Ricevitore supereterodina - Superheterodyne receiver

Un ricevitore supereterodina a 5 tubi prodotto in Giappone intorno al 1955
Circuito radio a transistor supereterodina circa 1975

Un ricevitore supereterodina , spesso abbreviato in superhet , è un tipo di ricevitore radio che utilizza la miscelazione di frequenza per convertire un segnale ricevuto in una frequenza intermedia fissa (IF) che può essere elaborata in modo più conveniente rispetto alla frequenza portante originale . Si è creduto a lungo che fosse stato inventato dall'ingegnere statunitense Edwin Armstrong , ma dopo alcune controversie il primo brevetto per l'invenzione è ora accreditato all'ingegnere radiofonico francese e produttore di radio Lucien Lévy . Praticamente tutti i moderni ricevitori radio utilizzano il principio della supereterodina.

Storia

eterodina

Le prime trasmissioni radiofoniche in codice Morse venivano prodotte utilizzando un alternatore collegato a uno spinterometro . Il segnale di uscita era ad una frequenza portante definita dalla costruzione fisica del gap, modulata dal segnale in corrente alternata proveniente dall'alternatore. Poiché l'uscita dell'alternatore era generalmente nella gamma udibile, questo produce un segnale udibile modulato in ampiezza (AM). Semplici rilevatori radio filtravano la portante ad alta frequenza, lasciando la modulazione, che veniva trasmessa alle cuffie dell'utente come segnale udibile di punti e trattini.

Nel 1904, Ernst Alexanderson introdusse l' alternatore Alexanderson , un dispositivo che produceva direttamente un'uscita a radiofrequenza con una potenza maggiore e un'efficienza molto più elevata rispetto ai vecchi sistemi a spinterometro. In contrasto con lo spinterometro, tuttavia, l'uscita dall'alternatore era un'onda portante pura a una frequenza selezionata. Quando rilevati sui ricevitori esistenti, i punti e i trattini normalmente non sarebbero udibili o "supersonici". A causa degli effetti di filtraggio del ricevitore, questi segnali generalmente producevano un clic o un tonfo, che erano udibili ma rendevano difficile la determinazione di punti o trattini.

Nel 1905, l'inventore canadese Reginald Fessenden ebbe l'idea di utilizzare due alternatori Alexanderson operanti a frequenze ravvicinate per trasmettere due segnali, invece di uno. Il ricevitore riceverà quindi entrambi i segnali e, come parte del processo di rilevamento, solo la frequenza di battimento uscirà dal ricevitore. Selezionando due portanti abbastanza vicine da rendere udibile la frequenza di battimento, il codice Morse risultante poteva essere nuovamente udito facilmente anche in semplici ricevitori. Ad esempio, se i due alternatori funzionassero a frequenze di 3 kHz l'uno dall'altro, l'uscita nelle cuffie sarebbe costituita da punti o trattini di tono a 3 kHz, che li renderebbe facilmente udibili.

Fessenden ha coniato il termine " eterodina ", che significa "generato da una differenza" (in frequenza), per descrivere questo sistema. La parola deriva dalle radici greche hetero- "diverso" e -dyne "potere".

Rigenerazione

Il codice Morse è stato ampiamente utilizzato nei primi giorni della radio perché era facile da produrre e facile da ricevere. A differenza delle trasmissioni vocali, l'uscita dell'amplificatore non doveva corrispondere strettamente alla modulazione del segnale originale. Di conseguenza, è possibile utilizzare un numero qualsiasi di semplici sistemi di amplificazione. Un metodo utilizzava un interessante effetto collaterale delle prime valvole amplificatrici a triodo . Se sia la piastra (anodo) che la griglia fossero collegate a circuiti risonanti sintonizzati sulla stessa frequenza e il guadagno dello stadio fosse molto più alto dell'unità , l' accoppiamento capacitivo parassita tra la griglia e la piastra farebbe oscillare l'amplificatore.

Nel 1913, Edwin Howard Armstrong descrisse un sistema di ricezione che utilizzava questo effetto per produrre un output udibile in codice Morse utilizzando un singolo triodo. L'uscita dell'amplificatore presa all'anodo è stata ricollegata all'ingresso tramite un "tickler", causando un feedback che ha spinto i segnali di ingresso ben oltre l'unità. Ciò ha causato l'oscillazione dell'uscita a una frequenza prescelta con una grande amplificazione. Quando il segnale originale si interrompeva alla fine del punto o del trattino, l'oscillazione decadeva e il suono scompariva dopo un breve ritardo.

Armstrong si riferiva a questo concetto come ricevitore rigenerativo e divenne subito uno dei sistemi più utilizzati della sua epoca. Molti sistemi radio degli anni '20 erano basati sul principio rigenerativo e continuarono ad essere utilizzati in ruoli specializzati negli anni '40, ad esempio nell'IFF Mark II .

RDF

C'era un ruolo in cui il sistema rigenerativo non era adatto, nemmeno per le sorgenti di codice Morse, e quello era il compito di radiogoniometro , o RDF.

Il sistema rigenerativo era altamente non lineare, amplificando qualsiasi segnale al di sopra di una certa soglia di una quantità enorme, a volte così grande da farlo trasformare in un trasmettitore (che era l'intero concetto alla base dell'IFF). In RDF, l'intensità del segnale viene utilizzata per determinare la posizione del trasmettitore, quindi è necessaria un'amplificazione lineare per consentire di misurare con precisione l'intensità del segnale originale, spesso molto debole.

