¿Por qué la conversión a frecuencia intermedia?

Question

Al estudiar varios sistemas de comunicación (receptores superheterodinos y receptores de televisión, por nombrar algunos), a menudo me encuentro con bloques que convierten las señales de RF en señales de frecuencia intermedia (FI). Mientras estudiaba sobre diversos WchoiWmlhmeiu lnseit cusadttyuiidonyngi nsagyb soatubetom usvt a (rvsiauorpuiesor uhcseo tmcemorumonmdiuycnnaietc iarotenic oesniy vssetyressmt sea mn(sds u(tpseeulrpeheverithseeirtooendr yWornhdeeiyc lnereeie vcsreeteriucsvde, eyi rivtsneo gr a snna adbam onetud et al t evefvaleirewsiv)ioi ousInsi oorcnfeo tcmreemeniuc vneceiiorcvmsaee, tr isato, con r tonsosay smsn etab emlameo s cf ake( swsf )uet pwhIe)a r tohI fe cttooeefnnrtv oeecdnroy tmnc eeoR mFare ce srcaioecgsirnsvoa eslbrssls o btcalokno sdci knttsthe ealtrtehm vaecitdos inicavootenner v tref errRcteFe q iRusvFeie ngrscnsiya, g l n(staI olFt s)on atsimoine gt ineanar tlmfeseer. dwmi)ea dtIie a otffert eefqnru eecqnoucmeyen c(ayIc Fr()oI sFss)i gbsnliaoglcnska.sl st.hat convert RF sWihginlael ss ttuod yiinntge rambeoduita tvea rfiroeuqsu ecnocmym u(nIiFc)a tsiiognn aslyss. En los sistemas de comunicación (receptores superheterodinos y receptores de televisión, por nombrar algunos) me encuentro a menudo con bloques que convierten las señales de RF en señales de frecuencia intermedia (FI). Al estudiar varios sistemas de comunicación (receptores superheterodinos y receptores de televisión, por nombrar algunos) a menudo me encuentro con bloques que convierten las señales de RF en señales de frecuencia intermedia (FI).

¿Por qué es necesaria esta conversión? ¿No se pueden procesar las señales de RF directamente sin convertirlas en señales de FI?

Me he referido a este pregunta, pero su respuesta no explicaba la necesidad de la conversión a IF.

Answer 1

Esta respuesta se centra en los receptores de radio como AM y FM.

Si sólo le interesa recibir la señal de una emisora, no necesita tener o utilizar una frecuencia intermedia. Puede construir su receptor para sintonizar sólo esa frecuencia - la sintonía tiene que ser nítida - tiene que rechazar todas las posibles otras fuentes que puedan contaminar la señal que desea.

Esto se hace mediante un grupo de filtros de paso de banda que, en conjunto, tienen una banda de paso lo suficientemente amplia como para hacer frente a la señal que se desea recibir, pero no tan amplia como para dejar entrar otras.

Ahora digamos que quieres sintonizar 2 emisoras: tendrías que reajustar todo este filtrado para que coincida con una nueva emisora. Históricamente las radios eran simples y mover un montón de filtros de paso de banda sintonizados a una nueva frecuencia central sería difícil.

Era mucho más fácil tener un montón de filtros de paso de banda fijos que hicieran la mayor parte de la rección de los canales no deseados en lugar de intentar alinearlos mientras se sintonizaba el dial.

Así se concibieron los receptores superheterodinos. La amplia gama entrante de muchas emisoras de radio se "mezclaba" con un oscilador que se podía sintonizar simplemente con un dial - esto producía frecuencias de suma y diferencia y normalmente la frecuencia de diferencia se convertía en la nueva frecuencia "deseada". Así, para la FM (88MHz a 108MHz), la frecuencia I.F. se convertía en 10,7MHz y el oscilador estaría (normalmente) en 98,7MHz para sintonizar señales de 88MHz y en 118,7MHz para sintonizar señales de 108MHz.

No me cuelgues con esto - podría ser igualmente a 77,3MHz subiendo a 97,3MHz para producir el mismo conjunto de frecuencias de diferencia. Tal vez alguien pueda modificar mi respuesta o aconsejarme al respecto.

Sin embargo, es un asunto menor, porque la cuestión es que una vez que se ha podido manipular la frecuencia portadora de la señal entrante, se puede hacer pasar el resultado por un conjunto fijo de filtros pasa-banda bien sintonizados antes de demodular.

