Receptor de superposición

Un receptor heterodino (también receptor superheterodino , superhet o super para abreviar ) es un circuito electrónico para recibir y procesar señales de radio electromagnéticas de alta frecuencia . Un rasgo característico es la conversión de la frecuencia de entrada, que es variable en función de la frecuencia de recepción deseada, a una frecuencia intermedia (FI) mayoritariamente considerablemente más baja y, sobre todo, constante . Las ventajas son: La FI constante permite un amplificador de FI sintonizado permanentemente; la reducción de la frecuencia reduce los requisitos para el filtro de FI (mayor ancho de banda relativo) y las frecuencias generalmente más bajas a procesar. Además, se reduce el riesgo de retroalimentación, ya que ya no puede haber una retroalimentación general. Los receptores superpuestos se pueden configurar en varias etapas, es decir, pueden tener varias frecuencias intermedias (para obtener más información, consulte la sección correspondiente ). Se utiliza en muchos dispositivos en transmisión de radio , telecomunicaciones y tecnología de medición de HF, desde radio y televisión simples hasta GPS .

El término superposición no debe entenderse en el sentido del principio de superposición de la física , es decir, una superposición aditiva; Más bien, el principio se puede rastrear matemáticamente hasta una multiplicación de la señal de entrada recibida con una señal de frecuencia constante (de un oscilador - local - integrado en el receptor). Las frecuencias de diferencia y suma resultantes se pueden ilustrar con los teoremas de la suma trigonométrica .

En los últimos años, no solo se han digitalizado funciones auxiliares como el funcionamiento o la generación de frecuencias LO en la tecnología del receptor, sino también partes cada vez más importantes del procesamiento de señales. Este desarrollo condujo al campo de la radio definida por software (SDR).

Lo esencial

Los primeros receptores de radio fueron receptores directos de onda larga que demodulaban la señal (a menudo después de la amplificación). El creciente número de transmisores obligó a una reducción del ancho de banda de modo que no se pudieran recibir varios transmisores al mismo tiempo. El esfuerzo del filtro aumenta tan drásticamente con el aumento de la frecuencia que tuvo que inventarse un concepto diferente: en el receptor heterodino, la frecuencia de la señal de RF se reduce al menos una vez antes de ser demodulada. Para ello, se mezcla con la señal de un denominado oscilador local (señal LO) situado en el receptor para obtener una frecuencia intermedia (FI) fija, normalmente inferior, con el mismo contenido de modulación que la señal de RF. La frecuencia del oscilador local, junto con la frecuencia intermedia, determina dos frecuencias de recepción, una de las cuales puede pasar el filtro de entrada.

La alta amplificación y el filtrado necesarios de la señal solo se pueden lograr reduciendo la frecuencia, que suele ser considerable: el receptor se vuelve más sensible y más selectivo. El filtrado de la señal tiene lugar a una FI (frecuencia intermedia) constante y más baja, por lo que, a diferencia del filtro de HF sintonizable necesario para el receptor directo, se pueden utilizar filtros de frecuencia fija . Esto da como resultado una estructura simplificada, una selectividad (selección) significativamente mayor y, por lo tanto, una calidad de recepción sustancialmente mejorada. Los receptores para frecuencias muy altas, como el radar o la radioastronomía , solo pueden lograr una buena sensibilidad de esta manera.

Este principio de recepción solo se puede utilizar con  sensatez hasta aproximadamente 10 10 Hz, porque a frecuencias aún más altas, el fuerte ruido de fase del oscilador del mezclador reduce demasiado la sensibilidad.

El método homodino , en el que las señales LO y HF tienen aproximadamente la misma frecuencia, no es un receptor heterodino con las características descritas . La recibida modulada en amplitud de la señal se convierte directamente (sin IF) a la gama de baja frecuencia, es una directa receptor o mezclador directo . Su principal problema, el fuerte ruido 1 / f , no permite una alta sensibilidad, por lo que solo se utiliza para mezclar frecuencias ópticas, donde el fuerte ruido de fase de los osciladores imposibilita los receptores heterodinos basados ​​en el principio de FI.

historia

Superhet de tubo histórico de 1936 por la empresa Elektrit

El nombre Heterodino o Superheterodino es una palabra nueva, compuesta por la palabra latina super = "sobre" y las palabras griegas hetero = "diferente" y dynamis = "fuerza", y describe la mezcla de dos señales de diferentes frecuencias. En contraste, la palabra griega homόs = "igual" se usa para el nombre del destinatario homodino . El término oscilador local significa que este oscilador está en la ubicación ( lat. Locus = ubicación), es decir, en el receptor heterodino mismo. Superhet o simplemente super son formas cortas comúnmente utilizadas por radioaficionados para receptores heterodinos .

No es posible determinar claramente quién es el inventor del receptor heterodino. El hecho de que el invento cayera durante la Primera Guerra Mundial y que todas las partes en conflicto involucradas estaban trabajando para mejorar la tecnología de radio puede haber jugado un papel en esto. La Wikipedia en inglés nombra a Edwin Armstrong como el inventor del receptor superheterodino , por el que recibió una patente en 1918.

Otras fuentes afirman que Armstrong tuvo la idea de esto en 1918 mientras estaba destinado en Francia. La patente de EE.UU. nº 1.342.885 de Edwin Armstrong describe el principio de superposición. Armstrong solicitó esta patente en los Estados Unidos a principios de 1919 y la obtuvo a mediados de 1920.

Casi al mismo tiempo, se dice que Lucien Lévy (1917) en Francia y Walter Schottky (1918) en Alemania desarrollaron este principio funcional. Lucien Lévy recibió una patente (No. 493.660 y No. 506.297) en Francia en 1919 y 1920 por su diseño de circuito que trabajaba con una frecuencia intermedia (IF).

Uno de los primeros superhets construidos comercialmente fue el Radiola AR-812 de RCA , que se vendió más de 140.000 veces desde 1924 hasta aproximadamente 1927. La empresa alemana DeTeWe desarrolló el "Ultradyn" en 1924/1925. En Francia, se dice que la empresa "Radio LL" de Lucien Lévy fabricó tres receptores domésticos en 1923.

