Frecuencia intermedia

El escenario IF de un televisor Motorola 19K1 circa 1949

En comunicaciones e ingeniería electrónica, una frecuencia intermedia (IF) es una frecuencia a la que se desplaza una onda portadora como paso intermedio en la transmisión o recepción. La frecuencia intermedia se crea mezclando la señal portadora con una señal de oscilador local en un proceso llamado heterodino, lo que da como resultado una señal en la diferencia o frecuencia de batido. Las frecuencias intermedias se utilizan en receptores de radio superheterodinos, en los que una señal entrante se desplaza a una FI para amplificación antes de realizar la detección final.

La conversión a una frecuencia intermedia es útil por varias razones. Cuando se utilizan varias etapas de filtros, todos pueden ajustarse a una frecuencia fija, lo que facilita su construcción y ajuste. Los transistores de frecuencia más baja generalmente tienen ganancias más altas, por lo que se requieren menos etapas. Es más fácil hacer filtros altamente selectivos en frecuencias fijas más bajas.

Puede haber varias etapas de este tipo de frecuencia intermedia en un receptor superheterodino; dos o tres etapas se denominan doble (alternativamente, dual) o triple conversión, respectivamente.

Justificación

Las frecuencias intermedias se utilizan por tres razones generales. A frecuencias muy altas (gigahercios), los circuitos de procesamiento de señales funcionan mal. Los dispositivos activos, como los transistores, no pueden ofrecer mucha amplificación (ganancia). Los circuitos ordinarios que utilizan capacitores e inductores deben reemplazarse con técnicas engorrosas de alta frecuencia, como líneas de banda y guías de ondas. Entonces, una señal de alta frecuencia se convierte a un IF más bajo para un procesamiento más conveniente. Por ejemplo, en las antenas parabólicas, la señal de enlace descendente de microondas recibida por la antena se convierte en una FI mucho más baja en la antena para que un cable coaxial relativamente económico pueda llevar la señal al receptor dentro del edificio. Llevar la señal a la frecuencia de microondas original requeriría una guía de ondas costosa.

En los receptores que se pueden sintonizar en diferentes frecuencias, una segunda razón es convertir las diferentes frecuencias de las estaciones en una frecuencia común para el procesamiento. Es difícil construir amplificadores, filtros y detectores de etapas múltiples que puedan hacer que todas las etapas rastreen la sintonización de diferentes frecuencias, pero es comparativamente fácil construir osciladores sintonizables. Los receptores superheterodinos sintonizan diferentes frecuencias ajustando la frecuencia del oscilador local en la etapa de entrada, y todo el procesamiento posterior se realiza a la misma frecuencia fija: la FI. Sin utilizar una FI, todos los complicados filtros y detectores de una radio o televisión tendrían que sintonizarse al unísono cada vez que se cambiaba la frecuencia, como era necesario en los primeros receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF). Una ventaja más importante es que le da al receptor un ancho de banda constante en su rango de sintonía. El ancho de banda de un filtro es proporcional a su frecuencia central. En receptores como el TRF en los que el filtrado se realiza en la frecuencia de RF entrante, a medida que el receptor se sintoniza a frecuencias más altas, su ancho de banda aumenta.

La principal razón para usar una frecuencia intermedia es mejorar la selectividad de frecuencia. En los circuitos de comunicación, una tarea muy común es separar o extraer señales o componentes de una señal que están muy próximos en frecuencia. Esto se llama filtrado. Algunos ejemplos son: recoger una estación de radio entre varias que tienen una frecuencia cercana, o extraer la subportadora de crominancia de una señal de TV. Con todas las técnicas de filtrado conocidas, el ancho de banda del filtro aumenta proporcionalmente con la frecuencia. Por lo tanto, se puede lograr un ancho de banda más estrecho y una mayor selectividad convirtiendo la señal a un IF más bajo y realizando el filtrado a esa frecuencia. La transmisión de FM y televisión con anchos de canal estrechos, así como los servicios de telecomunicaciones más modernos, como teléfonos celulares y televisión por cable, serían imposibles sin usar la conversión de frecuencia.

