Un receptor superheterodino , a menudo abreviado como superhet , es un tipo de receptor de radio que usa la mezcla de frecuencias para convertir una señal recibida en una frecuencia intermedia fija (FI) que puede procesarse de manera más conveniente que la frecuencia portadora original . Durante mucho tiempo se creyó que había sido inventado por el ingeniero estadounidense Edwin Armstrong , pero después de cierta controversia, la primera patente de la invención ahora se acredita al ingeniero de radio y fabricante de radio francés Lucien Lèvy. [1] Prácticamente todos los receptores de radio modernos utilizan el principio superheterodino.
Historia
Heterodino
Las primeras transmisiones de radio en código Morse se producían utilizando un alternador conectado a una descarga de chispas . La señal de salida estaba en una frecuencia portadora definida por la construcción física del espacio, modulada por la señal de corriente alterna del alternador. Dado que la salida del alternador estaba generalmente en el rango audible, esto produce una señal audible modulada en amplitud (AM). Los detectores de radio simples filtraban la portadora de alta frecuencia, dejando la modulación, que se transmitía a los auriculares del usuario como una señal audible de puntos y rayas.
En 1904, Ernst Alexanderson introdujo el alternador Alexanderson , un dispositivo que producía directamente una salida de radiofrecuencia con mayor potencia y una eficiencia mucho mayor que los sistemas de descarga de chispas más antiguos. Sin embargo, a diferencia de la brecha de chispas, la salida del alternador era una onda portadora pura a una frecuencia seleccionada. Cuando se detectan en receptores existentes, los puntos y rayas normalmente serían inaudibles o "supersónicos". Debido a los efectos de filtrado del receptor, estas señales generalmente producían un clic o golpe, que era audible pero dificultaba la determinación de puntos o guiones.
En 1905, al inventor canadiense Reginald Fessenden se le ocurrió la idea de usar dos alternadores Alexanderson que operaban a frecuencias estrechamente espaciadas para transmitir las señales, en lugar de una. Entonces, el receptor recibiría ambas señales y, como parte del proceso de detección, solo la frecuencia de pulsación saldría del receptor. Al seleccionar dos portadoras lo suficientemente cerca como para que la frecuencia de batido fuera audible, el código Morse resultante podría volver a escucharse fácilmente incluso en receptores simples. Por ejemplo, si los dos alternadores funcionaran a frecuencias separadas por 3 kHz, la salida en los auriculares serían puntos o rayas de tono de 3 kHz, haciéndolos fácilmente audibles.
Fessenden acuñó el término " heterodino " , que significa "generado por una diferencia" (en frecuencia), para describir este sistema. La palabra se deriva de las raíces griegas hetero- "diferente" y -dyne "poder".
Regeneración
El código Morse se usó ampliamente en los primeros días de la radio porque era fácil tanto producir la señal como recibirla. Debido a que la salida del amplificador no tiene que coincidir estrechamente con la modulación original de la señal recibida, a diferencia de las transmisiones de voz, se podría usar cualquier número de sistemas simples de amplificación. Uno se debió a un efecto secundario interesante de la construcción de los primeros tubos amplificadores de triodo . Si tanto la placa (ánodo) como la rejilla están conectadas a circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia, el acoplamiento capacitivo parásito entre la rejilla y la placa hará que el amplificador entre en oscilación si la ganancia de la etapa es mucho mayor que la unidad .
En 1913, Edwin Howard Armstrong describió un sistema de receptor que usaba este efecto para producir una salida audible en código Morse usando un solo triodo. La salida del ánodo, la señal de salida después de la amplificación, se volvió a conectar a la entrada a través de un "tickler", lo que provocó una retroalimentación que llevó las señales de entrada mucho más allá de la unidad. Esto provocó que la salida oscilara a una frecuencia elegida con gran amplificación. Cuando la señal original se cortó al final del punto o guión, la oscilación volvió a decaer y el sonido desapareció después de un breve retraso.
Armstrong se refirió a este concepto como un receptor regenerativo e inmediatamente se convirtió en uno de los sistemas más utilizados de su época. Muchos sistemas de radio de la década de 1920 se basaban en el principio regenerativo, y continuó utilizándose en funciones especializadas hasta la década de 1940, por ejemplo, en el IFF Mark II .
RDF
Había una función en la que el sistema regenerativo no era adecuado, incluso para las fuentes de código Morse, y esa era la tarea de la radiogoniometría o RDF.
El sistema regenerativo era altamente no lineal, amplificaba cualquier señal por encima de cierto umbral en una cantidad enorme, a veces tan grande que hacía que se convirtiera en un transmisor (que era el concepto completo detrás de IFF). En RDF, la fuerza de la señal se usa para determinar la ubicación del transmisor, por lo que se requiere una amplificación lineal para permitir que la fuerza de la señal original, a menudo muy débil, se mida con precisión.