Per soddisfare questa esigenza, i sistemi RDF dell'epoca utilizzavano triodi operanti al di sotto dell'unità. Per ottenere un segnale utilizzabile da un tale sistema, dovevano essere utilizzati decine o addirittura centinaia di triodi, collegati tra loro da anodo a griglia. Questi amplificatori assorbivano enormi quantità di energia e richiedevano un team di tecnici di manutenzione per mantenerli in funzione. Tuttavia, il valore strategico dell'orientamento su segnali deboli era così alto che l' Ammiragliato britannico ritenne giustificato l'alto costo.

supereterodina

Uno dei prototipi di ricevitori supereterodina costruiti presso il laboratorio Signal Corps di Armstrong a Parigi durante la prima guerra mondiale. È costruito in due sezioni, il mixer e l'oscillatore locale (a sinistra) e tre stadi di amplificazione IF e uno stadio rivelatore (a destra) . La frequenza intermedia era di 75 kHz.

Sebbene un certo numero di ricercatori abbia scoperto il concetto di supereterodina, depositando brevetti a distanza di pochi mesi (vedi sotto), ad Armstrong viene spesso attribuito il concetto. Si è imbattuto in esso mentre considerava modi migliori per produrre ricevitori RDF. Aveva concluso che il passaggio a frequenze "onde corte" più elevate avrebbe reso l'RDF più utile e stava cercando mezzi pratici per costruire un amplificatore lineare per questi segnali. A quel tempo, le onde corte erano qualcosa al di sopra di circa 500 kHz, al di là delle capacità di qualsiasi amplificatore esistente.

Era stato notato che quando un ricevitore rigenerativo andava in oscillazione, anche altri ricevitori vicini iniziavano a rilevare altre stazioni. Armstrong (e altri) alla fine dedussero che ciò fosse causato da una "eterodina supersonica" tra la frequenza portante della stazione e la frequenza di oscillazione del ricevitore rigenerativo. Quando il primo ricevitore iniziava a oscillare ad alte uscite, il suo segnale rifluiva attraverso l'antenna per essere ricevuto su qualsiasi ricevitore vicino. Su quel ricevitore, i due segnali si mescolavano proprio come facevano nel concetto eterodina originale, producendo un'uscita che è la differenza di frequenza tra i due segnali.

Ad esempio, considera un ricevitore solitario sintonizzato su una stazione a 300 kHz. Se un secondo ricevitore è installato nelle vicinanze e impostato su 400 kHz con guadagno elevato, inizierà a emettere un segnale a 400 kHz che verrà ricevuto nel primo ricevitore. In quel ricevitore, i due segnali si mescoleranno per produrre quattro uscite, una ai 300 kHz originali, un'altra ai 400 kHz ricevuti e altre due, la differenza a 100 kHz e la somma a 700 kHz. Questo è lo stesso effetto che Fessenden aveva proposto, ma nel suo sistema le due frequenze sono state scelte deliberatamente in modo che la frequenza del battito fosse udibile. In questo caso, tutte le frequenze sono ben oltre la gamma udibile, e quindi "supersoniche", dando origine al nome di supereterodina.

Armstrong si rese conto che questo effetto era una potenziale soluzione al problema dell'amplificazione "a onde corte", poiché l'uscita "differenza" conservava ancora la sua modulazione originale, ma su una frequenza portante inferiore. Nell'esempio sopra, si può amplificare il segnale di battimento a 100 kHz e recuperare le informazioni originali da quello, il ricevitore non deve sintonizzarsi sulla portante originale a 300 kHz più alta. Selezionando un opportuno insieme di frequenze, anche i segnali ad altissima frequenza potrebbero essere "ridotti" a una frequenza che potrebbe essere amplificata dai sistemi esistenti.

Ad esempio, per ricevere un segnale a 1500 kHz, ben oltre l'intervallo di amplificazione efficiente in quel momento, si potrebbe impostare un oscillatore, ad esempio, a 1560 kHz. Armstrong lo chiamava " oscillatore locale " o LO. Poiché il suo segnale veniva immesso in un secondo ricevitore nello stesso dispositivo, non doveva essere potente, generando solo un segnale sufficiente per essere approssimativamente simile in forza a quello della stazione ricevuta. Quando il segnale del LO si mescola con quello della stazione, una delle uscite sarà la frequenza di differenza eterodina, in questo caso 60 kHz. Ha chiamato questa differenza risultante la " frequenza intermedia " spesso abbreviata in "IF".

Nel dicembre 1919, il maggiore EH Armstrong diede pubblicità a un metodo indiretto per ottenere l'amplificazione a onde corte, chiamato supereterodina. L'idea è di ridurre la frequenza in ingresso, che può essere, ad esempio, 1.500.000 cicli (200 metri), a una frequenza super-udibile adatta che può essere amplificata in modo efficiente, quindi facendo passare questa corrente attraverso un amplificatore a frequenza intermedia, e infine raddrizzando e trasportando su uno o due stadi di amplificazione della frequenza audio.

Il "trucco" per la supereterodina è che cambiando la frequenza LO puoi sintonizzarti su diverse stazioni. Ad esempio, per ricevere un segnale a 1300 kHz, si potrebbe sintonizzare il LO a 1360 kHz, ottenendo lo stesso IF a 60 kHz. Ciò significa che la sezione dell'amplificatore può essere sintonizzata per funzionare a una singola frequenza, il design IF, che è molto più facile da fare in modo efficiente.

Sviluppo

Il primo ricevitore supereterodina commerciale, l'RCA Radiola AR-812, uscì il 4 marzo 1924, al prezzo di $ 286 (equivalenti a $ 4.320 nel 2020). Utilizzava 6 triodi: un mixer, un oscillatore locale, due stadi IF e due amplificatori audio, con un IF di 45 kHz. Fu un successo commerciale, con prestazioni migliori rispetto ai ricevitori concorrenti.

