Heterodino

Símbolo mezclador de frecuencia utilizado en diagramas esquemáticos

Un heterodino es una frecuencia de señal que se crea combinando o mezclando otras dos frecuencias usando una técnica de procesamiento de señal llamada heterodino, que fue inventada por el inventor e ingeniero canadiense Reginald Fessenden. El heterodino se usa para cambiar señales de un rango de frecuencia a otro, y también está involucrado en los procesos de modulación y demodulación. Las dos frecuencias de entrada se combinan en un dispositivo de procesamiento de señales no lineal, como un tubo de vacío, un transistor o un diodo, generalmente llamado mezclador.

En la aplicación más común, dos señales en las frecuencias f₁ y f₂ se mezclan, creando dos nuevas señales, una en la suma de las dos frecuencias f₁ + f₂, y el otro en la diferencia entre las dos frecuencias f₁ − f₂. Las nuevas frecuencias de señal se denominan heterodinas. Por lo general, solo se requiere uno de los heterodinos y la otra señal se filtra fuera de la salida del mezclador. Las frecuencias heterodinas están relacionadas con el fenómeno de los "latidos" en acústica.

Una aplicación importante del proceso heterodino se encuentra en el circuito del receptor de radio superheterodino, que se utiliza en prácticamente todos los receptores de radio modernos.

Historia

El circuito de receptor de radio heterodinámica de Fessenden. La frecuencia de radio entrante y la mezcla de frecuencia de oscilador local en el detector de diodos de cristal.

En 1901, Reginald Fessenden demostró un receptor heterodino de conversión directa o receptor de pulsos como método para hacer audibles las señales de radiotelegrafía de onda continua. El receptor de Fessenden no vio mucha aplicación debido al problema de estabilidad de su oscilador local. Un oscilador local estable pero económico no estuvo disponible hasta que Lee de Forest inventó el oscilador de tubo de vacío triodo. En una patente de 1905, Fessenden afirmó que la estabilidad de frecuencia de su oscilador local era de una parte por mil.

En radiotelegrafía, los caracteres de los mensajes de texto se traducen en puntos de corta duración y guiones de larga duración del código Morse que se transmiten como señales de radio. La radiotelegrafía era muy parecida a la telegrafía ordinaria. Uno de los problemas fue construir transmisores de alta potencia con la tecnología del momento. Los primeros transmisores eran transmisores de chispas. Un dispositivo mecánico produciría chispas a un ritmo fijo pero audible; las chispas pondrían energía en un circuito resonante que luego sonaría a la frecuencia de transmisión deseada (que podría ser 100 kHz). Este timbre decaería rápidamente, por lo que la salida del transmisor sería una sucesión de ondas amortiguadas. Cuando estas ondas amortiguadas eran recibidas por un detector simple, el operador oía un zumbido audible que podía transcribirse en caracteres alfanuméricos.

Con el desarrollo del transmisor de radio convertidor de arco en 1904, la modulación de onda continua (CW) comenzó a usarse para radiotelegrafía. Las señales de código Morse CW no están moduladas en amplitud, sino que consisten en ráfagas de frecuencia portadora sinusoidal. Cuando las señales CW son recibidas por un receptor AM, el operador no escucha ningún sonido. El detector de conversión directa (heterodino) se inventó para hacer audibles las señales de radiofrecuencia de onda continua.

El "heterodino" o "golpear" El receptor tiene un oscilador local que produce una señal de radio ajustada para tener una frecuencia cercana a la señal entrante que se recibe. Cuando las dos señales se mezclan, un "beat" se crea una frecuencia igual a la diferencia entre las dos frecuencias. El ajuste correcto de la frecuencia del oscilador local coloca la frecuencia del pulso en el rango de audio, donde se puede escuchar como un tono en los auriculares del receptor cuando la señal del transmisor está presente. Así, el código Morse "puntos" y "guiones" son audibles como pitidos. Esta técnica todavía se usa en radiotelegrafía, el oscilador local ahora se llama oscilador de frecuencia de batido o BFO. Fessenden acuñó la palabra heterodino de las raíces griegas hetero- "diferente", y dyn- "poder" 34; (cf. δύναμις o dunamis).

Receptor superheterodino

Diagrama de bloque de un receptor típico de superheterodina. Rojo las partes son aquellas que manejan la señal de frecuencia de radio entrantes (RF); verde son partes que operan en la frecuencia intermedia (IF), mientras azul las partes operan a la frecuencia modulada (audio).

