Perché la conversione in frequenza intermedia?

Mentre studiavo vari sistemi di comunicazione (ricevitori supereterodina e ricevitori televisivi, per citarne alcuni), mi imbatto spesso in blocchi che convertono i segnali RF in segnali di frequenza intermedia (IF). Qual è la necessità di questa conversione? I segnali RF non possono essere elaborati direttamente senza convertirli in segnali IF?

Ho fatto questa domanda, ma la sua risposta non ha spiegato la necessità di una conversione IF.

Questa risposta si concentra su ricevitori radio come AM e FM.

Se sei interessato solo a ricevere un segnale da una stazione, potrebbe non essere necessario disporre o utilizzare una frequenza intermedia. Puoi costruire il tuo ricevitore per sintonizzarti solo su quella frequenza - l'accordatura deve essere nitida - devi respingere tutte le altre possibili fonti che potrebbero inquinare il segnale che desideri.

Questo viene fatto da un gruppo di filtri passa banda che insieme, hanno una banda passante abbastanza ampia da far fronte al segnale che si desidera ricevere, ma non così ampia da far entrare gli altri.

Ora supponi di voler sintonizzarti su 2 stazioni: dovresti riallineare tutto questo filtro per coincidere con una nuova stazione. Storicamente le radio erano semplici e spostare un gruppo di filtri passa banda sintonizzati su una nuova frequenza centrale sarebbe difficile.

Era molto più facile avere un sacco di filtri passa-banda fissi che eseguivano la maggior parte di tutte le recitazioni del canale indesiderate piuttosto che cercare di allinearle mentre si sintonizzava il quadrante.

Così furono concepiti ricevitori supereterodina. L'ampia gamma in arrivo di molte stazioni radio è stata "miscelata" con un oscillatore che può essere semplicemente sintonizzato con un quadrante: questo ha prodotto frequenze di somma e differenza e di solito la frequenza di differenza è diventata la nuova frequenza "desiderata". Quindi per FM (da 88 MHz a 108 MHz), la frequenza IF è diventata 10,7 MHz e l'oscillatore sarebbe (in genere) a 98,7 MHz per la sintonizzazione dei segnali a 88 MHz e a 118,7 MHz per la sintonizzazione dei segnali a 108 MHz.

Non mi trattenere su questo - potrebbe anche essere a 77.3MHz che sale a 97.3MHz per produrre lo stesso insieme di frequenze di differenza. Forse qualcuno può modificare la mia risposta o consigliarmi su questo.

È una piccola questione però perché il punto è che una volta che sei stato in grado di manipolare la frequenza portante del segnale in ingresso, puoi alimentare il risultato attraverso un set fisso di filtri passa-banda perfettamente sintonizzati prima di demodulare.

Altre informazioni sulla banda VHF FM

Va da 88 MHz a 108 MHz e ha un IF leggermente più grande (10,7 MHz) della metà della gamma di frequenze che copre. C'è una ragione ragionevole: se l'oscillatore fosse sintonizzato esattamente per captare 88 MHz (cioè osc = 98,7 MHz) la frequenza di differenza che produrrebbe dalla cima della banda a 108 MHz sarebbe 9,3 MHz e questo sarebbe appena fuori banda di l'accordatura era centrata a 10,7 MHz e quindi "rifiutata".

Ovviamente se qualcuno ha iniziato a trasmettere appena fuori dalla banda FM, puoi prenderlo, ma credo che la legislazione lo impedisca.

Dopo l'attività recente in questa domanda, ho ricordato che esiste un'altra ragione valida per utilizzare una frequenza intermedia. Considera che il segnale proveniente da un'antenna potrebbe essere nell'ordine di 1 uV RMS e quindi considera che probabilmente vorrai che il circuito radio lo amplifichi a qualcosa come 1V RMS (perdona l'ondeggiamento della mano) al demodulatore. Bene, questo è un guadagno di 1 milione o 120 dB e, non importa quanto duramente si possa provare, avere un circuito stampato con un guadagno di 120 dB è una ricetta per un disastro di feedback, cioè oscillerà e si trasformerà in un "theramin".

Ciò che ti dà un IF è un'interruzione della catena del segnale che impedisce l'oscillazione. Quindi, potresti avere 60 dB di guadagno RF, quindi convertirlo in IF e avere 60 dB di guadagno IF: il segnale alla fine della catena non è più compatibile con la frequenza con ciò che accade sull'antenna e quindi non c'è alcun effetto termico !

Alcune radio potrebbero avere due frequenze intermedie: solo per questo motivo è possibile ridurre il guadagno RF a 40 dB e ogni stadio IF può avere un guadagno di 40 dB e NO Theramin.

IF rende il ricevitore più economico e di qualità superiore. Le parti RF sono più difficili da realizzare e utilizzare e i circuiti sono più afflitti da problemi di capacità parassita, induttanza, rumore, circuiti di massa e interferenze. Più è alta la frequenza. Ma dobbiamo avere un front-end RF perché il segnale sulla connessione dell'antenna è troppo debole per fare qualcosa ma amplificarlo. Necessari ma costosi, i progettisti vogliono ridurre al minimo la quantità di circuiti RF.

OTOH, vogliamo una buona selettività. Le trasmissioni hanno una larghezza di banda assegnata e più trasmettitori sono sotto pressione per essere compressi uno accanto all'altro in frequenza. Vogliamo una banda passante piatta per la frequenza desiderata e un blocco completo delle frequenze esterne. La perfezione è impossibile ma i compromessi possono essere fatti per un filtro "abbastanza buono". Ciò richiede un design avanzato del filtro, non solo un semplice circuito sintonizzato LC. Mentre questo potrebbe essere fatto in RF, in teoria, in pratica sarà difficile e costoso, e difficile da rendere stabile contro i cambiamenti di temperatura e l'invecchiamento.

