Dlaczego konwersja na częstotliwość pośrednią?

Studiując różne systemy komunikacyjne (np. Odbiorniki superheterodyne i odbiorniki telewizyjne) często spotykam bloki, które przekształcają sygnały RF na sygnały częstotliwości pośredniej (IF). Jaka jest potrzeba tej konwersji? Czy sygnały RF nie mogą być przetwarzane bezpośrednio bez konwersji ich na sygnały IF?

Odniosłem się do tego pytania, ale jego odpowiedź nie wyjaśniała potrzeby konwersji IF.

Ta odpowiedź koncentruje się na odbiornikach radiowych, takich jak AM i FM.

Jeśli chcesz odbierać sygnał tylko z jednej stacji, być może nie będziesz musiał mieć częstotliwości pośredniej ani jej używać. Możesz zbudować odbiornik, aby dostroił się tylko do tej częstotliwości - strojenie musi być ostre - musisz odrzucić wszystkie możliwe inne źródła, które mogą zakłócić pożądany sygnał.

Odbywa się to przez kilka pasmowych filtrów przepustowych, które razem mają pasmo przepustowe, które jest wystarczająco szerokie, aby poradzić sobie z sygnałem, który chcesz odbierać, ale nie tak szerokie, aby wpuszczać innych.

Teraz powiedz, że chcesz dostroić się do 2 stacji - musisz ponownie wyrównać wszystkie te filtry, aby pokrywały się z nową stacją. Historycznie radiotelefony były proste, a przeniesienie szeregu dostrojonych filtrów pasmowych na nową częstotliwość środkową byłoby trudne.

O wiele łatwiej było mieć kilka stałych filtrów pasmowoprzepustowych, które wykonywały większość niechcianych kanałów, zamiast próbować je wyrównywać podczas regulacji pokrętła.

W ten sposób wymyślono odbiorniki superheterodynowe. Przychodzący szeroki zakres wielu stacji radiowych został „wymieszany” z oscylatorem, który można po prostu dostroić za pomocą pokrętła - w ten sposób powstały częstotliwości sumowania i różnic, a zwykle częstotliwość różnicowa stała się nową „pożądaną” częstotliwością. Tak więc dla FM (88 MHz do 108 MHz) częstotliwość IF wynosiła 10,7 MHz, a oscylator wynosiłby (typowo) 98,7 MHz dla strojenia sygnałów 88 MHz i 118,7 MHz dla strojenia sygnałów 108 MHz.

Nie wierz mi na to - może to być równie 77,3 MHz wzrastające do 97,3 MHz, aby wytworzyć ten sam zestaw częstotliwości różnicowych. Może ktoś może zmodyfikować moją odpowiedź lub doradzić mi w tej sprawie.

Jest to niewielka kwestia, ponieważ chodzi o to, że kiedy już potrafiłeś manipulować częstotliwością nośną przychodzącego sygnału, możesz przekazać wynik przez ściśle dostrojony stały zestaw filtrów pasmowoprzepustowych przed demodulacją.

Trochę więcej informacji na temat pasma VHF FM

Rozciąga się od 88 MHz do 108 MHz i ma IF, który jest nieco większy (10,7 MHz) niż połowa zakresu częstotliwości, który obejmuje. Jest rozsądny powód - gdyby oscylator był dokładnie dostrojony, aby wychwytywał 88 MHz (tj. Osc = 98,7 MHz), różnica częstotliwości, którą wytwarzałby z góry pasma przy 108 MHz, wynosiłaby 9,3 MHz, a to byłoby po prostu poza pasmem strojenie wyśrodkowane na 10,7 MHz, a zatem „odrzucone”.

Oczywiście, jeśli ktoś zaczął nadawać tuż poza pasmem FM, możesz to odebrać, ale uważam, że ustawodawstwo to uniemożliwia.

Po ostatnich działaniach w tym pytaniu przypomniałem sobie, że istnieje inny ważny powód, aby użyć częstotliwości pośredniej. Weź pod uwagę, że sygnał z anteny może być rzędu 1 uV RMS, a następnie pomyśl, że prawdopodobnie chcesz, aby obwód radiowy wzmocnił to do czegoś w rodzaju 1V RMS (wybacz falowanie ręczne) w demodulatorze. Cóż, to zysk o 1 milion lub 120 dB i, bez względu na to, jak bardzo możesz się starać, posiadanie płytki z zyskiem o wartości 120 dB jest receptą na katastrofę sprzężenia zwrotnego, tzn. Oscyluje i zmienia się w „terapię”.

