Receptor superheterodino - Superheterodyne receiver

Un receptor superheterodino de 5 tubos fabricado en Japón alrededor de 1955
Circuito de radio de transistores superheterodinos circa 1975

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 Lévy . 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 dos 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 de producir y fácil de recibir. A diferencia de las transmisiones de voz, la salida del amplificador no tenía que coincidir con la modulación de la señal original. Como resultado, se podría utilizar cualquier número de sistemas de amplificación simples. Un método utilizó un efecto secundario interesante de los primeros tubos amplificadores de triodo . Si tanto la placa (ánodo) como la rejilla estuvieran conectadas a circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia y la ganancia de la etapa fuera mucho mayor que la unidad , el acoplamiento capacitivo parásito entre la rejilla y la placa haría que el amplificador entrara en oscilación.

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 amplificador tomada en el ánodo se conectó de nuevo 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 decayó 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

Uno de los prototipos de receptores superheterodinos construidos en el laboratorio Signal Corps de Armstrong en París durante la Primera Guerra Mundial. Está construido en dos secciones, el mezclador y el oscilador local (izquierda) y tres etapas de amplificación de FI y una etapa de detector (derecha) . La frecuencia intermedia fue de 75 kHz.

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. Llegó 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 fuerza a la de la estación recibida. 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 se pueda amplificar 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.

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

El primer receptor superheterodino comercial, el RCA Radiola AR-812, salió a la venta el 4 de marzo de 1924 a un precio de 286 dólares (equivalente a 4.320 dólares en 2020). Utilizaba 6 triodos: un mezclador, oscilador local, dos etapas de amplificación de audio y dos de FI, con una FI de 45 kHz. Fue un éxito comercial, con mejor rendimiento que los receptores de la competencia.

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 , que luego la vendió a Radio Corporation of America (RCA) , esta última monopolizando el mercado de receptores superheterodinos hasta 1930.

Debido a que la motivación original para el superhet era la dificultad de usar el amplificador de triodo a altas frecuencias, existía la ventaja de usar una frecuencia intermedia más baja. Durante esta era, muchos receptores usaban una frecuencia de FI de solo 30 kHz. Estas bajas frecuencias de FI, que a menudo utilizan transformadores de FI basados ​​en la autorresonancia de los transformadores de núcleo de hierro , tenían un rechazo de frecuencia de imagen deficiente , pero superaron la dificultad de usar triodos en frecuencias de radio de una manera que compitió favorablemente con el receptor TRF neutrodino menos robusto . . Las frecuencias de FI más altas (455 kHz era un estándar común) entraron en uso en años posteriores, después de la invención del tetrodo y el pentodo como tubos amplificadores, resolviendo en gran medida el problema del rechazo de imágenes. Sin embargo, incluso más tarde, las bajas frecuencias de FI (típicamente 60 kHz) se volvieron a utilizar en la segunda (o tercera) etapa de FI de los receptores de comunicaciones de conversión doble o triple para aprovechar la selectividad que se logra más fácilmente en las frecuencias de FI más bajas, con imágenes rechazo logrado en la (s) etapa (s) anterior (es) de IF que estaban en una frecuencia de IF más alta.

En la década de 1920, a estas bajas frecuencias, los filtros de FI comerciales se veían muy similares a los transformadores de acoplamiento de audio entre etapas 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 que usaban frecuencias intermedias mucho más altas (típicamente alrededor de 440–470 kHz) usaban transformadores sintonizados más similares a otras aplicaciones de RF. Sin embargo, se mantuvo el nombre "transformador de FI", que ahora significa "frecuencia intermedia". Los receptores modernos suelen utilizar una mezcla de resonadores cerámicos o resonadores de ondas acústicas de superficie y transformadores de FI de inductor sintonizado tradicionales.

El receptor de radiodifusión AM superheterodino de tubo de vacío " All American Five " de la década de 1940 era barato de fabricar porque solo requería cinco tubos.

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.

La introducción de una rejilla adicional en un tubo de vacío, pero antes del tetrodo de rejilla de pantalla más moderno, incluía el tetrodo con dos rejillas de control ; este tubo combinaba las funciones de mezclador y oscilador, que se utilizó por primera vez en el llamado mezclador autodino . Esto fue seguido rápidamente por la introducción de tubos diseñados específicamente para operación superheterodina, más notablemente el convertidor pentagrid . Al reducir el recuento de tubos (siendo cada etapa del tubo el factor principal que afecta el costo en esta era), esto redujo aún más la ventaja de los diseños de receptores TRF y regenerativos.