Para abordar esta necesidad, los sistemas RDF de la época usaban triodos que operaban por debajo de la unidad. Para obtener una señal utilizable de dicho sistema, se tuvieron que usar decenas o incluso cientos de triodos, conectados entre sí de ánodo a red. Estos amplificadores consumían enormes cantidades de energía y requerían un equipo de ingenieros de mantenimiento para mantenerlos en funcionamiento. Sin embargo, el valor estratégico de la búsqueda de dirección en señales débiles era tan alto que el Almirantazgo británico sintió que el alto costo estaba justificado.
Superheterodino
Aunque varios investigadores descubrieron el concepto superheterodino, presentando patentes con solo meses de diferencia (ver más abajo), a Armstrong a menudo se le atribuye el concepto. Lo encontró mientras consideraba mejores formas de producir receptores RDF. Había llegado a la conclusión de que moverse a frecuencias más altas de "onda corta" haría que el RDF fuera más útil y estaba buscando medios prácticos para construir un amplificador lineal para estas señales. En ese momento, la onda corta estaba por encima de los 500 kHz, más allá de las capacidades de cualquier amplificador existente.
Se había notado que cuando un receptor regenerativo entraba en oscilación, otros receptores cercanos también comenzaban a captar otras estaciones. Armstrong (y otros) finalmente dedujeron que esto fue causado por un "heterodino supersónico" entre la frecuencia portadora de la estación y la frecuencia de oscilación del receptor regenerativo. Cuando el primer receptor comenzaba a oscilar a altas salidas, su señal fluía de regreso a través de la antena para ser recibida en cualquier receptor cercano. En ese receptor, las dos señales se mezclaron tal como lo hacían en el concepto heterodino original, produciendo una salida que es la diferencia de frecuencia entre las dos señales.
Por ejemplo, considere un receptor solitario que se sintonizó en una estación a 300 kHz. Si se instala un segundo receptor cerca y se establece en 400 kHz con alta ganancia, comenzará a emitir una señal de 400 kHz que se recibirá en el primer receptor. En ese receptor, las dos señales se mezclarán para producir cuatro salidas, una a los 300 kHz originales, otra a los 400 kHz recibidos y dos más, la diferencia a 100 kHz y la suma a 700 kHz. Este es el mismo efecto que había propuesto Fessenden, pero en su sistema las dos frecuencias se eligieron deliberadamente para que la frecuencia de batido fuera audible. En este caso, todas las frecuencias están mucho más allá del rango audible y, por lo tanto, son "supersónicas", lo que da lugar al nombre de superheterodino.
Armstrong se dio cuenta de que este efecto era una solución potencial al problema de amplificación de "onda corta", ya que la salida de "diferencia" aún conservaba su modulación original, pero en una frecuencia portadora más baja. En el ejemplo anterior, uno puede amplificar la señal de pulso de 100 kHz y recuperar la información original de eso, el receptor no tiene que sintonizar la portadora original de 300 kHz más alta. Al seleccionar un conjunto apropiado de frecuencias, incluso las señales de muy alta frecuencia podrían "reducirse" a una frecuencia que podría ser amplificada por los sistemas existentes.
Por ejemplo, para recibir una señal a 1500 kHz, mucho más allá del rango de amplificación eficiente en ese momento, se podría configurar un oscilador a, por ejemplo, 1560 kHz. Armstrong se refirió a esto como el " oscilador local " o LO. Como su señal se alimentaba a un segundo receptor en el mismo dispositivo, no tenía que ser potente, generando solo la señal suficiente para ser aproximadamente similar en intensidad a la de la estación recibida. [a] Cuando la señal del LO se mezcla con la de la estación, una de las salidas será la frecuencia de diferencia heterodina, en este caso, 60 kHz. Llamó a esta diferencia resultante la " frecuencia intermedia " a menudo abreviada como "IF".
En diciembre de 1919, el mayor EH Armstrong dio publicidad a un método indirecto para obtener amplificación de onda corta, llamado superheterodino. La idea es reducir la frecuencia de entrada, que puede ser, por ejemplo, 1.500.000 ciclos (200 metros), a una frecuencia super audible adecuada que pueda amplificarse de manera eficiente, luego pasar esta corriente a través de un amplificador de frecuencia intermedia, y finalmente rectificar y transportar en una o dos etapas de amplificación de frecuencia de audio. [2]
El "truco" del superheterodino es que al cambiar la frecuencia LO puedes sintonizar diferentes estaciones. Por ejemplo, para recibir una señal a 1300 kHz, se puede sintonizar el LO a 1360 kHz, lo que da como resultado la misma FI de 60 kHz. Esto significa que la sección del amplificador se puede sintonizar para operar en una sola frecuencia, el diseño IF, que es mucho más fácil de hacer de manera eficiente.
