Por que super-heterodinâmica é melhor que conversão direta?

Qual é a vantagem de ter um estágio extra de IF, um oscilador local extra e um estágio extra de filtragem e amplificação. Parece apenas mais trabalho e circuitos. Certamente a conversão direta em banda base e a conversão intermediária em banda base passarão pelo mesmo filtro de banda passante no final, que isola a faixa de frequência original?

Vejo respostas como 'permite que circuitos comuns sejam usados ​​em vez de circuitos separados para cada frequência', basicamente:

Sem usar um FI, todos os filtros e detectores complicados de um rádio ou televisão teriam que ser sintonizados em uníssono cada vez que a frequência fosse alterada, conforme era necessário nos primeiros receptores de radiofrequência sintonizados

Mas eu não entendo porque todos eles poderiam ser sintonizados no sinal da banda de base, por exemplo, e não no FI, eliminando o problema descrito.

Eu também vejo:

Assim, uma largura de banda mais estreita e mais seletividade podem ser alcançadas convertendo o sinal em um IF mais baixo e executando a filtragem nessa frequência

Mas por que não realizar a filtragem apenas na frequência de banda base IF = 0. Esse é um IF menor, certo. A adição do estágio da banda passante IF melhora a nitidez da banda passante final, em vez de fazê-lo diretamente?

A única desvantagem que posso entender é o vazamento do oscilador local e isso não acontece mais em frequências mais altas? Um FI poderia permitir que o primeiro LO oscilasse muito mais lentamente.

Existem algumas vantagens.

Dando uma olhada em um super-herói típico (até o FI):

O sinal de entrada na entrada de RF é pequeno (tão baixo quanto -122dBm em alguns sistemas de voz de banda estreita nos quais trabalhei - ou seja, cerca de 6,3fW)

Amplificar um sinal em uma alta RF (digamos, alguns GHz) é caro comparado a fazer essa amplificação em uma frequência mais baixa. Alguns dB de ganho de RF geralmente são suficientes para processar o sinal até o estágio IF.

A largura de banda do filtro de entrada deve ser menor que o espaçamento do canal (geralmente menor que a largura de banda de saída), para facilitar a implementação.

A largura de banda do filtro de rejeição de imagem é definida pela frequência do oscilador local (em RF +/- IF), portanto, escolher um IF relativamente baixo significa que a rejeição de imagem também é relativamente fácil de fazer.

O amplificador IF geralmente é onde a maior parte do ganho do sinal é realizada a um custo relativamente baixo e baixa complexidade (em comparação com a tentativa de fazer isso em frequências mais altas). O filtro evita o sangramento e define a largura de banda do sinal para a largura de banda da informação.

Outra grande vantagem é que tudo depois que o mixer é corrigido - nenhum ajuste é necessário durante a operação normal e é por isso que o alcance do sinal dinâmico pode ser alto. Eu não mostrei o AGC (quase sempre presente), mas isso também é uma peça fixa de circuito (dinâmico).

Uma melhoria é o supereta duplo (2 estágios do FI) com o qual trabalhei décadas atrás e eles ainda são muito populares.

Existem receptores de conversão direta, mas eles sofrem de uma série de problemas, em particular a faixa dinâmica do sinal.

[Atualizar]

Em resposta ao comentário, há são ampla gama dinâmica de conversão directa receptores (uma fonte possível listados); estes já existem há algum tempo e são frequentemente encontrados nas configurações do SDR .

Uma abordagem puramente de hardware favorece o super-herói.

Observe que esta resposta está inclinada para a recepção de rádio analógico. As regras são diferentes para rádios definidos por software e para serviços digitais.

A maior desvantagem da conversão direta é a supressão de banda lateral. Se você usar um único mixer, um sinal em$f_c + f_s$ é indistinguível de um sinal em $f_c - f_s$, Onde $f_c$ é a transportadora e $f_s$é a frequência do sinal. Você pode atenuar muito esse problema com a conversão descendente em quadratura, mas, embora seja suficiente para a recepção de dados digitais, não é bom o suficiente para analógico (ou seja, SSB ou AM).

A segunda maior desvantagem é a quantidade de ganho necessária em uma frequência. Os receptores precisam de muito ganho, e os misturadores geralmente são o fator limitante na alta faixa dinâmica. Então, você gostaria de colocar todo o seu ganho após o primeiro mixer, que tende a ser o que vê os sinais mais interferentes. Para um receptor SSB sensível, esse ganho pode exceder 120dB. É difícil conseguir tanto ganho sem oscilar. De fato, se você olhar na literatura de rádio amador, verá que a maioria dos receptores de conversão direta tem fones de ouvido - há uma razão para isso.