Armstrong mise in pratica le sue idee e la tecnica fu presto adottata dai militari. Era meno popolare quando iniziarono le trasmissioni radiofoniche commerciali negli anni '20, principalmente a causa della necessità di un tubo aggiuntivo (per l'oscillatore), del costo generalmente più elevato del ricevitore e del livello di abilità richiesto per azionarlo. Per le prime radio domestiche, i ricevitori a radiofrequenza sintonizzati (TRF) erano più popolari perché erano più economici, più facili da usare per un proprietario non tecnico e meno costosi da utilizzare. Armstrong alla fine vendette il suo brevetto sulla supereterodina a Westinghouse , che lo vendette poi a Radio Corporation of America (RCA) , quest'ultima monopolizzando il mercato dei ricevitori supereterodina fino al 1930.

Poiché la motivazione originale per il superetero era la difficoltà di usare l'amplificatore a triodo alle alte frequenze, c'era un vantaggio nell'usare una frequenza intermedia più bassa. Durante questa era, molti ricevitori utilizzavano una frequenza IF di soli 30 kHz. Queste basse frequenze IF, che spesso utilizzavano trasformatori IF basati sull'autorisonanza dei trasformatori con nucleo di ferro , avevano una scarsa reiezione della frequenza dell'immagine , ma superarono la difficoltà nell'uso di triodi alle radiofrequenze in un modo che competeva favorevolmente con il ricevitore TRF neutrodina meno robusto . Frequenze IF più elevate (455 kHz era uno standard comune) entrarono in uso negli anni successivi, dopo l'invenzione del tetrodo e del pentodo come tubi amplificatori, risolvendo in gran parte il problema del rifiuto dell'immagine. Anche in seguito, tuttavia, le basse frequenze IF (tipicamente 60 kHz) furono nuovamente utilizzate nel secondo (o terzo) stadio IF dei ricevitori per comunicazioni a doppia o tripla conversione per sfruttare la selettività più facilmente ottenibile a frequenze IF inferiori, con reiezione compiuta negli stadi IF precedenti che erano a una frequenza IF più elevata.

Negli anni '20, a queste basse frequenze, i filtri IF commerciali sembravano molto simili ai trasformatori di accoppiamento interstadio audio degli anni '20, avevano una struttura simile ed erano cablati in modo quasi identico, quindi venivano chiamati "trasformatori IF". A metà degli anni '30, le supereterodine che utilizzavano frequenze intermedie molto più elevate (in genere intorno a 440-470 kHz) utilizzavano trasformatori sintonizzati più simili ad altre applicazioni RF. Il nome "trasformatore IF" è stato mantenuto, tuttavia, ora significa "frequenza intermedia". I ricevitori moderni in genere utilizzano una miscela di risonatori ceramici o risonatori a onde acustiche di superficie e trasformatori IF tradizionali con induttore sintonizzato.

Il ricevitore di trasmissione AM supereterodina a valvole " All American Five " degli anni '40 era economico da produrre perché richiedeva solo cinque tubi.

Negli anni '30, i miglioramenti nella tecnologia dei tubi a vuoto hanno rapidamente eroso i vantaggi di costo del ricevitore TRF e l'esplosione del numero di stazioni di trasmissione ha creato una domanda di ricevitori più economici e ad alte prestazioni.

L'introduzione di una griglia aggiuntiva in un tubo a vuoto, ma prima del più moderno tetrodo a griglia, includeva il tetrodo con due griglie di controllo ; questo tubo combinava le funzioni mixer e oscillatore, utilizzate per la prima volta nel cosiddetto mixer autodyne . Questo è stato rapidamente seguito dall'introduzione di tubi specificamente progettati per il funzionamento della supereterodina, in particolare il convertitore pentagriglia . Riducendo il numero di tubi (con ogni stadio del tubo che è il fattore principale che incide sui costi in questa era), questo ha ulteriormente ridotto il vantaggio del TRF e dei design del ricevitore rigenerativo.

A metà degli anni '30, la produzione commerciale di ricevitori TRF è stata in gran parte sostituita da ricevitori supereterodina. Negli anni '40, il ricevitore di trasmissione AM supereterodina a valvole fu perfezionato in un design economico chiamato " All American Five " perché utilizzava cinque valvole a vuoto: di solito un convertitore (mixer/oscillatore locale), un amplificatore IF, un rivelatore/amplificatore audio, un amplificatore di potenza audio e un raddrizzatore. Da quel momento, il design supereterodina è stato utilizzato per quasi tutti i ricevitori radio e TV commerciali.

Battaglie sui brevetti

L'ingegnere francese Lucien Lévy ha depositato una domanda di brevetto per il principio della supereterodina nell'agosto 1917 con il brevetto n° 493660. Anche Armstrong ha depositato il suo brevetto nel 1917. Levy ha presentato la sua divulgazione originale circa sette mesi prima di quella di Armstrong. Anche l'inventore tedesco Walter H. Schottky ha depositato un brevetto nel 1918.

Inizialmente gli Stati Uniti riconobbero Armstrong come inventore e il suo brevetto statunitense 1.342.885 fu emesso l'8 giugno 1920. Dopo varie modifiche e udienze in tribunale, a Lévy fu assegnato il brevetto statunitense n. 1.734.938 che includeva sette delle nove rivendicazioni nella domanda di Armstrong, mentre le due rimanenti crediti sono stati concessi a Alexanderson di GE e Kendall di AT&T.

