Receptor super-heteródino - Superheterodyne receiver

Um receptor super-heteródino de 5 tubos feito no Japão por volta de 1955
Circuito de rádio transistor super-heteródino por volta de 1975

Um receptor super-heteródino , freqüentemente abreviado para superhet , é um tipo de receptor de rádio que usa mixagem de frequência para converter um sinal recebido em uma frequência intermediária fixa (IF), que pode ser processada de forma mais conveniente do que a frequência portadora original . Por muito tempo se acreditou que foi inventado pelo engenheiro americano Edwin Armstrong , mas depois de alguma controvérsia, a primeira patente da invenção agora é creditada ao engenheiro e fabricante de rádio francês Lucien Lévy . Praticamente todos os receptores de rádio modernos usam o princípio super-heteródino.

História

Heteródino

As primeiras transmissões de rádio em código Morse eram produzidas usando um alternador conectado a um centelhador . O sinal de saída estava em uma frequência portadora definida pela construção física do gap, modulada pelo sinal de corrente alternada do alternador. Como a saída do alternador estava geralmente na faixa audível, isso produz um sinal audível modulado em amplitude (AM). Detectores de rádio simples filtravam a portadora de alta frequência, deixando a modulação, que era passada para os fones de ouvido do usuário como um sinal audível de pontos e traços.

Em 1904, Ernst Alexanderson apresentou o alternador Alexanderson , um dispositivo que produzia diretamente a saída de radiofrequência com maior potência e eficiência muito maior do que os sistemas de centelhador mais antigos. Em contraste com o centelhador, no entanto, a saída do alternador era uma onda portadora pura em uma frequência selecionada. Quando detectados em receptores existentes, os pontos e traços normalmente seriam inaudíveis ou "supersônicos". Devido aos efeitos de filtragem do receptor, esses sinais geralmente produziam um clique ou baque, que eram audíveis, mas dificultavam a determinação do ponto ou travessão.

Em 1905, o inventor canadense Reginald Fessenden teve a ideia de usar dois alternadores Alexanderson operando em frequências próximas para transmitir dois sinais, em vez de um. O receptor então receberia ambos os sinais e, como parte do processo de detecção, apenas a frequência de batimento sairia do receptor. Ao selecionar duas portadoras perto o suficiente para que a frequência de batimento fosse audível, o código Morse resultante poderia ser ouvido novamente com facilidade, mesmo em receptores simples. Por exemplo, se os dois alternadores operassem em frequências de 3 kHz uma da outra, a saída nos fones de ouvido seriam pontos ou traços de tom de 3 kHz, tornando-os facilmente audíveis.

Fessenden cunhou o termo " heteródino ", que significa "gerado por uma diferença" (em frequência), para descrever esse sistema. A palavra é derivada das raízes gregas hetero "diferente" e -dyne "poder".

Regeneração

O código Morse foi amplamente utilizado nos primeiros dias do rádio porque era fácil de produzir e fácil de receber. Em contraste com as transmissões de voz, a saída do amplificador não precisava ser muito parecida com a modulação do sinal original. Como resultado, qualquer número de sistemas de amplificação simples podem ser usados. Um método usou um efeito colateral interessante dos primeiros tubos amplificadores triodo . Se a placa (ânodo) e a grade fossem conectadas a circuitos ressonantes sintonizados na mesma frequência e o ganho do estágio fosse muito maior do que a unidade , o acoplamento capacitivo parasita entre a grade e a placa faria com que o amplificador oscilasse.

Em 1913, Edwin Howard Armstrong descreveu um sistema receptor que usava esse efeito para produzir uma saída de código Morse audível usando um único triodo. A saída do amplificador tomada no ânodo foi conectada de volta à entrada por meio de um "revolvimento", causando feedback que levou os sinais de entrada bem além da unidade. Isso fez com que a saída oscilar em uma frequência escolhida com grande amplificação. Quando o sinal original é interrompido no final do ponto ou travessão, a oscilação diminui e o som desaparece após um pequeno atraso.

Armstrong se referiu a esse conceito como um receptor regenerativo , e ele imediatamente se tornou um dos sistemas mais usados ​​de sua época. Muitos sistemas de rádio da década de 1920 baseavam-se no princípio regenerativo e continuaram a ser usados ​​em funções especializadas na década de 1940, por exemplo, no IFF Mark II .

RDF

Havia uma função em que o sistema regenerativo não era adequado, mesmo para fontes de código Morse, e era a tarefa de localização de direção de rádio , ou RDF.

O sistema regenerativo era altamente não linear, amplificando qualquer sinal acima de um certo limite por uma quantidade enorme, às vezes tão grande que fazia com que ele se transformasse em um transmissor (que era todo o conceito por trás do IFF). No RDF, a intensidade do sinal é usada para determinar a localização do transmissor, portanto, é necessária amplificação linear para permitir que a intensidade do sinal original, muitas vezes muito fraca, seja medida com precisão.

