Un oscilador de frecuencia variable ( VFO ) en electrónica es un oscilador cuya frecuencia se puede sintonizar (es decir, variar) en algún rango. [1] Es un componente necesario en cualquier transmisor o receptor de radio sintonizable que funciona según el principio superheterodino y controla la frecuencia a la que se sintoniza el aparato.
Propósito
En un receptor superheterodino simple , la señal de radiofrecuencia entrante (a frecuencia) de la antena se mezcla con la señal de salida del VFO sintonizada, produciendo una señal de frecuencia intermedia (IF) que se puede procesar aguas abajo para extraer la información modulada . Dependiendo del diseño del receptor, la frecuencia de la señal de FI se elige para que sea la suma de las dos frecuencias en las entradas del mezclador ( conversión ascendente ), o más comúnmente, la frecuencia de diferencia (conversión descendente), .
Además de la señal IF deseada y su imagen no deseada (el producto de mezcla del signo opuesto arriba), la salida del mezclador también contendrá las dos frecuencias originales, y y varias combinaciones armónicas de las señales de entrada. Estas señales no deseadas son rechazadas por el filtro de FI . Si se emplea un mezclador doble balanceado, las señales de entrada que aparecen en las salidas del mezclador se atenúan en gran medida, lo que reduce la complejidad requerida del filtro de FI.
La ventaja de usar un VFO como oscilador heterodino es que solo una pequeña porción del receptor de radio (las secciones antes del mezclador como el preamplificador) necesitan tener un ancho de banda amplio. El resto del receptor se puede sintonizar con precisión a la frecuencia de FI. [2]
En un receptor de conversión directa , el VFO está sintonizado a la misma frecuencia que la frecuencia de radio entrante yHz. La demodulación se lleva a cabo en la banda base utilizando filtros de paso bajo y amplificadores .
En una frecuencia de radio (RF) transmisor , VFOs a menudo se utilizan para sintonizar la frecuencia de la señal de salida, a menudo indirectamente a través de un heterodino proceso similar a la descrita anteriormente. [1] Otros usos incluyen generadores de chirridos para sistemas de radar donde el VFO es barrido rápidamente a través de un rango de frecuencias, [3] generación de señales de tiempo para osciloscopios y reflectómetros de dominio de tiempo , y generadores de audio de frecuencia variable usados en instrumentos musicales y equipos de prueba de audio.
Tipos
Hay dos tipos principales de VFO en uso: analógico y digital .
VFO analógicos
Un VFO analógico es un oscilador electrónico donde el valor de al menos uno de los componentes pasivos es ajustable bajo el control del usuario para alterar su frecuencia de salida. El componente pasivo cuyo valor es ajustable suele ser un condensador , pero podría ser un inductor variable .
Condensador de sintonización
El condensador variable es un dispositivo mecánico en el que la separación de una serie de placas metálicas intercaladas se altera físicamente para variar su capacitancia . El ajuste de este condensador a veces se facilita mediante una caja de cambios reductora mecánica para lograr un ajuste fino. [2]
Varactor
Un diodo semiconductor de polarización inversa exhibe capacitancia. Dado que el ancho de su región de agotamiento no conductora depende de la magnitud del voltaje de polarización inversa, este voltaje se puede usar para controlar la capacitancia de la unión. El voltaje de polarización del varactor puede generarse de varias formas y es posible que no sea necesario que haya partes móviles significativas en el diseño final. [4] Los varactores tienen una serie de desventajas que incluyen la variación y el envejecimiento de la temperatura, el ruido electrónico, el factor Q bajo y la falta de linealidad.
VFO digitales
Los receptores y transmisores de radio modernos suelen utilizar alguna forma de síntesis de frecuencia digital para generar su señal de VFO. Las ventajas incluyen diseños más pequeños, falta de partes móviles, la mayor estabilidad de los osciladores de referencia de frecuencia configurados y la facilidad con la que las frecuencias predeterminadas se pueden almacenar y manipular en la computadora digital que generalmente está incrustada en el diseño en cualquier caso.