Principio di funzionamento

Schema a blocchi di un tipico ricevitore supereterodina. Le parti rosse sono quelle che gestiscono il segnale a radiofrequenza (RF) in ingresso; il verde sono parti che operano alla frequenza intermedia (IF), mentre le parti blu operano alla frequenza di modulazione (audio). La linea tratteggiata indica che l'oscillatore locale e il filtro RF devono essere sintonizzati in tandem.
Come funziona una radio supereterodina. Gli assi orizzontali sono frequenza f . I grafici blu mostrano le tensioni dei segnali radio in vari punti del circuito. I grafici in rosso mostrano le funzioni di trasferimento dei filtri nel circuito; lo spessore delle bande rosse mostra la frazione di segnale del grafico precedente che passa attraverso il filtro ad ogni frequenza. Il segnale radio in ingresso dall'antenna (grafico in alto) è costituito dal segnale radio desiderato S1 più altri a frequenze diverse. Il filtro RF (2° grafico) rimuove qualsiasi segnale come S2 alla frequenza dell'immagine LO  -  IF , che altrimenti passerebbe attraverso il filtro IF e interferirebbe. Il restante segnale composito viene applicato al mixer insieme a un segnale dell'oscillatore locale ( LO ) (3° grafico) . Nel mixer il segnale S1 si combina con la frequenza LO per creare un'eterodina alla differenza tra queste frequenze, la frequenza intermedia (IF), all'uscita del mixer (4° grafico) . Questo passa attraverso il filtro passa-banda IF (5° grafico) viene amplificato e demodulato (la demodulazione non è mostrata). I segnali indesiderati creano eterodine ad altre frequenze (4° grafico) , che vengono filtrate dal filtro IF.

Il diagramma a destra mostra lo schema a blocchi di un tipico ricevitore supereterodina a conversione singola. Il diagramma ha blocchi comuni ai ricevitori supereterodina, con solo l'amplificatore RF opzionale.

L' antenna raccoglie il segnale radio. Lo stadio RF sintonizzato con amplificatore RF opzionale fornisce una certa selettività iniziale; è necessario sopprimere la frequenza dell'immagine (vedi sotto), e può anche servire a impedire che forti segnali fuori banda saturano l'amplificatore iniziale. Un oscillatore locale fornisce la frequenza di miscelazione; di solito è un oscillatore a frequenza variabile che viene utilizzato per sintonizzare il ricevitore su diverse stazioni. Il mixer di frequenza esegue l'effettiva eterodinazione che dà il nome alla supereterodina; cambia il segnale di radiofrequenza in ingresso in una frequenza intermedia (IF) fissa, superiore o inferiore . Il filtro passa-banda IF e l'amplificatore forniscono la maggior parte del guadagno e del filtraggio a banda stretta per la radio. Il demodulatore estrae l'audio o altra modulazione dalla frequenza radio IF. Il segnale estratto viene poi amplificato dall'amplificatore audio.

Descrizione del circuito

Per ricevere un segnale radio è necessaria un'antenna adeguata . L'uscita dell'antenna può essere molto piccola, spesso solo pochi microvolt . Il segnale dall'antenna è sintonizzato e può essere amplificato in un cosiddetto amplificatore a radiofrequenza (RF), sebbene questo stadio venga spesso omesso. Uno o più circuiti sintonizzati in questa fase bloccano le frequenze che sono molto lontane dalla frequenza di ricezione prevista. Per sintonizzare il ricevitore su una particolare stazione, la frequenza dell'oscillatore locale è controllata dalla manopola di sintonizzazione (ad esempio). La sintonizzazione dell'oscillatore locale e dello stadio RF può utilizzare un condensatore variabile o un diodo varicap . L'accordatura di uno (o più) circuiti sintonizzati nello stadio RF deve seguire l'accordatura dell'oscillatore locale.

Oscillatore locale e mixer

Il segnale viene quindi immesso in un circuito dove viene miscelato con un'onda sinusoidale proveniente da un oscillatore a frequenza variabile noto come oscillatore locale (LO). Il mixer utilizza una componente non lineare per produrre segnali di frequenza di battimento sia somma che differenza , ciascuno contenente la modulazione contenuta nel segnale desiderato. L'uscita del mixer può includere il segnale RF originale a f RF , il segnale dell'oscillatore locale a f LO e le due nuove frequenze eterodina f RF  +  f LO e f RF  -  f LO . Il mixer può inavvertitamente produrre frequenze aggiuntive come prodotti di intermodulazione di terzo e più alto ordine. Idealmente, il filtro passa-banda IF rimuove tutto tranne il segnale IF desiderato a f IF . Il segnale IF contiene la modulazione originale (informazione trasmessa) che il segnale radio ricevuto aveva a f RF .

La frequenza dell'oscillatore locale f LO è impostata in modo che la frequenza radio di ricezione desiderata f RF si mischio a f IF . Ci sono due scelte per la frequenza dell'oscillatore locale perché i prodotti del mixer dominanti sono a f RF  ±  f LO . Se la frequenza dell'oscillatore locale è inferiore alla frequenza di ricezione desiderata, si parla di low-side injection ( f IF = f RF − f LO ); se l'oscillatore locale è più alto, allora si parla di high-side injection ( f IF = f LO − f RF ).