Para atender a essa necessidade, os sistemas RDF da época usavam tríodos operando abaixo da unidade. Para obter um sinal utilizável de tal sistema, dezenas ou mesmo centenas de triodos tiveram que ser usados, conectados anodo à grade. Esses amplificadores consumiam uma enorme quantidade de energia e exigiam uma equipe de engenheiros de manutenção para mantê-los funcionando. Não obstante, o valor estratégico da descoberta de direção em sinais fracos era tão alto que o Almirantado Britânico sentiu que o alto custo era justificado.

Superheterodino

Um dos protótipos de receptores super-heteródinos construídos no laboratório Signal Corps da Armstrong em Paris durante a Primeira Guerra Mundial. Ele é construído em duas seções, o mixer e o oscilador local (à esquerda) e três estágios de amplificação IF e um estágio de detector (à direita) . A frequência intermediária foi de 75 kHz.

Embora vários pesquisadores tenham descoberto o conceito super-heteródino, arquivando patentes com apenas alguns meses de intervalo (veja abaixo), Armstrong é frequentemente creditado com o conceito. Ele descobriu isso enquanto considerava melhores maneiras de produzir receptores RDF. Ele concluiu que mudar para frequências de "ondas curtas" mais altas tornaria o RDF mais útil e estava procurando meios práticos para construir um amplificador linear para esses sinais. Na época, as ondas curtas eram qualquer coisa acima de 500 kHz, além da capacidade de qualquer amplificador existente.

Foi notado que quando um receptor regenerativo entrava em oscilação, outros receptores próximos começavam a captar outras estações também. Armstrong (e outros) eventualmente deduziram que isso era causado por um "heteródino supersônico" entre a frequência da portadora da estação e a frequência de oscilação do receptor regenerativo. Quando o primeiro receptor começou a oscilar em altas saídas, seu sinal fluía de volta pela antena para ser recebido em qualquer receptor próximo. Nesse receptor, os dois sinais se misturavam exatamente como no conceito heteródino original, produzindo uma saída que é a diferença de frequência entre os dois sinais.

Por exemplo, considere um receptor solitário que foi sintonizado em uma estação a 300 kHz. Se um segundo receptor for instalado próximo e configurado para 400 kHz com alto ganho, ele começará a emitir um sinal de 400 kHz que será recebido no primeiro receptor. Nesse receptor, os dois sinais serão mixados para produzir quatro saídas, uma nos 300 kHz originais, outra nos 400 kHz recebidos e mais duas, a diferença em 100 kHz e a soma em 700 kHz. Este é o mesmo efeito que Fessenden tinha proposto, mas em seu sistema as duas frequências foram escolhidas deliberadamente para que a frequência da batida fosse audível. Nesse caso, todas as frequências estão bem além da faixa audível e, portanto, "supersônicas", dando origem ao nome de super-heteródino.

Armstrong percebeu que esse efeito era uma solução potencial para o problema de amplificação de "ondas curtas", já que a saída de "diferença" ainda retinha sua modulação original, mas em uma frequência de portadora mais baixa. No exemplo acima, pode-se amplificar o sinal de batimento de 100 kHz e recuperar a informação original a partir disso, o receptor não precisa sintonizar a portadora original de 300 kHz mais alta. Ao selecionar um conjunto apropriado de frequências, mesmo os sinais de frequência muito alta podem ser "reduzidos" a uma frequência que pode ser amplificada pelos sistemas existentes.

Por exemplo, para receber um sinal em 1500 kHz, muito além da faixa de amplificação eficiente no momento, pode-se configurar um oscilador em, por exemplo, 1560 kHz. Armstrong se referiu a isso como o " oscilador local " ou LO. Como seu sinal estava sendo alimentado em um segundo receptor no mesmo dispositivo, ele não precisava ser poderoso, gerando apenas o sinal suficiente para ser aproximadamente semelhante em intensidade ao da estação recebida. Quando o sinal do LO se mistura com o da estação, uma das saídas será a diferença de frequência heteródina, neste caso, 60 kHz. Ele denominou essa diferença resultante de " frequência intermediária ", freqüentemente abreviada para "IF".

Em dezembro de 1919, o major EH Armstrong deu publicidade a um método indireto de obtenção da amplificação de ondas curtas, denominado super-heteródino. A ideia é reduzir a frequência de entrada, que pode ser, por exemplo, 1.500.000 ciclos (200 metros), para alguma frequência superaudível adequada que pode ser amplificada de forma eficiente, passando essa corrente por um amplificador de frequência intermediária e, finalmente, retificando e transportando em um ou dois estágios de amplificação de frequência de áudio.

O "truque" do super-heteródino é que, mudando a frequência LO, você pode sintonizar estações diferentes. Por exemplo, para receber um sinal em 1300 kHz, pode-se sintonizar LO para 1360 kHz, resultando no mesmo IF de 60 kHz. Isso significa que a seção do amplificador pode ser ajustada para operar em uma única frequência, o design IF, que é muito mais fácil de fazer com eficiência.

Desenvolvimento

O primeiro receptor super-heteródino comercial, o RCA Radiola AR-812, lançado em 4 de março de 1924, custava US $ 286 (equivalente a US $ 4.320 em 2020). Usava 6 triodos: um mixer, oscilador local, dois estágios IF e dois amplificadores de áudio, com IF de 45 kHz. Foi um sucesso comercial, com melhor desempenho do que os receptores concorrentes.

