Por que a conversão para frequência intermediária?

Enquanto estudava sobre vários sistemas de comunicação (receptores Superheterodyne e receptores de televisão, para citar alguns), frequentemente encontro blocos que convertem sinais de RF em sinais de frequência intermediária (IF). Qual é a necessidade dessa conversão? Os sinais de RF não podem ser processados ​​diretamente sem convertê-los em sinais IF?

Eu me referi a essa pergunta, mas sua resposta não explicava a necessidade de conversão de FI.

Esta resposta está focada em receptores de rádio como AM e FM.

Se você estiver interessado apenas em receber um sinal de uma estação, pode não precisar ter ou usar uma frequência intermediária. Você pode construir o seu receptor para sintonizar exatamente essa frequência - a sintonia precisa ser nítida - você precisa rejeitar todas as outras fontes possíveis que possam poluir o sinal desejado.

Isso é feito por vários filtros de passagem de banda que, juntos, têm uma banda passante que é larga o suficiente para lidar com o sinal que você deseja receber, mas não tão larga que permite a entrada de outras pessoas.

Agora diga que você queria sintonizar duas estações - seria necessário realinhar todo esse filtro para coincidir com uma nova estação. Historicamente, os rádios eram simples e seria difícil mover um monte de filtros de passagem de banda sintonizados para uma nova frequência central.

Era muito mais fácil ter um monte de filtros de passagem de banda fixos que faziam a maioria de toda a recção indesejada do canal, em vez de tentar alinhá-los enquanto você sintonizava o dial.

Assim, foram concebidos receptores super-heteródinos. A ampla faixa de entrada de muitas estações de rádio foi "misturada" com um oscilador que pode ser simplesmente sintonizado com um mostrador - isso produziu frequências de soma e diferença e, geralmente, a frequência da diferença tornou-se a nova frequência "desejada". Portanto, para FM (88MHz a 108MHz), a frequência IF tornou-se 10,7MHz e o oscilador estaria (normalmente) em 98,7MHz para sintonizar sinais de 88MHz e em 118,7MHz para sintonizar sinais de 108MHz.

Não me prenda a isso - poderia ser igualmente de 77,3 MHz, subindo para 97,3 MHz, para produzir o mesmo conjunto de frequências de diferença. Talvez alguém possa modificar minha resposta ou me aconselhar sobre isso.

No entanto, é uma questão pequena, porque o ponto é que, uma vez que você foi capaz de manipular a frequência da portadora do sinal recebido, você pode alimentar o resultado através de um conjunto fixo de filtros de passagem de banda bem ajustados antes de desmodular.

Um pouco mais de informação sobre a banda VHF FM

Ele vai de 88MHz a 108MHz e possui um FI apenas um pouco maior (10,7MHz) do que a metade da faixa de frequência que ele cobre. Há uma razão sensata - se o oscilador fosse sintonizado exatamente para captar 88MHz (ou seja, osc = 98,7MHz), a diferença de freqüência que produziria do topo da banda a 108MHz seria 9,3MHz e isso estaria fora da banda de a sintonia centrada em 10,7 MHz e, portanto, "rejeitada".

É claro que se alguém começou a transmitir fora da banda FM, você pode entender isso, mas acredito que a legislação impede isso.

Após a atividade recente desta questão, lembrei-me de que há outra razão válida para o uso de uma frequência intermediária. Considere que o sinal de uma antena pode estar na ordem de 1 uV RMS e, em seguida, considere que você provavelmente desejará que o circuito de rádio amplifique isso para algo como 1V RMS (perdoe a mão acenando) no desmodulador. Bem, isso é um ganho de 1 milhão ou 120 dB e, não importa o quanto você tente, ter uma placa de circuito com um ganho de 120 dB é uma receita para um desastre de feedback, ou seja, ele irá oscilar e se transformar em um "theramin".

O que um FI recebe é uma quebra na cadeia de sinal que evita a oscilação. Portanto, você pode ter um ganho de 60 dB de RF e depois converter para o seu IF e ter um ganho de 60 dB de IF - o sinal no final da cadeia não é mais compatível com a frequência do que acontece na antena e, portanto, não há efeito theramin !

Alguns rádios podem ter duas frequências intermediárias - apenas por esse motivo, você pode reduzir o ganho de RF para 40 dB e cada estágio IF pode ter um ganho de 40 dB e não teramina.

O IF torna o receptor mais econômico e com maior qualidade. As peças de RF são mais difíceis de fabricar e usar, e os circuitos são mais afetados por problemas de capacitância perdida, indutância, ruído, loops de terra e interferência. Mais ainda, quanto maior a frequência. Mas precisamos ter um front end de RF, porque o sinal na conexão da antena é muito fraco para fazer qualquer coisa além de amplificá-lo. Necessários, mas caros, os designers querem minimizar a quantidade de circuitos de RF.

OTOH, queremos boa seletividade. As transmissões têm largura de banda alocada e vários transmissores estão sob pressão para serem espremidos um ao lado do outro em frequência. Queremos uma banda passante plana para a frequência desejada e bloqueio completo de frequências fora dessa. A perfeição é impossível, mas as trocas podem ser feitas para um filtro "bom o suficiente". Isso requer um design avançado de filtro, não apenas um circuito sintonizado de LC. Embora isso possa ser feito na RF, em teoria, na prática, será complicado, caro e difícil de se estabilizar contra as mudanças de temperatura e o envelhecimento.

