Un receptor superheterodino , a menudo abreviado como superhet , es un tipo de receptor de radio que utiliza mezcla de frecuencias para convertir una señal recibida en una frecuencia intermedia fija (IF) que puede procesarse más convenientemente que la frecuencia portadora original . Fue inventado por el ingeniero y fabricante de radios francés Lucien Lévy . [1] [ ¿ fuente poco confiable? ] Prácticamente todos los receptores de radio modernos utilizan el principio superheterodino.
Las primeras transmisiones de radio en código Morse se producían utilizando un alternador conectado a una vía de chispa . La señal de salida tenía una frecuencia portadora definida por la construcción física del espacio, modulada por la señal de corriente alterna del alternador. Dado que la frecuencia de salida del alternador estaba generalmente en el rango audible, esto produce una señal audible de amplitud modulada (AM). Unos simples detectores de radio filtraban la portadora de alta frecuencia, dejando la modulación, que se transmitía a los auriculares del usuario como una señal audible de puntos y rayas.
En 1904, Ernst Alexanderson introdujo el alternador Alexanderson , un dispositivo que producía directamente una salida de radiofrecuencia con mayor potencia y eficiencia mucho mayor que los sistemas de chispas más antiguos. Sin embargo, a diferencia del explosor, la salida del alternador era una onda portadora pura con una frecuencia seleccionada. Cuando se detectan en receptores existentes, los puntos y rayas normalmente serían inaudibles o "supersónicos". Debido a los efectos de filtrado del receptor, estas señales generalmente producían un clic o un golpe, que eran audibles pero dificultaban la determinación de puntos a partir de guiones.
En 1905, al inventor canadiense Reginald Fessenden se le ocurrió la idea de utilizar dos alternadores Alexanderson que operaban en frecuencias muy espaciadas para transmitir dos señales, en lugar de una. Luego, el receptor recibiría ambas señales y, como parte del proceso de detección, solo la frecuencia del batido saldría del receptor. Al seleccionar dos portadoras lo suficientemente cercanas como para que la frecuencia del batido fuera audible, el código Morse resultante podría volver a escucharse fácilmente incluso en receptores simples. Por ejemplo, si los dos alternadores funcionaran a frecuencias separadas por 3 kHz, la salida de los auriculares serían puntos o rayas de un tono de 3 kHz, lo que los haría fácilmente audibles.
Fessenden acuñó el término " heterodino ", que significa "generado por una diferencia" (en frecuencia), para describir este sistema. La palabra se deriva de las raíces griegas hetero- "diferente" y -dyne "poder".
El código Morse se utilizó ampliamente en los primeros días de la radio porque era fácil de producir y de recibir. A diferencia de las transmisiones de voz, la salida del amplificador no tenía que coincidir exactamente con la modulación de la señal original. Como resultado, se podría utilizar cualquier número de sistemas de amplificación simples. Un método utilizó un efecto secundario interesante de los primeros tubos amplificadores triodos . Si tanto la placa (ánodo) como la rejilla estuvieran conectadas a circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia y la ganancia de la etapa fuera mucho mayor que la unidad , el acoplamiento capacitivo perdido entre la rejilla y la placa haría que el amplificador entrara en oscilación.
En 1913, Edwin Howard Armstrong describió un sistema receptor que utilizaba este efecto para producir una salida audible en código Morse utilizando un solo triodo. La salida del amplificador tomada en el ánodo se conectó nuevamente a la entrada a través de un "cosquilleo", lo que provocó una retroalimentación que impulsó las señales de entrada mucho más allá de la unidad. Esto provocó que la salida oscilara a una frecuencia elegida con gran amplificación. Cuando la señal original se cortaba al final del punto o raya, la oscilación decaía y el sonido desaparecía después de un breve retraso.
Armstrong se refirió a este concepto como receptor regenerativo , e inmediatamente se convirtió en uno de los sistemas más utilizados de su época. Muchos sistemas de radio de la década de 1920 se basaban en el principio regenerativo y continuó utilizándose en funciones especializadas hasta la década de 1940, por ejemplo en el IFF Mark II .
Había una función para la que el sistema regenerativo no era adecuado, ni siquiera para fuentes de código Morse, y era la tarea de radiogoniometría , RDF.
El sistema regenerativo era altamente no lineal y amplificaba cualquier señal por encima de un cierto umbral en una cantidad enorme, a veces tan grande que provocaba que se convirtiera en un transmisor (que era la base completa del sistema IFF original ). En RDF, la intensidad de la señal se utiliza para determinar la ubicación del transmisor, por lo que se requiere una amplificación lineal para permitir medir con precisión la intensidad de la señal original, a menudo muy débil.