También es posible que la radio se vuelva extremadamente ágil en frecuencia ya que la computadora de control podría alterar la frecuencia sintonizada de la radio muchas decenas, miles o incluso millones de veces por segundo. Esta capacidad permite a los receptores de comunicaciones monitorear efectivamente muchos canales a la vez, quizás usando técnicas de llamada selectiva digital ( DSC ) para decidir cuándo abrir un canal de salida de audio y alertar a los usuarios sobre las comunicaciones entrantes. La agilidad de frecuencia preprogramada también forma la base de algunas técnicas militares de encriptación de radio y sigilo. La agilidad de frecuencia extrema se encuentra en el corazón de las técnicas de espectro ensanchado que han ganado la aceptación generalizada en redes inalámbricas de computadoras como Wi-Fi .
Hay desventajas en la síntesis digital, como la incapacidad de un sintetizador digital para sintonizar suavemente todas las frecuencias, pero con la canalización de muchas bandas de radio, esto también puede verse como una ventaja, ya que evita que las radios funcionen entre dos canales reconocidos. .
La síntesis de frecuencia digital se basa en fuentes de frecuencia de referencia estables controladas por cristal . Los osciladores controlados por cristal son más estables que los osciladores controlados de forma inductiva y capacitiva. Su desventaja es que cambiar la frecuencia (más que una pequeña cantidad) requiere cambiar el cristal, pero las técnicas de sintetizador de frecuencia lo han hecho innecesario en los diseños modernos.
Síntesis de frecuencia digital
Las técnicas electrónicas y digitales involucradas en esto incluyen:
- Síntesis digital directa (DDS)
- En la memoria digital se almacenan suficientes puntos de datos para una función sinusoidal matemática . Estos se recuperan a la velocidad correcta y se envían a un convertidor de digital a analógico donde se genera la onda sinusoidal requerida.
- Síntesis de frecuencia directa
- Las primeras radios de comunicación canalizada tenían múltiples cristales, uno para cada canal en el que podían operar. Después de un tiempo, este pensamiento se combinó con las ideas básicas de heterodino y mezcla descritas en el propósito anterior. Se pueden mezclar varios cristales en varias combinaciones para producir varias frecuencias de salida.
- Bucle de bloqueo de fase (PLL)
- Usando un oscilador controlado por varactor o por voltaje (VCO) (descrito anteriormente en varactor bajo técnicas de VFO analógicas ) y un detector de fase, se puede configurar un bucle de control para que la salida del VCO esté bloqueada en frecuencia a un cristal controlado oscilador de referencia. La comparación del detector de fase se realiza entre las salidas de los dos osciladores después de la división de frecuencia por diferentes divisores. Luego, al alterar los divisores de división de frecuencia bajo el control de la computadora, se puede generar una variedad de frecuencias de salida de VCO reales (no divididas). La técnica PLL domina la mayoría de los diseños de VFO de radio en la actualidad.
Actuación
Las métricas de calidad para un VFO incluyen estabilidad de frecuencia, ruido de fase y pureza espectral. Todos estos factores tienden a ser inversamente proporcionales al factor Q del circuito de sintonización . Dado que, en general, el rango de sintonización también es inversamente proporcional a Q, estos factores de rendimiento generalmente se degradan a medida que aumenta el rango de frecuencia del VFO. [5]
Estabilidad
La estabilidad es la medida de hasta qué punto la frecuencia de salida de un VFO se desvía con el tiempo y la temperatura. [5] Para mitigar este problema, los VFO generalmente están "bloqueados en fase" a un oscilador de referencia estable. Los PLL utilizan retroalimentación negativa para corregir la deriva de frecuencia del VFO, lo que permite un amplio rango de sintonización y una buena estabilidad de frecuencia. [6]
Repetibilidad
Idealmente, para la misma entrada de control al VFO, el oscilador debería generar exactamente la misma frecuencia. Un cambio en la calibración del VFO puede cambiar la calibración de sintonización del receptor; puede ser necesario realinear periódicamente un receptor. Los VFO utilizados como parte de un sintetizador de frecuencia de bucle con bloqueo de fase tienen requisitos menos estrictos ya que el sistema es tan estable como la frecuencia de referencia controlada por cristal.
Pureza
Un gráfico de la amplitud de un VFO frente a la frecuencia puede mostrar varios picos, probablemente relacionados armónicamente . Cada uno de estos picos puede potencialmente mezclarse con alguna otra señal entrante y producir una respuesta falsa . Estos spurii (a veces deletreados spuriae ) pueden resultar en un aumento de ruido o dos señales detectadas donde solo debería haber una. [1] Se pueden agregar componentes adicionales a un VFO para suprimir oscilaciones parásitas de alta frecuencia, en caso de que estén presentes.