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 barato de fabricar llamado " All American Five " porque utilizaba 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. Desde entonces, el diseño superheterodino se utilizó para casi 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. Armstrong también presentó su patente en 1917. Levy presentó su divulgación original unos siete meses antes que la de Armstrong. El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente en 1918.

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. 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 restantes Se concedieron reclamaciones a Alexanderson de GE y Kendall de AT&T.

Principio de funcionamiento

Diagrama de bloques de un receptor superheterodino típico. Las partes rojas son aquellas que manejan la señal de radiofrecuencia (RF) entrante; las verdes son partes que operan en la frecuencia intermedia (IF), mientras que las partes azules operan en la frecuencia de modulación (audio). La línea de puntos indica que el oscilador local y el filtro de RF deben sintonizarse en tándem.
Cómo funciona una radio superheterodina. Los ejes horizontales son la frecuencia f . Los gráficos azules muestran los voltajes de las señales de radio en varios puntos del circuito. Los gráficos rojos muestran las funciones de transferencia de los filtros en el circuito; el grosor de las bandas rojas muestra la fracción de señal del gráfico anterior que pasa a través del filtro en cada frecuencia. La señal de radio entrante de la antena (gráfico superior) consiste en la señal de radio deseada S1 más otras en diferentes frecuencias. El filtro de RF (segundo gráfico) elimina cualquier señal como S2 en la frecuencia de imagen LO  -  IF , que de otro modo pasaría a través del filtro de IF e interferiría. La señal compuesta restante se aplica al mezclador junto con una señal de oscilador local ( LO ) (tercer gráfico) . En el mezclador, la señal S1 se combina con la frecuencia LO para crear un heterodino en la diferencia entre estas frecuencias, la frecuencia intermedia (IF), en la salida del mezclador (4º gráfico) . Este pasa a través del filtro de paso de banda de FI (5º gráfico) y se amplifica y demodula (no se muestra la demodulación). Las señales no deseadas crean heterodinos en otras frecuencias (cuarto gráfico) , que son filtradas por el filtro de FI.

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, 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 amplificador denominado 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 . 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 , 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 mayor (o menor) 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.

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 radiodifusión 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.

En los días de la electrónica de válvulas (válvulas) , era común que los receptores superheterodinos combinaran las funciones del oscilador local y el mezclador en un solo tubo, lo que generaba ahorros en energía, tamaño y especialmente en costos. Un solo tubo convertidor pentagrid oscilaría y también proporcionaría amplificación de señal y mezcla de frecuencia.

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. 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 FI se elige para que sea menor que el rango de frecuencias de recepción deseadas f RF . Esto se debe a que es más fácil y menos costoso obtener una alta selectividad a una frecuencia más baja utilizando circuitos sintonizados. El ancho de banda de un circuito sintonizado con un cierto Q es proporcional a la frecuencia en sí (y, lo que es más, se puede lograr un Q más alto a frecuencias más bajas), por lo que se requieren menos etapas de filtro de FI para lograr la misma selectividad. Además, es más fácil y menos costoso obtener una alta ganancia a frecuencias más bajas.

Sin embargo, en muchos receptores modernos diseñados para la recepción en una amplia gama de frecuencias (por ejemplo, escáneres y analizadores de espectro) se emplea una primera frecuencia de FI superior a la frecuencia de recepción en una configuración de doble conversión . Por ejemplo, el receptor Rohde & Schwarz EK-070 VLF / HF cubre de 10 kHz a 30 MHz. Tiene un filtro de RF de banda conmutada y mezcla la entrada a una primera FI de 81,4 MHz y una segunda frecuencia FI de 1,4 MHz. La primera frecuencia LO es de 81,4 a 111,4 MHz, un rango razonable para un oscilador. Pero si el rango de RF original del receptor se convirtiera directamente a la frecuencia intermedia de 1.4 MHz, la frecuencia LO tendría que cubrir 1.4-31.4 MHz, lo cual no se puede lograr usando circuitos sintonizados (un capacitor variable con un inductor fijo necesitaría un rango de capacitancia de 500: 1). El rechazo de imágenes nunca es un problema con una frecuencia de FI tan alta. 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 imágenes para la segunda FI no es un problema, ya que la primera FI tiene un ancho de banda mucho menor a 2,8 MHz.

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. Esto también se denomina multiplicador Q , que implica una pequeña modificación en un receptor existente, especialmente con el propósito de aumentar la selectividad.

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 .

