Receptor superheterodino

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Un receptor de superheterodinano de 5 tubos hecho en Japón alrededor de 1955
Superheterodyne transistor radiocircuito circa 1975

Un receptor superheterodino, a menudo abreviado como superhet, es un tipo de receptor de radio que utiliza una mezcla de frecuencias para convertir una señal recibida en una frecuencia intermedia (IF) fija que se puede procesar más convenientemente que la frecuencia portadora original. Durante mucho tiempo se creyó que había sido inventado por el ingeniero estadounidense Edwin Armstrong, pero después de cierta controversia, la primera patente de la invención ahora se atribuye al ingeniero de radio y fabricante de radio francés Lucien Lévy. Prácticamente todos los receptores de radio modernos utilizan el principio superheterodino; excepto aquellas radios definidas por software que usan muestreo directo.

Historia

Heterodino

Las primeras transmisiones de radio en código Morse se producían usando un alternador conectado a una vía de chispas. La señal de salida tenía una frecuencia portadora definida por la construcción física del espacio, modulada por la señal de corriente alterna del alternador. Dado que la frecuencia de salida del alternador estaba generalmente en el rango audible, esto produce una señal audible modulada en amplitud (AM). Detectores de radio simples filtraron la portadora de alta frecuencia, dejando la modulación, que se transmitió a los auriculares del usuario como una señal audible de puntos y rayas.

En 1904, Ernst Alexanderson presentó el alternador Alexanderson, un dispositivo que producía directamente una salida de radiofrecuencia con mayor potencia y una eficiencia mucho mayor que los sistemas de vía de chispas más antiguos. Sin embargo, en contraste con el espacio de chispa, la salida del alternador era una onda portadora pura a una frecuencia seleccionada. Cuando se detectan en los receptores existentes, los puntos y guiones normalmente serían inaudibles o "supersónicos". Debido a los efectos de filtrado del receptor, estas señales generalmente producían un clic o un golpe sordo, que eran audibles pero dificultaban la determinación de puntos o rayas.

En 1905, al inventor canadiense Reginald Fessenden se le ocurrió la idea de usar dos alternadores Alexanderson que operaran en frecuencias muy próximas para transmitir dos señales, en lugar de una. El receptor recibiría entonces ambas señales y, como parte del proceso de detección, solo la frecuencia de pulsación saldría del receptor. Al seleccionar dos portadoras lo suficientemente cerca como para que la frecuencia del pulso fuera audible, el código Morse resultante podría volver a escucharse fácilmente incluso en receptores simples. Por ejemplo, si los dos alternadores operaran a frecuencias separadas por 3 kHz, la salida en los auriculares sería un tono de puntos o rayas de 3 kHz, lo que los haría fácilmente audibles.

Fessenden acuñó el término "heterodino", que significa "generado por una diferencia" (en frecuencia), para describir este sistema. La palabra se deriva de las raíces griegas hetero- "diferente", y -dyne "poder".

Regeneración

El código Morse se usaba mucho en los primeros días de la radio porque era fácil de producir y de recibir. A diferencia de las transmisiones de voz, la salida del amplificador no tenía que coincidir con la modulación de la señal original. Como resultado, podría usarse cualquier número de sistemas de amplificación simples. Un método utilizó un efecto secundario interesante de los primeros tubos amplificadores de triodo. Si tanto la placa (ánodo) como la rejilla estuvieran conectados a circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia y la ganancia de etapa fuera mucho más alta que la unidad, el acoplamiento capacitivo perdido entre la rejilla y la placa haría que el amplificador entrara en oscilación.

En 1913, Edwin Howard Armstrong describió un sistema receptor que usaba este efecto para producir una salida audible en código Morse usando un solo triodo. La salida del amplificador tomada en el ánodo se volvió a conectar a la entrada a través de un 'tickler', lo que provocó una retroalimentación que llevó las señales de entrada mucho más allá de la unidad. Esto hizo que la salida oscilara a una frecuencia elegida con gran amplificación. Cuando la señal original se cortó al final del punto o la raya, la oscilación decayó y el sonido desapareció después de un breve retraso.

Armstrong se refirió a este concepto como receptor regenerativo e inmediatamente se convirtió en uno de los sistemas más utilizados de su época. Muchos sistemas de radio de la década de 1920 se basaron en el principio regenerativo y se siguió utilizando en funciones especializadas hasta la década de 1940, por ejemplo, en el IFF Mark II.

RDF

Había una función en la que el sistema regenerativo no era adecuado, incluso para fuentes de código Morse, y esa era la tarea de radiogoniometría o RDF.

El sistema regenerativo era altamente no lineal, amplificando cualquier señal por encima de un cierto umbral en una cantidad enorme, a veces tan grande que hacía que se convirtiera en un transmisor (que era todo el concepto detrás de IFF). En RDF, la fuerza de la señal se usa para determinar la ubicación del transmisor, por lo que se requiere una amplificación lineal para permitir medir con precisión la fuerza de la señal original, a menudo muy débil.