Una aplicación importante y ampliamente utilizada de la técnica heterodina es el receptor superheterodino (superhet), que fue inventado por el ingeniero estadounidense Edwin Howard Armstrong en 1918. En el superheterodónico típico, la señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla (heterodino) con una señal de un oscilador local (LO) para producir una señal de frecuencia fija más baja llamada señal de frecuencia intermedia (IF). La señal de FI se amplifica y filtra y luego se aplica a un detector que extrae la señal de audio; el audio finalmente se envía al altavoz del receptor.

El receptor superheterodino tiene varias ventajas sobre los diseños de receptores anteriores. Una ventaja es la afinación más fácil; solo el filtro de RF y el LO son sintonizados por el operador; la FI de frecuencia fija está sintonizada ("alineada") en la fábrica y no está ajustada. En diseños más antiguos, como el receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF), todas las etapas del receptor tenían que sintonizarse simultáneamente. Además, dado que los filtros de FI tienen una sintonía fija, la selectividad del receptor es la misma en toda la banda de frecuencia del receptor. Otra ventaja es que la señal de FI puede tener una frecuencia mucho más baja que la señal de radio entrante, y eso permite que cada etapa del amplificador de FI proporcione más ganancia. En primer lugar, un dispositivo amplificador tiene un producto de ancho de banda de ganancia fijo. Si el dispositivo tiene un producto de ancho de banda de ganancia de 60 MHz, entonces puede proporcionar una ganancia de voltaje de 3 a una RF de 20 MHz o una ganancia de voltaje de 30 a una FI de 2 MHz. Con un IF más bajo, se necesitarían menos dispositivos de ganancia para lograr la misma ganancia. El receptor de radio regenerativo obtuvo más ganancia de un dispositivo de ganancia mediante el uso de retroalimentación positiva, pero requirió un ajuste cuidadoso por parte del operador; ese ajuste también cambió la selectividad del receptor regenerativo. El superheterodino proporciona una ganancia grande y estable y una selectividad constante sin problemas de ajuste.

El sistema superheterodino superior reemplazó a los diseños anteriores de receptores TRF y regenerativos y, desde la década de 1930, la mayoría de los receptores de radio comerciales han sido superheterodinos.

Aplicaciones

El heterodino, también llamado conversión de frecuencia, se usa mucho en ingeniería de comunicaciones para generar nuevas frecuencias y mover información de un canal de frecuencia a otro. Además de su uso en el circuito superheterodino que se encuentra en casi todos los receptores de radio y televisión, se utiliza en transmisores de radio, módems, comunicaciones satelitales y decodificadores, radares, radiotelescopios, sistemas de telemetría, teléfonos celulares, cajas convertidoras de televisión por cable y cabeceras., relés de microondas, detectores de metales, relojes atómicos y sistemas militares de contramedidas electrónicas (interferencias).

Convertidores ascendentes y descendentes

En redes de telecomunicaciones a gran escala, como troncales de redes telefónicas, redes de retransmisión de microondas, sistemas de televisión por cable y enlaces de comunicación por satélite, muchos canales de comunicación individuales comparten enlaces de gran capacidad de ancho de banda mediante el uso de heterodino para aumentar la frecuencia de las señales individuales. a diferentes frecuencias, que comparten el canal. Esto se llama multiplexación por división de frecuencia (FDM).

Por ejemplo, un cable coaxial utilizado por un sistema de televisión por cable puede transmitir 500 canales de televisión al mismo tiempo porque a cada uno se le asigna una frecuencia diferente, por lo que no interfieren entre sí. En la fuente o cabecera del cable, los convertidores ascendentes electrónicos convierten cada canal de televisión entrante a una frecuencia nueva y más alta. Lo hacen mezclando la frecuencia de la señal de televisión, f_CH con un oscilador local a una frecuencia mucho más alta f _LO, creando un heterodino en la suma f_CH + f_LO, que se agrega al cable. En el hogar del consumidor, el decodificador de cable tiene un convertidor descendente que mezcla la señal entrante en la frecuencia f_CH + f_LO con la misma frecuencia del oscilador local f_LO creando la diferencia de frecuencia heterodina, convirtiendo el canal de televisión a su frecuencia original: (f_CH + f_LO) − f_LO = f_CH. Cada canal se mueve a una frecuencia más alta diferente. La frecuencia básica más baja original de la señal se llama banda base, mientras que el canal más alto al que se mueve se llama banda de paso.

