Perché il supereterodyning è meglio della conversione diretta?

Qual è il vantaggio di avere lo stadio extra di IF, l'oscillatore locale extra e lo stadio di filtraggio e l'amplificazione extra. Sembra solo più lavoro e circuiti. Sicuramente la conversione diretta in banda base e la conversione intermedia in banda base passeranno entrambe attraverso lo stesso filtro passband alla fine di esso che isola la gamma di frequenza originale?

Vedo risposte come "consente l'utilizzo di circuiti comuni piuttosto che circuiti separati per ogni frequenza", in sostanza:

Senza usare un IF, tutti i filtri e i rivelatori complicati in una radio o televisione dovrebbero essere sintonizzati all'unisono ogni volta che la frequenza è stata modificata, come era necessario nei primi ricevitori di radiofrequenza sintonizzati

Ma non capisco perché potrebbero essere tutti sintonizzati sul segnale in banda base, ad esempio piuttosto che su IF, eliminando il problema descritto.

Vedo anche:

Quindi è possibile ottenere una larghezza di banda più stretta e una maggiore selettività convertendo il segnale in un IF inferiore ed eseguendo il filtraggio a quella frequenza

Ma perché non eseguire il filtro solo alla frequenza della banda base IF = 0. Questo è un IF inferiore, giusto. L'aggiunta della fase passband IF migliora la nitidezza della passband finale invece di farlo direttamente?

L'unico svantaggio che posso capire è l'oscillatore locale che perde e ciò non accade più alle frequenze più alte? Un IF potrebbe consentire al primo LO di oscillare molto più lentamente.

Ci sono alcuni vantaggi.

Dando un'occhiata a un tipico superhet (fino all'IF):

Il segnale di ingresso all'ingresso RF è piccolo (fino a -122 dBm in alcuni sistemi vocali a banda stretta su cui ho lavorato - ovvero circa 6,3fW)

Amplificare un segnale ad alta RF (diciamo pochi GHz) è costoso rispetto a fare quell'amplificazione a una frequenza più bassa. Di solito sono sufficienti pochi dB di guadagno RF per elaborare il segnale fino allo stadio IF.

La larghezza di banda del filtro di input deve essere tale che sia inferiore alla spaziatura del canale (di solito inferiore alla larghezza di banda dell'output), quindi è più facile da implementare.

La larghezza di banda del filtro di reiezione dell'immagine è impostata dalla frequenza dell'oscillatore locale (a RF +/- IF), quindi scegliere un IF relativamente basso significa che anche la reiezione dell'immagine è relativamente facile da fare.

L'amplificatore IF è in genere il luogo in cui la maggior parte del guadagno del segnale viene effettuato a un costo relativamente basso e a bassa complessità (rispetto al tentativo di farlo a frequenze più alte). Il filtro impedisce lo spurgo e imposta la larghezza di banda del segnale sulla larghezza di banda delle informazioni.

Un altro grande vantaggio è che tutto dopo il mixer è stato risolto - nessuna regolazione necessaria durante il normale funzionamento, motivo per cui la gamma del segnale dinamico può essere elevata. Non ho mostrato l'AGC (quasi sempre presente) ma è anche un pezzo fisso di circuiti (dinamici).

Un miglioramento è il doppio superhet (2 fasi IF) con cui ho lavorato dieci anni fa e sono ancora molto popolari.

Esistono ricevitori a conversione diretta ma soffrono di una serie di problemi, in particolare la gamma dinamica del segnale.

[Aggiornare]

In risposta al commento, ci sono ricevitori di conversione diretta ad ampio intervallo dinamico (una possibile fonte elencata); questi sono in circolazione da un po 'di tempo e si trovano spesso nelle configurazioni SDR .

Un approccio puramente hardware favorisce il superhet.

Si noti che questa risposta è inclinata verso la ricezione radio analogica. Le regole sono diverse per le radio definite dal software e per i servizi digitali.

Il più grande svantaggio della conversione diretta è la soppressione della banda laterale. Se si utilizza un solo mixer, un segnale su$f_c + f_s$ è indistinguibile da un segnale a $f_c - f_s$, dove $f_c$ è il corriere e $f_s$è la frequenza del segnale. Puoi mitigare molto questo problema con la downconversion in quadratura, ma mentre è sufficiente per la ricezione di dati digitali, non è abbastanza buono per analogico (cioè, SSB o AM).

Il secondo più grande svantaggio è la quantità di guadagno che ti serve ad una frequenza. I ricevitori hanno bisogno di molto guadagno e i mixer sono generalmente il fattore limitante in un intervallo dinamico elevato. Quindi ti piacerebbe mettere tutto il tuo guadagno dopo il primo mixer, che tende a essere quello che vede i segnali più interferenti. Per un ricevitore SSB sensibile questo guadagno può essere superiore a 120 dB. È difficile ottenere tale guadagno senza oscillare. In effetti, se guardi nella letteratura radiofonica amatoriale vedrai che la maggior parte dei ricevitori a conversione diretta hanno le cuffie - c'è una ragione per questo.