To, co dostaje IF, to przerwa w łańcuchu sygnałowym, która zapobiega oscylacjom. Więc możesz mieć 60 dB wzmocnienia RF, a następnie przekonwertować na swój IF i mieć 60 dB wzmocnienia IF - sygnał na końcu łańcucha nie jest już zgodny z częstotliwością z tym, co dzieje się na antenie, a zatem nie ma efektu termicznego !

Niektóre radiotelefony mogą mieć dwie częstotliwości pośrednie - tylko z tego powodu możesz zmniejszyć wzmocnienie RF do 40 dB, a każdy stopień IF może mieć wzmocnienie 40 dB i brak terapii.

IF sprawia, że ​​odbiornik jest zarówno bardziej ekonomiczny, jak i wyższej jakości. Części RF są trudniejsze do wytworzenia i użytkowania, a zespół obwodów jest bardziej obciążony problemami pojemności błądzącej, indukcyjności, szumu, pętli uziemienia i zakłóceń. Im wyższa częstotliwość. Ale musimy mieć interfejs RF, ponieważ sygnał na złączu anteny jest po prostu zbyt słaby, aby cokolwiek zrobić, ale go wzmocnić. Niezbędne, ale drogie, projektanci chcą zminimalizować ilość obwodów RF.

OTOH, chcemy dobrej selektywności. Transmisje mają przydzieloną szerokość pasma, a wiele nadajników jest pod presją, aby zostać ściśnięte obok siebie na częstotliwości. Chcemy płaskiego pasma przepustowego dla żądanej częstotliwości i całkowitego zablokowania częstotliwości poza tym. Doskonałość jest niemożliwa, ale można dokonać kompromisu dla „wystarczająco dobrego” filtra. Wymaga to zaawansowanej konstrukcji filtra, a nie zwykłego obwodu tuningowanego LC. Chociaż można to zrobić w RF, teoretycznie w praktyce będzie to trudne i kosztowne oraz trudne do ustabilizowania się przed zmianami temperatury i starzeniem.

Możemy tworzyć lepsze filtry spełniające złożone wymagania dotyczące odpowiedzi przy niższych częstotliwościach, np. Dziesiątki MHZ lub sub-MHz. Im niższa częstotliwość, tym łatwiej jest zaprojektować przyzwoite przybliżenie do filtra funkcji odpowiedzi prostokątnej. Okazuje się, że wykonanie konwertera w dół - lokalnego oscylatora i miksera - jest stosunkowo łatwe i ekonomiczne. Ogólnie rzecz biorąc, system jest najbardziej ekonomiczny z minimalnymi wzmacniaczami RF, konwerterem w dół i mocną, dobrze zaprojektowaną sekcją IF, wykonującą wszystkie fantazyjne filtrowanie.

Główne punkty lekcji to: * Im wyższa częstotliwość, tym droższe i bardziej kłopotliwe. * Wymogi dotyczące filtrów (wszystko poza elementarnym obwodem strojonym) najlepiej wykonywać przy niższych częstotliwościach

Interesujące jest dla mnie to, że ta strategia projektowania trwała przez dziesięciolecia dla wielu różnych systemów wykorzystujących bardzo różne technologie. Stare radia z lampami próżniowymi wyglądające jak drewniane meble z lat 30. i 40. XX wieku, radia tranzystorowe w latach 60. XX wieku, dziś małe telefony komórkowe i urządzenia Bluetooth, gigantyczne radiowe teleskopy astronomiczne, telemetrie statków kosmicznych i inne.

Zasadniczo ma to na celu uczynienie obwodu demodulacyjnego bardzo czułym przy wąskim paśmie.

Gdyby obwód demodulacyjny musiał być szerokopasmowy (powiedzmy, zdolny do pracy dla dowolnej częstotliwości od 88-108 MHz dla FM), utrzymanie płaskiej odpowiedzi w całym zakresie częstotliwości byłoby trudne. Zamiast tego tuner jest szerokopasmowy, a następnie bije (heterodynamicznie) do pojedynczej częstotliwości pośredniej i przesyłany do bardzo zoptymalizowanego obwodu demodulacyjnego.