Un poco más de información sobre la banda VHF FM

Va de 88MHz a 108MHz y tiene una FI ligeramente mayor (10,7MHz) que medio la gama de frecuencias que cubre. Hay una razón sensata: si el oscilador estuviera exactamente sintonizado para captar 88MHz (es decir, osc = 98,7MHz) la frecuencia de diferencia que produciría desde la parte superior de la banda a 108MHz sería de 9,3MHz y esto estaría justo fuera de la banda de la sintonía centrada en 10,7 MHz y, por lo tanto, sería "rechazada".

Por supuesto, si alguien empezara a transmitir justo fuera de la banda de FM podría captarlo, pero creo que la legislación lo impide.

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A raíz de la reciente actividad en esta cuestión he recordado que hay otra razón válida para utilizar una frecuencia intermedia. Considera que la señal de una antena puede ser del orden de 1 uV RMS y luego considera que probablemente querrás que el circuito de radio amplifique esto a algo así como 1V RMS (perdona el movimiento de manos) en el demodulador. Bien, eso es una ganancia de 1 millón o 120 dB y, por mucho que lo intentes, tener un circuito con una ganancia de 120 dB es una receta para el desastre de la retroalimentación, es decir, oscilará y se convertirá en una "teramina".

Lo que se consigue con un FI es romper la cadena de señales para evitar la oscilación. Así, puedes tener 60 dB de ganancia de RF y luego convertirla a tu FI y tener 60 dB de ganancia de FI - la señal al final de la cadena ya no es compatible en frecuencia con lo que ocurre en la antena y, por lo tanto, ¡no hay efecto teramina!

Algunas radios pueden tener dos frecuencias intermedias - sólo por esta razón se puede reducir la ganancia de RF a 40 dB y cada etapa de FI puede tener una ganancia de 40 dB y NO theramin.

Answer 2

IF hace que el receptor sea más económico y de mayor calidad. Las piezas de RF son más complicadas de fabricar y utilizar, y los circuitos están más acosados por problemas de capacitancia perdida, inductancia, ruido, bucles de tierra e interferencias. Más aún cuanto más alta sea la frecuencia. Pero hay que tener un frente de RF porque la señal en la conexión de la antena es demasiado débil para hacer algo más que amplificarla. Necesario pero caro, los diseñadores quieren minimizar la cantidad de circuitos de RF.

Por otro lado, queremos una buena selectividad. Las transmisiones tienen un ancho de banda asignado, y los transmisores múltiples están sometidos a la presión de estar apretados uno al lado del otro en frecuencia. Queremos una banda de paso plana para la frecuencia deseada, y un bloqueo completo de las frecuencias fuera de ella. La perfección es imposible, pero se pueden hacer concesiones para conseguir un filtro "suficientemente bueno". Esto requiere un diseño de filtro avanzado, no sólo un simple circuito sintonizado LC. Aunque en teoría se podría hacer en RF, en la práctica sería complicado y caro, y difícil de hacer estable frente a los cambios de temperatura y el envejecimiento.

Podemos hacer mejores filtros que cumplan los requisitos de respuesta compleja a frecuencias más bajas, por ejemplo, decenas de MHZ, o por debajo de los MHz. Cuanto más baja sea la frecuencia, más fácil será diseñar una aproximación decente a un filtro de función de respuesta rectangular. Resulta que hacer el convertidor descendente - el oscilador local y el mezclador - es relativamente fácil y económico. En general, el sistema es más económico con un mínimo de amplificadores frontales de RF, un convertidor descendente, y una sección de FI bien diseñada que hace todo el filtrado de lujo.

Las principales lecciones son: * Cuanto mayor sea la frecuencia, más caro y problemático será. * Los requisitos de los filtros elaborados (cualquier cosa que vaya más allá de un circuito sintonizado elemental) es mejor hacerlo a frecuencias más bajas.

Me parece interesante que esta estrategia de diseño se haya mantenido durante décadas para muchos sistemas diferentes que utilizan tecnologías muy distintas. Las viejas radios de tubo de vacío que parecían muebles de madera en los años 30-1940, las radios de transistores en los años 60, los diminutos teléfonos móviles y los dispositivos bluetooth de hoy en día, los gigantescos telescopios de radioastronomía, la telemetría de las naves espaciales, etc.