Desarrollo
Armstrong puso en práctica sus ideas y los militares pronto adoptaron la técnica. Fue menos popular cuando comenzó la transmisión de radio comercial en la década de 1920, principalmente debido a la necesidad de un tubo adicional (para el oscilador), el costo generalmente más alto del receptor y el nivel de habilidad requerido para operarlo. Para las primeras radios domésticas, los receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF) eran más populares porque eran más baratos, más fáciles de usar para un propietario no técnico y menos costosos de operar. Armstrong finalmente vendió su patente superheterodina a Westinghouse , quien luego la vendió a Radio Corporation of America (RCA) , esta última monopolizando el mercado de receptores superheterodinos hasta 1930. [4]
Los primeros receptores superheterodinos usaban IF tan bajos como 20 kHz, a menudo basados en la autorresonancia de los transformadores de núcleo de hierro . Esto los hizo extremadamente susceptibles a la interferencia de la frecuencia de la imagen , pero en ese momento, el objetivo principal era la sensibilidad en lugar de la selectividad. Usando esta técnica, una pequeña cantidad de triodos podría hacer el trabajo que antes requería decenas de triodos.
En la década de 1920, los filtros de FI comerciales se parecían mucho a los transformadores de acoplamiento entre etapas de audio de la década de 1920, tenían una construcción similar y estaban conectados de manera casi idéntica, por lo que se los denominaba "transformadores de FI". A mediados de la década de 1930, los superheterodinos usaban frecuencias intermedias mucho más altas (típicamente alrededor de 440–470 kHz), con bobinas sintonizadas de construcción similar a la antena y las bobinas del oscilador. El nombre "transformador de FI" se mantuvo y todavía se utiliza en la actualidad. Los receptores modernos suelen utilizar una mezcla de resonador cerámico o resonadores SAW (onda acústica de superficie), así como transformadores de FI de inductor sintonizado tradicionales.
En la década de 1930, las mejoras en la tecnología de los tubos de vacío erosionaron rápidamente las ventajas de costo del receptor TRF, y la explosión en el número de estaciones de radiodifusión creó una demanda de receptores más baratos y de mayor rendimiento.
El desarrollo del tubo de vacío tetrode que contiene una rejilla de pantalla condujo a un tubo de elementos múltiples en el que se podían combinar las funciones del mezclador y del oscilador, utilizado por primera vez en el llamado mezclador autodino . A esto le siguió rápidamente la introducción de tubos diseñados específicamente para el funcionamiento superheterodino, sobre todo el convertidor pentagrid . Al reducir el número de tubos, esto redujo aún más la ventaja de los diseños de receptores anteriores.
A mediados de la década de 1930, la producción comercial de receptores TRF fue reemplazada en gran medida por receptores superheterodinos. En la década de 1940, el receptor de transmisión AM superheterodino de tubos de vacío se refinó en un diseño de fabricación barata llamado " All American Five ", porque utiliza cinco tubos de vacío: generalmente un convertidor (mezclador / oscilador local), un amplificador de FI, un detector / amplificador de audio, un amplificador de potencia de audio y un rectificador. A partir de este momento, el diseño superheterodino se utilizó para prácticamente todos los receptores comerciales de radio y televisión.
Batallas de patentes
El ingeniero francés Lucien Lévy presentó una solicitud de patente para el principio superheterodino en agosto de 1917 con el brevet n ° 493660. [5] Armstrong también presentó su patente en 1917. [6] [7] [8] Levy presentó su divulgación original unos siete meses antes Armstrong. [9] El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente en 1918. [5]
Al principio, EE. UU. Reconoció a Armstrong como el inventor, y su patente de EE. UU. 1.342.885 se emitió el 8 de junio de 1920. [9] Después de varios cambios y audiencias judiciales, Lévy recibió la patente de EE. UU. No 1.734.938 que incluía siete de las nueve reclamaciones en la solicitud de Armstrong, mientras que las dos reclamaciones restantes fueron otorgadas a Alexanderson de GE y Kendall de AT&T. [9]
Principio de funcionamiento
El diagrama de la derecha muestra el diagrama de bloques de un receptor superheterodino de conversión simple típico. El diagrama tiene bloques que son comunes a los receptores superheterodinos, [10] y solo el amplificador de RF es opcional.