En un transmisor, estas señales espurias se generan junto con la señal deseada. Es posible que se requiera un filtrado para garantizar que la señal transmitida cumpla con las regulaciones de ancho de banda y emisiones no esenciales.
Ruido de fase
Cuando se examina con un equipo muy sensible, el pico de onda sinusoidal pura en el gráfico de frecuencia de un VFO probablemente resultará no estar asentado sobre un piso de ruido plano . Leves " fluctuaciones " aleatorias en la sincronización de la señal significarán que el pico se encuentra en "faldas" de ruido de fase en las frecuencias a ambos lados de la deseada.
Estos también son problemáticos en bandas abarrotadas. Permiten el paso de señales no deseadas que están bastante cerca de la esperada, pero debido a la calidad aleatoria de estas 'faldas' de ruido de fase, las señales suelen ser ininteligibles y aparecen como ruido adicional en la señal recibida. El efecto es que lo que debería ser una señal limpia en una banda abarrotada puede parecer una señal muy ruidosa, debido a los efectos de las señales fuertes cercanas.
El efecto del ruido de fase del VFO en un transmisor es que el ruido aleatorio se transmite a ambos lados de la señal requerida. Nuevamente, esto debe evitarse por razones legales en muchos casos.
Referencia de frecuencia
Los osciladores digitales o controlados digitalmente generalmente se basan en referencias constantes de frecuencia única, que se pueden hacer con un estándar más alto que las alternativas basadas en semiconductores y circuitos LC . Por lo general, se usa un oscilador basado en cristal de cuarzo, aunque en aplicaciones de alta precisión, como las redes celulares TDMA , los relojes atómicos como el estándar Rubidium también son comunes a partir de 2018.
Debido a la estabilidad de la referencia utilizada, los propios osciladores digitales tienden a ser más estables y más repetibles a largo plazo. Esto explica en parte su enorme popularidad en los VFO de bajo costo y controlados por computadora. A corto plazo, las imperfecciones introducidas por la división y multiplicación de frecuencia digital ( jitter ), y la susceptibilidad del estándar de cuarzo común a choques acústicos, variación de temperatura, envejecimiento e incluso radiación, limitan la aplicabilidad de un oscilador digital ingenuo.
Esta es la razón por la que los VFO de gama alta, como los transmisores de RF bloqueados en tiempo atómico , tienden a combinar múltiples referencias diferentes y de manera compleja. Algunas referencias, como los relojes de rubidio o cesio, proporcionan una mayor estabilidad a largo plazo, mientras que otras, como los máseres de hidrógeno, producen un menor ruido de fase a corto plazo. Luego, los osciladores de frecuencia más baja (y por lo tanto de menor costo) bloqueados en fase a una versión dividida digitalmente del reloj maestro entregan la salida final del VFO, suavizando el ruido inducido por los algoritmos de división. Una disposición de este tipo puede brindar toda la estabilidad y repetibilidad a largo plazo de una referencia exacta, los beneficios de la selección de frecuencia digital exacta y la estabilidad a corto plazo, impartida incluso en una forma de onda analógica de frecuencia arbitraria, lo mejor de todos los mundos.
Ver también
- Oscilador controlado numéricamente
- Resonancia
- Sintonizador (radio)
Referencias
- ↑ a b c Larry D. Wolfgang, ed. (1991). Manual de la ARRL para radioaficionados, sexagésima octava edición . Newington, Connecticut: Liga de retransmisiones de radio estadounidense. Capítulo 10. ISBN 0-87259-168-9.
- ^ a b Rohde, Ulrich (1988), Principios y diseño de los receptores de comunicaciones , McGraw Hill, ISBN 0-07-053570-1
- ^ Generación de señales de chirrido de frecuencia para probar sistemas de radar (PDF) , IFR corp.
- ^ Holt, Charles (1978), Circuitos electrónicos , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2
- ^ a b Clark, Kenneth K. y Hess, Donald T. (1978). Circuitos de comunicación: análisis y diseño . San Francisco, California : Addison-Wesley . págs. 216–222. ISBN 0-201-01040-2.
- ^ Hittite Microwave Corp (2009). "Los PLL compactos integran los VCO" . Revista Microondas y RF.