Para abordar esta necesidad, los sistemas RDF de la época usaban triodos que operaban por debajo de la unidad. Para obtener una señal utilizable de dicho sistema, se tenían que usar decenas o incluso cientos de triodos, conectados entre sí de ánodo a red. Estos amplificadores consumían enormes cantidades de energía y requerían un equipo de ingenieros de mantenimiento para mantenerlos en funcionamiento. Sin embargo, el valor estratégico de la radiogoniometría en señales débiles era tan alto que el Almirantazgo británico consideró que el alto costo estaba justificado.

Superheterodino

Uno de los receptores de superheterodinas prototipos construidos en el laboratorio del Cuerpo de Señales de Armstrong en París durante la Primera Guerra Mundial. Está construido en dos secciones, el mezclador y el oscilador local (izquierda) y tres etapas de amplificación IF y un estadio de detector (derecho). La frecuencia intermedia fue de 75 kHz.

Aunque varios investigadores descubrieron el concepto superheterodino, presentando patentes con solo meses de diferencia (ver más abajo), al ingeniero estadounidense Edwin Armstrong se le suele atribuir el concepto. Lo encontró mientras consideraba mejores formas de producir receptores RDF. Había llegado a la conclusión de que pasar a una "onda corta" frecuencias haría que RDF fuera más útil y estaba buscando medios prácticos para construir un amplificador lineal para estas señales. En ese momento, la onda corta estaba por encima de los 500 kHz, más allá de las capacidades de cualquier amplificador existente.

Se había notado que cuando un receptor regenerativo entraba en oscilación, otros receptores cercanos también comenzaban a captar otras estaciones. Armstrong (y otros) finalmente dedujeron que esto fue causado por un "heterodino supersónico" entre la frecuencia portadora de la estación y la frecuencia de oscilación del receptor regenerativo. Cuando el primer receptor comenzaba a oscilar a altas salidas, su señal fluía de regreso a través de la antena para ser recibida en cualquier receptor cercano. En ese receptor, las dos señales se mezclaron tal como lo hicieron en el concepto heterodino original, produciendo una salida que es la diferencia de frecuencia entre las dos señales.

Por ejemplo, considere un receptor solitario que se sintonizó en una estación a 300 kHz. Si se instala un segundo receptor cerca y se configura a 400 kHz con alta ganancia, comenzará a emitir una señal de 400 kHz que se recibirá en el primer receptor. En ese receptor, las dos señales se mezclarán para producir cuatro salidas, una a los 300 kHz originales, otra a los 400 kHz recibidos y dos más, la diferencia a 100 kHz y la suma a 700 kHz. Este es el mismo efecto que había propuesto Fessenden, pero en su sistema las dos frecuencias se eligieron deliberadamente para que la frecuencia del pulso fuera audible. En este caso, todas las frecuencias están mucho más allá del rango audible y, por lo tanto, son "supersónicas", lo que da lugar al nombre superheterodino.

Armstrong se dio cuenta de que este efecto era una posible solución a la "onda corta" problema de amplificación, como la "diferencia" la salida aún conservaba su modulación original, pero en una frecuencia portadora más baja. En el ejemplo anterior, uno puede amplificar la señal de pulso de 100 kHz y recuperar la información original de eso, el receptor no tiene que sintonizar la portadora original más alta de 300 kHz. Al seleccionar un conjunto apropiado de frecuencias, incluso las señales de muy alta frecuencia podrían "reducir" a una frecuencia que podría ser amplificada por los sistemas existentes.

Por ejemplo, para recibir una señal a 1500 kHz, mucho más allá del rango de amplificación eficiente en ese momento, se podría configurar un oscilador a, por ejemplo, 1560 kHz. Armstrong se refirió a esto como el "oscilador local" o LO. Como su señal se estaba alimentando a un segundo receptor en el mismo dispositivo, no tenía que ser potente, generando solo la señal suficiente para que fuera más o menos similar en fuerza a la de la estación recibida. Cuando la señal del LO se mezcla con la de la estación, una de las salidas será la diferencia de frecuencia heterodina, en este caso, 60 kHz. Llamó a esta diferencia resultante la "frecuencia intermedia" a menudo abreviado como "IF".

En diciembre de 1919, el mayor E. H. Armstrong dio publicidad a un método indirecto para obtener la amplificación de onda corta, llamado superheterodyne. La idea es reducir la frecuencia entrante, que puede ser, por ejemplo, 1,500,000 ciclos (200 metros), a una frecuencia superaudible adecuada que puede ser amplificada eficientemente, luego pasando esta corriente a través de un amplificador de frecuencia intermedia, y finalmente rectificar y llevar a una o dos etapas de amplificación de frecuencia de audio.

El "truco" al superheterodino es que cambiando la frecuencia LO puedes sintonizar diferentes emisoras. Por ejemplo, para recibir una señal a 1300 kHz, se puede sintonizar el LO a 1360 kHz, lo que da como resultado la misma FI de 60 kHz. Esto significa que la sección del amplificador se puede sintonizar para operar a una sola frecuencia, el diseño IF, que es mucho más fácil de hacer de manera eficiente.