Il mixer elaborerà non solo il segnale di ingresso desiderato a f RF , ma anche tutti i segnali presenti ai suoi ingressi. Ci saranno molti prodotti mixer (eterodine). La maggior parte degli altri segnali prodotti dal mixer (ad esempio a causa di stazioni a frequenze vicine) possono essere filtrati nell'amplificatore sintonizzato IF ; che conferisce al ricevitore supereterodina le sue prestazioni superiori. Tuttavia, se f LO è impostato su f RF  +  f IF , allora un segnale radio in arrivo a f LO  +  f IF produrrà anche un'eterodina a f IF ; la frequenza f LO  +  f IF è chiamata frequenza immagine e deve essere respinta dai circuiti sintonizzati nello stadio RF. La frequenza dell'immagine è 2  f IF maggiore (o minore) della frequenza f RF desiderata , quindi l'impiego di una frequenza IF f IF maggiore aumenta la reiezione dell'immagine del ricevitore senza richiedere ulteriore selettività nello stadio RF.

Per sopprimere l'immagine indesiderata, la sintonizzazione dello stadio RF e del LO potrebbe dover "inseguirsi" a vicenda. In alcuni casi, un ricevitore a banda stretta può avere un amplificatore RF sintonizzato fisso. In tal caso, viene modificata solo la frequenza dell'oscillatore locale. Nella maggior parte dei casi, la banda di ingresso di un ricevitore è più ampia della sua frequenza centrale IF. Ad esempio, un tipico ricevitore di banda di trasmissione AM copre da 510 kHz a 1655 kHz (una banda di ingresso di circa 1160 kHz) con una frequenza IF di 455 kHz; un ricevitore di banda di trasmissione FM copre la banda da 88 MHz a 108 MHz con una frequenza IF di 10,7 MHz. In tale situazione, l'amplificatore RF deve essere sintonizzato in modo che l'amplificatore IF non veda due stazioni contemporaneamente. Se il ricevitore della banda di trasmissione AM LO fosse impostato a 1200 kHz, vedrebbe stazioni sia a 745 kHz (1200-455 kHz) che a 1655 kHz. Di conseguenza, lo stadio RF deve essere progettato in modo tale che tutte le stazioni distanti il ​​doppio della frequenza IF siano significativamente attenuate. L'inseguimento può essere effettuato con un condensatore variabile multisezione o alcuni varactor pilotati da una tensione di controllo comune. Un amplificatore RF può avere circuiti sintonizzati sia all'ingresso che all'uscita, quindi possono essere tracciati tre o più circuiti sintonizzati. In pratica, le frequenze RF e LO devono seguire da vicino ma non perfettamente.

Ai tempi dell'elettronica a valvole , era comune per i ricevitori supereterodina combinare le funzioni dell'oscillatore locale e del mixer in un unico tubo, portando a un risparmio di potenza, dimensioni e soprattutto costi. Un singolo tubo convertitore a pentagriglia oscillerebbe e fornirebbe anche l'amplificazione del segnale e la miscelazione della frequenza.

Amplificatore SE

Gli stadi di un amplificatore a frequenza intermedia ("amplificatore IF" o "striscia IF") sono sintonizzati su una frequenza fissa che non cambia al variare della frequenza di ricezione. La frequenza fissa semplifica l'ottimizzazione dell'amplificatore IF. L'amplificatore IF è selettivo attorno alla sua frequenza centrale f IF . La frequenza centrale fissa consente di sintonizzare accuratamente gli stadi dell'amplificatore IF per ottenere le migliori prestazioni (questa sintonizzazione è chiamata "allineamento" dell'amplificatore IF). Se la frequenza centrale cambiasse con la frequenza di ricezione, allora gli stadi IF avrebbero dovuto seguire la loro sintonizzazione. Non è il caso della supereterodina.

Normalmente, la frequenza centrale IF f IF è scelta per essere inferiore all'intervallo di frequenze di ricezione desiderate f RF . Questo perché è più facile e meno costoso ottenere un'elevata selettività a una frequenza inferiore utilizzando circuiti sintonizzati. La larghezza di banda di un circuito sintonizzato con un certo Q è proporzionale alla frequenza stessa (e per di più, un Q più alto è ottenibile a frequenze più basse), quindi sono necessari meno stadi del filtro IF per ottenere la stessa selettività. Inoltre, è più facile e meno costoso ottenere un guadagno elevato a frequenze più basse.

Tuttavia, in molti ricevitori moderni progettati per la ricezione su un ampio intervallo di frequenze (es. scanner e analizzatori di spettro) viene impiegata una prima frequenza IF superiore alla frequenza di ricezione in una configurazione a doppia conversione . Ad esempio, il ricevitore Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF copre da 10 kHz a 30 MHz. Dispone di un filtro RF a commutazione di banda e miscela l'ingresso a una prima frequenza IF di 81,4 MHz e una seconda frequenza IF di 1,4 MHz. La prima frequenza LO va da 81,4 a 111,4 MHz, un intervallo ragionevole per un oscillatore. Ma se la gamma RF originale del ricevitore dovesse essere convertita direttamente alla frequenza intermedia di 1,4 MHz, la frequenza LO dovrebbe coprire 1,4-31,4 MHz, cosa che non può essere ottenuta utilizzando circuiti sintonizzati (un condensatore variabile con un induttore fisso richiederebbe un gamma di capacità di 500: 1). Il rifiuto dell'immagine non è mai un problema con una frequenza IF così alta. Il primo stadio IF utilizza un filtro a cristallo con una larghezza di banda di 12 kHz. C'è una seconda conversione di frequenza (realizzando un ricevitore a tripla conversione) che mescola la prima IF a 81,4 MHz con 80 MHz per creare una seconda IF a 1,4 MHz. Il rifiuto dell'immagine per la seconda IF non è un problema poiché la prima IF ha una larghezza di banda molto inferiore a 2,8 MHz.