En las décadas que siguieron, el principio de circuito se hizo cada vez más popular debido a sus muchas ventajas. Se han desarrollado y construido muchas variantes de receptores heterodinos, algunos con superposición doble y múltiple (hasta cuatro veces) y mezcla con frecuencia de mezcla constante en lugar de variable, los llamados convertidores , como p. Ej. B. el LNB en tecnología satelital .

La superposición es un método universal y también se utiliza en transmisores . Prácticamente todos inalámbrico de transmisión y recepción de dispositivos disponibles en el mercado hoy en día el trabajo de acuerdo con el principio de superposición ( de radio , walkie-talkie , teléfono móvil , estación base , relé , televisión , satélite ).

Principio de funcionamiento

Diagrama de bloques de un receptor heterodino

En primer lugar, un filtro limita el ancho de banda de la señal de la antena a un rango estrecho alrededor de la frecuencia de recepción deseada. Esto reduce el nivel de voltaje de todas las señales que son generadas por transmisores en otros rangos de frecuencia, lo que significa que se crean menos productos de mezcla no deseados y el amplificador de entrada o mezclador tiene que procesar un voltaje más bajo. En particular, aquí debe suprimirse la frecuencia de la imagen . Los amplificadores de alta frecuencia son necesarios por encima del rango de onda corta para que las señales débiles se eleven por encima del ruido del mezclador y también evitan que la frecuencia LO se irradie a través de la antena. Los receptores de onda media casi nunca tienen preamplificadores de alta frecuencia.

La señal de antena limitada en banda y posiblemente amplificada llega al mezclador y allí se mezcla con la señal del oscilador de sintonización f LO , generándose una serie de nuevas frecuencias . La frecuencia LO se selecciona en una cantidad fija por encima o por debajo de la frecuencia de recepción deseada. La señal mezclada después del mezclador contiene, entre otras cosas, la suma y la diferencia de las frecuencias de entrada y LO, por lo que se retiene la modulación de la señal de entrada. Un paso de banda con frecuencia constante permite que pase uno de los productos mezclados; solo este se amplifica en el amplificador de frecuencia intermedia y luego se demodula . La señal útil (es decir, voz o música durante la recepción de radio) se recupera de la señal de FI .

Etapas del circuito en detalle

Abreviaturas utilizadas:

= Rango de frecuencia de paso de la preselección
= Frecuencia de recepción deseada
= Frecuencia intermedia
= Frecuencia de sintonización
= Frecuencia (s) de diferencia
= Suma de frecuencia (s)

Amplificador / preselección de RF

El amplificador de alta frecuencia tiene varias funciones:

  • Adapta la impedancia de la antena al circuito posterior (se debe pasar un máximo de la potencia absorbida por la antena a la etapa posterior).
  • Amplifica las señales débiles de la antena para que estén por encima del ruido del mezclador. Esto aumenta la sensibilidad de entrada del receptor.
  • Evita que la frecuencia LO llegue a la antena y se emita allí (transmisor de interferencia).
  • En esta etapa, se realiza una preselección para que solo las frecuencias del rango de recepción (banda de paso ) puedan pasar por el amplificador.

La preselección puede ejecutarse con la frecuencia de entrada (típica de la tecnología de válvulas) o en forma de filtros de paso de banda en su mayoría conmutables. La preselección tiene varias tareas:

  • Rechazo de la recepción en la frecuencia de la imagen .
  • Reducción de la tensión máxima de AF de los siguientes componentes activos, porque se suprimen los componentes de tensión de todos los transmisores cuya frecuencia está lo suficientemente alejada. El rango de trabajo lineal de los transistores, etc. es limitado y el comportamiento no lineal daría lugar a efectos de mezcla entre las señales de entrada. Esta interferencia de gran señal puede generar transmisores fantasma y causar un nivel de interferencia que puede enmascarar la señal útil.
  • Supresión de posibles señales en la frecuencia intermedia que pasarían sin obstáculos de la antena al amplificador de FI con los circuitos mezcladores asimétricos, en su mayoría primitivos.

mezclador

Curva de señal de un mezclador superheterodino

En el receptor heterodino, la frecuencia de entrada ( ), incluida su modulación, se convierte en otra frecuencia mediante un mezclador mediante la mezcla con la frecuencia del oscilador de sintonización . Con un mezclador ideal , solo obtienes dos bandas laterales nuevas en la salida con señales en y , pero los mezcladores reales generan un espectro de frecuencia completo.

En el caso del receptor heterodino, la diferencia de frecuencia casi siempre se filtra a partir de este. Con receptores simples en onda larga, media y corta, esto es de 455 kHz, lo que difícilmente permite la supresión de la frecuencia de la imagen en el rango de onda corta porque la frecuencia de la imagen está a solo 910 kHz de distancia. Para VHF, la frecuencia intermedia normal es de 10,7 MHz. En televisores, múltiples superhets y teléfonos móviles, se suele seleccionar una frecuencia significativamente más alta como FI por razones técnicas.

La frecuencia del oscilador es generada por un circuito oscilador . Solo en los primeros días lo generaba el propio mezclador, porque los componentes activos todavía eran muy caros. La principal desventaja de estas etapas de mezclador "auto-oscilantes" es el cambio de frecuencia dependiente de la modulación.

Dado que los mezcladores eran en realidad solo amplificadores saturados, especialmente en los primeros días de la tecnología de recepción, la falla de FI es un problema importante. Con cada mezclador asimétrico, una señal de antena en el IF llega al amplificador de IF sin obstáculos y en su mayoría aún amplificada (excepción: mezclador de diodos) y es tratada por esto como la frecuencia de diferencia deseada. Ambas señales, la señal recibida de mezcla descendente y la señal "penetrante" del transmisor en el IF, se pueden escuchar al mismo tiempo, e incluso la señal interferente puede predominar. Con AM, las dos frecuencias portadoras en el demodulador también generan silbidos de interferencia muy molestos. Con FM, solo se puede escuchar el más fuerte de los dos transmisores debido al umbral de FM .