Para abordar esta necesidad, los sistemas RDF de la época utilizaban triodos que operaban por debajo de la unidad. Para obtener una señal utilizable de un sistema de este tipo, se tuvieron que utilizar decenas o incluso cientos de triodos, conectados entre sí del ánodo a la red. Estos amplificadores consumían enormes cantidades de energía y requerían un equipo de ingenieros de mantenimiento para mantenerlos en funcionamiento. Sin embargo, el valor estratégico de la radiogoniometría con señales débiles era tan alto que el Almirantazgo británico consideró que el alto costo estaba justificado.
Aunque varios investigadores descubrieron el concepto superheterodino y presentaron patentes con sólo meses de diferencia (ver más abajo), a menudo se le atribuye el concepto al ingeniero estadounidense Edwin Armstrong . Lo encontró mientras consideraba mejores formas de producir receptores RDF. Había llegado a la conclusión de que pasar a frecuencias más altas de "onda corta" haría que el RDF fuera más útil y estaba buscando medios prácticos para construir un amplificador lineal para estas señales. En ese momento, la onda corta era cualquier valor superior a 500 kHz, más allá de las capacidades de cualquier amplificador existente.
Se había observado que cuando un receptor regenerativo entraba en oscilación, otros receptores cercanos también comenzaban a captar otras estaciones. Armstrong (y otros) finalmente dedujeron que esto fue causado por un "heterodino supersónico" entre la frecuencia portadora de la estación y la frecuencia de oscilación del receptor regenerativo. Cuando el primer receptor comenzaba a oscilar a altas salidas, su señal regresaba a través de la antena para ser recibida en cualquier receptor cercano. En ese receptor, las dos señales se mezclaron tal como lo hacían en el concepto heterodino original, produciendo una salida que es la diferencia de frecuencia entre las dos señales.
Por ejemplo, considere un receptor solitario que estaba sintonizado en una estación a 300 kHz. Si se instala un segundo receptor cerca y se configura en 400 kHz con alta ganancia, comenzará a emitir una señal de 400 kHz que se recibirá en el primer receptor. En ese receptor, las dos señales se mezclarán para producir cuatro salidas, una a los 300 kHz originales, otra a los 400 kHz recibidos y dos más, la diferencia a 100 kHz y la suma a 700 kHz. Este es el mismo efecto que había propuesto Fessenden, pero en su sistema las dos frecuencias fueron elegidas deliberadamente para que la frecuencia del batido fuera audible. En este caso, todas las frecuencias están mucho más allá del rango audible y, por tanto, son "supersónicas", lo que da lugar al nombre de superheterodino.
Armstrong se dio cuenta de que este efecto era una solución potencial al problema de la amplificación de "onda corta", ya que la salida de "diferencia" aún conservaba su modulación original, pero en una frecuencia portadora más baja. En el ejemplo anterior, se puede amplificar la señal de ritmo de 100 kHz y recuperar la información original a partir de ella; el receptor no tiene que sintonizar la portadora original de 300 kHz más alta. Seleccionando un conjunto apropiado de frecuencias, incluso las señales de muy alta frecuencia podrían "reducirse" a una frecuencia que podría ser amplificada por los sistemas existentes.
Por ejemplo, para recibir una señal a 1500 kHz, mucho más allá del rango de amplificación eficiente en ese momento, se podría configurar un oscilador a, por ejemplo, 1560 kHz. Armstrong se refirió a esto como el " oscilador local " o LO. Como su señal se enviaba a un segundo receptor en el mismo dispositivo, no tenía que ser potente, generando solo la señal suficiente para tener una intensidad aproximadamente similar a la de la estación recibida. [a] Cuando la señal del LO se mezcla con la de la estación, una de las salidas será la frecuencia de diferencia heterodina, en este caso, 60 kHz. A esta diferencia resultante la denominó " frecuencia intermedia ", a menudo abreviada como "IF".
En diciembre de 1919, el mayor EH Armstrong dio publicidad a un método indirecto para obtener amplificación de onda corta, llamado superheterodino. La idea es reducir la frecuencia entrante, que puede ser, por ejemplo, 1.500.000 ciclos (200 metros), a alguna frecuencia superaudible adecuada que pueda amplificarse de manera eficiente, luego pasar esta corriente a través de un amplificador de frecuencia intermedia y finalmente rectificar y transportar. a una o dos etapas de amplificación de audiofrecuencia. [2]
El "truco" del superheterodino es que cambiando la frecuencia LO puedes sintonizar diferentes estaciones. Por ejemplo, para recibir una señal a 1300 kHz, se podría sintonizar el LO a 1360 kHz, lo que daría como resultado la misma FI de 60 kHz. Esto significa que la sección del amplificador se puede sintonizar para funcionar a una sola frecuencia, la IF de diseño, lo cual es mucho más fácil de hacer de manera eficiente.