Desarrollo

El primer receptor comercial de superheterodina, el RCA Radiola AR-812, sacó el 4 de marzo de 1924, con un precio de $286 (equivalente a $4,520 en 2021). Utilizó 6 triodos: mezclador, oscilador local, dos IF y dos etapas de amplificador de audio, con un IF de 45 kHz. Fue un éxito comercial, con mejores resultados que receptores competidores.

Armstrong puso en práctica sus ideas y la técnica pronto fue adoptada por los militares. Era menos popular cuando comenzó la transmisión de radio comercial en la década de 1920, principalmente debido a la necesidad de un tubo adicional (para el oscilador), el costo generalmente más alto del receptor y el nivel de habilidad requerido para operarlo. Para las primeras radios domésticas, los receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF) eran más populares porque eran más baratos, más fáciles de usar para un propietario no técnico y menos costosos de operar. Armstrong finalmente vendió su patente superheterodino a Westinghouse, que luego se la vendió a Radio Corporation of America (RCA), esta última monopolizando el mercado de receptores superheterodinos hasta 1930.

Debido a que la motivación original para el superhet fue la dificultad de usar el amplificador de triodo en frecuencias altas, había una ventaja en usar una frecuencia intermedia más baja. Durante esta época, muchos receptores usaban una frecuencia de FI de solo 30 kHz. Estas frecuencias de FI bajas, que a menudo utilizan transformadores de FI basados en la resonancia propia de los transformadores con núcleo de hierro, tenían un rechazo de frecuencia de imagen deficiente, pero superaron la dificultad de utilizar triodos en frecuencias de radio de una manera que competía favorablemente con el receptor TRF neutrodino menos robusto.. Las frecuencias de FI más altas (455 kHz era un estándar común) se empezaron a usar en años posteriores, después de la invención del tetrodo y el pentodo como tubos amplificadores, lo que resolvió en gran medida el problema del rechazo de imágenes. Incluso más tarde, sin embargo, las frecuencias de FI bajas (típicamente 60 kHz) se volvieron a utilizar en la segunda (o tercera) etapa de FI de los receptores de comunicaciones de conversión doble o triple para aprovechar la selectividad que se logra más fácilmente en frecuencias de IF más bajas, con el rechazo de la imagen realizado en la(s) etapa(s) de IF anterior(es) que estaban en una frecuencia de IF más alta.

En la década de 1920, a estas bajas frecuencias, los filtros de FI comerciales se parecían mucho a los transformadores de acoplamiento entre etapas de audio de la década de 1920, tenían una construcción similar y estaban cableados de manera casi idéntica, por lo que se los conocía como "FI transformadores". A mediados de la década de 1930, los superheterodinos que usaban frecuencias intermedias mucho más altas (generalmente alrededor de 440–470 kHz) usaban transformadores sintonizados más similares a otras aplicaciones de RF. El nombre "transformador IF" se retuvo, sin embargo, ahora significa "frecuencia intermedia". Los receptores modernos suelen utilizar una mezcla de resonadores cerámicos o resonadores de ondas acústicas de superficie y transformadores de FI de inductor sintonizado tradicionales.

"All American Five" aspira-tube superheterodyne AM receptor de transmisión de 1940s era barato para fabricar porque sólo requería cinco tubos.

En la década de 1930, las mejoras en la tecnología de tubos de vacío erosionaron rápidamente las ventajas de costos del receptor TRF y la explosión en la cantidad de estaciones de transmisión creó una demanda de receptores más baratos y de mayor rendimiento.

La introducción de una rejilla adicional en un tubo de vacío, pero antes del tetrodo de rejilla de pantalla más moderno, incluía el tetrodo con dos rejillas de control; este tubo combinó las funciones de mezclador y oscilador, utilizado por primera vez en el llamado mezclador autodino. A esto le siguió rápidamente la introducción de tubos diseñados específicamente para el funcionamiento superheterodino, sobre todo el convertidor pentagrid. Al reducir el número de tubos (siendo cada etapa del tubo el principal factor que afecta el costo en esta era), esto redujo aún más la ventaja de los diseños de receptores TRF y regenerativos.

A mediados de la década de 1930, la producción comercial de receptores TRF fue reemplazada en gran medida por receptores superheterodinos. En la década de 1940, el receptor de transmisión de AM superheterodino de tubo de vacío se refinó en un diseño de fabricación económica llamado 'All American Five'. porque usaba cinco tubos de vacío: generalmente un convertidor (mezclador/oscilador local), un amplificador de FI, un detector/amplificador de audio, un amplificador de potencia de audio y un rectificador. Desde entonces, el diseño superheterodino se utilizó para casi todos los receptores comerciales de radio y televisión.

Batallas de patentes

El ingeniero francés Lucien Lévy presentó una solicitud de patente para el principio superheterodino en agosto de 1917 con el brevet n° 493660. Armstrong también presentó su patente en 1917. Levy presentó su divulgación original unos siete meses antes que Armstrong. El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente en 1918.

