por lo tanto "rechazada".

Por supuesto, si alguien comenzó a transmitir a las afueras de la banda de FM, puede recoger esto, pero creo que la legislación lo impide.

Después de la actividad reciente en esta pregunta, recordé que hay otra razón válida para usar una frecuencia intermedia. Considere que la señal de una antena podría estar en el orden de 1 uV RMS y luego considere que probablemente querrá que el circuito de radio amplifique esto a algo así como 1V RMS (perdone el movimiento de la mano) en el demodulador. Bueno, eso es una ganancia de 1 millón o 120 dB y, no importa cuánto lo intentes, tener una placa de circuito con una ganancia de 120 dB es una receta para un desastre de retroalimentación, es decir, oscilará y se convertirá en una "teramina".

Lo que un IF te consigue es una ruptura en la cadena de señal que evita la oscilación. Por lo tanto, es posible que tenga 60 dB de ganancia de RF y luego se convierta a su IF y tenga 60 dB de ganancia de IF: la señal al final de la cadena ya no es compatible con la frecuencia con lo que sucede en la antena y, por lo tanto, no hay efecto teramin !

Algunas radios pueden tener dos frecuencias intermedias: solo por esta razón, puede reducir la ganancia de RF a 40 dB y cada etapa IF puede tener una ganancia de 40 dB y NO teramina.

IF hace que el receptor sea más económico y de mayor calidad. Las partes de RF son más difíciles de fabricar y usar, y los circuitos están más acosados ​​por problemas de capacitancia parásita, inductancia, ruido, bucles de tierra e interferencia. Más aún cuanto mayor sea la frecuencia. Pero debemos tener una interfaz RF porque la señal en la conexión de la antena es demasiado débil para hacer algo más que amplificarla. Necesarios pero caros, los diseñadores quieren minimizar la cantidad de circuitos de RF.

OTOH, queremos buena selectividad. Las transmisiones son de ancho de banda asignado, y múltiples transmisores están bajo presión para ser apretados uno al lado del otro en frecuencia. Queremos una banda de paso plana para la frecuencia deseada y un bloqueo completo de frecuencias fuera de eso. La perfección es imposible, pero se pueden hacer compensaciones por un filtro "suficientemente bueno". Esto requiere un diseño de filtro avanzado, no solo un circuito sintonizado LC simple. Si bien esto podría hacerse en RF, en teoría, en la práctica será complicado y costoso, y difícil de estabilizar frente a los cambios de temperatura y el envejecimiento.

Podemos hacer mejores filtros que cumplan requisitos de respuesta complejos a frecuencias más bajas, por ejemplo, decenas de MHZ o sub-MHz. Cuanto más baja es la frecuencia, más fácil es diseñar una aproximación decente a un filtro de función de respuesta rectangular. Resulta que hacer que el convertidor descendente, el oscilador local y el mezclador, sea relativamente fácil y económico. En general, el sistema es más económico con amplificadores frontales de RF mínimos, un convertidor descendente y una sección IF robusta y bien diseñada que hace todo el filtrado elegante.

Los puntos principales de la lección son: * Cuanto mayor es la frecuencia, más costosa y problemática es. * Los requisitos de filtro elaborados (cualquier cosa más allá de un circuito sintonizado elemental) se realiza mejor a frecuencias más bajas

Me parece interesante que esta estrategia de diseño se haya mantenido durante décadas para muchos sistemas diferentes que utilizan tecnologías muy diferentes. Radios de tubos de vacío viejos que parecen muebles de madera en las décadas de 1930 y 1940, radios de transistores en la década de 1960, pequeños teléfonos celulares y dispositivos bluetooth en la actualidad, telescopios gigantes de radioastronomía, telemetría de naves espaciales y más.

Básicamente es para permitir que el circuito de demodulación se vuelva muy sensible con un ancho de banda estrecho.

Si el circuito de demodulación tuviera que ser de banda ancha (digamos, capaz de funcionar para cualquier frecuencia de 88-108 MHz para FM), sería difícil mantener una respuesta plana en todo el rango de frecuencia. En cambio, el sintonizador es de banda ancha y luego late (heterodinado) a una sola frecuencia intermedia y se envía a un circuito de demodulación muy optimizado.

Las primeras radios usaban etapas Tune RF para amplificar señales de radio débiles hasta el punto en que un "detector" de AM podría convertirlas nuevamente en audio. Estas radios TRF tendrían desde una etapa hasta 12 etapas. Cuantas más etapas, mejor será la recepción de señales débiles y mejor será el rechazo de la imagen (rechazo de frecuencias cercanas). Esto funcionó bien cuando solo había unas pocas estaciones de radio, pero no funcionó bien cuando más estaciones comenzaron a saturar las ondas.

Una radio TRF utiliza un circuito sintonizado cuya Q para cada etapa está configurada para permitir que pasen todas las frecuencias para el ancho de banda de audio que se utiliza y una pequeña amplificación para aumentar la señal a niveles utilizables. Esto tuvo algunos inconvenientes como otros han señalado y algunos se perdieron. Si las etapas tenían una ganancia demasiado alta, podrían comenzar a oscilar y la radio deja de funcionar. Incluso con condensadores variables agrupados, hacer que todas las etapas permanezcan en frecuencia fue difícil, por lo que se tomaron medidas en algunas etapas o en todas las etapas para "recortar" la señal. Es por eso que las imágenes que ves de los primeros equipos de radio tenían tantos botones. Unos cuantos fueron para los condensadores variables "trimmer" y otros fueron ajustes de polarización del tubo para establecer la ganancia para evitar la retroalimentación. Esto, como te puedes imaginar,

Antes de principios del siglo XIX se sabía que si dos osciladores estaban cerca uno del otro, se "golpearían" unos contra otros y producirían una nueva señal como en el caso de dos flautas sintonizadas en el mismo tono. Esto fue explotado de varias maneras interesantes a principios del siglo XX. El primer uso fue en un detector CW de banda base que convirtió una señal de radio en sonido audible de manera mucho más limpia que la barrera y otros dispositivos detectores contorneados. El Theremin utiliza heterodino de dos osciladores donde uno tiene su capacidad de sintonización suministrada por una pequeña placa o cable y la mano del usuario.

El comandante Armstrong en los EE. UU. Y algunos otros en Europa se dieron cuenta durante la Primera Guerra Mundial de que esto podría explotarse para hacer un receptor que tuviera solo unas pocas etapas de ganancia muy alta y filtros de sintonización mucho más simples. La etapa del mezclador tomaría la RF entrante, la heterodina contra el oscilador local y, debido al comportamiento no lineal de la etapa del mezclador, produciría una frecuencia de suma y de diferencia. Por lo general, la frecuencia de diferencia era más baja que la RF o el oscilador que se usaba. A 1MHz, el LO está configurado para 1.455MHz y se produce una señal a 455KHz (la diferencia) y a 1.91MHz (la suma).

En lugar de muchas etapas sintonizadas cuya ganancia se diseñó para evitar la oscilación, ya que sus frecuencias de entrada y salida eran todas iguales, una o dos etapas de ganancia más altas para la RF podrían ser seguidas por una o más etapas cuidadosamente diseñadas, todas operando a una frecuencia fija diferente que No necesitaba ser ajustado.

De un condensador de sintonización seccionado que era muy costoso y difícil de producir, solo necesita dos o tres secciones que se convierten en un gasto mucho menor. Esto también fue más fácil de sintonizar ya que la selectividad de tener el IF a 455 KHz significaba que no existirían estaciones de radio a esa frecuencia ya que la banda de transmisión es de 540 KHz a 1650 KHz.