Dado que este efecto secundario altamente indeseable solo puede eliminarse parcialmente mediante una preselección extremadamente buena y el uso de mezcladores simétricos, se acordó internacionalmente no operar ningún transmisor a una distancia suficiente de las frecuencias de FI habituales de 455 kHz y 10,7 MHz . Nada ha cambiado en ese sentido hasta ahora.

Con la disponibilidad (económica) de tubos de rejilla múltiple y más tarde de transistores de efecto de campo de doble puerta , la mezcla multiplicativa se extendió. Aquí, los dos voltajes se alimentan cada uno a una entrada separada del elemento de control, como las dos puertas de un transistor de efecto de campo de doble puerta o la rejilla de control de un tubo de vacío. La señal de salida está controlada por ambas señales de entrada, lo que crea un efecto de mezcla de las dos señales de control. A frecuencias más altas (en el rango de GHz más alto) uno a menudo - y hoy (2006) todavía usa - un mezclador de anillo de diodos.

La mezcla multiplicativa tiene ligeras ventajas de circuito sobre la mezcla aditiva, por lo que las repercusiones en el amplificador de HF son menores y existe la posibilidad de un control adicional del mezclador, que rara vez se utiliza. Además, produce menos frecuencias de intermodulación y, por tanto, menos "puntos de recepción fantasma".

Ventajas y desventajas de la mezcla de aditivos.

Ventajas:

  • El transistor mezclador también se puede utilizar como oscilador (etapa de mezclador auto-oscilante)

Desventaja:

  • Sin un circuito puente, la frecuencia del oscilador y la frecuencia de entrada difícilmente se pueden desacoplar
  • Crea una gran cantidad de productos mezclados indeseables

Ventajas y desventajas de la mezcla multiplicativa.

Ventajas:

  • Genera menos productos mezclados no deseados
  • El oscilador y la frecuencia de entrada están desacoplados.
  • Es posible regular la ganancia del mezclador

Desventaja:

  • Con la tecnología de transistores, una etapa de mezclador multiplicativo auto-oscilante no es posible, mientras que en la tecnología de tubos, por ejemplo, con un octodo esto definitivamente se implementó.

Oscilador de afinación

La tarea del oscilador de sintonización es generar un voltaje lo más constante posible a la frecuencia deseada con un alto grado de precisión. Esta frecuencia debe ser ajustable en un amplio rango para que pueda sintonizarse con cualquier transmisor deseado dentro del rango de recepción. Hay varios circuitos osciladores adecuados para este propósito. Como regla general, los circuitos resonantes LC se utilizan para obtener una señal de oscilador sinusoidal cuando se trata de sintonizar un área no rasterizada . Sin embargo, si la cuadrícula está claramente especificada (por ejemplo, VHF a 25 kHz) o radio CB, los osciladores LC son una mala elección y los osciladores PLL ocupan su lugar; son mucho más precisos y más baratos, ver más abajo.

La estabilidad de frecuencia (lo que significa que una estación puede recibirse durante un período de tiempo más largo sin tener que reajustar la sintonización manualmente) y la singularidad de la escala (la misma posición de escala del puntero de frecuencia debe proporcionar la misma frecuencia de recepción) depende de en gran medida en el oscilador de sintonización.

Con un sintetizador de HF y seguimiento automático de frecuencia ( AFC ), se puede lograr la independencia de los efectos de la temperatura y el envejecimiento. (Ver VFO , VCO , PLL y DDS ).

Cuando se utiliza un oscilador de sintonización analógico , se puede configurar en el receptor cualquier frecuencia dentro del rango de recepción. Con osciladores sintonizados digitalmente , la frecuencia de entrada solo se puede configurar con un cierto tamaño de paso. Para dispositivos simples de onda corta, por ejemplo, estos suelen ser de 100 Hz o 1 kHz. Los dispositivos controlados por DDS de alta calidad ahora ofrecen pasos de sintonización de 0,1 Hz, por lo que prácticamente ya no puede percibir ninguna diferencia con la sintonización analógica.

Estos incrementos finos no son necesarios para las bandas de radio con una cuadrícula de canales fija ( VHF , TV ). Sin embargo, dado que no todos los transmisores se adhieren al estándar, los buenos receptores de VHF se fabrican con un tamaño de paso en la mitad de la separación de canales (los 25 kHz mencionados anteriormente).

Filtro de frecuencia intermedia

El filtro de FI es un paso de banda para un rango de frecuencia estrecho que bloquea las señales fuera de este rango, pero permite que las frecuencias internas pasen lo más libre posible y sin cambios. Como resultado, solo las frecuencias deseadas de la mezcla de frecuencias en la salida del mezclador se transmiten al amplificador de FI. Por tanto, el filtro de FI tiene una participación significativa en la selectividad del receptor. Dependiendo del ancho de banda de la información transmitida (por ejemplo, señal de voz o video) y el tipo de modulación, se requieren filtros de FI con diferentes anchos de banda .

Curva de señal para un filtro de FI

En los primeros días de la tecnología de radiodifusión y radiodifusión (consulte la historia de la radio ), los filtros de banda formados por dos circuitos resonantes acoplados supercríticamente se usaban como filtros de FI. Posteriormente se complementaron con filtros mecánicos , filtros de cuarzo y filtros cerámicos ( resonadores cerámicos ). Posteriormente se desarrollaron filtros de ondas de superficie acústica ( filtros SAW), con los que fue posible realizar curvas de transmisión incluso complicadas para altas frecuencias en los espacios más pequeños. Sin embargo, cada vez más, los filtros digitales ( procesador de señal digital , DSP) también se utilizan en altas frecuencias, por lo que los filtros AOW también son cada vez menos importantes para los teléfonos móviles.

Los valores habituales para la frecuencia FI son 10,7 MHz (ancho de banda aprox. 50 kHz) para receptores FM para radio VHF y 455 kHz (ancho de banda aprox. 5 ... 9 kHz) para receptores AM en onda larga, media y corta. Los receptores de televisión analógica tienen una frecuencia intermedia de alrededor de 35 MHz y un ancho de banda de filtro de alrededor de 5 MHz para la señal de imagen.