Al principio, EE. UU. reconoció a Armstrong como el inventor, y su patente de EE. UU. 1.342.885 se emitió el 8 de junio de 1920. Después de varios cambios y audiencias judiciales, Lévy obtuvo la patente de EE. UU. n.º 1.734.938 que incluía siete de las nueve reivindicaciones en Armstrong' s solicitud, mientras que los dos reclamos restantes se otorgaron a Alexanderson de GE y Kendall de AT&T.

Principio de funcionamiento

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). La línea punteada indica que el oscilador local y el filtro RF deben ajustarse en tándem.
Cómo funciona una radio superheterodina. Los ejes horizontales son frecuencia f. Los gráficos azules muestran los voltajes de las señales de radio en varios puntos del circuito. Los gráficos rojos muestran las funciones de transferencia de los filtros en el circuito; el espesor de las bandas rojas muestra la fracción de la señal del gráfico anterior que pasa a través del filtro en cada frecuencia. La señal de radio entrante de la antena (top graph) consiste en la señal de radio deseada S1 más otros en diferentes frecuencias. El filtro RF (2a gráfica) elimina cualquier señal como S2 a la frecuencia de la imagen LO-IF, que de otro modo pasaría a través del filtro IF e interferiría. La señal compuesta restante se aplica al mezclador junto con una señal de oscilador local (LO) (3o gráfico). En el mezclador la señal S1 combina con la frecuencia LO para crear un heterodinano en la diferencia entre estas frecuencias, la frecuencia intermedia (IF), en la salida del mezclador (4a gráfica). Esto pasa a través del filtro de bandapass IF (5o gráfico) es amplificado y demodulado (no se muestra la demodulación). Las señales no deseadas crean heterodinas en otras frecuencias (4a gráfica), que se filtran por el filtro IF.

El diagrama de la derecha muestra el diagrama de bloques de un receptor superheterodino de conversión simple típico. El diagrama tiene bloques que son comunes a los receptores superheterodinos, y solo el amplificador de RF es opcional.

La antena recoge la señal de radio. La etapa de RF sintonizada con amplificador de RF opcional proporciona cierta selectividad inicial; es necesario suprimir la frecuencia de la imagen (ver más abajo), y también puede servir para evitar que las señales fuertes fuera de la banda de paso saturen el amplificador inicial. Un oscilador local proporciona la frecuencia de mezcla; por lo general es un oscilador de frecuencia variable que se utiliza para sintonizar el receptor a diferentes estaciones. El mezclador de frecuencia hace el heterodino real que le da su nombre al superheterodino; cambia la señal de radiofrecuencia entrante a una frecuencia intermedia (IF) fija, más alta o más baja. El filtro de paso de banda de FI y el amplificador proporcionan la mayor parte de la ganancia y el filtrado de banda estrecha para la radio. El demodulador extrae el audio u otra modulación de la radiofrecuencia de FI. La señal extraída luego es amplificada por el amplificador de audio.

Descripción del circuito

Para recibir una señal de radio, se requiere una antena adecuada. La salida de la antena puede ser muy pequeña, a menudo de unos pocos microvoltios. La señal de la antena se sintoniza y se puede amplificar en un llamado amplificador de radiofrecuencia (RF), aunque esta etapa a menudo se omite. Uno o más circuitos sintonizados en esta etapa bloquean frecuencias que están muy alejadas de la frecuencia de recepción prevista. Para sintonizar el receptor a una estación en particular, la frecuencia del oscilador local es controlada por la perilla de sintonización (por ejemplo). La sintonización del oscilador local y la etapa de RF puede utilizar un condensador variable o un diodo varicap. La sintonización de uno (o más) circuitos sintonizados en la etapa de RF debe seguir la sintonización del oscilador local.

Oscilador y mezclador local

La señal luego se alimenta a un circuito donde se mezcla con una onda sinusoidal de un oscilador de frecuencia variable conocido como oscilador local (LO). El mezclador utiliza un componente no lineal para producir señales de frecuencias de batido tanto de suma como de diferencia, cada una de las cuales contiene la modulación contenida en la señal deseada. La salida del mezclador puede incluir la señal RF original en fRF, la señal del oscilador local en fLO, y las dos nuevas frecuencias heterodinas fRF + fLO y f< sub>RF − fLO. El mezclador puede producir inadvertidamente frecuencias adicionales, como productos de intermodulación de tercer orden y de orden superior. Idealmente, el filtro de paso de banda IF elimina todo menos la señal IF deseada en fIF. La señal de FI contiene la modulación original (información transmitida) que la señal de radio recibida tenía en fRF.

La frecuencia del oscilador local fLO se establece de modo que se mezcle la frecuencia de radio de recepción deseada fRF a fSI. Hay dos opciones para la frecuencia del oscilador local porque los productos del mezclador dominantes están en fRF ± fLO. Si la frecuencia del oscilador local es menor que la frecuencia de recepción deseada, se denomina inyección del lado bajo (fIF = f< /i>RFfLO); si el oscilador local es más alto, entonces se llama inyección del lado alto (fIF = fLOfRF).