Outros problemas são o sangramento de LO e a dificuldade de obter um amplificador de baixo ruído e baixa impedância nas frequências de áudio.

Portanto, todas essas desvantagens deixam você com uma vantagem distinta em colocar pelo menos parte de sua filtragem e ganho antes da conversão final em áudio - assim que você assume que essa etapa é necessária, acho que os motivos que os confundem de repente farão sentido .

Sim, existem receptores de conversão direta, mas requerem cuidados especiais, especialmente com certos tipos de modulação.

Por exemplo, com a modulação SSB, para rejeitar a banda lateral indesejada, seu demodulador de banda base deve ser capaz de distinguir entre "frequência positiva" e "frequência negativa". Isso não é trivial e só é realmente prático usando o DSP.

Da mesma forma, se você converter a frequência central de um sinal FM ou PM para 0 Hz, novamente precisará distinguir entre frequências positivas e negativas para desmodulá-lo adequadamente.

Mesmo com sinais AM ou DSB, onde as bandas laterais contêm informações idênticas, a menos que sua conversão seja perfeita (seu LO corresponde exatamente à frequência da portadora recebida), você obtém distorção - ou um tom constante da portadora AM.

O super-heterodino foi inventado nos dias em que a desmodulação era feita por simples detectores de envelope, que não tinham nenhuma discriminação de frequência, muito menos distinguindo entre frequências positivas e negativas. Toda a seletividade deve ser aplicada antes da desmodulação, voltando aos motivos encontrados - você precisa de filtros que possam rastrear a frequência da portadora com largura de banda constante ou converta para uma frequência intermediária fixa, na qual é possível usar filtros fixos.

A conversão direta é conceitualmente simples, mas requer uma engenharia considerável para fazê-lo corretamente. Além das respostas de Dave e Tim, há um problema potencial sutil e pernicioso com a conversão direta ...

A maioria dos misturadores (mesmo os duplamente balanceados) vaza a energia do oscilador local nas portas RF e IF. A fuga de energia para trás da porta de RF para a antena pode causar problemas. Mesmo com excelente equilíbrio do mixer, a energia irradiada do oscilador local é geralmente muito maior que os sinais recebidos.
O LO irradiado pode ser modificado (fase, amplitude) e entrar novamente na antena receptora, de volta ao mixer. O equilíbrio do misturador pode ser afetado adversamente. Além disso, um sinal de banda base é gerado na porta de saída do misturador que pode danificar o sinal de banda base desejado.

Alguns sensores de movimento, detectores de "bug" aproveitam esse processo, onde o sinal de banda base "espúrio" é o resultado desejado, indicando movimento, por exemplo.

Um receptor linear é frequentemente desejado, caso em que você não deseja que a energia do oscilador local retorne à fonte de sinal. Ter um excelente equilíbrio do mixer é um começo, adicionar um forte pré-amplificador de RF com um bom isolamento de saída para entrada também ajuda. Tudo difícil à medida que a frequência aumenta.

Ninguém mais mencionou o problema do deslocamento de frequência nos estágios do mixer. O misturador de RF faz o possível para corresponder à frequência da portadora, mas ainda haverá uma diferença que resultará no FI tendo um deslocamento da frequência desejada. Um estágio IF com frequência central diferente de zero permite que um PLL seja usado para rastrear o sinal IF e remover a maior parte do deslocamento de frequência.

Geralmente é mais fácil e mais barato fazer o melhor PLL nas frequências SE, em vez das frequências de RF.

Você pode usar dois mixers para converter o sinal recebido em I e Q, mas isso exigiria dois PLLs de frequência de RF caros que também precisam ter uma diferença de fase fixa de 90 graus. Isso também é algo muito mais fácil e barato de fazer nas frequências IF.

O problema é a rejeição da LO do misturador e próximo ao ruído da fase da portadora LO. 20dB é trivial fora da caixa. 40dB é direto com cuidado. 60dB é possível apenas com heroísmo e ajuste dinâmico. 80dB pode ser feito no laboratório, por um curto período, em frequências pontuais, se você tiver sorte, e a temperatura não mudar. Você precisa de> 120dB para que um receptor de conversão direta funcione bem como um super-herói.

A menos que você esteja usando o OFDM. Lá você tem dezenas de operadoras e nem todas são usadas para dados. Existem alguns para pilotos, outros para faixas de proteção e, em alguns sistemas avançados, existem alguns que são usados ​​apenas para reduzir o pico de tensão de RF do conjunto para facilitar os problemas de linearidade do transmissor. Portanto, deixar algumas operadoras sem dados nelas no centro do canal e ao redor (DC, se estamos falando de bandas de QI, o LO de um receptor de conversão direta) não é uma ineficiência enorme.