Amplificador de frecuencia intermedia

El amplificador de FI amplifica la señal y limita su amplitud con modulación de frecuencia . La FM puede estar limitada por dos diodos antiparalelos y es necesaria porque los cambios de amplitud, provocados por interferencias en la ruta de transmisión, pueden empeorar la calidad de la recepción. A diferencia de la modulación de amplitud, los cambios de amplitud en FM no transmiten ninguna información y, por lo tanto, pueden eliminarse. Por este motivo, los amplificadores de FI para FM no requieren ninguna regulación.

La amplificación de las etapas individuales en amplificadores AM o SSB IF, por otro lado, debe ser controlable para poder procesar un amplio rango dinámico . De lo contrario, el volumen de recepción de señales débiles y muy fuertes diferiría demasiado.

Especialmente en la tecnología de tubos y transistores discretos, la selección de IF no se organizó como una unidad compacta frente al amplificador de IF. En su lugar, se usaron filtros de banda, generalmente dos circuitos resonantes acoplados magnéticamente, para desacoplar la señal de la salida del mezclador o amplificador y para ajustar la potencia a la siguiente entrada del amplificador.

Hay algunos receptores en el mercado que complementan una de las etapas de FI (generalmente la frecuencia más baja) con tecnología digital o la reemplazan por completo. Las señales analógicas que se alimentan a la etapa de FI se convierten en señales digitales en tiempo real (ver convertidor analógico-digital ) y luego son procesadas por un procesador de señales . Esto tiene la ventaja de que muchas funciones que son difíciles o imposibles de implementar en hardware se pueden implementar en software . Estos incluyen la calidad, entre otras cosas, en el filtro IF de ancho de banda o el filtro de muesca variable (Engl. Filtro de muesca ) que sigue automáticamente la frecuencia de interferencia, por nombrar solo algunas aplicaciones.

Demodulador

El demodulador separa el contenido del mensaje de la frecuencia portadora de alta frecuencia . Los circuitos demoduladores difieren según el modo de funcionamiento:

  • Las señales de frecuencia modulada se demodulan en su mayoría comparando la posición de fase de la señal con la posición de fase de un resonador débilmente acoplado. Este resonador puede ser un circuito oscilante ( discriminador de relación o detector de relación ), un resonador cerámico o un circuito PLL . Si la frecuencia de resonancia y la frecuencia de la señal útil coinciden, hay un cambio de fase de 90 °. Si la frecuencia de la señal útil es menor, el ángulo de fase disminuye; si la frecuencia útil es mayor, aumenta. El voltaje para el control automático de frecuencia ( AFC ) también se genera como subproducto .

Amplificador NF

Amplificación de señal mediante amplificador NF

El amplificador LF vuelve a subir las señales demoduladas hasta tal punto que se pueden utilizar para controlar un altavoz , unos auriculares o un amplificador externo (componente de alta fidelidad). (Nota: Tradicionalmente, la conexión para el amplificador en una radio se conectaba al diodo demodulador; de ahí los nombres "enchufe de diodo", "cable" o "enchufe" para los componentes de conexión correspondientes). El amplificador de audio puede usar el sonido Afectar propiedades , como subir o bajar los máximos y mínimos.

Control de ganancia automática

El control automático de ganancia , abreviado como AVR en alemán ( control automático de ganancia , AGC), compensa las fluctuaciones en la intensidad del campo recibido . Para ello, la tensión de control obtenida del demodulador se alimenta a las etapas HF / IF (regulación inversa) o al amplificador LF (regulación directa). Allí, la ganancia de la etapa aumenta o disminuye en consecuencia. Esto hace posible reproducir emisoras débiles y fuertes al mismo volumen o compensar la pérdida de recepción de onda corta.

Control automático de frecuencia

El control automático de frecuencia , abreviado AFR en alemán ( control automático de frecuencia , AFC), compensa las fluctuaciones en la frecuencia de recepción.

Consideración de las etapas discutidas hasta ahora en un diagrama de circuito.

El sintonizador VHF que se muestra en la imagen tiene un amplificador HF ajustable (amarillo), un mezclador multiplicativo (verde) y un VCO (rojo). El sintonizador está equipado con FET de doble puerta, que se caracterizan por una alta resistencia de entrada y un bajo ruido inherente. La principal ventaja sobre otros diseños es que estos componentes contienen dos transistores en forma de circuito en cascodo , por lo que la retroalimentación capacitiva desde la salida (drenaje) a la puerta 1 es tan baja que el amplificador funciona de manera estable incluso sin neutralización.

Diagrama de circuito de un sintonizador de FM.
Conexiones:
1: Voltaje de control para cambiar la ganancia del preamplificador HF.
2: Conexión de antena no balanceada, 75 ohmios
3: Tierra
4: Voltaje de sintonización para la búsqueda de emisoras
5 y 6: Salida al amplificador de FI
7: Sesgo del diodo de capacitancia
8: AFC del demodulador de FM

Amplificador / preselección de RF

Para transferir tanta energía recibida como sea posible desde el cable coaxial de 75 ohmios al primer circuito resonante, la impedancia de la antena se acopla a la etapa del amplificador de RF a través del transformador L1 / L2 . L2, C2, C3, D1, D2 forman el primer circuito previo (circuito resonante paralelo ), cuya frecuencia se puede sintonizar mediante los diodos de capacitancia D1, D2. El voltaje de sintonización necesario proviene de la resistencia en serie R8. C3 se utiliza para ajustar el primer circuito previo (destinado al fabricante o al técnico de servicio).

La frecuencia de entrada preseleccionada se envía a través de C4 a la puerta 1 (G1) de Q1, que amplifica la frecuencia de entrada. Su ganancia se puede cambiar a través de la puerta 2 (G2). C7 asegura que G2 esté "conectado a tierra" en términos de voltaje de CA (es decir, conectado a potencial cero), porque esta es la única forma de asegurar el blindaje interno entre la entrada y la salida. La frecuencia de entrada amplificada se transfiere inductivamente al siguiente circuito previo, que forma otro circuito resonante paralelo con C9, C10, D3, D4 y se puede sintonizar con D3, D4.