El mezclador procesará no solo la señal de entrada deseada en fRF, sino también todas las señales presentes en sus entradas. Habrá muchos productos mezcladores (heterodinos). La mayoría de las demás señales producidas por el mezclador (como las debidas a estaciones en frecuencias cercanas) se pueden filtrar en el amplificador sintonizado de FI; eso le da al receptor superheterodino su rendimiento superior. Sin embargo, si fLO se establece en fRF + f SI, entonces una señal de radio entrante en fLO + fIF también producir un heterodino en fIF; la frecuencia fLO + fIF se denomina frecuencia de imagen y debe ser rechazada por los circuitos sintonizados en la etapa de RF. La frecuencia de la imagen es 2 fIF mayor (o menor) que la frecuencia deseada fRF, por lo que emplear un una frecuencia IF más alta fIF aumenta el rechazo de imagen del receptor sin requerir selectividad adicional en la etapa de RF.

Para suprimir la imagen no deseada, es posible que sea necesario "seguir" el ajuste de la etapa de RF y el LO. El uno al otro. En algunos casos, un receptor de banda estrecha puede tener un amplificador de RF de sintonización fija. En ese caso, solo se cambia la frecuencia del oscilador local. En la mayoría de los casos, la banda de entrada de un receptor es más ancha que su frecuencia central de FI. Por ejemplo, un receptor de banda de transmisión de AM típico cubre de 510 kHz a 1655 kHz (una banda de entrada de aproximadamente 1160 kHz) con una frecuencia de FI de 455 kHz; un receptor de banda de transmisión de FM cubre una banda de 88 MHz a 108 MHz con una frecuencia de FI de 10,7 MHz. En esa situación, el amplificador de RF debe estar sintonizado para que el amplificador de FI no vea dos estaciones al mismo tiempo. Si el LO del receptor de banda de transmisión de AM se configurara en 1200 kHz, vería estaciones tanto en 745 kHz (1200−455 kHz) como en 1655 kHz. En consecuencia, la etapa de RF debe diseñarse de modo que cualquier estación que esté al doble de la frecuencia de FI sea atenuada significativamente. El seguimiento se puede realizar con un condensador variable multisección o con unos varactores accionados por una tensión de control común. Un amplificador de RF puede tener circuitos sintonizados tanto en su entrada como en su salida, por lo que se pueden rastrear tres o más circuitos sintonizados. En la práctica, las frecuencias de RF y LO deben seguirse de cerca, pero no perfectamente.

En los días de la electrónica de tubos (válvulas), era común que los receptores superheterodinos combinaran las funciones del oscilador local y el mezclador en un solo tubo, lo que generaba ahorros en potencia, tamaño y, especialmente, costos. Un solo tubo convertidor pentagrid oscilaría y también proporcionaría amplificación de señal y mezcla de frecuencia.

Amplificador de FI

Las etapas de un amplificador de frecuencia intermedia ("amplificador IF" o "banda IF") se sintonizan a una frecuencia fija que no cambia a medida que cambia la frecuencia de recepción. La frecuencia fija simplifica la optimización del amplificador de FI. El amplificador de FI es selectivo en torno a su frecuencia central fIF. La frecuencia central fija permite ajustar cuidadosamente las etapas del amplificador de FI para obtener el mejor rendimiento (esta sintonización se denomina "alineación" del amplificador de FI). Si la frecuencia central cambiara con la frecuencia de recepción, entonces las etapas de FI habrían tenido que rastrear su sintonización. Ese no es el caso con el superheterodino.

Normalmente, la frecuencia central de IF fIF se elige para que sea menor que el rango de frecuencias de recepción deseadas fRF< /sub>. Esto se debe a que es más fácil y menos costoso obtener una alta selectividad a una frecuencia más baja utilizando circuitos sintonizados. El ancho de banda de un circuito sintonizado con una cierta Q es proporcional a la frecuencia en sí misma (y lo que es más, se puede lograr una Q más alta a frecuencias más bajas), por lo que se requieren menos etapas de filtro de FI para lograr la misma selectividad. Además, es más fácil y menos costoso obtener una alta ganancia a frecuencias más bajas.

Sin embargo, en muchos receptores modernos diseñados para la recepción en un amplio rango de frecuencias (por ejemplo, escáneres y analizadores de espectro), se emplea una primera frecuencia de FI más alta que la frecuencia de recepción en una configuración de doble conversión. Por ejemplo, Rohde & El receptor Schwarz EK-070 VLF/HF cubre de 10 kHz a 30 MHz. Tiene un filtro de RF de banda conmutada y mezcla la entrada a una primera frecuencia de FI de 81,4 MHz y una segunda frecuencia de FI de 1,4 MHz. La primera frecuencia LO es de 81,4 a 111,4 MHz, un rango razonable para un oscilador. Pero si el rango de RF original del receptor fuera a convertirse directamente a la frecuencia intermedia de 1,4 MHz, la frecuencia LO tendría que cubrir 1,4-31,4 MHz, lo que no se puede lograr usando circuitos sintonizados (un condensador variable con un inductor fijo necesitaría un rango de capacitancia de 500:1). El rechazo de imagen nunca es un problema con una frecuencia de FI tan alta. La primera etapa de FI utiliza un filtro de cristal con un ancho de banda de 12 kHz. Hay una segunda conversión de frecuencia (haciendo un receptor de conversión triple) que mezcla la primera FI de 81,4 MHz con 80 MHz para crear una segunda FI de 1,4 MHz. El rechazo de imagen para el segundo IF no es un problema, ya que el primer IF tiene un ancho de banda mucho menor que 2,8 MHz.