Usos

Quizás las frecuencias intermedias más utilizadas para los receptores de transmisión sean alrededor de 455 kHz para los receptores de AM y 10,7 MHz para los receptores de FM. En receptores de propósito especial, se pueden usar otras frecuencias. Un receptor de doble conversión puede tener dos frecuencias intermedias, una más alta para mejorar el rechazo de la imagen y una segunda, más baja, para la selectividad deseada. Una primera frecuencia intermedia puede incluso ser más alta que la señal de entrada, de modo que todas las respuestas no deseadas puedan filtrarse fácilmente mediante una etapa de RF de sintonización fija.

En un receptor digital, el convertidor de analógico a digital (ADC) funciona a tasas de muestreo bajas, por lo que la entrada de RF debe mezclarse con la FI para ser procesada. La frecuencia intermedia tiende a ser un rango de frecuencia más bajo en comparación con la frecuencia de RF transmitida. Sin embargo, las opciones para la FI dependen más de los componentes disponibles, como mezcladores, filtros, amplificadores y otros que pueden operar a una frecuencia más baja. Hay otros factores involucrados en la decisión de la IF, porque una IF más baja es susceptible al ruido y una IF más alta puede causar fluctuaciones en el reloj.

Los receptores de televisión por satélite modernos utilizan varias frecuencias intermedias. Los 500 canales de televisión de un sistema típico se transmiten desde el satélite a los suscriptores en la banda de microondas Ku, en dos subbandas de 10,7–11,7 y 11,7–12,75 GHz. La señal de enlace descendente es recibida por una antena parabólica. En el cuadro en el foco del plato, llamado convertidor descendente de bloque de bajo ruido (LNB), cada bloque de frecuencias se convierte al rango de FI de 950-2150 MHz mediante dos osciladores locales de frecuencia fija a 9,75 y 10,6 GHz. Uno de los dos bloques se selecciona mediante una señal de control del decodificador interior, que enciende uno de los osciladores locales. Esta FI se lleva al interior del edificio al receptor de televisión por un cable coaxial. En el decodificador de la compañía de cable, la señal se convierte a una FI más baja de 480 MHz para filtrarla mediante un oscilador de frecuencia variable. Esto se envía a través de un filtro de paso de banda de 30 MHz, que selecciona la señal de uno de los transpondedores del satélite, que transporta varios canales. El procesamiento posterior selecciona el canal deseado, lo demodula y envía la señal a la televisión.

Historia

Una frecuencia intermedia se utilizó por primera vez en el receptor de radio superheterodino, inventado por el científico estadounidense Major Edwin Armstrong en 1918, durante la Primera Guerra Mundial. Miembro del Signal Corps, Armstrong estaba construyendo un equipo de radiogoniometría para rastrear las señales militares alemanas en las entonces muy altas frecuencias de 500 a 3500 kHz. Los amplificadores de tubo de vacío de triodo de la época no amplificaban de manera estable por encima de 500 kHz, sin embargo, era fácil lograr que oscilaran por encima de esa frecuencia. La solución de Armstrong fue configurar un tubo oscilador que crearía una frecuencia cerca de la señal entrante y la mezclaría con la señal entrante en un tubo mezclador, creando una señal heterodina o en la frecuencia de diferencia más baja donde podría amplificarse fácilmente.. Por ejemplo, para captar una señal a 1500 kHz, el oscilador local se sintonizaría a 1450 kHz. Mezclar los dos creó una frecuencia intermedia de 50 kHz, que estaba dentro de la capacidad de los tubos. El nombre superheterodino era una contracción de supersónico heterodino, para distinguirlo de los receptores en los que la frecuencia heterodina era lo suficientemente baja como para ser directamente audible y que se usaban para recibir ondas continuas. (CW) Transmisiones en código Morse (no habla ni música).