Wczesne radia wykorzystywały stopnie Tune RF do wzmacniania słabych sygnałów radiowych do tego stopnia, że ​​„detektor” AM mógłby je przekształcić z powrotem w audio. Te radia TRF miałyby od jednego stopnia do nawet 12 stopni. Im więcej etapów, tym lepszy odbiór słabych sygnałów i lepsze odrzucenie obrazu (odrzucenie pobliskich częstotliwości). Działało to dobrze, gdy było tylko kilka stacji radiowych, ale nie działało dobrze, gdy więcej stacji zaczęło tłoczyć fale radiowe.

Radio TRF wykorzystuje dostrojony obwód, którego Q dla każdego stopnia jest ustawiony, aby umożliwić przejście wszystkich częstotliwości pasma audio i niewielkie wzmocnienie w celu zwiększenia sygnału do poziomów użytkowych. Miało to kilka wad, jak zauważyli inni, i kilka z nich przeoczyło. Jeśli stopnie były zbyt wysokie, mogą zacząć oscylować, a radio przestanie działać. Nawet z zmiennymi kondensatorami zmiennymi, utrzymanie wszystkich stopni na częstotliwości było trudne, więc na niektórych etapach lub na wszystkich etapach wprowadzono przepisy w celu „przycięcia” sygnału. Dlatego zdjęcia, które widzisz we wczesnych zestawach radiowych, miały tyle pokręteł. Sporo dotyczyło zmiennych kondensatorów „trymera”, a inne były regulacjami polaryzacji lampy w celu ustawienia wzmocnienia, aby zapobiec sprzężeniu zwrotnemu. To, jak możesz sobie wyobrazić,

Przed przełomem XIX i XX wieku wiadomo było, że gdyby dwa oscylatory były blisko siebie, „uderzyłyby” one o siebie i wytworzyłyby nowy sygnał, jak w przypadku dwóch fletów dostrojonych do tego samego tonu. Zostało to wykorzystane na kilka interesujących sposobów na początku XX wieku. Pierwsze zastosowanie miało miejsce w detektorze CW pasma podstawowego, który zamieniał sygnał radiowy na słyszalny dźwięk znacznie czystiej niż bariera i inne zwinięte urządzenia detekcyjne. Theremin wykorzystuje heterodynamikę dwóch oscylatorów, w których jeden ma pojemność dostrajania dostarczaną przez małą płytkę lub drut i rękę użytkownika.

Major Armstrong w USA i kilku innych w Europie uświadomiło sobie podczas I wojny światowej, że można to wykorzystać do stworzenia odbiornika, który ma tylko kilka bardzo wysokich stopni wzmocnienia i znacznie prostsze filtry tuningowe. Stopień miksera przyjmowałby nadchodzące RF, heterodynował je względem lokalnego oscylatora, a ze względu na nieliniowe zachowanie stopnia miksera dawał zarówno sumę, jak i różnicę częstotliwości. Zwykle stosowana była częstotliwość różnicowa niższa niż RF lub oscylator. Przy 1 MHz, LO jest ustawiony na 1,455 MHz i wytwarzany jest sygnał przy 455 KHz (różnica) i 1,91 MHz (suma).

Zamiast wielu zestrojonych stopni, których wzmocnienie było dostosowane tak, aby zapobiegać oscylacjom, ponieważ ich częstotliwości wejściowe i wyjściowe były takie same, po jednym lub dwóch wyższych stopniach wzmocnienia dla RF można było zastosować jeden lub więcej starannie zaprojektowanych stopni, wszystkie działające na innej stałej częstotliwości, która nie trzeba było dostosowywać.

Z wielu przekrojowych kondensatorów tuningowych, które były bardzo drogie i trudne do wyprodukowania, potrzebujesz tylko dwóch lub trzech sekcji, które stają się znacznie mniejszym kosztem. To było również łatwiejsze dostrajanie, ponieważ selektywność posiadania IF przy 455 kHz oznaczała, że ​​nie istniałyby stacje radiowe przy tej częstotliwości, ponieważ pasmo transmisji wynosi od 540 kHz do 1650 kHz.