Para evitar la interferencia con los receptores, las autoridades que otorgan licencias evitarán asignar frecuencias de FI comunes a las estaciones transmisoras. Las frecuencias intermedias estándar que se utilizan son 455 kHz para radio AM de onda media, 10,7 MHz para receptores FM de transmisión, 38,9 MHz (Europa) o 45 MHz (EE. UU.) para televisión y 70 MHz para equipos de microondas terrestres y satelitales. Para evitar los costos de herramientas asociados con estos componentes, la mayoría de los fabricantes tendieron a diseñar sus receptores en torno a un rango fijo de frecuencias ofrecidas, lo que resultó en una estandarización mundial de facto de frecuencias intermedias.

En los primeros superhechos, la etapa IF solía ser una etapa regenerativa que brindaba sensibilidad y selectividad con menos componentes. Tales superhets fueron llamados super-gainers o regenerodynes. Esto también se denomina multiplicador Q, e implica una pequeña modificación de un receptor existente, especialmente con el fin de aumentar la selectividad.

Filtro de paso de banda IF

La etapa IF incluye un filtro y/o múltiples circuitos sintonizados para lograr la selectividad deseada. Este filtrado debe tener un paso de banda igual o menor que el espaciamiento de frecuencias entre canales de transmisión adyacentes. Idealmente, un filtro tendría una alta atenuación para los canales adyacentes, pero mantendría una respuesta plana en todo el espectro de la señal deseada para conservar la calidad de la señal recibida. Esto se puede obtener utilizando uno o más transformadores de FI sintonizados dualmente, un filtro de cristal de cuarzo o un filtro de cristal cerámico multipolar.

En el caso de los receptores de televisión, ninguna otra técnica pudo producir la característica precisa de paso de banda necesaria para la recepción de banda lateral vestigial, como la utilizada en el sistema NTSC aprobado por primera vez por los EE. UU. en 1941. En la década de 1980, los Los filtros inductores de condensadores se habían reemplazado por filtros electromecánicos de precisión de ondas acústicas de superficie (SAW). Fabricados con técnicas de fresado láser de precisión, los filtros SAW son más baratos de producir, se pueden fabricar con tolerancias extremadamente estrechas y su funcionamiento es muy estable.

Demodulador

La señal recibida ahora es procesada por la etapa del demodulador donde la señal de audio (u otra señal de banda base) se recupera y luego se amplifica aún más. La demodulación de AM requiere detección de envolvente, que se puede lograr mediante la rectificación y un filtro de paso bajo (que puede ser tan simple como un circuito RC) para eliminar los restos de la frecuencia intermedia. Las señales de FM se pueden detectar utilizando un discriminador, un detector de relación o un bucle de enganche de fase. Las señales de onda continua y de banda lateral única requieren un detector de producto que utilice el llamado oscilador de frecuencia de batido, y existen otras técnicas que se utilizan para diferentes tipos de modulación. La señal de audio resultante (por ejemplo) se amplifica y activa un altavoz.

Cuando se ha utilizado la llamada inyección del lado alto, donde el oscilador local está a una frecuencia más alta que la señal recibida (como es común), entonces la el espectro de frecuencia de la señal original se invertirá. Esto debe ser tenido en cuenta por el demodulador (y en el filtrado de FI) en el caso de ciertos tipos de modulación como la banda lateral única.

Conversión múltiple

Doble conversión superheterodyne receptor diagrama de bloque

Para superar obstáculos como la respuesta de imagen, algunos receptores utilizan múltiples etapas de conversión de frecuencia y múltiples IF de diferentes valores. Un receptor con dos conversiones de frecuencia e IF se denomina superheterodino de doble conversión, y uno con tres IF se denomina superheterodino de triple conversión.

La razón principal por la que se hace esto es que con un solo IF hay una compensación entre baja respuesta de imagen y selectividad. La separación entre la frecuencia recibida y la frecuencia de imagen es igual al doble de la frecuencia de FI, por lo que cuanto mayor sea la FI, más fácil será diseñar un filtro de RF para eliminar la frecuencia de imagen de la entrada y lograr una respuesta de imagen baja. Sin embargo, cuanto más alto es el IF, más difícil es lograr una alta selectividad en el filtro IF. En frecuencias de onda corta y superiores, la dificultad de obtener suficiente selectividad en la sintonía con los altos IF necesarios para una respuesta de imagen baja afecta el rendimiento. Para resolver este problema, se pueden usar dos frecuencias de FI, primero convirtiendo la frecuencia de entrada a una FI alta para lograr una respuesta de imagen baja y luego convirtiendo esta frecuencia a una FI baja para lograr una buena selectividad en el segundo filtro de FI. Para mejorar la afinación, se puede utilizar una tercera IF.