Armstrong colocou suas idéias em prática e a técnica foi logo adotada pelos militares. Era menos popular quando a transmissão de rádio comercial começou na década de 1920, principalmente devido à necessidade de um tubo extra (para o oscilador), o custo geralmente mais alto do receptor e o nível de habilidade necessário para operá-lo. Para os primeiros rádios domésticos, os receptores de radiofrequência sintonizados (TRF) eram mais populares porque eram mais baratos, mais fáceis de usar para um proprietário não técnico e menos dispendiosos de operar. Armstrong acabou vendendo sua patente super-heteródina para a Westinghouse , que então a vendeu para a Radio Corporation of America (RCA) , esta última monopolizando o mercado de receptores super-heteródinos até 1930.

Como a motivação original para o superhet era a dificuldade de usar o amplificador triodo em altas frequências, havia uma vantagem em usar uma frequência intermediária mais baixa. Durante esta era, muitos receptores usavam uma frequência IF de apenas 30 kHz. Essas frequências IF baixas, muitas vezes usando transformadores IF baseados na auto-ressonância de transformadores com núcleo de ferro , tiveram rejeição de frequência de imagem pobre , mas superaram a dificuldade em usar triodos em frequências de rádio de uma maneira que competia favoravelmente com o receptor TRF neutrodino menos robusto . Freqüências de FI mais altas (455 kHz era um padrão comum) começaram a ser usadas anos mais tarde, após a invenção do tetrodo e do pentodo como tubos amplificadores, resolvendo amplamente o problema de rejeição de imagem. Mesmo mais tarde, no entanto, as frequências IF baixas (normalmente 60 kHz) foram novamente utilizadas no segundo (ou terceiro) estágio IF de receptores de comunicação de dupla ou tripla conversão para aproveitar a seletividade mais facilmente alcançada em frequências IF mais baixas, com imagem rejeição realizada no (s) estágio (s) IF anterior (es) que estavam em uma frequência IF mais alta.

Na década de 1920, nessas frequências baixas, os filtros IF comerciais pareciam muito semelhantes aos transformadores de acoplamento interestágios de áudio da década de 1920, tinham construção semelhante e eram conectados de maneira quase idêntica, por isso eram chamados de "transformadores IF". Em meados da década de 1930, os super-heteródinos usando frequências intermediárias muito mais altas (normalmente em torno de 440–470 kHz) usavam transformadores sintonizados mais semelhantes a outras aplicações de RF. O nome "transformador IF" foi mantido, no entanto, agora significando "frequência intermediária". Receptores modernos normalmente usam uma mistura de ressonadores de cerâmica ou ressonadores de ondas acústicas de superfície e transformadores IF de indutores sintonizados tradicionais.

O receptor de broadcast AM super-heteródino de tubo a vácuo " All American Five " da década de 1940 era barato de fabricar porque requeria apenas cinco tubos.

Na década de 1930, as melhorias na tecnologia de tubo de vácuo rapidamente corroeram as vantagens de custo do receptor TRF, e a explosão no número de estações de transmissão criou uma demanda por receptores mais baratos e de alto desempenho.

A introdução de uma grade adicional em um tubo de vácuo, mas antes do tetrodo de tela-grade mais moderno, incluiu o tetrodo com duas grades de controle ; este tubo combinava as funções de misturador e oscilador, usadas pela primeira vez no chamado misturador autódino . Isso foi seguido rapidamente pela introdução de tubos projetados especificamente para operação super-heteródina, mais notavelmente o conversor pentagrid . Ao reduzir a contagem de tubos (com cada estágio de tubo sendo o principal fator que afeta os custos nesta era), isso reduziu ainda mais a vantagem dos designs de TRF e receptor regenerativo.

Em meados da década de 1930, a produção comercial de receptores TRF foi amplamente substituída por receptores super-heteródinos. Na década de 1940, o receptor de transmissão AM super-heteródino de tubo de vácuo foi refinado em um design barato de manufatura chamado " All American Five " porque usava cinco tubos de vácuo: geralmente um conversor (misturador / oscilador local), um amplificador IF, um detector / amplificador de áudio, amplificador de potência de áudio e um retificador. Desde então, o design super-heteródino foi usado para quase todos os receptores de rádio e TV comerciais.

Batalhas de patentes

O engenheiro francês Lucien Lévy entrou com um pedido de patente para o princípio super-heteródino em agosto de 1917 com o brevet n ° 493660. Armstrong também apresentou sua patente em 1917. Levy apresentou sua revelação original cerca de sete meses antes de Armstrong. O inventor alemão Walter H. Schottky também registrou uma patente em 1918.

A princípio, os EUA reconheceram Armstrong como o inventor, e sua patente norte-americana 1.342.885 foi emitida em 8 de junho de 1920. Após várias mudanças e audiências judiciais, Lévy recebeu a patente norte-americana nº 1.734.938 que incluía sete das nove reivindicações no pedido de Armstrong, enquanto as duas restantes reivindicações foram concedidas a Alexanderson da GE e Kendall da AT&T.