Mezclador y primer filtro IF

La frecuencia de entrada viene a través de un tap (divisor de voltaje inductivo) de L4 a través de C11 a G1 de Q2. Dado que la conductancia del transistor superior del circuito cascodo Q2 puede ser cambiada por la tensión del oscilador, se produce una mezcla en la que también se produce la frecuencia intermedia, normalmente 10,7 MHz. Esto se filtra mediante el primer paso de banda de FI y se transmite a través de las conexiones 5 y 6 al siguiente amplificador de frecuencia intermedia .

Oscilador de afinación (VCO)

El transistor Q3 del oscilador opera en base común . La tensión de funcionamiento llega al colector del transistor a través de R25, L5, R23. C26, C25 se utilizan para bloquear la tensión de funcionamiento y no son determinantes de frecuencia para el circuito oscilador L5, C24, D6, D7, ya que solo representan un cortocircuito a esta frecuencia (C26 = C25 = 560 pF). C22 crea una retroalimentación positiva para que el oscilador oscile. Junto con C20, la condición de fase de 0 ° se cumple en este circuito oscilador.

R26, R21 y D5 forman el divisor de voltaje base, y D5 se utiliza para la compensación de temperatura. Esto es necesario para que la frecuencia del oscilador cambie solo ligeramente con las fluctuaciones de temperatura.

C19 elimina la interferencia de alta frecuencia en la tensión de funcionamiento. Lo mismo se aplica a C16, C17 para el voltaje de sintonización. La entrada AFC conduce a un diodo de capacitancia que puede cambiar la frecuencia del oscilador en unos pocos kilohercios para mantener la frecuencia intermedia de 10,7 MHz. Solo entonces los pasos de banda producen la menor cantidad de distorsión en el contenido de modulación.

El voto

Como ya se mencionó en la explicación del oscilador de sintonización, el usuario puede configurar su frecuencia. Las posibles frecuencias de recepción son siempre más altas o más bajas que la frecuencia del oscilador de sintonización por la cantidad de la frecuencia de FI :

  • con upmixing:
  • con mezcla descendente:

Uno de estos es deseable, el otro se llama frecuencia de imagen y debe ser suprimido por filtros de banda en frente del mezclador o por el método IQ .

Por ejemplo , si desea una estación en el rango de frecuencia de 800 a 1200 kHz, puede configurarla en 1455 kHz. Entonces estas frecuencias y sus sumas y diferencias están disponibles en la salida del mezclador . El filtro IF solo deja pasar 455 kHz. La única frecuencia en el rango a partir de la cual puede cumplir esta condición es la frecuencia de recepción de 1000 kHz. Una adición de la frecuencia de entrada con la frecuencia de sintonización es siempre ≥2255 kHz; entonces solo existe la diferencia:

En la práctica, no es solo esta única frecuencia la que puede pasar a través del filtro, ya que esto corta las bandas laterales que contienen la modulación. Se selecciona un ancho de banda adecuado del filtro de FI de, por ejemplo, 10 kHz (que luego da como resultado el ancho de banda utilizable de la señal de audio útil) para permitir que pasen todas las frecuencias entre aproximadamente 450 y 460 kHz. Esto corresponde a la señal total de un transmisor de onda media de amplitud modulada, que ocupa un rango entre 995 y 1005 kHz.

En el ejemplo anterior, solo se permitieron 800 a 1200 kHz. La eliminación de esta preselección revela una desventaja del superhet y la necesidad de limitar el ancho de banda de recepción en el preamplificador de RF (o delante del mezclador) utilizando un filtro.

Posición de la frecuencia de la imagen

Si las frecuencias de recepción incluso más altas pudieran llegar al mezclador, todavía habría una diferencia de frecuencia de y , lo que da como resultado 455 kHz:

.

Además de la frecuencia de recepción deseada de 1000 kHz, la frecuencia de 1910 kHz también se mezclaría hasta la FI, se pasaría al amplificador de FI y se desmodularía. Esta segunda frecuencia de recepción no deseada se denomina frecuencia de imagen. Se refleja con el intervalo entre la frecuencia de FI y la frecuencia de sintonización.

Para receptores con supresión de frecuencia de imagen insuficiente, cada transmisor se recibe dos veces (si la frecuencia del oscilador de sintonización se puede cambiar lo suficiente): una vez en la frecuencia de transmisión real y una segunda vez como la frecuencia de imagen de este transmisor en la frecuencia . Esto es desagradable, pero a menudo no es muy molesto. El problema de la recepción de frecuencia de espejo, cuando la frecuencia de recepción y la frecuencia de la imagen están ocupadas por un transmisor, lo cual es muy común en la ocupación de banda alta. Luego, ambos transmisores se demodulan al mismo tiempo y se produce una interferencia audible.

Ventajas y desventajas

Ventajas:

  • El superhet es la mejor manera de procesar de manera estable frecuencias de recepción muy altas, como las que ocurren con la recepción de FM o satélite. Un receptor directo no es adecuado para esto porque tiene muy poca ganancia y un ancho de banda demasiado grande. Un receptor de mezcla directa es demasiado insensible debido a su alto ruido 1 / f .
  • La modulación de frecuencia solo puede demodularse bien si la relación de desviación de frecuencia / frecuencia es lo más grande posible. Por tanto, el circuito se simplifica considerablemente reduciendo la frecuencia.
  • El filtro de FI se establece en una frecuencia fija, que suele ser más baja que la frecuencia de recepción. Por tanto, es más fácil diseñar el filtro con un factor de calidad superior .
  • El amplificador de FI se puede configurar eléctricamente de forma más estable a bajas frecuencias que a frecuencias más altas. Se puede lograr una ganancia general alta sin riesgo de retroalimentación y con algunas etapas de amplificación, ya que la señal se amplifica a diferentes frecuencias.
  • Esta alta ganancia general se reduce sistemáticamente ( control automático de ganancia ) de modo que se mida aproximadamente la misma intensidad de señal en la salida, incluso si el voltaje de la antena cambia en varios órdenes de magnitud. Consulte también compensación por contracción .
  • Un filtro que trabaja directamente en la frecuencia de recepción debe ser sintonizable (la frecuencia se puede cambiar) para que se puedan recibir diferentes frecuencias (transmisores). Los filtros sintonizables de banda estrecha de alta calidad son difíciles de implementar a altas frecuencias; también cambian su ancho de banda con la frecuencia de recepción.
  • Un filtro con una frecuencia baja fija aumenta la reproducibilidad del receptor relacionada con la producción de manera bastante decisiva en comparación con otros conceptos como el receptor directo o el audion . Para una gran parte del complejo trabajo de ajuste que se requiere para una audición de circuitos múltiples, un ajuste único durante la fabricación es suficiente para el Superhet.
  • Si se utilizan filtros de ondas acústicas de superficie (en dispositivos antiguos: varios filtros de banda), se logra una curva de transmisión casi rectangular, lo que permite un alto grado de selectividad a través de una gran inclinación del borde sin recortar las altas frecuencias.
  • A diferencia del receptor directo, la frecuencia del oscilador se puede configurar y estabilizar digitalmente con un PLL , por ejemplo . Esto significa que la frecuencia de recepción también se puede controlar de forma remota.
  • Finalmente, cabe mencionar la facilidad de uso (“operación con un solo botón”) que conlleva el principio de superposición.

Desventaja:

  • El principio de superposición crea un punto de recepción secundario (frecuencia de imagen), que puede suprimirse mediante un mayor esfuerzo de filtrado frente al mezclador o con circuitos especiales como el método de fase (método IQ).
  • El uso de un mezclador demasiado simple puede generar subproductos no deseados y "puntos de silbido" debido a la intermodulación .
  • El ruido de fondo del receptor aumenta con el oscilador de sintonización adicional y el mezclador en comparación con un receptor directo. A frecuencias muy altas por encima de aproximadamente 5 GHz, el ruido de fase del oscilador es tan alto que la sensibilidad de un receptor heterodino se reduce notablemente. Con circuitos complicados, este límite de frecuencia se puede extender a alrededor de 50 GHz en casos especiales.
  •  Ya no se puede construir un receptor heterodino en frecuencias ópticas ( 10-14 Hz) porque ningún oscilador conocido ( láser ) tiene la precisión y constancia de frecuencia necesarias. En esta área, se utilizan necesariamente receptores de mezcla directa insensibles .
  • Partes de la señal del oscilador local se difunden a través de la antena receptora y, por tanto, permiten que el sistema receptor sea localizado por otros receptores con antenas direccionales , siempre que se conozca la frecuencia. Sin embargo, esta desventaja es en gran parte insignificante para uso civil. Sin embargo, en casos extremos, también puede interferir con otros receptores.

Variantes de circuito

A altas frecuencias, la superposición única tiene la desventaja de que a una frecuencia intermedia baja (455 kHz) la frecuencia de la imagen difícilmente puede separarse de la frecuencia de recepción deseada. Si elige una frecuencia intermedia alta (10,7 MHz), el ancho de banda de los filtros de FI también aumenta significativamente. Por este motivo, y en respuesta a requisitos especiales, se han desarrollado variantes del receptor heterodino.

Receptores de superposición doble y múltiple

Con un superheterodio único, la frecuencia intermedia seleccionada es siempre un compromiso. Por un lado, debe ser lo más bajo posible, porque el filtro de FI se puede construir con bordes pronunciados y un factor de alta calidad para bajas frecuencias . Por otro lado, una FI baja agrava el problema de la frecuencia de la imagen. Cuanto menor sea la frecuencia de FI, menor será la distancia entre la frecuencia de recepción y una señal en la frecuencia de la imagen (distancia = ).

Por lo tanto, una FI baja requiere una preselección de banda estrecha para suprimir eficazmente la frecuencia de la imagen. Esto se vuelve cada vez más difícil cuanto más altas son las frecuencias de recepción, ya que el filtro en la preselección debe tener una calidad más alta con el mismo ancho de banda.

Figura 1: Diagrama de bloques de un receptor de radioaficionado (receptor de todos los modos / doble conversión) con SSB y FM de banda estrecha (NFM)

Para solucionar este problema, la doble conversión funciona con dos frecuencias intermedias. En los receptores de radioaficionados y de onda corta , a menudo se selecciona la primera FI en el rango de 40 a 70 MHz y se utiliza la segunda FI de 455 kHz o menos. El oscilador de sintonía ( VCO en la Fig. 1) oscila aquí por la frecuencia central de la 1ª FI mayor que .

Debido a la primera FI alta, las frecuencias de la imagen están muy lejos de la frecuencia útil recibida en el rango de 40 ... 100 MHz. En principio, un filtro de paso bajo de 30 MHz era suficiente como preselección en la etapa previa de RF. En la mayoría de los casos, sin embargo, estos receptores tienen varios filtros de paso de banda conmutables para permitir tantos transmisores potentes como sea posible, p. Ej. B. en el rango de onda corta media o baja, se desvanecen.

En este primer FI alto, los filtros de cristal son caros y tienen una selección limitada. Por lo tanto, el mismo filtro ( filtro de techo ) con un ancho de banda usable típicamente de 12 kHz se usa para todos los modos de operación y se convierte a una segunda frecuencia intermedia significativamente más baja con una segunda señal de oscilador (oscilador de cristal en la Figura 1). La selección adicional puede entonces, como con un solo super, en z. B. Se pueden realizar 455 kHz. El filtro de techo reduce en gran medida la ventana de frecuencia que las otras etapas deben procesar y, por lo tanto, mantiene alejada una gran cantidad de señales extrañas fuertes. Punto débil: si un transmisor no deseado está lo suficientemente cerca como para que su señal sea permitida por el filtro de cristal ancho, pero no por el filtro más estrecho de la segunda FI, el segundo mezclador puede saturarse.