Grabación de cintas de video analógicas

Muchos sistemas de cintas de video analógicos se basan en una subportadora de color convertida hacia abajo para registrar información de color en su ancho de banda limitado. Estos sistemas se denominan "sistemas heterodinos" o "sistemas de color subyacente". Por ejemplo, para los sistemas de video NTSC, el sistema de grabación VHS (y S-VHS) convierte la subportadora de color del estándar NTSC de 3,58 MHz a ~629 kHz. La subportadora de color PAL VHS se reduce de manera similar (pero desde 4,43 MHz). El ahora obsoleto 3/4" Los sistemas U-matic usan una subportadora heterodina de ~688 kHz para grabaciones NTSC (al igual que el Betamax de Sony, que es básicamente una versión de consumo de 1/2″ de U-matic), mientras que los decks PAL U-matic llegaron dos variedades mutuamente incompatibles, con diferentes frecuencias de subportadora, conocidas como Hi-Band y Low-Band. Otros formatos de cintas de video con sistemas de color heterodinos incluyen Video-8 y Hi8.

En estos casos, el sistema heterodino se usa para convertir ondas sinusoidales moduladas en amplitud y codificadas en cuadratura de fase de las frecuencias de transmisión a frecuencias grabables en un ancho de banda inferior a 1 MHz. En la reproducción, la información de color grabada se heterodina de nuevo a las frecuencias de la subportadora estándar para su visualización en televisores y para el intercambio con otros equipos de video estándar.

Algunos decks U-matic (3/4″) cuentan con conectores mini-DIN de 7 pines para permitir el doblaje de cintas sin conversión, al igual que algunas grabadoras industriales VHS, S-VHS y Hi8.

Síntesis musical

El theremin, un instrumento musical electrónico, utiliza tradicionalmente el principio heterodino para producir una frecuencia de audio variable en respuesta al movimiento de las manos del músico en la proximidad de una o más antenas, que actúan como placas de condensador. La salida de un oscilador de radiofrecuencia fijo se mezcla con la de un oscilador cuya frecuencia se ve afectada por la capacitancia variable entre la antena y la mano del músico cuando se mueve cerca de la antena de control de tono. La diferencia entre las dos frecuencias del oscilador produce un tono en el rango de audio.

El modulador en anillo es un tipo de mezclador de frecuencia incorporado en algunos sintetizadores o utilizado como un efecto de audio independiente.

Heterodino óptico

La detección heterodina óptica (un área de investigación activa) es una extensión de la técnica heterodina a frecuencias más altas (visibles). Guerra (1995) publicó por primera vez los resultados de lo que llamó una "forma de heterodino óptico" en el que la luz modelada por una rejilla de paso de 50 nm iluminaba una segunda rejilla de paso de 50 nm, con las rejillas giradas entre sí en la cantidad angular necesaria para lograr la ampliación. Aunque la longitud de onda de iluminación fue de 650 nm, la rejilla de 50 nm se resolvió fácilmente. Esto mostró una mejora de casi 5 veces sobre el límite de resolución de Abbe de 232 nm que debería haber sido el más pequeño obtenido para la apertura numérica y la longitud de onda utilizadas. Esta imagen microscópica de superresolución a través de la heterodinación óptica más tarde llegó a ser conocida por muchos como "microscopía de iluminación estructurada".

Además de la microscopía óptica de superresolución, la heterodinación óptica podría mejorar en gran medida los moduladores ópticos, aumentando la densidad de información transportada por las fibras ópticas. También se está aplicando en la creación de relojes atómicos más precisos basados en la medición directa de la frecuencia de un rayo láser. Consulte el subtema 9.07.9-4.R del NIST para obtener una descripción de la investigación sobre un sistema para hacer esto.

Dado que las frecuencias ópticas están mucho más allá de la capacidad de manipulación de cualquier circuito electrónico factible, todos los detectores de fotones de frecuencia visible son inherentemente detectores de energía, no detectores de campo eléctrico oscilante. Sin embargo, dado que la detección de energía es inherentemente de "ley cuadrática" detección, mezcla intrínsecamente cualquier frecuencia óptica presente en el detector. Por lo tanto, la detección sensible de frecuencias ópticas específicas requiere detección heterodina óptica, en la que dos longitudes de onda de luz diferentes (cercanas) iluminan el detector de modo que la salida eléctrica oscilante corresponda a la diferencia entre sus frecuencias. Esto permite una detección de banda extremadamente estrecha (mucho más estrecha de lo que puede lograr cualquier filtro de color posible), así como mediciones precisas de fase y frecuencia de una señal de luz en relación con una fuente de luz de referencia, como en un vibrómetro láser Doppler.