Princípio da Operação

Diagrama de blocos de um receptor super-heteródino típico. As partes vermelhas são aquelas que lidam com o sinal de entrada de radiofrequência (RF); verdes são as partes que operam na frequência intermediária (IF), enquanto as partes azuis operam na frequência de modulação (áudio). A linha pontilhada indica que o oscilador local e o filtro de RF devem ser ajustados em conjunto.
Como funciona um rádio super-heteródino. Os eixos horizontais são a frequência f . Os gráficos azuis mostram as tensões dos sinais de rádio em vários pontos do circuito. Os gráficos em vermelho mostram as funções de transferência dos filtros no circuito; a espessura das bandas vermelhas mostra a fração do sinal do gráfico anterior que passa pelo filtro em cada frequência. O sinal de rádio de entrada da antena (gráfico superior) consiste no sinal de rádio S1 desejado mais outros em frequências diferentes. O filtro RF (2º gráfico) remove qualquer sinal, como S2 na frequência de imagem LO  -  IF , que, de outra forma, passaria pelo filtro IF e interferiria. O sinal composto restante é aplicado ao mixer junto com um sinal do oscilador local ( LO ) (3º gráfico) . No mixer, o sinal S1 se combina com a frequência LO para criar um heteródino na diferença entre essas frequências, a frequência intermediária (IF), na saída do mixer (4º gráfico) . Isso passa pelo filtro passa-banda IF (5º gráfico) é amplificado e demodulado (a demodulação não é mostrada). Os sinais indesejados criam heteródinos em outras frequências (4º gráfico) , que são filtrados pelo filtro IF.

O diagrama à direita mostra o diagrama de blocos de um receptor super-heteródino de conversão única típico. O diagrama possui blocos que são comuns aos receptores super-heteródinos, sendo apenas o amplificador de RF opcional.

A antena coleta o sinal de rádio. O estágio de RF sintonizado com amplificador de RF opcional fornece alguma seletividade inicial; é necessário suprimir a freqüência da imagem (veja abaixo) e também pode servir para evitar que sinais fortes fora da banda passante saturem o amplificador inicial. Um oscilador local fornece a frequência de mistura; geralmente é um oscilador de frequência variável que é usado para sintonizar o receptor em diferentes estações. O misturador de frequência realiza a heterodinação real que dá ao super-heteródino seu nome; ele muda o sinal de freqüência de rádio de entrada para uma freqüência intermediária (IF) fixa superior ou inferior . O filtro passa-banda IF e o amplificador fornecem a maior parte do ganho e da filtragem de banda estreita para o rádio. O demodulador extrai o áudio ou outra modulação da frequência de rádio IF. O sinal extraído é então amplificado pelo amplificador de áudio.

Descrição do circuito

Para receber um sinal de rádio, é necessária uma antena adequada . A saída da antena pode ser muito pequena, geralmente apenas alguns microvolts . O sinal da antena é sintonizado e pode ser amplificado em um amplificador de radiofrequência (RF), embora esse estágio seja frequentemente omitido. Um ou mais circuitos sintonizados neste estágio bloqueiam as frequências que estão muito distantes da frequência de recepção pretendida. Para sintonizar o receptor em uma estação específica, a frequência do oscilador local é controlada pelo botão de sintonia (por exemplo). O ajuste do oscilador local e do estágio de RF pode usar um capacitor variável ou diodo varicap . A sintonia de um (ou mais) circuitos sintonizados no estágio de RF deve acompanhar a sintonia do oscilador local.

Oscilador local e misturador

O sinal é então alimentado em um circuito onde é misturado com uma onda senoidal de um oscilador de frequência variável conhecido como oscilador local (LO). O mixer usa um componente não linear para produzir sinais de soma e diferença de frequências de batida , cada um contendo a modulação contida no sinal desejado. A saída do misturador pode incluir o sinal original RF em f de RF , o sinal do oscilador local na f LO , e as duas novas frequências heteródina f RF  +  f LO e f RF  -  f LO . O mixer pode produzir inadvertidamente frequências adicionais, como produtos de intermodulação de terceira e superior ordem. Idealmente, o filtro passa-banda IF remove tudo, exceto o sinal IF desejado em f IF . O sinal IF contém a modulação original (informação transmitida) que o sinal de rádio recebido tinha em f RF .

A frequência do oscilador local f LO é definida de forma que a frequência de rádio de recepção desejada f RF se misture a f IF . Existem duas opções para a frequência do oscilador local porque os produtos dominantes do misturador estão em f RF  ±  f LO . Se a frequência do oscilador local for menor que a frequência de recepção desejada, é chamada de injeção do lado inferior ( f IF = f RF - f LO ); se o oscilador local for mais alto, é chamado de injeção do lado alto ( f IF = f LO - f RF ).