Altri problemi sono LO bleed-through e la difficoltà di realizzare un amplificatore a basso rumore e bassa impedenza alle frequenze audio.

Quindi tutti questi inconvenienti ti lasciano un chiaro vantaggio di mettere almeno alcuni dei tuoi filtri e guadagni prima della conversione finale in audio - una volta che pensi che un tale passo sia necessario, penso che i motivi che ti confondono improvvisamente avranno senso .

Sì, esistono ricevitori a conversione diretta, ma richiedono particolare attenzione, in particolare con alcuni tipi di modulazione.

Ad esempio, con la modulazione SSB, per rifiutare la banda laterale indesiderata, il demodulatore in banda base deve essere in grado di distinguere tra "frequenza positiva" e "frequenza negativa". Questo non è banale ed è davvero pratico usando DSP.

Allo stesso modo, se traduci la frequenza centrale di un segnale FM o PM fino a 0 Hz, devi di nuovo distinguere tra frequenze positive e negative per demodularla correttamente.

Anche con segnali AM o DSB, in cui le bande laterali contengono informazioni identiche, a meno che la conversione non sia perfetta (il LO corrisponde esattamente alla frequenza portante ricevuta), si ottiene distorsione - o un tono costante dal portatore AM.

Il supereterodina fu inventato nei giorni in cui la demodulazione veniva effettuata da semplici rivelatori di inviluppo, che non avevano alcuna discriminazione di frequenza, per non parlare della distinzione tra frequenze positive e negative. Tutta la selettività deve essere applicata prima della demodulazione, il che ritorna ai motivi che hai trovato - o hai bisogno di filtri in grado di tracciare la frequenza portante con larghezza di banda costante, oppure converti in una frequenza intermedia fissa dove puoi usare filtri fissi.

La conversione diretta è concettualmente semplice, ma richiede una notevole ingegnerizzazione per farlo bene. Oltre alle risposte di Dave e Tim, esiste un sottile potenziale problema pernicioso con la conversione diretta ...

La maggior parte dei mixer (anche quelli doppiamente bilanciati) perdono l'alimentazione dell'oscillatore locale alla porta RF e alla porta IF. La perdita di potenza all'indietro attraverso la porta RF dell'antenna può causare problemi. Anche con un eccellente bilanciamento del mixer, l'energia dell'oscillatore locale re-irradiato è spesso molto più grande dei segnali in ingresso.
LO re-irradiato può essere modificato (fase, ampiezza) e reinserire l'antenna ricevente, nel mixer. Il bilanciamento del mixer può essere influenzato negativamente. Inoltre, viene generato un segnale in banda base sulla porta di uscita del mixer che può sporcare il segnale desiderato in banda base.

Alcuni sensori di movimento, rilevatori di "bug" sfruttano questo processo, in cui il segnale "spurio" in banda base è il risultato desiderato, indicando ad esempio il movimento.

Un ricevitore lineare è spesso desiderato, nel qual caso non si desidera che l'energia dell'oscillatore locale torni alla sorgente del segnale. Avere un eccellente bilanciamento del mixer è un inizio, anche l'aggiunta di un forte preamplificatore RF con un buon isolamento output-to-input. Tutto difficile man mano che la frequenza aumenta.

Nessun altro ha menzionato il problema dell'offset di frequenza negli stadi del mixer. Il mixer RF fa del suo meglio per abbinare la frequenza del portatore, ma ci sarà comunque una differenza che comporterà che l'IF abbia un offset rispetto alla frequenza desiderata. Uno stadio IF con frequenza centrale diversa da zero consente di utilizzare un PLL per tracciare il segnale IF e rimuovere la maggior parte dell'offset di frequenza.

Di solito è più facile ed economico realizzare il miglior PLL alle frequenze IF piuttosto che alle frequenze RF.

È possibile utilizzare due mixer per convertire il segnale ricevuto in I e Q, ma ciò richiederebbe due costosi PLL con frequenza RF che devono avere anche una differenza di fase fissa di 90 gradi. Questo è anche qualcosa che è molto più facile ed economico da fare alle frequenze IF.

Il problema è il rifiuto LO del mixer e vicino al rumore di fase LO del vettore. 20 dB è banale fuori dalla scatola. 40 dB è semplice con cura. 60 dB è possibile solo con eroismo e regolazione dinamica. 80dB può essere fatto in laboratorio, per un breve periodo, a frequenze spot, se sei fortunato, e la temperatura non cambia. Per far funzionare un ricevitore a conversione diretta e un superhet sono necessari> 120 dB.

A meno che tu non stia usando OFDM. Ci sono dozzine di corrieri e non tutti vengono utilizzati per i dati. Ce ne sono alcuni per i piloti, altri per le bande di guardia, e in alcuni sistemi avanzati ce ne sono alcuni che vengono utilizzati solo per ridurre la tensione di picco RF dell'insieme per facilitare i problemi di linearità del trasmettitore. Quindi lasciare alcuni corrieri senza dati su e intorno al centro del canale (DC se stiamo parlando di bande di base IQ, il LO per un ricevitore a conversione diretta) non è un'enorme inefficienza.