Armstrong puso sus ideas en práctica y la técnica pronto fue adoptada por los militares. Era menos popular cuando comenzaron las transmisiones de radio comerciales en la década de 1920, principalmente debido a la necesidad de un tubo adicional (para el oscilador), el costo generalmente más alto del receptor y el nivel de habilidad requerido para operarlo. Para las primeras radios domésticas, los receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF) eran más populares porque eran más baratos, más fáciles de usar para un propietario no técnico y menos costosos de operar. Armstrong finalmente vendió su patente superheterodina a Westinghouse , que luego la vendió a Radio Corporation of America (RCA) , monopolizando esta última el mercado de receptores superheterodinos hasta 1930. [4]
Debido a que la motivación original para el superhet fue la dificultad de usar el amplificador triodo a altas frecuencias, había una ventaja en usar una frecuencia intermedia más baja. Durante esta época, muchos receptores utilizaban una frecuencia IF de sólo 30 kHz. [5] Estas bajas frecuencias de FI, que a menudo utilizan transformadores de FI basados en la autorresonancia de transformadores con núcleo de hierro , tenían un rechazo deficiente de la frecuencia de imagen, pero superaron la dificultad de usar triodos en frecuencias de radio de una manera que competía favorablemente con los menos robustos. Receptor TRF neutrodino . Las frecuencias IF más altas (455 kHz era un estándar común) se empezaron a utilizar en años posteriores, después de la invención del tetrodo y el pentodo como tubos amplificadores, resolviendo en gran medida el problema del rechazo de imágenes. Incluso más tarde, sin embargo, se volvieron a utilizar frecuencias IF bajas (típicamente 60 kHz) en la segunda (o tercera) etapa IF de receptores de comunicaciones de doble o triple conversión para aprovechar la selectividad que se logra más fácilmente en frecuencias IF más bajas, con imagen- rechazo logrado en las etapas IF anteriores que estaban en una frecuencia IF más alta.
En la década de 1920, en estas bajas frecuencias, los filtros IF comerciales se parecían mucho a los transformadores de acoplamiento entre etapas de audio de la década de 1920, tenían una construcción similar y estaban conectados de una manera casi idéntica, por lo que se los conocía como "transformadores IF". A mediados de la década de 1930, los superheterodinos que utilizaban frecuencias intermedias mucho más altas (normalmente entre 440 y 470 kHz) utilizaban transformadores sintonizados más similares a otras aplicaciones de RF. Sin embargo, se mantuvo el nombre "transformador IF", que ahora significa "frecuencia intermedia". Los receptores modernos suelen utilizar una mezcla de resonadores cerámicos o resonadores de ondas acústicas de superficie y transformadores de FI de inductor sintonizado tradicionales.
En la década de 1930, las mejoras en la tecnología de los tubos de vacío erosionaron rápidamente las ventajas de costos del receptor TRF, y la explosión en el número de estaciones de radiodifusión creó una demanda de receptores más baratos y de mayor rendimiento.
La introducción de una rejilla adicional en un tubo de vacío, pero antes del tetrodo de rejilla de pantalla más moderno, incluía el tetrodo con dos rejillas de control ; este tubo combinaba las funciones de mezclador y oscilador, utilizadas por primera vez en el llamado mezclador autodino . A esto le siguió rápidamente la introducción de tubos diseñados específicamente para funcionamiento superheterodino, sobre todo el convertidor pentagrid . Al reducir el número de tubos (siendo cada etapa de tubo el principal factor que afecta el costo en esta era), se redujo aún más la ventaja de los diseños de receptores regenerativos y TRF.
A mediados de la década de 1930, la producción comercial de receptores TRF fue reemplazada en gran medida por receptores superheterodinos. En la década de 1940, el receptor de radiodifusión AM superheterodino de válvulas de vacío se perfeccionó hasta convertirlo en un diseño barato de fabricar llamado " All American Five " porque utilizaba cinco válvulas de vacío: normalmente un convertidor (mezclador/oscilador local), un amplificador de FI, un detector/amplificador de audio, un amplificador de potencia de audio y un rectificador. Desde entonces, el diseño superheterodino se utilizó en casi todos los receptores comerciales de radio y televisión.