La antena recoge la señal de radio. La etapa de RF sintonizada con amplificador de RF opcional proporciona cierta selectividad inicial; es necesario suprimir la frecuencia de la imagen (ver más abajo), y también puede servir para evitar que las señales fuertes fuera de banda de paso saturen el amplificador inicial. Un oscilador local proporciona la frecuencia de mezcla; Suele ser un oscilador de frecuencia variable que se utiliza para sintonizar el receptor en diferentes estaciones. El mezclador de frecuencia realiza la heterodinacion real que le da al superheterodino su nombre; cambia la señal de radiofrecuencia entrante a una frecuencia intermedia (FI) fija más alta o más baja . El filtro de paso de banda de FI y el amplificador suministran la mayor parte de la ganancia y el filtrado de banda estrecha de la radio. El demodulador extrae el audio u otra modulación de la radiofrecuencia de FI. La señal extraída es luego amplificada por el amplificador de audio.
Descripción del circuito
Para recibir una señal de radio, se requiere una antena adecuada . La salida de la antena puede ser muy pequeña, a menudo solo unos pocos microvoltios . La señal de la antena se sintoniza y puede amplificarse en un llamado amplificador de radiofrecuencia (RF), aunque esta etapa a menudo se omite. Uno o más circuitos sintonizados en esta etapa bloquean las frecuencias que están muy alejadas de la frecuencia de recepción deseada. Para sintonizar el receptor con una estación en particular, la frecuencia del oscilador local se controla mediante la perilla de sintonización (por ejemplo). La sintonización del oscilador local y la etapa de RF puede utilizar un condensador variable o un diodo varicap . [11] La sintonización de uno (o más) circuitos sintonizados en la etapa de RF debe seguir la sintonización del oscilador local.
Mezclador y oscilador local
Luego, la señal se alimenta a un circuito donde se mezcla con una onda sinusoidal de un oscilador de frecuencia variable conocido como oscilador local (LO). El mezclador utiliza un componente no lineal para producir señales de frecuencias de batido de suma y diferencia , [12] cada una de las cuales contiene la modulación contenida en la señal deseada. La salida del mezclador puede incluir la señal original de RF en f RF , la señal de oscilador local a f LO , y las dos nuevas frecuencias heterodinas f RF + f LO y f RF - f LO . El mezclador puede producir inadvertidamente frecuencias adicionales como productos de intermodulación de tercer y mayor orden. Idealmente, el filtro de paso de banda de IF elimina todo menos la señal de IF deseada en f IF . La señal de FI contiene la modulación original (información transmitida) que tenía la señal de radio recibida en f RF .
La frecuencia del oscilador local f LO se establece de modo que la frecuencia de radio de recepción deseada f RF se mezcle af IF . Hay dos opciones para la frecuencia del oscilador local porque los productos dominantes del mezclador están af RF ± f LO . Si la frecuencia del oscilador local es menor que la frecuencia de recepción deseada, se denomina inyección de lado bajo ( f IF = f RF - f LO ); si el oscilador local es más alto, entonces se llama inyección de lado alto ( f IF = f LO - f RF ).
El mezclador procesará no solo la señal de entrada deseada en f RF , sino también todas las señales presentes en sus entradas. Habrá muchos productos mezcladores (heterodinos). La mayoría de las otras señales producidas por el mezclador (como las debidas a estaciones en frecuencias cercanas) se pueden filtrar en el amplificador sintonizado de FI ; eso le da al receptor superheterodino su desempeño superior. Sin embargo, si f LO se establece en f RF + f IF , a continuación, una señal de radio entrante en f LO + f IF será también producir un heterodino en f IF ; la frecuencia f LO + f IF se denomina frecuencia de imagen y debe ser rechazada por los circuitos sintonizados en la etapa de RF. La frecuencia de la imagen es 2 f IF más alta (o más baja) que la frecuencia deseada f RF , por lo que el empleo de una frecuencia IF más alta f IF aumenta el rechazo de la imagen del receptor sin requerir selectividad adicional en la etapa de RF. [ dudoso ]