Siamo in grado di realizzare filtri migliori in grado di soddisfare requisiti di risposta complessi a frequenze più basse, ad esempio decine di MHZ o sub-MHz. Più bassa è la frequenza, più facile è progettare un'approssimazione decente a un filtro di funzione di risposta rettangolare. Si scopre che realizzare il down-converter - l'oscillatore e il mixer locali - è relativamente semplice ed economico. Nel complesso, il sistema è il più economico con amplificatori front-end RF minimi, un convertitore down e una sezione IF ben progettata che fa tutto il filtraggio di fantasia.

I punti principali della lezione sono: * Maggiore è la frequenza, più è costosa e problematica. * I requisiti di filtro elaborati (qualsiasi cosa al di là di un circuito sintonizzato elementare) vengono eseguiti meglio a frequenze più basse

Trovo interessante che questa strategia di progettazione abbia resistito per decenni per molti sistemi diversi che utilizzano tecnologie selvaggiamente diverse. Vecchie radio a tubo sottovuoto che assomigliano a mobili in legno negli anni '30 -'40, radio a transistor negli anni '60, minuscoli telefoni cellulari e dispositivi Bluetooth oggi, giganteschi telescopi per radioastronomia, telemetria di veicoli spaziali e altro ancora.

Fondamentalmente è per rendere il circuito di demodulazione molto sensibile con una larghezza di banda ridotta.

Se il circuito di demodulazione dovesse essere a banda larga (diciamo, in grado di funzionare per qualsiasi frequenza da 88-108 MHz per FM), sarebbe difficile mantenere una risposta piatta su tutta la gamma di frequenze. Invece, il sintonizzatore è a banda larga e quindi batte (eterodinamico) su una singola frequenza intermedia e inviato a un circuito di demodulazione molto ottimizzato.

Le prime radio utilizzavano gli stadi Tune RF per amplificare i segnali radio deboli al punto che un "rivelatore" AM poteva convertirli in audio. Queste radio TRF avrebbero ovunque da uno stadio a ben 12 stadi. Più fasi, migliore è la ricezione di segnali deboli e migliore è il rifiuto dell'immagine (rifiuto delle frequenze vicine). Questo ha funzionato bene quando c'erano solo poche stazioni radio ma non ha funzionato bene quando più stazioni hanno iniziato ad affollare le onde radio.

Una radio TRF utilizza un circuito sintonizzato il cui Q per ogni stadio è impostato per consentire il passaggio di tutte le frequenze per la larghezza di banda audio utilizzata e una piccola amplificazione per aumentare il segnale a livelli utilizzabili. Ciò ha avuto alcuni inconvenienti, come altri hanno sottolineato e alcuni hanno perso. Se i livelli erano troppo alti, potrebbero iniziare a oscillare e la radio smette di funzionare. Anche con condensatori variabili con gange, ottenere tutti gli stadi per rimanere in frequenza è stato difficile, quindi in alcuni stadi o in tutti gli stadi sono stati presi provvedimenti per "tagliare" il segnale. Questo è il motivo per cui le immagini che vedi dei primi apparecchi radio avevano così tante manopole. Parecchi erano per i condensatori variabili "trimmer" e altri erano regolazioni di polarizzazione del tubo per impostare il guadagno per prevenire il feedback. Questo, come puoi immaginare,

Prima dell'inizio del diciannovesimo secolo si sapeva che se due oscillatori fossero vicini l'uno all'altro si sarebbero "battuti" l'uno contro l'altro e avrebbero prodotto un nuovo segnale come nel caso di due flauti accordati sullo stesso tono. Questo è stato sfruttato in diversi modi interessanti all'inizio del 20 ° secolo. Il primo utilizzo è stato in un rivelatore CW a banda base che ha convertito un segnale radio in suono udibile in modo molto più pulito rispetto al barile e ad altri dispositivi a rivelatore contorto. Theremin utilizza l'eterodyning di due oscillatori in cui uno ha la capacità di accordatura fornita da una piccola piastra o filo e la mano degli utenti.

Il maggiore Armstrong negli Stati Uniti e pochi altri in Europa si resero conto durante la prima guerra mondiale che questo poteva essere sfruttato per creare un ricevitore che avesse solo pochi stadi di guadagno molto alti e filtri di sintonizzazione molto più semplici. Lo stadio del mixer prenderebbe la RF in arrivo, eterodiandola contro l'oscillatore locale e, a causa del comportamento non lineare dello stadio del mixer, produce sia una somma che una differenza di frequenza. Di solito era la frequenza di differenza che era più bassa della RF o dell'oscillatore che veniva usata. A 1MHz, il LO è impostato per 1.455MHz e viene prodotto un segnale a 455KHz (la differenza) e a 1,91 MHz (la somma).

Invece di molti stadi sintonizzati il ​​cui guadagno è stato adattato per impedire l'oscillazione poiché le loro frequenze di ingresso e uscita erano tutte uguali, uno o due stadi di guadagno più alti per la RF potevano essere seguiti da uno o più stadi progettati con cura tutti operanti a una frequenza fissa diversa che non è stato necessario modificarlo.

Da un condensatore di sintonia molti sezionato che era molto costoso e difficile da produrre, sono necessarie solo due o tre sezioni che diventano una spesa molto più piccola. Questo era anche più facile da sintonizzare poiché la selettività di avere l'IF a 455 KHz significava che non esistevano stazioni radio a quella frequenza poiché la banda di trasmissione era da 540 KHz a 1650 KHz.