Esta detección sensible a la fase se ha aplicado para las mediciones Doppler de la velocidad del viento y la generación de imágenes a través de medios densos. La alta sensibilidad contra la luz de fondo es especialmente útil para lidar.

En la espectroscopia del efecto Kerr óptico (OKE), la heterodinación óptica de la señal OKE y una pequeña parte de la señal de la sonda produce una señal mixta que consiste en una sonda, una sonda OKE heterodina y una señal OKE homodina. Las señales OKE homodina y de la sonda se pueden filtrar, dejando la señal de frecuencia heterodina para la detección.

La detección heterodina a menudo se usa en la interferometría, pero generalmente se limita a la detección de un solo punto en lugar de la interferometría de campo amplio; sin embargo, la interferometría heterodina de campo amplio es posible usando una cámara especial. Usando esta técnica que extrae una señal de referencia de un solo píxel, es posible construir un interferómetro heterodino de campo amplio altamente estable eliminando el componente de fase de pistón causados por microfonía o vibraciones de los componentes ópticos u objetos.

Principio matemático

La heterodinación se basa en la identidad trigonométrica:

pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio 1pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio 2=12#⁡ ⁡ ()Silencio Silencio 1− − Silencio Silencio 2)− − 12#⁡ ⁡ ()Silencio Silencio 1+Silencio Silencio 2){displaystyle sin theta ################################################################################################################################################################################################################################################################ theta ¿Por qué?

El producto del lado izquierdo representa la multiplicación ("mezcla") de una onda sinusoidal con otra onda sinusoidal. El lado derecho muestra que la señal resultante es la diferencia de dos términos sinusoidales, uno en la suma de las dos frecuencias originales y otro en la diferencia, que pueden considerarse señales separadas.

Usando esta identidad trigonométrica, el resultado de multiplicar dos señales de onda sine pecado⁡ ⁡ ()2π π f1t){displaystyle sin(2pi f_{1}t),} y pecado⁡ ⁡ ()2π π f2t){displaystyle sin(2pi f_{2}t),} en diferentes frecuencias f1{displaystyle f_{1} y f2{displaystyle f_{2} puede calcularse:

pecado⁡ ⁡ ()2π π f1t)pecado⁡ ⁡ ()2π π f2t)=12#⁡ ⁡ [2π π ()f1− − f2)t]− − 12#⁡ ⁡ [2π π ()f1+f2)t]{displaystyle sin(2pi f_{1}t)sin(2pi f_{2}t)={frac {1}{2}}cos[2pi (f_{1}-f_{2})t]-{frac {1}{2}}cos[2pi (f_{1}+f_{2})t]

El resultado es la suma de dos señales sinusoidales, una en la suma f₁ + f ₂ y uno en la diferencia f₁ − f ₂ de las frecuencias originales.

Mezclador

Las dos señales se combinan en un dispositivo llamado un mezclador. Como se ve en la sección anterior, un mezclador ideal sería un dispositivo que multiplica las dos señales. Algunos circuitos de mezcladores muy utilizados, como la célula Gilbert, funcionan de esta manera, pero se limitan a frecuencias inferiores. Sin embargo, cualquier no linear El componente electrónico también multiplica las señales aplicadas a él, produciendo frecuencias heterodinanas en su salida, por lo que una variedad de componentes no lineales sirven como mezcladores. Un componente no lineal es uno en el que la corriente de salida o el voltaje es una función no lineal de su entrada. La mayoría de los elementos de circuito en los circuitos de comunicaciones están diseñados para ser lineales. Esto significa que obedecen al principio de la superposición; si F()v){displaystyle F(v)} es la salida de un elemento lineal con una entrada de v{displaystyle v}:

F()v1+v2)=F()v1)+F()v2){displaystyle F(v_{1}+v_{2})=F(v_{1})+F(v_{2},}

Así que si dos señales de onda sine a frecuencias f₁ y f₂ se aplican a un dispositivo lineal, la salida es simplemente la suma de las salidas cuando las dos señales se aplican por separado sin términos de producto. Así, la función F{displaystyle F} debe ser no lineal para crear productos de mezclador. Un multiplicador perfecto solo produce productos mezcladores en las frecuencias de suma y diferencia ()f₁±f₂), pero las funciones no lineales más generales producen productos de mezcla de pedidos superiores: n⋅f₁+m⋅f₂ para enteros n y m. Algunos diseños de mezcladores, como mezcladores de doble equilibrio, suprimen algunos productos no deseados de alto orden, mientras que otros diseños, como mezcladores armónicos, explotan diferencias de alto orden.