Para suprimir la imagen no deseada, es posible que la sintonización de la etapa de RF y el LO necesiten "seguirse" entre sí. En algunos casos, un receptor de banda estrecha puede tener un amplificador de RF sintonizado fijo. En ese caso, solo se cambia la frecuencia del oscilador local. En la mayoría de los casos, la banda de entrada de un receptor es más ancha que su frecuencia central de FI. Por ejemplo, un receptor de banda de transmisión de AM típico cubre de 510 kHz a 1655 kHz (una banda de entrada de aproximadamente 1160 kHz) con una frecuencia de FI de 455 kHz; un receptor de banda de transmisión de FM cubre la banda de 88 MHz a 108 MHz con una frecuencia de FI de 10,7 MHz. En esa situación, el amplificador de RF debe estar sintonizado para que el amplificador de FI no vea dos estaciones al mismo tiempo. Si el LO del receptor de banda de transmisión de AM se configurara en 1200 kHz, vería estaciones en 745 kHz (1200-455 kHz) y 1655 kHz. En consecuencia, la etapa de RF debe diseñarse de modo que cualquier estación que se encuentre al doble de la frecuencia de FI se atenúe significativamente. El seguimiento se puede realizar con un condensador variable de varias secciones o algunos varactores impulsados por un voltaje de control común. Un amplificador de RF puede tener circuitos sintonizados tanto en su entrada como en su salida, por lo que se pueden rastrear tres o más circuitos sintonizados. En la práctica, las frecuencias de RF y LO deben seguir de cerca, pero no a la perfección. [13] [14]
En muchos receptores superheterodinos se utiliza la misma etapa como oscilador local y como mezclador, para ahorrar costes, potencia y tamaño. A esto se le llama convertidor . En los receptores de tubo de vacío , un solo tubo convertidor pentagrid oscilaría y también proporcionaría amplificación de señal y cambio de frecuencia. [15]
Amplificador de FI
Las etapas de un amplificador de frecuencia intermedia ("amplificador de FI" o "banda de FI") se sintonizan a una frecuencia fija que no cambia a medida que cambia la frecuencia de recepción. La frecuencia fija simplifica la optimización del amplificador de FI. [10] El amplificador IF es selectivo en torno a su frecuencia central f IF . La frecuencia central fija permite que las etapas del amplificador de FI se sintonicen cuidadosamente para obtener el mejor rendimiento (esta sintonización se denomina "alineación" del amplificador de FI). Si la frecuencia central cambiaba con la frecuencia de recepción, entonces las etapas de FI habrían tenido que seguir su sintonía. Ese no es el caso del superheterodino.
Normalmente, la frecuencia central de FI f IF se elige para que sea menor que la frecuencia de recepción deseada f RF . La elección tiene algunas ventajas de rendimiento. Primero, es más fácil y menos costoso obtener una alta selectividad a una frecuencia más baja. Para el mismo ancho de banda, un circuito sintonizado a una frecuencia más baja necesita una Q más baja. Dicho de otra manera, para la misma tecnología de filtro, una frecuencia central más alta requerirá más etapas de filtro de FI para lograr el mismo ancho de banda de selectividad. En segundo lugar, es más fácil y menos costoso obtener una alta ganancia a una frecuencia más baja. Cuando se utilizan a altas frecuencias, muchos amplificadores muestran una característica de producto de ancho de banda de ganancia constante (polo dominante). Si un amplificador tiene un producto de ancho de banda de ganancia de 100 MHz, entonces tendría una ganancia de voltaje de 100 a 1 MHz pero sólo 10 a 10 MHz. Si el amplificador de FI necesitara una ganancia de voltaje de 10,000, entonces solo necesitaría dos etapas con una FI a 1 MHz pero cuatro etapas a 10 MHz.
Por lo general, la frecuencia intermedia es más baja que la frecuencia de recepción f RF , pero en algunos receptores modernos (por ejemplo, escáneres y analizadores de espectro) se usa una frecuencia IF más alta para minimizar los problemas con el rechazo de imágenes o aprovechar los beneficios de las etapas de sintonización fija. El receptor Rohde & Schwarz EK-070 VLF / HF cubre de 10 kHz a 30 MHz. [16] Tiene un filtro de RF de banda conmutada y mezcla la entrada a una primera FI de 81,4 MHz. La primera frecuencia LO es de 81,4 a 111,4 MHz, por lo que las imágenes primarias están muy lejos. La primera etapa de FI utiliza un filtro de cristal con un ancho de banda de 12 kHz. Hay una segunda conversión de frecuencia (que hace un receptor de triple conversión) que mezcla la primera FI de 81,4 MHz con 80 MHz para crear una segunda FI de 1,4 MHz. El rechazo de imagen para el segundo FI no es un problema importante porque el primer FI proporciona un rechazo de imagen adecuado y el segundo mezclador tiene una sintonización fija.
Para evitar interferencias en los receptores, las autoridades encargadas de la concesión de licencias evitarán asignar frecuencias de FI comunes a las estaciones transmisoras. Las frecuencias intermedias estándar utilizadas son 455 kHz para radio AM de onda media , 10,7 MHz para receptores de radiodifusión FM, 38,9 MHz (Europa) o 45 MHz (EE. UU.) Para televisión y 70 MHz para equipos de microondas terrestres y satelitales. Para evitar los costos de herramientas asociados con estos componentes, la mayoría de los fabricantes tendieron a diseñar sus receptores alrededor de un rango fijo de frecuencias ofrecidas, lo que resultó en una estandarización de facto de las frecuencias intermedias en todo el mundo .