Per evitare interferenze ai ricevitori, le autorità preposte al rilascio delle licenze eviteranno di assegnare frequenze IF comuni alle stazioni trasmittenti. Le frequenze intermedie standard utilizzate sono 455 kHz per la radio AM a onde medie, 10,7 MHz per i ricevitori FM broadcast, 38,9 MHz (Europa) o 45 MHz (USA) per la televisione e 70 MHz per le apparecchiature a microonde satellitari e terrestri. Per evitare i costi di attrezzatura associati a questi componenti, la maggior parte dei produttori tendeva quindi a progettare i propri ricevitori attorno a una gamma fissa di frequenze offerte, il che ha portato a una standardizzazione de facto a livello mondiale delle frequenze intermedie.

Nei primi superhets, lo stadio IF era spesso uno stadio rigenerativo che forniva la sensibilità e la selettività con un minor numero di componenti. Tali superhets erano chiamati super-gainer o regenerodynes. Questo è anche chiamato un moltiplicatore Q , che comporta una piccola modifica a un ricevitore esistente soprattutto allo scopo di aumentare la selettività.

Filtro passa-banda IF

Lo stadio IF include un filtro e/o più circuiti sintonizzati per ottenere la selettività desiderata . Questo filtraggio deve avere una banda passante uguale o inferiore alla spaziatura di frequenza tra canali di trasmissione adiacenti. Idealmente un filtro avrebbe un'elevata attenuazione sui canali adiacenti, ma manterrebbe una risposta piatta attraverso lo spettro del segnale desiderato per mantenere la qualità del segnale ricevuto. Ciò può essere ottenuto utilizzando uno o più trasformatori IF a doppia sintonizzazione, un filtro a cristallo di quarzo o un filtro a cristallo ceramico multipolare .

Nel caso dei ricevitori televisivi, nessun'altra tecnica è stata in grado di produrre la precisa caratteristica di banda passante necessaria per la ricezione in banda laterale vestigiale , come quella utilizzata nel sistema NTSC approvato per la prima volta dagli Stati Uniti nel 1941. Negli anni '80, l'induttore condensatore multicomponente filtri erano stati sostituiti con precisione elettromeccanico onde acustiche superficiali (SAW) filtri . Fabbricati con tecniche di fresatura laser di precisione, i filtri SAW sono più economici da produrre, possono essere realizzati con tolleranze estremamente ristrette e sono molto stabili durante il funzionamento.

demodulatore

Il segnale ricevuto viene ora elaborato dallo stadio demodulatore dove il segnale audio (o altro segnale in banda base ) viene recuperato e quindi ulteriormente amplificato. La demodulazione AM richiede la semplice rettifica del segnale RF (il cosiddetto rilevamento dell'inviluppo ) e un semplice filtro passa basso RC per rimuovere i residui della frequenza intermedia. I segnali FM possono essere rilevati utilizzando un discriminatore, un rilevatore di rapporti o un anello ad aggancio di fase . I segnali a onda continua ea banda laterale singola richiedono un rilevatore di prodotto che utilizzi un cosiddetto oscillatore a frequenza di battimento e ci sono altre tecniche utilizzate per diversi tipi di modulazione . Il segnale audio risultante (ad esempio) viene quindi amplificato e pilota un altoparlante.

Quando è stata utilizzata la cosiddetta iniezione high-side , in cui l'oscillatore locale è a una frequenza più alta del segnale ricevuto (come è comune), lo spettro di frequenza del segnale originale verrà invertito. Questo deve essere tenuto in considerazione dal demodulatore (e nel filtraggio IF) nel caso di alcuni tipi di modulazione come la banda laterale singola .

Conversione multipla

Schema a blocchi del ricevitore supereterodina a doppia conversione

Per superare ostacoli come la risposta dell'immagine , alcuni ricevitori utilizzano più fasi successive di conversione di frequenza e più IF di valori diversi. Un ricevitore con due conversioni di frequenza e IF è chiamato supereterodina a doppia conversione e uno con tre IF è chiamato supereterodina a tripla conversione .

La ragione principale per cui questo viene fatto è che con un singolo IF c'è un compromesso tra bassa risposta dell'immagine e selettività. La separazione tra la frequenza ricevuta e la frequenza dell'immagine è pari al doppio della frequenza IF, quindi maggiore è l'IF, più facile è progettare un filtro RF per rimuovere la frequenza dell'immagine dall'ingresso e ottenere una risposta dell'immagine bassa . Tuttavia, maggiore è l'IF, più difficile è ottenere un'elevata selettività nel filtro IF. Alle frequenze delle onde corte e superiori, la difficoltà nell'ottenere una selettività sufficiente nella sintonizzazione con le alte IF necessarie per una bassa risposta dell'immagine influisce sulle prestazioni. Per risolvere questo problema possono essere utilizzate due frequenze IF, convertendo prima la frequenza di ingresso in una IF alta per ottenere una risposta dell'immagine bassa, e poi convertendo questa frequenza in una IF bassa per ottenere una buona selettività nel secondo filtro IF. Per migliorare l'accordatura si può utilizzare una terza IF.

Ad esempio, per un ricevitore in grado di sintonizzare da 500 kHz a 30 MHz, potrebbero essere utilizzati tre convertitori di frequenza. Con un IF a 455 kHz è facile ottenere un'adeguata selettività front-end con segnali in banda di trasmissione (sotto i 1600 kHz). Ad esempio, se la stazione in ricezione è a 600 kHz, l'oscillatore locale può essere impostato a 1055 kHz, fornendo un'immagine su (-600+1055=) 455 kHz. Ma una stazione su 1510 kHz potrebbe anche produrre un'immagine a (1510-1055=) 455 kHz e quindi causare interferenze nell'immagine. Tuttavia, poiché 600 kHz e 1510 kHz sono così distanti, è facile progettare la sintonizzazione del front-end per rifiutare la frequenza di 1510 kHz.