Una variante que ahora es popular es utilizar una segunda (o tercera) frecuencia de FI significativamente más baja, digitalizar esta señal de FI con un convertidor de analógico a digital y procesarla digitalmente, incluida la demodulación.

Triple Super Barlow Wadley XCR-30

Es posible ajustar más de un oscilador. Este principio se utiliza, por ejemplo, en el receptor de onda corta Barlow Wadley XCR-30 . Con este receptor, la señal de entrada deseada se mezcla con un oscilador ajustable en el primer rango de FI de 44,5 a 45,5 MHz. Este primer oscilador se utiliza para seleccionar el rango de MHz. A continuación, la primera FI se mezcla con una señal de oscilador de 42,5 MHz constantes en el segundo rango de FI entre 2 y 3 MHz. La frecuencia de recepción deseada en el rango de kilohercios se establece a partir de la segunda FI con un circuito de recalentamiento simple normal y se mezcla hasta la tercera FI de 455 kHz. Este principio requiere dos procesos de sintonización: la selección del rango de frecuencia de MHz con la primera rueda de sintonización (MHz SET) y luego la selección de la frecuencia de recepción dentro de esta sección de MHz con una segunda rueda de sintonización (kHz SET).

Las ventajas de este circuito son una buena precisión de lectura y repetición para un receptor analógico y una supresión de frecuencia de imagen muy alta. Esto funciona sin un PLL, es decir, sin las posibles fuentes de interferencia de alta frecuencia asociadas, pero adolece de un comportamiento deficiente de señales grandes. Dado que la selección solo tiene lugar en la quinta etapa, las estaciones vecinas pueden anular las etapas anteriores sin poder escuchar estas estaciones.

Convertidor, convertidor de frecuencia

Los convertidores o convertidores de frecuencia son balastos que convierten un rango de frecuencia en otro. Se utilizan principalmente para "abrir" nuevos rangos de frecuencia a los dispositivos existentes. Para ello, el rango de frecuencia a recibir se mezcla con una frecuencia constante en el primer mezclador, reubicando así una banda de frecuencia completa a otro rango de frecuencia. Dentro de este rango de frecuencia, se sintoniza un súper único o múltiple en la estación deseada.

Un ejemplo es el LNB en tecnología satelital. Esto reduce la frecuencia de recepción de alrededor de 10,7–12,7 GHz a alrededor de 1–2 GHz y envía esta primera frecuencia intermedia al receptor de satélite a través de un cable más largo . Aquí, el primer filtro de FI no es un filtro de frecuencia fija como en un receptor convencional, pero el receptor de satélite es en sí mismo un superhet que convierte el rango de frecuencia proveniente del LNB (principalmente de 950 a 2150 MHz) a 480 MHz.

Los convertidores de frecuencia se siguen utilizando al convertir la banda de radioaficionado de 70 cm a la banda de radioaficionado de 2 m (histórico) y al convertir transmisores de UHF a la banda de VHF (histórico). Para los televisores más antiguos, hay convertidores que convierten el rango de frecuencia de los canales de cable especiales en el rango de UHF, y para las radios de los automóviles hay convertidores que reubican partes de las bandas de HF al rango de MW.

Receptor de medición

Se utiliza un receptor de medición, similar a un analizador de espectro  , para determinar el espectro de magnitud de una señal electromagnética . El principio utilizado no es diferente al de un analizador de espectro. La demodulación tiene lugar aquí con los detectores con los que se evalúan los niveles de señal. Sin embargo, antes de mezclar la señal, se preselecciona la señal de RF. Un receptor de medición no barre continuamente sobre un rango de frecuencia ( intervalo ) como el analizador , sino que se seleccionan frecuencias discretas en las que se va a medir el nivel.

Como contraparte del "barrido de frecuencia" del analizador, los receptores de prueba modernos tienen un "barrido de frecuencia" (que a menudo se denomina "barrido"). Aquí, en un cierto rango de frecuencia durante un tiempo definido se mide a una frecuencia larga antes de que el dispositivo ejecute un paso automático (engl. Step ) a la siguiente frecuencia de medición y se vuelva a medir. El tamaño del paso depende del ancho de banda de resolución respectivo, que a su vez está prescrito en los estándares. El tiempo de medición o el tiempo de permanencia se seleccionará en función de la señal a medir. En el caso de señales de banda estrecha, el tiempo puede seleccionarse para que sea comparativamente pequeño, pero en el caso de señales transitorias (interferencias) que ocurren periódicamente, el tiempo de medición debe adaptarse a la frecuencia de repetición.

En los receptores de prueba modernos, el filtrado de FI y los detectores son parcial o completamente digitales. Los requisitos para medir los receptores y sus detectores se especifican internacionalmente en CISPR 16-1-1.

Hoy en día, surgen cada vez más procesos que utilizan la transformada rápida de Fourier (Engl. Fast Fourier Transformation, FFT) empatizan con la funcionalidad y precisión de un receptor de medición. El objetivo principal es acortar los largos tiempos de medición, ya que son necesarios para las mediciones de compatibilidad electromagnética . Las medidas de este tipo se denominan medidas en el dominio del tiempo o medidas en el dominio del tiempo en círculos especializados. En Alemania en particular, se han llevado a cabo muchas investigaciones en los últimos años y han surgido soluciones, tanto implementadas en receptores de prueba comerciales como a partir de componentes individuales (receptor de prueba, osciloscopio digital, PC) que puede construir usted mismo.