O mixer processará não apenas o sinal de entrada desejado em f RF , mas também todos os sinais presentes em suas entradas. Haverá muitos produtos de mistura (heteródinos). A maioria dos outros sinais produzidos pelo mixer (como devido a estações em frequências próximas) podem ser filtrados no amplificador sintonizado IF ; que dá ao receptor super-heteródino seu desempenho superior. No entanto, se f LO é definido como f RF  +  f SE , em seguida, um sinal de rádio recebida pelo f LO  +  f SE irá também produzir um heteródino em f SE ; a frequência f LO  +  f IF é chamada de frequência de imagem e deve ser rejeitada pelos circuitos sintonizados no estágio de RF. A frequência da imagem é 2  f IF maior (ou menor) do que a frequência desejada f RF , portanto, empregar uma frequência IF mais alta f IF aumenta a rejeição da imagem do receptor sem exigir seletividade adicional no estágio RF.

Para suprimir a imagem indesejada, o ajuste do estágio RF e do LO pode precisar "rastrear" um ao outro. Em alguns casos, um receptor de banda estreita pode ter um amplificador de RF sintonizado fixo. Nesse caso, apenas a frequência do oscilador local é alterada. Na maioria dos casos, a banda de entrada de um receptor é mais larga do que sua freqüência central IF. Por exemplo, um receptor de banda de transmissão AM típico cobre 510 kHz a 1655 kHz (uma banda de entrada de aproximadamente 1160 kHz) com uma frequência IF de 455 kHz; um receptor de banda de transmissão FM cobre a banda de 88 MHz a 108 MHz com uma frequência IF de 10,7 MHz. Nessa situação, o amplificador de RF deve ser sintonizado para que o amplificador de IF não veja duas estações ao mesmo tempo. Se o receptor de banda de transmissão AM LO fosse definido em 1200 kHz, ele veria estações em 745 kHz (1200−455 kHz) e 1655 kHz. Conseqüentemente, o estágio de RF deve ser projetado de forma que quaisquer estações que estejam com o dobro da freqüência de FI de distância sejam significativamente atenuadas. O rastreamento pode ser feito com um capacitor variável de múltiplas seções ou alguns varactores acionados por uma tensão de controle comum. Um amplificador de RF pode ter circuitos sintonizados em sua entrada e em sua saída, portanto, três ou mais circuitos sintonizados podem ser rastreados. Na prática, as frequências RF e LO precisam ser rastreadas de perto, mas não perfeitamente.

Na época da eletrônica de tubo (válvula) , era comum que os receptores super-heteródinos combinassem as funções do oscilador local e do misturador em um único tubo, resultando em economia de energia, tamanho e principalmente custo. Um único tubo conversor pentagrid iria oscilar e também fornecer amplificação de sinal, bem como mistura de frequência.

Amplificador IF

Os estágios de um amplificador de frequência intermediária ("amplificador IF" ou "faixa IF") são sintonizados em uma frequência fixa que não muda conforme a frequência de recepção muda. A frequência fixa simplifica a otimização do amplificador IF. O amplificador IF é seletivo em torno de sua frequência central f IF . A frequência central fixa permite que os estágios do amplificador de IF sejam cuidadosamente ajustados para o melhor desempenho (essa sintonia é chamada de "alinhamento" do amplificador de IF). Se a frequência central mudasse com a frequência de recepção, os estágios IF teriam que rastrear sua sintonia. Esse não é o caso do super-heteródino.

Normalmente, a freqüência central de IF f IF é escolhida para ser menor do que a faixa de freqüências de recepção f RF desejadas . Isso ocorre porque é mais fácil e menos caro obter alta seletividade em uma frequência mais baixa usando circuitos sintonizados. A largura de banda de um circuito sintonizado com um certo Q é proporcional à própria frequência (e o que é mais, um Q mais alto é alcançável em frequências mais baixas), portanto, menos estágios de filtro IF são necessários para atingir a mesma seletividade. Além disso, é mais fácil e menos caro obter alto ganho em frequências mais baixas.

No entanto, em muitos receptores modernos projetados para recepção em uma ampla faixa de frequência (por exemplo, scanners e analisadores de espectro), uma primeira frequência IF mais alta do que a frequência de recepção é empregada em uma configuração de dupla conversão . Por exemplo, o receptor Rohde & Schwarz EK-070 VLF / HF cobre de 10 kHz a 30 MHz. Ele tem um filtro de RF comutada por banda e mistura a entrada para um primeiro IF de 81,4 MHz e uma segunda frequência de IF de 1,4 MHz. A primeira frequência LO é de 81,4 a 111,4 MHz, uma faixa razoável para um oscilador. Mas se a faixa de RF original do receptor fosse convertida diretamente para a frequência intermediária de 1,4 MHz, a frequência LO precisaria cobrir 1,4-31,4 MHz, o que não pode ser realizado usando circuitos sintonizados (um capacitor variável com um indutor fixo precisaria de um faixa de capacitância de 500: 1). A rejeição de imagem nunca é um problema com uma frequência IF tão alta. O primeiro estágio IF usa um filtro de cristal com largura de banda de 12 kHz. Há uma segunda conversão de frequência (fazendo um receptor de conversão tripla) que mistura o primeiro IF de 81,4 MHz com 80 MHz para criar um segundo IF de 1,4 MHz. A rejeição de imagem para o segundo FI não é um problema, pois o primeiro FI tem uma largura de banda de muito menos do que 2,8 MHz.