El ingeniero francés Lucien Lévy presentó una solicitud de patente para el principio superheterodino en agosto de 1917 con el brevet n° 493660. [6] Armstrong también presentó su patente en 1917. [7] [8] [9] Levy presentó su divulgación original unos siete meses antes El de Armstrong. [1] El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente en 1918. [6]
Al principio, Estados Unidos reconoció a Armstrong como inventor, y su patente estadounidense 1.342.885 se emitió el 8 de junio de 1920. [1] Después de varios cambios y audiencias judiciales, a Lévy se le concedió la patente estadounidense número 1.734.938 que incluía siete de las nueve reivindicaciones de la solicitud de Armstrong, mientras que las dos reclamaciones restantes fueron concedidas a Alexanderson de GE y Kendall de AT&T. [1]
El diagrama de la derecha muestra el diagrama de bloques de un receptor superheterodino típico de conversión única. El diagrama tiene bloques que son comunes a los receptores superheterodinos, [10] siendo opcional solo el amplificador de RF.
La antena recoge la señal de radio. La etapa de RF sintonizada con amplificador de RF opcional proporciona cierta selectividad inicial; es necesario suprimir la frecuencia de la imagen (ver más abajo) y también puede servir para evitar que señales fuertes fuera de la banda de paso saturen el amplificador inicial. Un oscilador local proporciona la frecuencia de mezcla; Suele ser un oscilador de frecuencia variable que se utiliza para sintonizar el receptor en diferentes estaciones. El mezclador de frecuencia realiza la heterodinación real que da nombre al superheterodino; cambia la señal de radiofrecuencia entrante a una frecuencia intermedia (IF) fija, superior o inferior. El filtro de paso de banda IF y el amplificador suministran la mayor parte de la ganancia y el filtrado de banda estrecha de la radio. El demodulador extrae el audio u otra modulación de la frecuencia de radio IF. Luego, la señal extraída es amplificada por el amplificador de audio.
Para recibir una señal de radio se necesita una antena adecuada. La salida de la antena puede ser muy pequeña, a menudo sólo unos pocos microvoltios . La señal de la antena se sintoniza y puede amplificarse en un amplificador de radiofrecuencia (RF), aunque esta etapa a menudo se omite. Uno o más circuitos sintonizados en esta etapa bloquean frecuencias que están muy alejadas de la frecuencia de recepción prevista. Para sintonizar el receptor a una estación particular, la frecuencia del oscilador local se controla mediante la perilla de sintonización (por ejemplo). La sintonización del oscilador local y la etapa de RF puede utilizar un condensador variable o diodo varicap . [11] La sintonización de uno (o más) circuitos sintonizados en la etapa de RF debe seguir la sintonización del oscilador local.
Luego, la señal se introduce en un circuito donde se mezcla con una onda sinusoidal de un oscilador de frecuencia variable conocido como oscilador local (LO). El mezclador utiliza un componente no lineal para producir señales de frecuencias de batido tanto de suma como de diferencia , [12] cada una de las cuales contiene la modulación contenida en la señal deseada. La salida del mezclador puede incluir la señal de RF original en f RF , la señal del oscilador local en f LO y las dos nuevas frecuencias heterodinas f RF + f LO yf RF − f LO . El mezclador puede producir inadvertidamente frecuencias adicionales, como productos de intermodulación de tercer orden y superior. Idealmente, el filtro de paso de banda de FI elimina toda la señal de FI excepto la deseada en fIF . La señal IF contiene la modulación original (información transmitida) que tenía la señal de radio recibida en f RF .
La frecuencia del oscilador local f LO se establece de modo que la frecuencia de radio de recepción deseada f RF se mezcle con f IF . Hay dos opciones para la frecuencia del oscilador local porque los productos del mezclador dominantes están en f RF ± f LO . Si la frecuencia del oscilador local es menor que la frecuencia de recepción deseada, se llama inyección del lado bajo ( f IF = f RF − f LO ); si el oscilador local es más alto, entonces se llama inyección del lado alto ( f IF = f LO − f RF ).
The mixer will process not only the desired input signal at fRF, but also all signals present at its inputs. There will be many mixer products (heterodynes). Most other signals produced by the mixer (such as due to stations at nearby frequencies) can be filtered out in the IF tuned amplifier; that gives the superheterodyne receiver its superior performance. However, if fLO is set to fRF + fIF, then an incoming radio signal at fLO + fIF will also produce a heterodyne at fIF; the frequency fLO + fIF is called the image frequency and must be rejected by the tuned circuits in the RF stage. The image frequency is 2 fIF higher (or lower) than the desired frequency fRF, so employing a higher IF frequency fIF increases the receiver's image rejection without requiring additional selectivity in the RF stage.
