Mientras estudiaba varios sistemas de comunicación (receptores superheterodinos y receptores de televisión, por nombrar algunos) a menudo me encuentro con 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 IF?
Me referí a esta pregunta, pero su respuesta no explicó la necesidad para la conversión IF.
Esta respuesta se centra en los 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 aguda), debe rechazar todas las otras fuentes posibles que puedan contaminar la señal que desea.
Esto se realiza mediante un conjunto de filtros de paso de banda que, en conjunto, tienen una banda de paso lo suficientemente amplia como para hacer frente a la señal que desea recibir, pero no tan amplia como para que otros puedan ingresar.
Ahora digamos que desea sintonizar 2 estaciones: tendrá que volver a alinear todo este filtrado para que coincida con una nueva estación. Históricamente, las radios eran simples y sería difícil trasladar 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 indicaciones de canal no deseadas en lugar de intentar alinearlas mientras ajustabas el dial.
Así, los receptores super-heterodinos fueron concebidos. El amplio rango de entrada 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". Así que para FM (88MHz a 108MHz), el I.F. la frecuencia se convirtió en 10.7MHz y el oscilador estaría (normalmente) en 98.7MHz para sintonizar señales de 88MHz y en 118.7MHz para sintonizar señales de 108MHz.
No me cuelgue de esto: podría ser igualmente a 77.3MHz aumentando a 97.3MHz para producir el mismo conjunto de frecuencias de diferencia. Tal vez alguien pueda modificar mi respuesta o aconsejarme sobre esto.
Sin embargo, es un asunto pequeño porque el punto es que una vez que pudo manipular la frecuencia de la portadora de la señal entrante, puede pasar el resultado a través de un conjunto fijo de filtros de paso de banda bien sintonizado 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 medio el rango de frecuencia que cubre. Hay una razón razonable: si el oscilador estuviera sintonizado exactamente para captar 88MHz (es decir, osc = 98.7MHz), la diferencia de frecuencia que produciría desde la parte superior de la banda a 108MHz sería de 9,3MHz y esto sería simplemente fuera de banda. la sintonización se centró en 10,7 MHz y, por lo tanto, "rechazada".
Por supuesto, si alguien comenzó a transmitir fuera de la banda de FM, puede escuchar esto, pero creo que la legislación lo impide.
Tras 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 ser del 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 lo duro que pueda intentarlo, tener una placa de circuito con una ganancia de 120 dB es una receta para el desastre de retroalimentación, es decir, oscilará y se convertirá en un "parámetro".
Lo que un IF te da 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, luego 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 un efecto de parámetro. !
Algunas radios pueden tener dos frecuencias intermedias: solo por esta razón, puede reducir la ganancia de RF a 40 dB y cada etapa de IF puede tener una ganancia de 40 dB y NO hay tolerancia.
IF hace que el receptor sea más económico y de mayor calidad. Las partes de RF son más complicadas de fabricar y usar, y los circuitos están más acosados por problemas de capacitancia, inductancia, ruido, bucles de tierra e interferencias. Más aún cuanto mayor sea la frecuencia. Pero debemos tener un extremo delantero de RF porque la señal en la conexión de la antena es demasiado débil para hacer cualquier cosa, pero amplificarla. Necesarios pero costosos, los diseñadores quieren minimizar la cantidad de circuitos de RF.
OTOH, queremos buena selectividad. Las transmisiones tienen un ancho de banda asignado, y varios transmisores están bajo presión para ser comprimidos uno junto al otro en frecuencia. Queremos una banda de paso plana para la frecuencia deseada y un bloqueo completo de las frecuencias fuera de ella. La perfección es imposible, pero se pueden hacer concesiones para un filtro "suficientemente bueno". Esto requiere un diseño de filtro avanzado, no solo un circuito sintonizado LC liso. Si bien esto podría hacerse en RF, en teoría, en la práctica será complicado y costoso, y difícil de estabilizar contra los cambios de temperatura y el envejecimiento.