Condiciones

Unicidad
Una señal de entrada debe coincidir claramente con la pantalla de escala o frecuencia. En el otro caso se habla de ambigüedad.
sensibilidad
La sensibilidad de un receptor indica cuánto más fuerte debe compararse una señal útil (una transmisión de radio o similar) con el ruido para que la recepción de esta señal útil sea aún posible. La señal de entrada debería ser fácil de captar a pesar del ruido de las etapas del receptor y el ruido externo alimentado a través de la antena, independientemente del modo de funcionamiento.
afinar
Independientemente del tipo de transmisión (WFM - radio VHF, SSB, CW, etc.), debe haber una buena coordinación con una selectividad constante.
Compresión, resistencia a sobrecargas
De forma análoga a la sensibilidad, representa el límite superior del rango dinámico y se indica mediante el punto de compresión de 1 dB.
Modulación cruzada, efecto de taponamiento
Si el transmisor receptor toma el control de la información / modulación de un transmisor vecino fuerte, esto se denomina modulación cruzada . En el caso de los portadores de HF codificados, se habla del efecto de relleno en el mismo caso.
selectividad
La selectividad o selectividad se refiere a la capacidad del receptor para filtrar el deseado de una pluralidad de transmisores de frecuencia estrechamente espaciados.
Supresión de frecuencia de imagen
El valor de la supresión de la frecuencia de la imagen indica qué tan bien se atenúan las frecuencias de la imagen, el valor está en decibelios , los valores más altos son mejores.
estabilidad
La señal útil siempre debe ser fácil de recibir, independientemente de las influencias térmicas y / o eléctricas.
Cubrir
La suma de dos vibraciones se llama superposición. Para el receptor heterodino, el término en realidad no es correcto, ya que aquí tiene lugar una mezcla (es decir, una multiplicación). Sin embargo, lo que se quiere decir es la suma de la cantidad en decibelios , lo que equivale a una multiplicación.

Apéndice matemático

La formación de las dos bandas laterales durante la mezcla (mezclador ideal; multiplicador) se puede explicar matemáticamente de la siguiente manera:

La señal de entrada es

,

es la señal del oscilador de sintonización ideal

.

La salida del multiplicador es entonces

.

La aplicación de los teoremas de la suma da como resultado

.

La parte corresponde a

la banda lateral superior ( )

y

la banda lateral inferior ( ).

diverso

Diagrama de bloques de un estéreo convencional -Empfängers ( receptor ) con VCO, PLL y control por microcomputadora:

Receptor estéreo

Vista de la placa de circuito de un receptor heterodino:

Sintonizador de HK AVR 41

El sintonizador de FM (1) contiene las etapas de HF, el oscilador ( VCO ) y el mezclador. Las etapas de HF y el oscilador se sintonizan mediante diodos de capacitancia . El sintonizador tiene, entre otras cosas, una entrada para el voltaje de sintonización y una salida para la frecuencia del oscilador (para PLL). Los tres filtros cerámicos de 10,7 MHz para la FI se pueden ver en (2). El IF se alimenta al IC (3) que, entre otras cosas, contiene el demodulador de FM. El cuarzo de 7.1 MHz de uso frecuente en (4) es responsable de la frecuencia de referencia del PLL. El PLL-IC (generalmente un LM 7000, LM 7001) es un componente SMD en la parte posterior de la placa de circuito y no se puede ver.

Se realizó una aplicación del principio heterodino en el infrarrojo con el interferómetro espacial infrarrojo , en el que la radiación capturada se mezcla con la de los láseres infrarrojos y se convierte en HF.

En general, el principio de detección de heterodinos se usa en disposiciones ópticas, p. Ej. B. modulando la radiación láser monocromática de banda muy estrecha mediante moduladores acústico-ópticos (= oscilador local) y generando así frecuencias de luz que se desplazan ligeramente hacia arriba y hacia abajo, que luego pueden separarse fácilmente de la frecuencia de salida mediante filtros de interferencia o Fabry- Perot etalones .

literatura

  • Jens Heinich: Una breve crónica de la historia de la radio. Hein, Dessau 2002. ISBN 3-936124-12-4 .
  • Martin Gerhard Wegener: tecnología de recepción de radio moderna. Franzis, Múnich 1985, ISBN 3-7723-7911-7 .
  • Ferdinand Jacobs: Curso de tecnología de radio. Franzis, Munich 1951, ISBN 3-7723-5362-2 (2 volúmenes).
  • Philips GmbH (Ed.): Lecciones de Philips. Volumen 1. Introducción y fundamentos. Libros especializados de Philips. Hamburgo 1987.
  • Otto Limann, Horst Pelka: Tecnología de radio sin balasto. Introducción a la tecnología de circuitos de receptores de radio. 16ª edición. Franzis, Munich 1984, ISBN 3-7723-5266-9 .
  • Dieter Nührmann: La electrónica del gran libro de trabajo. Franzis, Poing 2001. ISBN 3-7723-5575-7
  • Heinrich Hübscher (Ed.) Entre otras cosas: ingeniería eléctrica. Formación especializada en electrónica de comunicaciones. Volumen 2. Radio, televisión, tecnología de radio. Westermann, Braunschweig 1989, ISBN 3-14-221330-9 .
  • W. Rohländer: El superheter. En: radioaficionado. Theuberger, Berlín 1977, ISSN  0016-2833 , p. 193.
  • Christoph Rauscher: Conceptos básicos del análisis de espectro. 3a edición, Rohde & Schwarz, Munich 2007, ISBN 978-3-939837-00-8 .
  • Ralf Rudersdorfer: compendio de receptores de radio. Primera edición, Elektor, Aquisgrán 2010, ISBN 978-3-89576-224-6 .

enlaces web

Commons : Overlay Receiver  : colección de imágenes, videos y archivos de audio

Evidencia individual

  1. Artículo sobre Edwin Armstrong en Wikipedia en idioma inglés
  2. ^ Alan Douglas: ¿Quién inventó el superheterodino ?. , Artículo original: The Legacies of Edwin Howard Armstrong. En: Proceedings of the Radio Club of America No. 3, 1990, Vol.64
  3. Patente US1342885 : Método para recibir oscilaciones de alta frecuencia. Inventor: Edwin H. Armstrong.
  4. Patente FR493660 .
  5. Patente FR506297 .
  6. Radiola AR-812 (inglés) → Sitio web ya no disponible → Archivo (14 de septiembre de 2005 9:35 am) ( Memento del 14 de septiembre de 2005 en Internet Archive )
  7. Interferencias de radio de relojes despertadores antiguos en el tráfico aéreo (heise.de)
Esta versión se agregó a la lista de excelentes artículos el 26 de enero de 2005 .