To suppress the unwanted image, the tuning of the RF stage and the LO may need to "track" each other. In some cases, a narrow-band receiver can have a fixed tuned RF amplifier. In that case, only the local oscillator frequency is changed. In most cases, a receiver's input band is wider than its IF center frequency. For example, a typical AM broadcast band receiver covers 510 kHz to 1655 kHz (a roughly 1160 kHz input band) with a 455 kHz IF frequency; an FM broadcast band receiver covers 88 MHz to 108 MHz band with a 10.7 MHz IF frequency. In that situation, the RF amplifier must be tuned so the IF amplifier does not see two stations at the same time. If the AM broadcast band receiver LO were set at 1200 kHz, it would see stations at both 745 kHz (1200−455 kHz) and 1655 kHz. Consequently, the RF stage must be designed so that any stations that are twice the IF frequency away are significantly attenuated. The tracking can be done with a multi-section variable capacitor or some varactors driven by a common control voltage. An RF amplifier may have tuned circuits at both its input and its output, so three or more tuned circuits may be tracked. In practice, the RF and LO frequencies need to track closely but not perfectly.[13][14]
En la época de la electrónica de válvulas , era común que los receptores superheterodinos combinaran las funciones del oscilador local y el mezclador en un solo tubo, lo que permitía ahorrar energía, tamaño y, sobre todo, costes. Un solo tubo convertidor pentágrid oscilaría y también proporcionaría amplificación de señal y mezcla de frecuencias. [15]
Las etapas de un amplificador de frecuencia intermedia ("amplificador de FI" o "banda de FI") están sintonizadas a una frecuencia fija que no cambia a medida que cambia la frecuencia de recepción. La frecuencia fija simplifica la optimización del amplificador IF. [10] El amplificador de FI es selectivo alrededor de su frecuencia central fIF . La frecuencia central fija permite que las etapas del amplificador de FI se sintonicen cuidadosamente para obtener el mejor rendimiento (esta sintonización se denomina "alinear" el amplificador de FI). Si la frecuencia central cambiara con la frecuencia de recepción, entonces las etapas de FI habrían tenido que seguir su sintonización. Ese no es el caso del superheterodino.
Normalmente, la frecuencia central de IF fIF se elige para que sea menor que el rango de frecuencias de recepción deseadas fRF . Esto se debe a que es más fácil y menos costoso obtener una alta selectividad a una frecuencia más baja utilizando circuitos sintonizados. El ancho de banda de un circuito sintonizado con una cierta Q es proporcional a la frecuencia misma (y lo que es más, se puede lograr una Q más alta a frecuencias más bajas), por lo que se requieren menos etapas de filtro IF para lograr la misma selectividad. Además, es más fácil y menos costoso obtener una alta ganancia a frecuencias más bajas.
Sin embargo, en muchos receptores modernos diseñados para la recepción en una amplia gama de frecuencias (por ejemplo, escáneres y analizadores de espectro) se emplea una primera frecuencia IF superior a la frecuencia de recepción en una configuración de doble conversión. Por ejemplo, el receptor Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF cubre de 10 kHz a 30 MHz. [14] Tiene un filtro RF de banda conmutada y mezcla la entrada a una primera frecuencia IF de 81,4 MHz y una segunda frecuencia IF de 1,4 MHz. La primera frecuencia LO es de 81,4 a 111,4 MHz, un rango razonable para un oscilador. Pero si el rango de RF original del receptor se convirtiera directamente a la frecuencia intermedia de 1,4 MHz, la frecuencia LO necesitaría cubrir 1,4-31,4 MHz, lo que no se puede lograr utilizando circuitos sintonizados (un condensador variable con un inductor fijo necesitaría un rango de capacitancia de 500:1). El rechazo de imágenes nunca es un problema con una frecuencia IF tan alta. La primera etapa IF utiliza un filtro de cristal con un ancho de banda de 12 kHz. Hay una segunda conversión de frecuencia (que crea un receptor de triple conversión) que mezcla la primera FI de 81,4 MHz con 80 MHz para crear una segunda FI de 1,4 MHz. El rechazo de imagen para el segundo IF no es un problema ya que el primer IF tiene un ancho de banda de mucho menos de 2,8 MHz.