Después de la guerra, en 1920, Armstrong vendió la patente del superheterodino a Westinghouse, quien posteriormente se la vendió a RCA. La mayor complejidad del circuito superheterodino en comparación con los diseños anteriores de receptores de radiofrecuencia sintonizados o regenerativos ralentizó su uso, pero las ventajas de la frecuencia intermedia para la selectividad y el rechazo estático finalmente ganaron; en 1930, la mayoría de las radios vendidas eran 'superhéroes'. Durante el desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial, el principio superheterodino fue esencial para la conversión descendente de las frecuencias de radar muy altas a frecuencias intermedias. Desde entonces, el circuito superheterodino, con su frecuencia intermedia, se ha utilizado en prácticamente todos los receptores de radio.

Ejemplos

El RCA Radiola AR-812 utilizó 6 triodos: mezclador, oscilador local, dos IF y dos etapas de amplificador de audio, con un IF de 45 kHz.

• a c. 20 kHz, 30 kHz (A. L. M. Sowerby y H. B. Dent), 45 kHz (primer receptor comercial de superheterodyne: RCA Radiola AR-812 de 1923/1924), c. 50 kHz, c. 100 kHz, c. 120 kHz
• 110 kHz se utilizó en receptores de radiodifusión de onda larga de la AM europea.
• 175 kHz (receptores de bandas y comunicaciones muy amplios antes de la introducción de núcleos de hierro en polvo)
• 260 kHz (receptores de radiodifusión normalizados), 250–270 kHz
• Asignaciones de frecuencia de Copenhague: 415-490 kHz, 510-525 kHz
• receptores de radio AM: 450 kHz, 455 kHz (más común), 460 kHz, 465 kHz, 467 kHz, 470 kHz, 475 kHz y 480 kHz.
• FM radio receivers: 262 kHz (old car radios), 455 kHz, 1.6 MHz, 5.5 MHz, 10.7 MHz (most common), 10.8 MHz, 11.2 MHz, 11.7 MHz, 11.8 MHz, 13.45 MHz, 21.4 MHz, 75 MHz y 98 MHz. En los receptores de superheterodinas de doble conversión, se utiliza a menudo una primera frecuencia intermedia de 10,7 MHz, seguida de una segunda frecuencia intermedia de 470 kHz (o 700 kHz con DYNAS). Hay tres diseños de conversión utilizados en receptores de escáneres policiales, receptores de comunicaciones de alta gama y muchos sistemas de microondas de punto a punto. Las radios modernas de consumo de chips DSP a menudo utilizan un 'low-IF' de 128 kHz para FM.
• Receptores de banda estrecha FM: 455 kHz (más común), 470 kHz
• Receptores de onda corta: 1.6 MHz, 1.6–3.0 MHz, 4.3 MHz (para receptores de 40–50 MHz solamente). En los receptores de superheterodina de doble conversión, una primera frecuencia intermedia de 3.0 MHz se combina a veces con un segundo IF de 465 kHz.
• Receptores de televisión analógica utilizando el sistema M: 41.25 MHz (audio) y 45.75 MHz (video). Nota, el canal se voltea en el proceso de conversión en un sistema intercarrier, por lo que el audio IF es inferior al vídeo IF. Además, no hay un oscilador local de audio; el portador de vídeo inyectado sirve ese propósito.
• Receptores de televisión analógicos usando el sistema B y sistemas similares: 33.4 MHz para la señal visual aural y 38.9 MHz. (La discusión sobre la conversión de frecuencia es la misma que en el sistema M.)
• Equipo de enlace de enlace de satélite: 70 MHz, 950-1450 MHz (banda L) enlace de enlace descendente primero IF.
• Equipo de microondas terrestre: 250 MHz, 70 MHz o 75 MHz.
• Radar: 30 MHz.
• Equipo de prueba RF: 310.7 MHz, 160 MHz y 21.4 MHz.