Answer 3

Básicamente es para permitir que el circuito de demodulación sea muy sensible con un ancho de banda estrecho.

Si el circuito de demodulación tuviera que ser de banda ancha (por ejemplo, capaz de trabajar para cualquier frecuencia de 88-108 MHz para la FM), mantener una respuesta plana en toda la gama de frecuencias sería difícil. En cambio, el sintonizador es de banda ancha y luego se bate (heterodina) a una sola frecuencia intermedia y se envía a un circuito de demodulación muy optimizado.

Answer 4

Las primeras radios utilizaban etapas de RF para amplificar las señales de radio débiles hasta el punto de que un "detector" de AM pudiera convertirlas en audio. Estas radios TRF tenían desde una etapa hasta 12 etapas. Cuantas más etapas, mejor era la recepción de las señales débiles y mejor era el rechazo de la imagen (rechazo de las frecuencias cercanas). Esto funcionaba bien cuando sólo había unas pocas emisoras de radio, pero no funcionaba bien cuando más emisoras empezaban a abarrotar las ondas.

Una radio TRF utiliza un circuito sintonizado cuyo Q para cada etapa se ajusta para permitir que pasen todas las frecuencias para el ancho de banda de audio que se está utilizando y un poco de amplificación para aumentar la señal a niveles utilizables. Esto tenía algunos inconvenientes, como otros han señalado, y otros que pasaron por alto. Si las etapas tenían una ganancia demasiado alta, podían empezar a oscilar y la radio dejaba de funcionar. Incluso con condensadores variables agrupados, conseguir que todas las etapas se mantuvieran en la frecuencia era difícil, así que se tomaron medidas en algunas etapas o en todas las etapas para "recortar" la señal. Esta es la razón por la que las imágenes que se ven de los primeros aparatos de radio tienen tantos mandos. Algunos eran para los condensadores variables del "trimmer" y otros eran ajustes de la polarización de las válvulas para evitar la retroalimentación. Esto, como puedes imaginar, hacía que sintonizar una emisora de radio fuera toda una producción y cuando el "viejo de la casa" iba a escuchar la radio era todo un acontecimiento.

Antes del cambio de siglo se sabía que si dos osciladores estaban cerca el uno del otro se "golpeaban" mutuamente y producían una nueva señal, como en el caso de dos flautas afinadas en el mismo tono. Esto se explotó de varias maneras interesantes a principios del siglo XX. El primer uso fue en un detector de CW de banda base que convertía una señal de radio en sonido audible de forma mucho más limpia que el barrater y otros dispositivos detectores enrevesados. El Theremin utiliza la heterodinación de dos osciladores, uno de los cuales tiene su capacitancia de sintonización suministrada por una pequeña placa o cable y la mano del usuario.

El comandante Armstrong, en EE.UU., y algunos otros en Europa, se dieron cuenta durante la Primera Guerra Mundial de que esto podía aprovecharse para hacer un receptor que tuviera sólo unas pocas etapas de muy alta ganancia y filtros de sintonización mucho más simples. La etapa mezcladora tomaría la RF entrante, la heterodinaría contra el oscilador local y, debido al comportamiento no lineal de la etapa mezcladora, produciría tanto una frecuencia de suma como de diferencia. Normalmente se utilizaba la frecuencia de diferencia que era más baja que la RF o el oscilador. A 1MHz, el LO se ajusta a 1,455MHz y se produce una señal a 455KHz (la diferencia) y a 1,91MHz (la suma).

En lugar de muchas etapas sintonizadas cuya ganancia estaba adaptada para evitar la oscilación, ya que sus frecuencias de entrada y salida eran todas iguales, una o dos etapas de mayor ganancia para la RF podían ser seguidas por una o más etapas cuidadosamente diseñadas, todas ellas operando a una frecuencia fija diferente que no necesitaba ser ajustada.

De un condensador de sintonía de muchas secciones que eran muy caras y difíciles de producir, sólo se necesitan dos o tres secciones que se convierten en un gasto mucho menor. Esto también era más fácil de sintonizar ya que la selectividad de tener el IF en 455KHz significaba que no habría estaciones de radio en esa frecuencia ya que la banda de transmisión es de 540KHz a 1650KHz.