Para evitar a interferência nos receptores, as autoridades de licenciamento evitarão atribuir frequências IF comuns às estações transmissoras. As frequências intermediárias padrão usadas são 455 kHz para rádio AM de onda média , 10,7 MHz para receptores de transmissão FM, 38,9 MHz (Europa) ou 45 MHz (EUA) para televisão e 70 MHz para satélite e equipamento de microondas terrestre. Para evitar custos de ferramentas associados a esses componentes, a maioria dos fabricantes tendia a projetar seus receptores em torno de uma faixa fixa de frequências oferecidas, o que resultou em uma padronização de fato mundial das frequências intermediárias.

Em superhets iniciais, o estágio IF era frequentemente um estágio regenerativo fornecendo a sensibilidade e seletividade com menos componentes. Esses superhets foram chamados de super-gainers ou regenerodynes. Isso também é chamado de multiplicador Q , envolvendo uma pequena modificação em um receptor existente, especialmente com o propósito de aumentar a seletividade.

Filtro passa banda IF

O estágio IF inclui um filtro e / ou múltiplos circuitos sintonizados para atingir a seletividade desejada . Essa filtragem deve ter uma passagem de banda igual ou menor que o espaçamento de frequência entre os canais de transmissão adjacentes. Idealmente, um filtro teria uma alta atenuação para canais adjacentes, mas manteria uma resposta plana em todo o espectro de sinal desejado, a fim de reter a qualidade do sinal recebido. Isso pode ser obtido usando um ou mais transformadores IF de sintonia dupla, um filtro de cristal de quartzo ou um filtro de cristal de cerâmica multipolar .

No caso dos receptores de televisão, nenhuma outra técnica foi capaz de produzir a característica passa-banda precisa necessária para a recepção da banda lateral vestigial , como a usada no sistema NTSC aprovado pela primeira vez pelos EUA em 1941. Na década de 1980, o capacitor-indutor multicomponente filtros foram substituídos com precisão electromecânico de onda acústica de superfície (SAW) filtros . Fabricados por técnicas de fresamento a laser de precisão, os filtros SAW são mais baratos de produzir, podem ser feitos com tolerâncias extremamente estreitas e são muito estáveis ​​em operação.

Demodulator

O sinal recebido é agora processado pelo estágio demodulador , onde o sinal de áudio (ou outro sinal de banda base ) é recuperado e, em seguida, amplificado. A demodulação AM requer a retificação simples do sinal de RF (a chamada detecção de envelope ) e um filtro passa-baixo RC simples para remover resquícios da frequência intermediária. Os sinais de FM podem ser detectados usando um discriminador, detector de razão ou loop de bloqueio de fase . Sinais de onda contínua e de banda lateral única requerem um detector de produto usando um chamado oscilador de frequência de batimento , e existem outras técnicas usadas para diferentes tipos de modulação . O sinal de áudio resultante (por exemplo) é então amplificado e aciona um alto-falante.

Quando a chamada injeção de lado alto foi usada, onde o oscilador local está em uma frequência mais alta do que o sinal recebido (como é comum), o espectro de frequência do sinal original será invertido. Isso deve ser levado em consideração pelo demodulador (e na filtragem IF) no caso de certos tipos de modulação, como banda lateral única .

Conversão múltipla

Diagrama de bloco do receptor super-heteródino de dupla conversão

Para superar obstáculos como resposta de imagem , alguns receptores usam vários estágios sucessivos de conversão de frequência e vários IFs de valores diferentes. Um receptor com duas conversões de frequência e IFs é chamado de super-heteródino de conversão dupla , e um com três IFs é chamado de super-heteródino de conversão tripla .

O principal motivo para isso é que, com um único IF, há uma compensação entre baixa resposta de imagem e seletividade. A separação entre a frequência recebida e a frequência da imagem é igual a duas vezes a frequência do IF, portanto, quanto maior o IF, mais fácil é projetar um filtro de RF para remover a frequência da imagem da entrada e obter uma resposta de imagem baixa . No entanto, quanto mais alto o IF, mais difícil é obter alta seletividade no filtro IF. Em frequências de ondas curtas e acima, a dificuldade em obter seletividade suficiente na sintonia com os altos IFs necessários para baixa resposta de imagem afeta o desempenho. Para resolver este problema, duas frequências de FI podem ser usadas, primeiro convertendo a frequência de entrada em um FI alto para obter uma resposta de imagem baixa e, em seguida, convertendo essa frequência em um FI baixo para obter uma boa seletividade no segundo filtro de FI. Para melhorar a afinação, um terceiro FI pode ser usado.

Por exemplo, para um receptor que pode sintonizar de 500 kHz a 30 MHz, três conversores de frequência podem ser usados. Com um IF de 455 kHz é fácil obter seletividade de front end adequada com sinais de banda de transmissão (abaixo de 1600 kHz). Por exemplo, se a estação que está sendo recebida está em 600 kHz, o oscilador local pode ser configurado para 1055 kHz, dando uma imagem em (-600 + 1055 =) 455 kHz. Mas uma estação em 1510 kHz também poderia potencialmente produzir uma imagem em (1510-1055 =) 455 kHz e, portanto, causar interferência na imagem. No entanto, como 600 kHz e 1510 kHz estão tão distantes, é fácil projetar a sintonia de front end para rejeitar a frequência de 1510 kHz.