En los primeros superhéroes, la etapa IF era a menudo una etapa regenerativa que proporcionaba la sensibilidad y la selectividad con menos componentes. Estos superhets se denominaron superganadores o regenerodinos. [17] Otro circuito añadido a la cadena de frecuencia intermedia es el multiplicador Q .
IF filtro de paso de banda
La etapa de IF incluye un filtro y / o múltiples circuitos sintonizados para lograr la selectividad deseada . Este filtrado debe tener un paso de banda igual o menor que el espaciado de frecuencia entre canales de transmisión adyacentes. Idealmente, un filtro tendría una alta atenuación para los canales adyacentes, pero mantendría una respuesta plana en todo el espectro de la señal deseada para retener la calidad de la señal recibida. Esto se puede obtener utilizando uno o más transformadores de FI de doble sintonía, un filtro de cristal de cuarzo o un filtro de cristal cerámico multipolar . [18]
En el caso de los receptores de televisión, ninguna otra técnica fue capaz de producir la característica de paso de banda precisa necesaria para la recepción de banda lateral vestigial , como la utilizada en el sistema NTSC aprobado por primera vez por los EE. UU. En 1941. En la década de 1980, el condensador-inductor de múltiples componentes filtros habían sido reemplazados con precisión electromecánico onda acústica de superficie (SAW) filtros . Fabricados mediante técnicas de fresado láser de precisión, los filtros SAW son más baratos de producir, se pueden fabricar con tolerancias extremadamente estrechas y son muy estables en funcionamiento.
Demodulador
La señal recibida ahora es procesada por la etapa del demodulador donde se recupera la señal de audio (u otra señal de banda base ) y luego se amplifica aún más. La demodulación de AM requiere la simple rectificación de la señal de RF (la llamada detección de envolvente ) y un simple filtro de paso bajo RC para eliminar los restos de la frecuencia intermedia. [19] Las señales de FM pueden detectarse utilizando un discriminador, un detector de relación o un bucle de bloqueo de fase . Las señales de onda continua y de banda lateral única requieren un detector de producto que utilice un denominado oscilador de frecuencia de batido , y existen otras técnicas que se utilizan para diferentes tipos de modulación . [20] La señal de audio resultante (por ejemplo) se amplifica y activa un altavoz.
Cuando se ha utilizado la llamada inyección de lado alto , donde el oscilador local está a una frecuencia más alta que la señal recibida (como es común), entonces el espectro de frecuencia de la señal original se invertirá. Esto debe ser tenido en cuenta por el demodulador (y en el filtrado de FI) en el caso de ciertos tipos de modulación como banda lateral única .
Conversión múltiple
Para superar obstáculos como la respuesta de la imagen , algunos receptores utilizan múltiples etapas sucesivas de conversión de frecuencia y múltiples FI de diferentes valores. Un receptor con dos conversiones de frecuencia e IF se denomina superheterodino de conversión dual , y uno con tres IF se denomina superheterodino de triple conversión .
La razón principal por la que se hace esto es que con un solo FI existe una compensación entre la baja respuesta de imagen y la selectividad. La separación entre la frecuencia recibida y la frecuencia de la imagen es igual al doble de la frecuencia de FI, por lo que cuanto mayor es la FI, más fácil es diseñar un filtro de RF para eliminar la frecuencia de la imagen de la entrada y lograr una respuesta de imagen baja . Sin embargo, cuanto mayor sea el IF, más difícil será lograr una alta selectividad en el filtro de IF. A frecuencias de onda corta y superiores, la dificultad de obtener suficiente selectividad en la sintonización con las FI altas necesarias para una respuesta de imagen baja afecta al rendimiento. Para resolver este problema, se pueden usar dos frecuencias de FI, primero convirtiendo la frecuencia de entrada en una FI alta para lograr una respuesta de imagen baja y luego convirtiendo esta frecuencia en una FI baja para lograr una buena selectividad en el segundo filtro de FI. Para mejorar la sintonía, se puede utilizar una tercera FI.
Por ejemplo, para un receptor que puede sintonizar de 500 kHz a 30 MHz, se pueden usar tres convertidores de frecuencia. [10] Con un IF de 455 kHz es fácil obtener una selectividad de entrada adecuada con señales de banda de transmisión (por debajo de 1600 kHz). Por ejemplo, si la estación que se recibe está en 600 kHz, el oscilador local se puede configurar en 1055 kHz, dando una imagen en (-600 + 1055 =) 455 kHz. Pero una estación en 1510 kHz también podría producir una imagen en (1510-1055 =) 455 kHz y causar interferencia en la imagen. Sin embargo, debido a que 600 kHz y 1510 kHz están tan separados, es fácil diseñar la sintonización del extremo frontal para rechazar la frecuencia de 1510 kHz.