Tuttavia, a 30 MHz, le cose sono diverse. L'oscillatore sarebbe impostato su 30,455 MHz per produrre un IF a 455 kHz, ma una stazione su 30,910 produrrebbe anche un battito a 455 kHz, quindi entrambe le stazioni sarebbero ascoltate contemporaneamente. Ma è praticamente impossibile progettare un circuito sintonizzato RF in grado di discriminare adeguatamente tra 30 MHz e 30,91 MHz, quindi un approccio è quello di "convertire in massa" intere sezioni delle bande a onde corte a una frequenza più bassa, dove è più facile un'adeguata sintonizzazione front-end organizzare.

Ad esempio, le gamme da 29 MHz a 30 MHz; Da 28 MHz a 29 MHz, ecc. potrebbero essere convertiti da 2 MHz a 3 MHz, lì possono essere sintonizzati più comodamente. Questo viene spesso fatto convertendo prima ogni "blocco" fino a una frequenza più alta (tipicamente 40 MHz) e quindi utilizzando un secondo mixer per convertirlo nell'intervallo da 2 MHz a 3 MHz. Il "IF" da 2 MHz a 3 MHz è fondamentalmente un altro ricevitore supereterodina autonomo, molto probabilmente con un IF standard di 455 kHz.

Design moderno

La tecnologia a microprocessore consente di sostituire il design del ricevitore supereterodina con un'architettura radio definita da software , in cui l'elaborazione IF dopo il filtro IF iniziale è implementata nel software. Questa tecnica è già in uso in alcuni progetti, come le radio FM a bassissimo costo incorporate nei telefoni cellulari, poiché il sistema dispone già del microprocessore necessario .

I trasmettitori radio possono anche utilizzare uno stadio mixer per produrre una frequenza di uscita, lavorando più o meno come l'inverso di un ricevitore supereterodina.

Vantaggi e svantaggi

I ricevitori supereterodina hanno sostanzialmente sostituito tutti i precedenti modelli di ricevitori. Lo sviluppo della moderna elettronica dei semiconduttori ha negato i vantaggi dei progetti (come il ricevitore rigenerativo ) che utilizzavano meno tubi a vuoto. Il ricevitore supereterodina offre sensibilità, stabilità di frequenza e selettività superiori. Rispetto al design del ricevitore a radiofrequenza sintonizzato (TRF), i superhets offrono una migliore stabilità perché un oscillatore sintonizzabile è più facilmente realizzabile di un amplificatore sintonizzabile. Operando a una frequenza più bassa, i filtri IF possono fornire bande passanti più strette con lo stesso fattore Q rispetto a un filtro RF equivalente. Un IF fisso consente anche l'uso di un filtro a cristalli o tecnologie simili che non possono essere sintonizzati. I ricevitori rigenerativi e super-rigenerativi offrivano un'elevata sensibilità, ma spesso soffrono di problemi di stabilità che li rendono difficili da utilizzare.

Sebbene i vantaggi del design superhet siano schiaccianti, ci sono alcuni inconvenienti che devono essere affrontati nella pratica.

Frequenza immagine ( f IMMAGINE )

Grafici che illustrano il problema della risposta dell'immagine in una supereterodina. Gli assi orizzontali sono la frequenza e gli assi verticali sono la tensione. Senza un adeguato filtro RF, qualsiasi segnale S2 (verde) alla frequenza dell'immagine è anche eterodino alla frequenza IF insieme al segnale radio desiderato S1 (blu) a , quindi entrambi passano attraverso il filtro IF (rosso) . Quindi S2 interferisce con S1.

Uno dei principali svantaggi del ricevitore supereterodina è il problema della frequenza dell'immagine . Nei ricevitori eterodina, una frequenza di immagine è una frequenza di ingresso indesiderata uguale alla frequenza della stazione più (o meno) il doppio della frequenza intermedia. La frequenza dell'immagine fa sì che due stazioni vengano ricevute contemporaneamente, producendo così interferenze. La ricezione alla frequenza dell'immagine può essere combattuta attraverso la sintonizzazione (filtraggio) nell'antenna e nello stadio RF del ricevitore supereterodina.

Ad esempio, una stazione di trasmissione AM a 580 kHz è sintonizzata su un ricevitore con IF a 455 kHz. L'oscillatore locale è sintonizzato su 580 + 455 = 1035 kHz. Ma un segnale a 580 + 455 + 455 = 1490 kHz è anche distante 455 kHz dall'oscillatore locale; quindi sia il segnale desiderato che l'immagine, quando miscelati con l'oscillatore locale, appariranno alla frequenza intermedia. Questa frequenza dell'immagine è all'interno della banda di trasmissione AM. I pratici ricevitori hanno uno stadio di sintonia prima del convertitore, per ridurre notevolmente l'ampiezza dei segnali in frequenza dell'immagine; inoltre, le emittenti della stessa zona hanno le loro frequenze assegnate per evitare tali immagini.

La frequenza indesiderata è chiamata l' immagine della frequenza desiderata, perché è l'"immagine speculare" della frequenza desiderata riflessa su . Un ricevitore con un filtraggio inadeguato al suo ingresso raccoglierà segnali a due diverse frequenze contemporaneamente: la frequenza desiderata e la frequenza dell'immagine. Una ricezione radio che si trova alla frequenza dell'immagine può interferire con la ricezione del segnale desiderato e il rumore (statico) intorno alla frequenza dell'immagine può ridurre il rapporto segnale-rumore (SNR) del ricevitore fino a 3dB.