Para evitar interferencias a los receptores, las autoridades otorgantes de licencias evitarán asignar frecuencias IF comunes a las estaciones transmisoras. Las frecuencias intermedias estándar utilizadas son 455 kHz para radio AM de onda media , 10,7 MHz para receptores de transmisión FM, 38,9 MHz (Europa) o 45 MHz (EE. UU.) para televisión y 70 MHz para equipos de microondas terrestres y satelitales. Para evitar los costos de herramientas asociados con estos componentes, la mayoría de los fabricantes tendieron a diseñar sus receptores en torno a un rango fijo de frecuencias ofrecidas, lo que resultó en una estandarización de facto a nivel mundial de las frecuencias intermedias.
En los primeros superhets, la etapa IF era a menudo una etapa regenerativa que proporcionaba sensibilidad y selectividad con menos componentes. Estos superhets se denominaron superganadores o regenerodinos. [16] Esto también se denomina multiplicador Q , e implica una pequeña modificación de un receptor existente, especialmente con el fin de aumentar la selectividad.
La etapa IF incluye un filtro y/o múltiples circuitos sintonizados para lograr la selectividad deseada . Este filtrado debe tener un paso de banda igual o menor que el espaciado de frecuencia entre canales de transmisión adyacentes. Lo ideal sería que un filtro tuviera una alta atenuación en los canales adyacentes, pero mantuviera una respuesta plana en todo el espectro de la señal deseada para conservar la calidad de la señal recibida. Esto se puede obtener utilizando uno o más transformadores IF de doble sintonización, un filtro de cristal de cuarzo o un filtro de cristal cerámico multipolar . [17]
En el caso de los receptores de televisión, ninguna otra técnica fue capaz de producir la característica de paso de banda precisa necesaria para la recepción de banda lateral residual , como la utilizada en el sistema NTSC aprobado por primera vez en los EE. UU. en 1941. En la década de 1980, el condensador-inductor multicomponente Los filtros habían sido reemplazados por filtros electromecánicos de ondas acústicas de superficie (SAW) de precisión . Fabricados mediante técnicas de fresado láser de precisión, los filtros SAW son más baratos de producir, se pueden fabricar con tolerancias extremadamente estrechas y su funcionamiento es muy estable.
La señal recibida ahora es procesada por la etapa demoduladora donde la señal de audio (u otra señal de banda base ) se recupera y luego se amplifica aún más. La demodulación AM requiere detección de envolvente , que se puede lograr mediante rectificación y un filtro de paso bajo (que puede ser tan simple como un circuito RC ) para eliminar restos de la frecuencia intermedia. [18] Las señales de FM se pueden detectar utilizando un discriminador, un detector de relación o un bucle de bloqueo de fase . Las señales de onda continua y de banda lateral única requieren un detector de producto que utilice el llamado oscilador de frecuencia de batido , y existen otras técnicas que se utilizan para diferentes tipos de modulación . [19] La señal de audio resultante (por ejemplo) luego se amplifica y activa un altavoz.
Cuando se ha utilizado la llamada inyección del lado alto , donde el oscilador local está a una frecuencia más alta que la señal recibida (como es común), entonces se invertirá el espectro de frecuencia de la señal original. Esto debe ser tenido en cuenta por el demodulador (y en el filtrado IF) en el caso de ciertos tipos de modulación como la banda lateral única .
Para superar obstáculos como la respuesta de la imagen , algunos receptores utilizan múltiples etapas sucesivas de conversión de frecuencia y múltiples IF de diferentes valores. Un receptor con dos conversiones de frecuencia e IF se denomina superheterodino de doble conversión , y uno con tres IF se denomina superheterodino de triple conversión .
La razón principal por la que se hace esto es que con un solo IF existe un equilibrio entre una respuesta de imagen baja y selectividad. La separación entre la frecuencia recibida y la frecuencia de la imagen es igual al doble de la frecuencia IF, por lo que cuanto mayor sea la IF, más fácil será diseñar un filtro de RF para eliminar la frecuencia de la imagen de la entrada y lograr una respuesta de imagen baja . Sin embargo, cuanto mayor sea la IF, más difícil será lograr una alta selectividad en el filtro IF. En frecuencias de onda corta y superiores, la dificultad para obtener suficiente selectividad en la sintonización con las FI altas necesarias para una respuesta de imagen baja afecta el rendimiento. Para resolver este problema se pueden usar dos frecuencias IF, primero convirtiendo la frecuencia de entrada a una IF alta para lograr una respuesta de imagen baja, y luego convirtiendo esta frecuencia a una IF baja para lograr una buena selectividad en el segundo filtro IF. Para mejorar la sintonía se puede utilizar una tercera FI.