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. 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 . 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 en 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

Diagrama de bloques del receptor superheterodino de doble conversión

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 IF, por lo que cuanto mayor sea la IF, más fácil será 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 utilizar tres convertidores de frecuencia. 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 virtualmente imposible diseñar un circuito sintonizado por RF que pueda discriminar adecuadamente entre 30 MHz y 30,91 MHz, por lo que un enfoque es "convertir a la baja en masa" secciones enteras de las bandas de onda corta a una frecuencia más baja, donde la sintonización adecuada del front-end es más fácil 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 radiofrecuencia 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 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 )

Gráficos que ilustran el problema de la respuesta de la imagen en un superheterodino. Los ejes horizontales son frecuencia y los ejes verticales son voltaje. Sin un filtro de RF adecuado, cualquier señal S2 (verde) en la frecuencia de la imagen también se heterodina a la frecuencia de FI junto con la señal de radio deseada S1 (azul) en , por lo que ambas pasan a través del filtro de FI (rojo) . Por tanto, S2 interfiere con S1.

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. La recepción en la frecuencia de la imagen se puede combatir mediante la sintonización (filtrado) en la antena y la etapa 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 sus frecuencias asignadas 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. Una recepción de radio que se encuentre en la frecuencia de la imagen puede interferir con la recepción de la señal deseada, y el ruido (estático) alrededor de la frecuencia de la imagen puede disminuir la relación señal / ruido (SNR) del receptor hasta en 3dB.

Los primeros receptores Autodyne solían utilizar IF de solo 150 kHz aproximadamente. Como consecuencia, la mayoría de los receptores Autodyne requerían una mayor selectividad de front-end, a menudo con bobinas de doble sintonía, para evitar interferencias en la imagen. Con el desarrollo posterior de tubos capaces de amplificar bien a frecuencias más altas, se empezaron a utilizar frecuencias de FI más altas, lo que reduce el problema de la interferencia de imagen. Los receptores de radio de consumo típicos tienen un solo circuito sintonizado en la etapa de RF.

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 para suprimir la imagen; esto se usa raramente. En la mayoría de los receptores sintonizables que utilizan una sola frecuencia de FI, la etapa de RF incluye al menos un circuito sintonizado en el extremo frontal de RF cuya sintonización se realiza en conjunto con el oscilador local. En receptores de conversión doble (o triple) en los que la primera conversión utiliza un oscilador local fijo, este puede ser más bien un filtro de paso de banda fijo que se adapta al rango de frecuencia que se asigna al primer rango de frecuencia de FI.

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 un primer FI lo suficientemente alto como para que una etapa de RF con 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 a la frecuencia recibida, a su salida para una señal de igual fuerza en la frecuencia de la imagen.

Radiación del oscilador local

Más información: compatibilidad electromagnética

Puede resultar difícil mantener la radiación parásita del oscilador local por debajo del nivel que puede detectar un receptor cercano. Si el oscilador local del receptor puede alcanzar la antena, actuará como un transmisor CW de baja potencia . En consecuencia, lo que debe ser un receptor puede crear interferencias de radio.

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 . Esta misma técnica también se utiliza en los detectores de radar utilizados por la policía de tráfico en jurisdicciones donde los detectores de radar son ilegales.

La radiación del oscilador local es más prominente en los receptores en los que la señal de la antena está conectada directamente al mezclador (que a su vez recibe la señal del oscilador local) en lugar de en los receptores en los que se usa una etapa de amplificador de RF en el medio. Por lo tanto, es un problema mayor con receptores económicos y con receptores a frecuencias tan altas (especialmente microondas) donde las etapas de amplificación de RF son difíciles de implementar.

Ruido de banda lateral del oscilador local

Los osciladores locales suelen generar una señal de frecuencia única que tiene una modulación de amplitud insignificante, pero una modulación de fase aleatoria que distribuye 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 frustraría 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.

Ver también

Notas

Referencias

Otras lecturas

  • Whitaker, Jerry (1996). El manual de electrónica . Prensa CRC. pag. 1172. ISBN 0-8493-8345-5.
  • US 706740 , Fessenden, Reginald A. , "Wireless Signaling", publicado el 28 de septiembre de 1901, emitido el 12 de agosto de 1902 
  • US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , "Aparato de señalización eléctrica", publicado el 27 de julio de 1905, publicado el 14 de enero de 1913 
  • US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , "Método de señalización", publicado el 21 de agosto de 1906, publicado el 14 de enero de 1913 
  • Witts, Alfred T. (1936). El receptor superheterodino (2ª ed.). Londres, Reino Unido: Sir Isaac Pitman & Sons.

enlaces externos