I primi ricevitori Autodyne usavano tipicamente IF di soli 150 kHz o giù di lì. Di conseguenza, la maggior parte dei ricevitori Autodyne richiedeva una maggiore selettività front-end, spesso con bobine a doppia sintonizzazione, per evitare interferenze nell'immagine. Con il successivo sviluppo di valvole in grado di amplificare bene a frequenze più elevate, vennero utilizzate frequenze IF più elevate, riducendo il problema dell'interferenza dell'immagine. I tipici ricevitori radio consumer hanno solo un singolo circuito sintonizzato nello stadio RF.

La sensibilità alla frequenza dell'immagine può essere minimizzata solo da (1) un filtro che precede il mixer o (2) un circuito mixer più complesso per sopprimere l'immagine; questo è usato raramente. Nella maggior parte dei ricevitori sintonizzabili che utilizzano una singola frequenza IF, lo stadio RF include almeno un circuito sintonizzato nel front-end RF la cui sintonizzazione viene eseguita in tandem con l'oscillatore locale. Nei ricevitori a doppia (o tripla) conversione in cui la prima conversione utilizza un oscillatore locale fisso, questo può essere piuttosto un filtro passabanda fisso che si adatta all'intervallo di frequenza mappato sul primo intervallo di frequenza IF.

Il rifiuto dell'immagine è un fattore importante nella scelta della frequenza intermedia di un ricevitore. Più distanti sono la frequenza passa-banda e la frequenza dell'immagine, più il filtro passa-banda attenuerà qualsiasi segnale immagine interferente. Poiché la separazione di frequenza tra la banda passante e la frequenza dell'immagine è , una frequenza intermedia più elevata migliora la reiezione dell'immagine. Potrebbe essere possibile utilizzare un primo IF sufficientemente alto da consentire a uno stadio RF sintonizzato in modo fisso di rifiutare qualsiasi segnale di immagine.

La capacità di un ricevitore di rifiutare segnali interferenti alla frequenza dell'immagine è misurata dal rapporto di reiezione dell'immagine . Questo è il rapporto (in decibel ) dell'uscita del ricevitore da un segnale alla frequenza ricevuta, alla sua uscita per un segnale di uguale intensità alla frequenza dell'immagine.

Radiazione dell'oscillatore locale

Ulteriori informazioni: Compatibilità elettromagnetica

Può essere difficile mantenere le radiazioni vaganti dall'oscillatore locale al di sotto del livello che può rilevare un ricevitore vicino. Se l'oscillatore locale del ricevitore può raggiungere l'antenna, agirà come un trasmettitore CW a bassa potenza . Di conseguenza, ciò che dovrebbe essere un ricevitore può creare esso stesso interferenze radio.

Nelle operazioni di intelligence, la radiazione dell'oscillatore locale fornisce un mezzo per rilevare un ricevitore nascosto e la sua frequenza operativa. Il metodo è stato utilizzato dall'MI5 durante l' operazione RAFTER . Questa stessa tecnica viene utilizzata anche nei rilevatori radar utilizzati dalla polizia stradale nelle giurisdizioni in cui i rilevatori radar sono illegali.

La radiazione dell'oscillatore locale è più importante nei ricevitori in cui il segnale dell'antenna è collegato direttamente al mixer (che a sua volta riceve il segnale dell'oscillatore locale) piuttosto che dai ricevitori in cui viene utilizzato uno stadio amplificatore RF nel mezzo. Quindi è più un problema con ricevitori economici e con ricevitori a frequenze così alte (soprattutto microonde) dove gli stadi di amplificazione RF sono difficili da implementare.

Rumore della banda laterale dell'oscillatore locale

Gli oscillatori locali in genere generano un segnale a frequenza singola che ha una modulazione di ampiezza trascurabile ma una modulazione di fase casuale che diffonde parte dell'energia del segnale nelle frequenze della banda laterale. Ciò provoca un corrispondente ampliamento della risposta in frequenza del ricevitore, che vanifica l'obiettivo di realizzare un ricevitore a larghezza di banda molto stretta tale da ricevere segnali digitali a bassa velocità. È necessario prestare attenzione per ridurre al minimo il rumore di fase dell'oscillatore, di solito assicurandosi che l'oscillatore non entri mai in una modalità non lineare .

Terminologia

Primo rivelatore, secondo rivelatore
Il tubo mixer o transistor è talvolta chiamato primo rivelatore , mentre il demodulatore che estrae la modulazione dal segnale IF è chiamato secondo rivelatore . In un superetere a doppia conversione ci sono due mixer, quindi il demodulatore è chiamato terzo rivelatore .
Front-end RF
Si riferisce a tutti i componenti del ricevitore fino al mixer compreso; tutte le parti che elaborano il segnale alla frequenza radio originale in ingresso. Nello schema a blocchi sopra i componenti del front-end RF sono colorati in rosso.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

Ulteriori letture

  • Whitaker, Jerry (1996). Il manuale di elettronica . CRC Press. P. 1172. ISBN 0-8493-8345-5.
  • US 706740 , Fessenden, Reginald A. , "Segnalazione wireless", pubblicato il 28 settembre 1901, pubblicato il 12 agosto 1902 
  • US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , "Apparecchio di segnalazione elettrica", pubblicato il 27 luglio 1905, emesso il 14 gennaio 1913 
  • US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , "Metodo di segnalazione", pubblicato il 21 agosto 1906, pubblicato il 14 gennaio 1913 
  • Witts, Alfred T. (1936). Il ricevitore supereterodina (2a ed.). Londra, Regno Unito: Sir Isaac Pitman & Sons.

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