Por ejemplo, para un receptor que pueda sintonizar de 500 kHz a 30 MHz, se podrían utilizar tres convertidores de frecuencia. [10] Con una FI de 455 kHz es fácil obtener una selectividad frontal adecuada con señales de banda de transmisión (por debajo de 1600 kHz). Por ejemplo, si la estación que se recibe está en 600 kHz, el oscilador local se puede configurar en 1055 kHz, dando una imagen en (-600+1055=) 455 kHz. Pero una estación en 1510 kHz también podría producir una imagen en (1510-1055=) 455 kHz y, por lo tanto, causar interferencias en la imagen. Sin embargo, debido a que 600 kHz y 1510 kHz están tan separados, es fácil diseñar la sintonización frontal para rechazar la frecuencia de 1510 kHz.
Sin embargo, a 30 MHz la cosa es diferente. El oscilador se configuraría en 30,455 MHz para producir una FI de 455 kHz, pero una estación en 30,910 también produciría un ritmo de 455 kHz, por lo que ambas estaciones se escucharían al mismo tiempo. Pero es prácticamente imposible diseñar un circuito sintonizado por RF que pueda discriminar adecuadamente entre 30 MHz y 30,91 MHz, por lo que una solución es "convertir de forma masiva" secciones enteras de las bandas de onda corta a una frecuencia más baja, donde la sintonización inicial adecuada es más fácil. para arreglar.
Por ejemplo, los rangos de 29 MHz a 30 MHz; 28 MHz a 29 MHz, etc. se pueden convertir a 2 MHz a 3 MHz, allí se pueden sintonizar más cómodamente. Esto a menudo se hace convirtiendo primero cada "bloque" a una frecuencia más alta (normalmente 40 MHz) y luego usando un segundo mezclador para convertirlo al rango de 2 MHz a 3 MHz. El "IF" de 2 MHz a 3 MHz es básicamente otro receptor superheterodino autónomo, muy probablemente con un IF estándar de 455 kHz.
La tecnología de microprocesador permite reemplazar el diseño del receptor superheterodino por una arquitectura de radio definida por software , donde el procesamiento de IF después del filtro de IF inicial se implementa en software. Esta técnica ya se utiliza en determinados diseños, como las radios FM de muy bajo coste incorporadas a los teléfonos móviles, ya que el sistema ya cuenta con el microprocesador necesario .
Los transmisores de radio también pueden utilizar una etapa mezcladora para producir una frecuencia de salida, funcionando más o menos como lo contrario de un receptor superheterodino.
Los receptores superheterodinos esencialmente han reemplazado todos los diseños de receptores anteriores. El desarrollo de la electrónica semiconductora moderna anuló las ventajas de los diseños (como el receptor regenerativo ) que utilizaban menos tubos de vacío. El receptor superheterodino ofrece sensibilidad, estabilidad de frecuencia y selectividad superiores. En comparación con el diseño del receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF), los superhets ofrecen una mejor estabilidad porque un oscilador sintonizable se realiza más fácilmente que un amplificador sintonizable. Al operar a una frecuencia más baja, los filtros IF pueden proporcionar bandas de paso más estrechas con el mismo factor Q que un filtro RF equivalente. Una FI fija también permite el uso de un filtro de cristal [10] o tecnologías similares que no se pueden sintonizar. Los receptores regenerativos y superregenerativos ofrecían una alta sensibilidad, pero a menudo adolecían de problemas de estabilidad que dificultaban su funcionamiento.
Aunque las ventajas del diseño superhet son abrumadoras, existen algunos inconvenientes que deben abordarse en la práctica.
Una desventaja importante del receptor superheterodino es el problema de la frecuencia de la imagen . En receptores heterodinos, una frecuencia de imagen es una frecuencia de entrada no deseada igual a la frecuencia de la estación más (o menos) el doble de la frecuencia intermedia. La frecuencia de la imagen hace que se reciban dos estaciones al mismo tiempo, lo que produce interferencias. La recepción en la frecuencia de la imagen se puede combatir mediante la sintonización (filtrado) en la antena y la etapa de RF del receptor superheterodino.
Por ejemplo, una estación de transmisión AM a 580 kHz se sintoniza en un receptor con FI de 455 kHz. El oscilador local está sintonizado a 580 + 455 = 1035 kHz. Pero una señal a 580 + 455 + 455 = 1490 kHz también está a 455 kHz del oscilador local; por lo que tanto la señal deseada como la imagen, al mezclarse con el oscilador local, aparecerán en la frecuencia intermedia. Esta frecuencia de imagen está dentro de la banda de transmisión AM. Los receptores prácticos tienen una etapa de sintonización antes del convertidor, para reducir en gran medida la amplitud de las señales de frecuencia de imagen; adicionalmente, las estaciones de radiodifusión en la misma zona tienen sus frecuencias asignadas para evitar este tipo de imágenes [ cita necesaria ] .