Podemos fazer filtros melhores que atendem a requisitos complexos de resposta em frequências mais baixas, por exemplo, dezenas de MHZ ou sub-MHz. Quanto menor a frequência, mais fácil é projetar uma aproximação decente a um filtro de função de resposta retangular. Acontece que fazer o down-converter - o oscilador e o misturador locais - é relativamente fácil e econômico. Em geral, o sistema é mais econômico, com amplificadores de front-end de RF mínimos, um conversor descendente e uma seção IF bem projetada e robusta, fazendo toda a sofisticada filtragem.

Os principais pontos da lição são: * Quanto maior a frequência, mais caro e problemático é. * Os requisitos de filtro elaborados (qualquer coisa além de um circuito sintonizado elementar) são melhor executados em frequências mais baixas

Acho interessante que essa estratégia de design tenha se sustentado ao longo de décadas para muitos sistemas diferentes utilizando tecnologias totalmente diferentes. Rádios antigos de tubo de vácuo que pareciam móveis de madeira nas décadas de 1930 a 1940, rádios a transistores nos anos 1960, minúsculos telefones celulares e dispositivos bluetooth hoje em dia, telescópios gigantes de radioastronomia, telemetria de naves espaciais e muito mais.

Basicamente, é para permitir que o circuito de desmodulação seja muito sensível com uma largura de banda estreita.

Se o circuito de desmodulação tivesse que ser de banda larga (digamos, capaz de funcionar para qualquer frequência de 88 a 108 MHz para FM), seria difícil manter uma resposta plana em toda a faixa de freqüência. Em vez disso, o sintonizador é de banda larga e depois bate (heterodinâmico) em uma única frequência intermediária e enviado para um circuito de desmodulação muito otimizado.

Os rádios antigos usavam os estágios Tune RF para amplificar sinais de rádio fracos até o ponto em que um "detector" AM poderia convertê-los novamente em áudio. Esses rádios TRF teriam de um estágio a até 12 estágios. Quanto mais estágios, melhor a recepção de sinais fracos e melhor a rejeição da imagem (rejeição de frequências próximas). Isso funcionou bem quando havia apenas algumas estações de rádio, mas não funcionou bem quando mais estações começaram a aglomerar as ondas de rádio.

Um rádio TRF usa um circuito sintonizado cujo Q para cada estágio está configurado para permitir que todas as frequências da largura de banda de áudio sejam utilizadas e um pouco de amplificação para aumentar o sinal para níveis utilizáveis. Isso teve alguns inconvenientes, como outros apontaram e outros que eles perderam. Se os estágios tiverem ganho muito alto, eles poderão começar a oscilar e o rádio parará de funcionar. Mesmo com capacitores variáveis ​​agrupados, era difícil manter todos os estágios em frequência, de modo que foram tomadas providências em alguns estágios ou em todos os estágios para "aparar" o sinal. É por isso que as fotos dos primeiros aparelhos de rádio tinham tantos botões. Alguns eram para capacitores variáveis ​​"trimmer" e outros eram ajustes de polarização do tubo para definir o ganho e evitar feedback. Isso, como você pode imaginar,

Antes da virada do século XIX, era sabido que, se dois osciladores estivessem próximos um do outro, eles "bateriam" um contra o outro e produziriam um novo sinal, como no caso de duas flautas afinadas no mesmo tom. Isso foi explorado de várias maneiras interessantes no início do século XX. O primeiro uso foi em um detector CW de banda base que converteu um sinal de rádio em um som audível muito mais limpo do que o barrater e outros dispositivos detectores complicados. O Theremin usa a heterodinâmica de dois osciladores, onde um tem sua capacitância de sintonia fornecida por uma pequena placa ou fio e a mão do usuário.

O major Armstrong nos EUA e alguns outros na Europa perceberam durante a Primeira Guerra Mundial que isso poderia ser explorado para formar um receptor que possuía apenas alguns estágios de ganho muito alto e filtros de ajuste muito mais simples. O estágio do misturador pegaria o RF recebido, o heterodino contra o oscilador local e, devido ao comportamento não-linear do estágio do misturador, produziria uma frequência de soma e de diferença. Geralmente, a frequência de diferença era menor que o RF ou o oscilador usado. Em 1MHz, o LO é definido para 1.455MHz e um sinal em 455KHz (a diferença) e em 1.91MHz (a soma) são produzidos.

Em vez de muitos estágios sintonizados, cujo ganho foi adaptado para evitar oscilações, pois suas frequências de entrada e saída eram iguais, um ou dois estágios de ganho mais altos para o RF podiam ser seguidos por um ou mais estágios cuidadosamente projetados, todos operando em uma frequência fixa diferente. não precisou ser ajustado.

De um capacitor de sintonia com muitas seções que eram muito caros e difíceis de produzir, você precisa de apenas duas ou três seções que se tornam uma despesa muito menor. Isso também foi mais fácil de ajustar, pois a seletividade de ter o FI em 455KHz significava que nenhuma estação de rádio nessa frequência existiria, pois a banda de transmissão é de 540KHz a 1650KHz.