No entanto, a 30 MHz, as coisas são diferentes. O oscilador seria definido para 30,455 MHz para produzir um FI de 455 kHz, mas uma estação em 30.910 também produziria uma batida de 455 kHz, de modo que as duas estações seriam ouvidas ao mesmo tempo. Mas é virtualmente impossível projetar um circuito sintonizado de RF que possa discriminar adequadamente entre 30 MHz e 30,91 MHz, então uma abordagem é "converter em massa" seções inteiras das bandas de ondas curtas para uma frequência mais baixa, onde o ajuste de front-end adequado é mais fácil organizar.

Por exemplo, as faixas de 29 MHz a 30 MHz; 28 MHz a 29 MHz etc. podem ser convertidos para 2 MHz a 3 MHz, onde eles podem ser ajustados de forma mais conveniente. Isso geralmente é feito primeiro convertendo cada "bloco" em uma frequência mais alta (normalmente 40 MHz) e, em seguida, usando um segundo mixer para convertê-lo na faixa de 2 MHz a 3 MHz. O "IF" de 2 MHz a 3 MHz é basicamente outro receptor super-heteródino independente, provavelmente com um IF padrão de 455 kHz.

Designs modernos

A tecnologia de microprocessador permite substituir o projeto do receptor super-heteródino por uma arquitetura de rádio definida por software , onde o processamento de IF após o filtro de IF inicial é implementado no software. Essa técnica já é usada em alguns projetos, como rádios FM de baixíssimo custo incorporados a telefones celulares, uma vez que o sistema já possui o microprocessador necessário .

Os transmissores de rádio também podem usar um estágio de mixer para produzir uma frequência de saída, funcionando mais ou menos como o reverso de um receptor super-heteródino.

Vantagens e desvantagens

Os receptores super-heteródinos substituíram essencialmente todos os designs de receptores anteriores. O desenvolvimento da moderna eletrônica de semicondutores negou as vantagens de projetos (como o receptor regenerativo ) que usavam menos tubos de vácuo. O receptor super-heteródino oferece sensibilidade superior, estabilidade de frequência e seletividade. Comparado com o design do receptor de radiofrequência sintonizado (TRF), os superhets oferecem melhor estabilidade porque um oscilador sintonizável é mais facilmente realizado do que um amplificador sintonizável. Operando em uma frequência mais baixa, os filtros IF podem fornecer bandas de passagem mais estreitas no mesmo fator Q do que um filtro RF equivalente. Um FI fixo também permite o uso de um filtro de cristal ou tecnologias semelhantes que não podem ser ajustados. Regenerativas receptores e super-regenerativos ofereceu uma alta sensibilidade, mas muitas vezes sofrem de problemas de estabilidade tornando-os difíceis de operar.

Embora as vantagens do design do superhet sejam esmagadoras, existem algumas desvantagens que precisam ser abordadas na prática.

Frequência da imagem ( f IMAGE )

Gráficos ilustrando o problema de resposta da imagem em um super-heteródino. Os eixos horizontais são frequência e os eixos verticais são tensão. Sem um filtro de RF adequado, qualquer sinal S2 (verde) na frequência da imagem também é heterodificado para a frequência IF junto com o sinal de rádio S1 desejado (azul) em , de forma que ambos passam pelo filtro IF (vermelho) . Assim, S2 interfere com S1.

Uma grande desvantagem do receptor super-heteródino é o problema da frequência da imagem . Em receptores heteródinos, uma frequência de imagem é uma frequência de entrada indesejada igual à frequência da estação mais (ou menos) duas vezes a frequência intermediária. A frequência da imagem resulta em duas estações sendo recebidas ao mesmo tempo, produzindo interferência. A recepção na freqüência da imagem pode ser combatida por meio de sintonia (filtragem) na antena e no estágio de RF do receptor super-heteródino.

Por exemplo, uma estação de transmissão AM a 580 kHz é sintonizada em um receptor com um IF de 455 kHz. O oscilador local está ajustado para 580 + 455 = 1035 kHz. Mas um sinal em 580 + 455 + 455 = 1490 kHz também está a 455 kHz do oscilador local; assim, tanto o sinal desejado quanto a imagem, quando misturados com o oscilador local, aparecerão na frequência intermediária. Esta frequência de imagem está dentro da banda de transmissão AM. Os receptores práticos possuem um estágio de sintonia antes do conversor, para reduzir bastante a amplitude dos sinais de frequência da imagem; além disso, emissoras na mesma área têm suas frequências atribuídas para evitar tais imagens.

A frequência indesejada é chamada de imagem da frequência desejada, porque é a "imagem espelhada" da frequência desejada refletida . Um receptor com filtragem inadequada em sua entrada captará sinais em duas frequências diferentes simultaneamente: a frequência desejada e a frequência da imagem. Uma recepção de rádio que esteja na frequência da imagem pode interferir na recepção do sinal desejado e o ruído (estático) em torno da frequência da imagem pode diminuir a relação sinal-ruído (SNR) do receptor em até 3dB.