Sin embargo, a 30 MHz, las cosas son diferentes. El oscilador se establecería en 30,455 MHz para producir una FI de 455 kHz, pero una estación en 30,910 también produciría un latido de 455 kHz, por lo que ambas estaciones se escucharían al mismo tiempo. Pero es prácticamente imposible diseñar un circuito sintonizado de RF que pueda discriminar adecuadamente entre 30 MHz y 30,91 MHz, por lo que un enfoque es "convertir en masa" secciones enteras de las bandas de onda corta a una frecuencia más baja, donde la sintonización adecuada del extremo frontal es más fácil. para arreglar.
Por ejemplo, los rangos de 29 MHz a 30 MHz; 28 MHz a 29 MHz, etc. se pueden convertir a 2 MHz a 3 MHz, allí se pueden sintonizar de manera más conveniente. Esto a menudo se hace convirtiendo primero cada "bloque" a una frecuencia más alta (típicamente 40 MHz) y luego usando un segundo mezclador para convertirlo al rango de 2 MHz a 3 MHz. El "IF" de 2 MHz a 3 MHz es básicamente otro receptor superheterodino autónomo, muy probablemente con un IF estándar de 455 kHz.
Diseños modernos
La tecnología de microprocesador permite reemplazar el diseño del receptor superheterodino por una arquitectura de radio definida por software , donde el procesamiento de FI después del filtro de FI inicial se implementa en el software. Esta técnica ya está en uso en ciertos diseños, como las radios FM de muy bajo costo incorporadas en los teléfonos móviles, ya que el sistema ya cuenta con el microprocesador necesario .
Los transmisores de radio también pueden usar una etapa mezcladora para producir una frecuencia de salida, funcionando más o menos como el reverso de un receptor superheterodino.
Ventajas y desventajas
Los receptores superheterodinos han reemplazado esencialmente a todos los diseños de receptores anteriores. El desarrollo de la electrónica semiconductora moderna anuló las ventajas de los diseños (como el receptor regenerativo ) que usaban menos tubos de vacío. El receptor superheterodino ofrece una sensibilidad, estabilidad de frecuencia y selectividad superiores. En comparación con el diseño del receptor de frecuencia de radio sintonizado (TRF), los superhets ofrecen una mejor estabilidad porque un oscilador sintonizable se realiza más fácilmente que un amplificador sintonizable. Al operar a una frecuencia más baja, los filtros de FI pueden proporcionar bandas de paso más estrechas con el mismo factor Q que un filtro de RF equivalente. Un FI fijo también permite el uso de un filtro de cristal [10] o tecnologías similares que no se pueden sintonizar. Los receptores regenerativos y superregenerativos ofrecen una alta sensibilidad, pero a menudo sufren problemas de estabilidad que dificultan su funcionamiento.
Aunque las ventajas del diseño superhet son abrumadoras, existen algunos inconvenientes que deben abordarse en la práctica.
Frecuencia de imagen ( f IMAGEN )
Una de las principales desventajas del receptor superheterodino es el problema de la frecuencia de la imagen . En los receptores heterodinos, una frecuencia de imagen es una frecuencia de entrada no deseada igual a la frecuencia de la estación más (o menos) el doble de la frecuencia intermedia. La frecuencia de la imagen da como resultado que se reciban dos estaciones al mismo tiempo, lo que produce interferencias. Las frecuencias de imagen pueden eliminarse mediante una atenuación suficiente de la señal entrante por el filtro amplificador de RF del receptor superheterodino.
Por ejemplo, una estación de transmisión de AM a 580 kHz se sintoniza en un receptor con un IF de 455 kHz. El oscilador local está sintonizado a 580 + 455 = 1035 kHz. Pero una señal a 580 + 455 + 455 = 1490 kHz también está a 455 kHz del oscilador local; por lo que tanto la señal deseada como la imagen, cuando se mezclan con el oscilador local, aparecerán en la frecuencia intermedia. Esta frecuencia de imagen está dentro de la banda de transmisión de AM. Los receptores prácticos tienen una etapa de sintonización antes del convertidor, para reducir en gran medida la amplitud de las señales de frecuencia de imagen; Además, las estaciones de radiodifusión en la misma zona tienen asignadas sus frecuencias para evitar tales imágenes.
La frecuencia no deseada se denomina imagen de la frecuencia deseada, porque es la "imagen especular" de la frecuencia deseada reflejada.. Un receptor con un filtrado inadecuado en su entrada captará señales en dos frecuencias diferentes simultáneamente: la frecuencia deseada y la frecuencia de la imagen. Cualquier ruido o estación de radio aleatoria en la frecuencia de la imagen puede interferir con la recepción de la señal deseada.