Ejemplos de componentes no lineales que se utilizan como mezcladores son los tubos de vacío y los transistores polarizados cerca del corte (clase C) y los diodos. Los inductores de núcleo ferromagnético llevados a la saturación también se pueden usar a frecuencias más bajas. En la óptica no lineal, los cristales que tienen características no lineales se utilizan para mezclar haces de luz láser para crear frecuencias heterodinas ópticas.

Salida de un mezclador

Para demostrar matemáticamente cómo un componente no lineal puede multiplicar las señales y generar frecuencias heterodinarias, la función no lineal F{displaystyle F} se puede ampliar en una serie de energía (MacLaurin series):

F()v)=α α 1v+α α 2v2+α α 3v3+⋯ ⋯ {displaystyle F(v)=alpha _{1}v+alpha ¿Por qué? ¿Qué?

Para simplificar las matemáticas, los términos de orden superior por encima de α₂ se indican con puntos suspensivos ("...") y solo se muestran los primeros términos. Aplicando las dos ondas sinusoidales a las frecuencias ω₁ = 2πf₁ y ω₂ = 2πf₂ a esto dispositivo:

vFuera.=F()A1pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1t+A2pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t){displaystyle v_{text{out}=F(A_{1}sin omega _{1}t+A_{2}sin omega _{2}t),}

vFuera.=α α 1()A1pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1t+A2pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t)+α α 2()A1pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1t+A2pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t)2+⋯ ⋯ {displaystyle v_{text{out}=alpha ################################################################################################################################################################################################################################################################ _{1}t+A_{2}sin omega _{2}t)+alpha _{2}(A_{1}sin omega _{1}t+A_{2}sin omega _{2}t)^{2}+cdots ,}

vFuera.=α α 1()A1pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1t+A2pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t)+α α 2()A12pecado2⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1t+2A1A2pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1tpecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t+A22pecado2⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t)+⋯ ⋯ {displaystyle v_{text{out}=alpha ################################################################################################################################################################################################################################################################ _{1}t+A_{2}sin omega _{2}t)+alpha _{2}(A_{1}^{2}sin ^{2}omega _{1}t+2A_{1}A_{2}sin omega _{1}tsin omega _{2}t+A_{2}sin ^{2}omega _{2}t)+cdots ,}

Se puede ver que el segundo término anterior contiene un producto de las dos ondas sinusoidales. Simplificando con identidades trigonométricas:

vFuera.=α α 1()A1pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 1t+A2pecado⁡ ⁡ ⋅ ⋅ 2t)+α α 2()A122[1− − #⁡ ⁡ 2⋅ ⋅ 1t]+A1A2[#⁡ ⁡ ()⋅ ⋅ 1t− − ⋅ ⋅ 2t)− − #⁡ ⁡ ()⋅ ⋅ 1t+⋅ ⋅ 2t)]+A222[1− − #⁡ ⁡ 2⋅ ⋅ 2t])+⋯ ⋯ {displaystyle {begin{aligned}v_{text{out}={} {f} {f}} {f}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}} ################################################################################################################################################################################################################################################################ _{1}t+A_{2}sin omega _{2}t)\ {}+alpha _{2}left({frac] {A_{1}}{2} {1-cos 2omega _{1}t]+A_{1}A_{2}[cos(omega _{1}t-omega _{2}t)-cos(omega)-cos(omega) ¿Por qué?

vFuera.=α α 2A1A2#⁡ ⁡ ()⋅ ⋅ 1− − ⋅ ⋅ 2)t− − α α 2A1A2#⁡ ⁡ ()⋅ ⋅ 1+⋅ ⋅ 2)t+⋯ ⋯ {displaystyle {fnMicrosoft Sans Serif}=Alpha _{2}A_{2}cos(omega _{1}-omega _{2})t-alpha _{2}A_{2}cos(omega _{1}+omega _{2})t+cdots ,}

Entonces, la salida contiene términos sinusoidales con frecuencias en la suma ω₁ + ω ₂ y diferencia ω₁ − ω₂ de las dos frecuencias originales. También contiene términos en las frecuencias originales y en múltiplos de las frecuencias originales 2ω₁, 2ω₂, 3ω₁ , 3ω₂, etc.; estos últimos se denominan armónicos, así como términos más complicados en frecuencias de Mω₁ + Nω₂, llamados productos de intermodulación. Estas frecuencias no deseadas, junto con la frecuencia heterodina no deseada, deben filtrarse de la salida del mezclador mediante un filtro electrónico para dejar la frecuencia deseada.