Por ejemplo, para un receptor que puede sintonizar de 500 kHz a 30 MHz, se pueden usar tres convertidores de frecuencia. Con una FI de 455 kHz, es fácil obtener una selectividad de entrada adecuada con señales de banda de transmisión (por debajo de 1600 kHz). Por ejemplo, si la estación que se recibe está en 600 kHz, el oscilador local se puede configurar en 1055 kHz, dando una imagen en (-600+1055=) 455 kHz. Pero una estación en 1510 kHz también podría potencialmente producir una imagen en (1510-1055=) 455 kHz y así causar interferencia en la imagen. Sin embargo, debido a que 600 kHz y 1510 kHz están tan separados, es fácil diseñar la afinación del extremo frontal para rechazar la frecuencia de 1510 kHz.

Sin embargo, a 30 MHz, las cosas son diferentes. El oscilador se establecería en 30,455 MHz para producir una FI de 455 kHz, pero una estación en 30,910 también produciría un latido de 455 kHz, por lo que ambas estaciones se escucharían al mismo tiempo. Pero es virtualmente imposible diseñar un circuito sintonizado de RF que pueda discriminar adecuadamente entre 30 MHz y 30,91 MHz, por lo que un enfoque es "convertir hacia abajo de forma masiva" secciones enteras de las bandas de onda corta a una frecuencia más baja, donde es más fácil organizar una sintonización frontal adecuada.

Por ejemplo, los rangos de 29 MHz a 30 MHz; 28 MHz a 29 MHz, etc. se pueden convertir a 2 MHz a 3 MHz, allí se pueden sintonizar de manera más conveniente. Esto suele hacerse convirtiendo primero cada "bloque" hasta una frecuencia más alta (típicamente 40 MHz) y luego usando un segundo mezclador para convertirlo al rango de 2 MHz a 3 MHz. Los 2 MHz a 3 MHz "IF" es básicamente otro receptor superheterodino autónomo, muy probablemente con una FI estándar de 455 kHz.

Diseños modernos

La tecnología de microprocesador permite reemplazar el diseño del receptor superheterodino por una arquitectura de radio definida por software, donde el procesamiento de IF después del filtro de IF inicial se implementa en el software. Esta técnica ya está en uso en determinados diseños, como las radios FM de muy bajo coste incorporadas a los teléfonos móviles, ya que el sistema ya cuenta con el microprocesador necesario.

Los transmisores de radio también pueden usar una etapa mezcladora para producir una frecuencia de salida, que funciona más o menos como el reverso de un receptor superheterodino.

Ventajas y desventajas

Los receptores superheterodinos han reemplazado esencialmente a todos los diseños de receptores anteriores. El desarrollo de la electrónica de semiconductores moderna anuló las ventajas de los diseños (como el receptor regenerativo) que usaban menos tubos de vacío. El receptor superheterodino ofrece sensibilidad superior, estabilidad de frecuencia y selectividad. En comparación con el diseño del receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF), los superheteros ofrecen una mejor estabilidad porque un oscilador sintonizable es más fácil de realizar que un amplificador sintonizable. Al operar a una frecuencia más baja, los filtros de FI pueden proporcionar bandas de paso más estrechas con el mismo factor Q que un filtro de RF equivalente. Una FI fija también permite el uso de un filtro de cristal o tecnologías similares que no se pueden sintonizar. Los receptores regenerativos y superregenerativos ofrecen una alta sensibilidad, pero a menudo sufren problemas de estabilidad que dificultan su funcionamiento.

Aunque las ventajas del diseño superhet son abrumadoras, existen algunos inconvenientes que deben abordarse en la práctica.

Frecuencia de imagen (fIMAGE)

Gráficos que ilustran el problema de la respuesta de la imagen en un superheterodinano. Los ejes horizontales son frecuencia y los ejes verticales son voltaje. Sin un filtro RF adecuado, cualquier señal S2 (verde) a la frecuencia de la imagen también está heterodirigido a la frecuencia IF junto con la señal de radio deseada S1 (azul) a , así que ambos pasan a través del filtro IF (red). Así S2 interfiere con S1.

Una gran desventaja del receptor superheterodino es el problema de la frecuencia de imagen. En los receptores heterodinos, una frecuencia imagen es una frecuencia de entrada no deseada igual a la frecuencia de la estación más (o menos) el doble de la frecuencia intermedia. La frecuencia de la imagen da como resultado que se reciban dos estaciones al mismo tiempo, lo que produce interferencia. La recepción a la frecuencia de la imagen se puede combatir mediante la sintonización (filtrado) en la antena y la etapa de RF del receptor superheterodino.

Por ejemplo, una emisora de AM a 580 kHz se sintoniza en un receptor con una FI de 455 kHz. El oscilador local está sintonizado a 580 + 455 = 1035 kHz. Pero una señal a 580 + 455 + 455 = 1490 kHz también está a 455 kHz del oscilador local; por lo que tanto la señal deseada como la imagen, al mezclarse con el oscilador local, aparecerán en la frecuencia intermedia. Esta frecuencia de imagen está dentro de la banda de transmisión AM. Los receptores prácticos tienen una etapa de sintonización antes del convertidor, para reducir en gran medida la amplitud de las señales de frecuencia de imagen; además, las emisoras de la misma zona tienen asignadas sus frecuencias para evitar este tipo de imágenes.