Os primeiros receptores Autodyne normalmente usavam IFs de apenas 150 kHz ou mais. Como consequência, a maioria dos receptores Autodyne exigia maior seletividade de front-end, geralmente envolvendo bobinas de sintonia dupla, para evitar interferência na imagem. Com o desenvolvimento posterior de tubos capazes de amplificar bem em frequências mais altas, frequências de FI mais altas passaram a ser usadas, reduzindo o problema de interferência de imagem. Os receptores de rádio típicos do consumidor têm apenas um único circuito sintonizado no estágio de RF.

A sensibilidade à frequência da imagem pode ser minimizada apenas por (1) um filtro que antecede o mixer ou (2) um circuito de mixer mais complexo para suprimir a imagem; isso raramente é usado. Na maioria dos receptores sintonizáveis ​​que usam uma única frequência IF, o estágio de RF inclui pelo menos um circuito sintonizado no front end de RF, cuja sintonização é realizada em conjunto com o oscilador local. Em receptores de conversão dupla (ou tripla) em que a primeira conversão usa um oscilador local fixo, este pode ser um filtro passa-banda fixo que acomoda a faixa de frequência sendo mapeada para a primeira faixa de frequência IF.

A rejeição de imagem é um fator importante na escolha da frequência intermediária de um receptor. Quanto mais distantes estiverem a frequência passa-banda e a frequência da imagem, mais o filtro passa-banda atenuará qualquer sinal de imagem interferente. Como a separação de frequência entre o passa-banda e a frequência da imagem é , uma frequência intermediária mais alta melhora a rejeição da imagem. Pode ser possível usar primeiro um FI alto o suficiente para que um estágio de RF com sintonia fixa possa rejeitar quaisquer sinais de imagem.

A capacidade de um receptor de rejeitar sinais interferentes na freqüência da imagem é medida pela taxa de rejeição da imagem . Esta é a razão (em decibéis ) da saída do receptor de um sinal na freqüência recebida, para sua saída para um sinal de força igual na freqüência da imagem.

Radiação do oscilador local

Pode ser difícil manter a radiação dispersa do oscilador local abaixo do nível que um receptor próximo pode detectar. Se o oscilador local do receptor puder alcançar a antena, ele atuará como um transmissor CW de baixa potência . Conseqüentemente, o que deve ser um receptor pode criar interferência de rádio.

Em operações de inteligência, a radiação do oscilador local fornece um meio de detectar um receptor secreto e sua frequência de operação. O método foi usado pelo MI5 durante a operação RAFTER . Essa mesma técnica também é usada em detectores de radar usados ​​pela polícia de trânsito em jurisdições onde os detectores de radar são ilegais.

A radiação do oscilador local é mais proeminente em receptores nos quais o sinal da antena é conectado diretamente ao mixer (que recebe o sinal do oscilador local) em vez de receptores nos quais um estágio de amplificador de RF é usado entre eles. Portanto, é mais um problema com receptores baratos e com receptores em tais altas frequências (especialmente micro-ondas), onde os estágios de amplificação de RF são difíceis de implementar.

Ruído de banda lateral do oscilador local

Os osciladores locais normalmente geram um único sinal de frequência que tem modulação de amplitude desprezível, mas alguma modulação de fase aleatória que espalha parte da energia do sinal em frequências de banda lateral. Isso causa um alargamento correspondente da resposta de frequência do receptor, o que frustraria o objetivo de fazer um receptor de largura de banda muito estreita, para receber sinais digitais de baixa taxa. Deve-se tomar cuidado para minimizar o ruído de fase do oscilador, geralmente garantindo que o oscilador nunca entre em um modo não linear .

Terminologia

Primeiro detector, segundo detector
O tubo misturador ou transistor é algumas vezes chamado de primeiro detector , enquanto o demodulador que extrai a modulação do sinal IF é chamado de segundo detector . Em um supereta de conversão dupla, há dois mixers, então o demodulador é chamado de terceiro detector .
Front end RF
Refere-se a todos os componentes do receptor até e incluindo o mixer; todas as partes que processam o sinal na frequência de rádio original de entrada. No diagrama de blocos acima, os componentes do front-end RF são coloridos em vermelho.

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

  • Whitaker, Jerry (1996). The Electronics Handbook . CRC Press. p. 1172. ISBN 0-8493-8345-5.
  • US 706740 , Fessenden, Reginald A. , "Wireless Signaling", publicado em 28 de setembro de 1901, emitido em 12 de agosto de 1902 
  • US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , "Electric Signaling Apparatus", publicado em 27 de julho de 1905, emitido em 14 de janeiro de 1913 
  • US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , "Method of Signaling", publicado em 21 de agosto de 1906, emitido em 14 de janeiro de 1913 
  • Witts, Alfred T. (1936). The Superheterodyne Receiver (2ª ed.). Londres, Reino Unido: Sir Isaac Pitman & Sons.

links externos