La frecuencia no deseada se llama imagen de la frecuencia deseada, porque es la "imagen especular" de la frecuencia deseada reflejada . Un receptor con un filtrado inadecuado en su entrada captará señales en dos frecuencias diferentes simultáneamente: la frecuencia deseada y la frecuencia de la imagen. Una recepción de radio que se encuentre en la frecuencia de la imagen puede interferir con la recepción de la señal deseada, y el ruido (estático) alrededor de la frecuencia de la imagen puede disminuir la relación señal-ruido (SNR) del receptor hasta en 3 dB.
Los primeros receptores Autodyne solían utilizar FI de sólo 150 kHz aproximadamente. Como consecuencia, la mayoría de los receptores Autodyne requerían una mayor selectividad frontal, a menudo involucrando bobinas de doble sintonización, para evitar interferencias en la imagen. Con el desarrollo posterior de tubos capaces de amplificar bien a frecuencias más altas, se empezaron a utilizar frecuencias IF más altas, lo que redujo el problema de la interferencia en la imagen. Los receptores de radio de consumo típicos tienen un solo circuito sintonizado en la etapa de RF.
La sensibilidad a la frecuencia de la imagen sólo puede minimizarse mediante (1) un filtro que precede al mezclador o (2) un circuito mezclador más complejo [20] para suprimir la imagen; esto rara vez se usa. En la mayoría de los receptores sintonizables que utilizan una única frecuencia IF, la etapa de RF incluye al menos un circuito sintonizado en el extremo frontal de RF cuya sintonización se realiza en conjunto con el oscilador local. En receptores de doble (o triple) conversión en los que la primera conversión utiliza un oscilador local fijo, éste puede ser más bien un filtro de paso de banda fijo que se adapta al rango de frecuencia que se asigna al primer rango de frecuencia de IF.
El rechazo de la imagen es un factor importante a la hora de elegir la frecuencia intermedia de un receptor. Cuanto más separadas estén la frecuencia de paso de banda y la frecuencia de imagen, más atenuará el filtro de paso de banda cualquier señal de imagen que interfiera. Dado que la separación de frecuencia entre el paso de banda y la frecuencia de la imagen es , una frecuencia intermedia más alta mejora el rechazo de la imagen. Es posible utilizar una primera IF lo suficientemente alta como para que una etapa de RF sintonizada fija pueda rechazar cualquier señal de imagen.
La capacidad de un receptor para rechazar señales de interferencia en la frecuencia de la imagen se mide mediante la relación de rechazo de la imagen . Esta es la relación (en decibeles ) entre la salida del receptor de una señal en la frecuencia recibida y su salida para una señal de igual intensidad en la frecuencia de la imagen.
Puede resultar difícil mantener la radiación parásita del oscilador local por debajo del nivel que un receptor cercano puede detectar. Si el oscilador local del receptor puede alcanzar la antena, actuará como un transmisor CW de baja potencia . Por lo tanto, lo que debe ser un receptor puede generar por sí mismo interferencias de radio.
En las operaciones de inteligencia, la radiación del oscilador local proporciona un medio para detectar un receptor encubierto y su frecuencia de funcionamiento. El método fue utilizado por el MI5 durante la Operación RAFTER . [21] Esta misma técnica también se utiliza en los detectores de radar utilizados por la policía de tránsito en jurisdicciones donde los detectores de radar son ilegales.
La radiación del oscilador local es más prominente en los receptores en los que la señal de la antena está conectada directamente al mezclador (que a su vez recibe la señal del oscilador local) en lugar de en los receptores en los que se utiliza una etapa amplificadora de RF en el medio. Por lo tanto, es más un problema con receptores baratos y con receptores de frecuencias tan altas (especialmente microondas) donde las etapas de amplificación de RF son difíciles de implementar.
Los osciladores locales suelen generar una señal de frecuencia única que tiene una modulación de amplitud insignificante pero cierta modulación de fase aleatoria que distribuye parte de la energía de la señal en frecuencias de banda lateral. Esto provoca una ampliación correspondiente de la respuesta de frecuencia del receptor [ dudoso ] , lo que frustraría el objetivo de hacer un receptor de ancho de banda muy estrecho para recibir señales digitales de baja velocidad. Es necesario tener cuidado para minimizar el ruido de fase del oscilador, generalmente asegurando [ dudoso ] que el oscilador nunca entre en un modo no lineal .