Podemos hacer mejores filtros que cumplan con los complejos requisitos de respuesta en frecuencias más bajas, por ejemplo. decenas de MHZ, o sub-MHz. Cuanto menor sea la frecuencia, más fácil será diseñar una aproximación decente a un filtro de función de respuesta de rectángulo. Resulta que hacer que el convertidor descendente (el oscilador y el mezclador locales) sea relativamente fácil y económico. En general, el sistema es más económico con amplificadores frontales de RF mínimos, un convertidor descendente y una sección de IF bien diseñada y robusta que realiza todo el filtrado de lujo.
Los principales puntos de la lección son: * Cuanto mayor sea la frecuencia, más caro y molesto es. * Los requisitos de filtro elaborados (cualquier cosa más allá de un circuito sintonizado elemental) se hacen 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 totalmente diferentes. Antiguas radios de tubos de vacío que parecen muebles de madera en los años 1930-1940, transistores en la década de 1960, pequeños teléfonos celulares y dispositivos Bluetooth hoy en día, telescopios de radioastronomía gigantes, telemetría de naves espaciales y más.
Básicamente es para permitir que el circuito de demodulación sea muy sensible con un ancho de banda estrecho.
Si el circuito de demodulación tuviera que ser de banda ancha (por ejemplo, capaz de trabajar para cualquier frecuencia de 88-108 MHz para FM), sería difícil mantener una respuesta plana en todo el rango de frecuencia. En su lugar, el sintonizador es de banda ancha y luego se bate (heterodina) a una sola frecuencia intermedia y se envía a un circuito de demodulación muy optimizado.
Las primeras radios utilizaron las etapas Tune RF para amplificar señales de radio débiles hasta el punto en que un "detector" de AM podría convertirlas de nuevo 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 las 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 usa un circuito sintonizado cuya Q para cada etapa está configurada para permitir que todas las frecuencias para el ancho de banda de audio que se está utilizando pasen y una pequeña amplificación para aumentar la señal a niveles utilizables. Esto tuvo algunos inconvenientes, como otros lo han señalado y otros fallaron. Si las etapas tuvieran una ganancia demasiado alta, podrían comenzar a oscilar y la radio dejará de funcionar. Incluso con los condensadores variables agrupados, obtener todas las etapas para permanecer en la frecuencia fue difícil, por lo que se hicieron previsiones en algunas etapas o en todas las etapas para "recortar" la señal. Esta es la razón por la que las imágenes que ves de los primeros aparatos de radio tienen 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 puedes imaginar, haría que sintonizar una emisora de radio fuera una producción y cuando el "viejo de la casa" escuchara la radio, fue un gran evento.
Antes de la vuelta del siglo XIX, se sabía que si dos osciladores estaban cerca uno del otro, se "golpearían" entre sí y producirían una nueva señal, como en el caso de dos flautas afinadas al mismo tono. Esto fue explotado de varias formas interesantes a principios del siglo XX. El primer uso fue en un detector de CW de banda base que convirtió una señal de radio en un sonido audible de manera mucho más limpia que el barratador y otros dispositivos detonadores complicados. El Theremin utiliza la heterodinección 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 que esto podría aprovecharse 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, heterodinédola contra el oscilador local y, debido al comportamiento no lineal de la etapa del mezclador, producirá una suma y una frecuencia de diferencia. Por lo general, la frecuencia de diferencia fue menor que la RF o el oscilador que se usó. A 1MHz, el LO se establece 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 adaptó para evitar la oscilación ya que sus frecuencias de entrada y salida eran todas iguales, una o dos etapas de ganancia superior para la RF podrían ir seguidas de una o más etapas cuidadosamente diseñadas, todas operando a una diferente Frecuencia fija que no necesitaba ser ajustada.
de un condensador de sintonía de varias secciones que era muy caro 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 habría estaciones de radio a esa frecuencia ya que la banda de transmisión es de 540 KHz a 1650 KHz.
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