La frecuencia no deseada se llama imagen de la frecuencia deseada, porque es la "imagen del espejo" de la frecuencia deseada reflejada en . Un receptor con un filtrado inadecuado en su entrada recogerá señales en dos frecuencias diferentes simultáneamente: la frecuencia deseada y la frecuencia de la imagen. Una recepción de radio que resulta estar en la frecuencia de imagen puede interferir con la recepción de la señal deseada, y el ruido (estático) alrededor de la frecuencia de imagen puede disminuir la relación de señal a ruido del receptor (SNR) hasta 3dB.

Los primeros receptores Autodyne normalmente usaban IF de solo 150 kHz más o menos. Como consecuencia, la mayoría de los receptores Autodyne requerían una mayor selectividad en el extremo frontal, a menudo con bobinas de doble sintonización, para evitar la interferencia de la imagen. Con el desarrollo posterior de tubos capaces de amplificar bien a frecuencias más altas, se empezaron a usar frecuencias de FI más altas, lo que redujo el problema de la interferencia de imagen. Los receptores de radio de consumo típicos tienen un solo circuito sintonizado en la etapa de RF.

La sensibilidad a la frecuencia de la imagen solo se puede minimizar con (1) un filtro que precede al mezclador o (2) un circuito mezclador más complejo para suprimir la imagen; esto rara vez se usa. En la mayoría de los receptores sintonizables que utilizan una sola frecuencia de FI, la etapa de RF incluye al menos un circuito sintonizado en el extremo frontal de RF cuya sintonización se realiza en conjunto con el oscilador local. En los receptores de conversión doble (o triple) en los que la primera conversión utiliza un oscilador local fijo, este puede ser más bien un filtro de paso de banda fijo que acomoda el rango de frecuencia que se asigna al primer rango de frecuencia de FI.

El rechazo de imagen es un factor importante en la elección de la frecuencia intermedia de un receptor. Cuanto más lejos sea la frecuencia del bandpass y la frecuencia de la imagen, más el filtro del bandpass atenuará cualquier señal de imagen interferente. Desde la separación de frecuencia entre el bandpass y la frecuencia de la imagen es , una frecuencia intermedia superior mejora el rechazo de la imagen. Puede ser posible utilizar una primera IF lo suficientemente alta que una etapa RF ajustada puede rechazar cualquier señal de imagen.

La capacidad de un receptor para rechazar señales de interferencia en la frecuencia de la imagen se mide por la relación de rechazo de la imagen. Esta es la relación (en decibelios) de la salida del receptor de una señal en la frecuencia recibida, a su salida para una señal de igual potencia en la frecuencia imagen.

Radiación del oscilador local

Puede ser difícil mantener la radiación perdida del oscilador local por debajo del nivel que puede detectar un receptor cercano. Si el oscilador local del receptor puede alcanzar la antena, actuará como un transmisor CW de baja potencia. En consecuencia, lo que pretende ser un receptor puede por sí mismo crear interferencias de radio.

En las operaciones de inteligencia, la radiación del oscilador local brinda un medio para detectar un receptor encubierto y su frecuencia de operación. El método fue utilizado por el MI5 durante la Operación RAFTER. Esta misma técnica también se utiliza en los detectores de radar utilizados por la policía de tránsito en jurisdicciones donde los detectores de radar son ilegales.

La radiación del oscilador local es más prominente en los receptores en los que la señal de la antena está conectada directamente al mezclador (que a su vez recibe la señal del oscilador local) en lugar de los receptores en los que se utiliza una etapa de amplificación de RF en el medio. Por lo tanto, es más un problema con receptores económicos y con receptores a frecuencias tan altas (especialmente microondas) donde las etapas de amplificación de RF son difíciles de implementar.

Ruido de banda lateral del oscilador local

Los osciladores locales suelen generar una señal de frecuencia única que tiene una modulación de amplitud insignificante pero alguna modulación de fase aleatoria que distribuye parte de la energía de la señal en frecuencias de banda lateral. Eso provoca una ampliación correspondiente de la respuesta de frecuencia del receptor, lo que frustraría el objetivo de hacer un receptor de ancho de banda muy estrecho para recibir señales digitales de baja velocidad. Se debe tener cuidado para minimizar el ruido de fase del oscilador, generalmente asegurándose de que el oscilador nunca entre en un modo no lineal.

Terminología

Primer detector, segundo detector
El tubo de mezclador o el transistor se llama a veces primer detector, mientras que el demodulador que extrae la modulación de la señal IF se llama el segundo detector. En un superhet de doble conversión hay dos mezcladores, por lo que el demodulador se llama el tercer detector.
RF front end
Se refiere a todos los componentes del receptor hasta e incluyendo el mezclador; todas las partes que procesan la señal en la frecuencia de radio entrante original. En el diagrama de bloques por encima de los componentes del extremo frontal RF se colorean rojo.

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