Los primeros receptores Autodyne solían utilizar IF de solo 150 kHz aproximadamente, ya que era difícil mantener una oscilación confiable si se usaban frecuencias más altas. Como consecuencia, la mayoría de los receptores Autodyne necesitaban redes de sintonización de antenas bastante elaboradas, a menudo con bobinas de doble sintonización, para evitar interferencias en la imagen. Los superhets posteriores utilizaron tubos especialmente diseñados para el uso de osciladores / mezcladores, que pudieron funcionar de manera confiable con IF mucho más altos, reduciendo el problema de la interferencia de imagen y permitiendo así un circuito de sintonización aérea más simple y económico.
La sensibilidad a la frecuencia de la imagen sólo puede minimizarse mediante (1) un filtro que precede al mezclador o (2) un circuito mezclador más complejo [21] que suprime la imagen. En la mayoría de los receptores, esto se logra mediante un filtro de paso de banda en el extremo frontal de RF . En muchos receptores sintonizables, el filtro de paso de banda se sintoniza en conjunto con el oscilador local.
El rechazo de imágenes es un factor importante a la hora de elegir la frecuencia intermedia de un receptor. Cuanto más alejadas estén la frecuencia de paso de banda y la frecuencia de la imagen, más atenuará el filtro de paso de banda cualquier señal de imagen que interfiera. Dado que la separación de frecuencia entre el paso de banda y la frecuencia de la imagen es, una frecuencia intermedia más alta mejora el rechazo de la imagen. Puede ser posible utilizar una primera FI lo suficientemente alta como para que una etapa de RF de sintonización fija pueda rechazar cualquier señal de imagen.
La capacidad de un receptor para rechazar señales interferentes en la frecuencia de la imagen se mide mediante la tasa de rechazo de la imagen . Esta es la relación (en decibelios ) de la salida del receptor de una señal en la frecuencia recibida, a su salida para una señal de igual fuerza en la frecuencia de la imagen.
Radiación del oscilador local
Es difícil mantener la radiación parásita del oscilador local por debajo del nivel que puede detectar un receptor cercano. El oscilador local del receptor puede actuar como un transmisor CW de baja potencia . En consecuencia, puede haber interferencia mutua en el funcionamiento de dos o más receptores superheterodinos en estrecha proximidad.
En las operaciones de inteligencia, la radiación del oscilador local proporciona un medio para detectar un receptor encubierto y su frecuencia de funcionamiento. El método fue utilizado por MI5 durante la Operación RAFTER . [22] Esta misma técnica también se utiliza en los detectores de detectores de radar utilizados por la policía de tránsito en jurisdicciones donde los detectores de radar son ilegales.
Un método para reducir significativamente la radiación del oscilador local de la antena del receptor es usar un amplificador de RF entre la antena del receptor y su etapa de mezcla.
Ruido de banda lateral del oscilador local
Los osciladores locales generalmente generan una señal de frecuencia única que tiene una modulación de amplitud insignificante pero alguna modulación de fase aleatoria . Cualquiera de estas impurezas esparce parte de la energía de la señal en frecuencias de banda lateral. Eso provoca una ampliación correspondiente de la respuesta de frecuencia del receptor, lo que anularía el objetivo de hacer un receptor de ancho de banda muy estrecho como para recibir señales digitales de baja velocidad. Se debe tener cuidado para minimizar el ruido de fase del oscilador, generalmente asegurándose de que el oscilador nunca entre en un modo no lineal .
Terminología
- Primer detector, segundo detector
- El tubo mezclador o transistor a veces se denomina primer detector , mientras que el demodulador que extrae la modulación de la señal de FI se denomina segundo detector . En un superhet de conversión dual hay dos mezcladores, por lo que el demodulador se llama tercer detector .
- Interfaz de RF
- Se refiere a todos los componentes del receptor, incluido el mezclador; todas las partes que procesan la señal en la frecuencia de radio entrante original. En el diagrama de bloques de arriba, los componentes frontales de RF están coloreados en rojo.
Notas
- ^ Aunque, en la práctica, los OA tienden a ser señales relativamente fuertes.
Ver también
- Radar H2X
- Control de ganancia automática
- Demodulador
- Receptor de conversión directa
- VFO
- Modulación de banda lateral única (demodulación)
- Receptor de radiofrecuencia sintonizado
- Receptor de reflejos
- Detección óptica de heterodinos
- Transmisor superheterodino
Referencias
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Fuentes
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Otras lecturas
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enlaces externos
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- Una introducción en profundidad a los receptores superheterodinos
- Receptores superheterodinos de microwaves101.com
- Tutorial de varias páginas que describe el receptor superheterodino y su tecnología