Un heterodino es una frecuencia de señal que se crea combinando o mezclando otras dos frecuencias utilizando una técnica de procesamiento de señales llamada heterodina , que fue inventada por el inventor-ingeniero canadiense Reginald Fessenden . [1] [2] [3] La heterodinación se utiliza para cambiar señales de un rango de frecuencia a otro, y también participa en los procesos de modulación y demodulación . [2] [4] Las dos frecuencias de entrada se combinan en un dispositivo de procesamiento de señales no lineal , como un tubo de vacío , un transistor o un diodo , generalmente llamado mezclador . [2]
En la aplicación más común, se mezclan dos señales en las frecuencias f 1 y f 2 , creando dos nuevas señales, una en la suma de las dos frecuencias f 1 + f 2 y la otra en la diferencia entre las dos frecuencias f 1 − f 2 . [3] Las nuevas frecuencias de señal se denominan heterodinas . Normalmente, sólo se requiere uno de los heterodinos y la otra señal se filtra de la salida del mezclador. Las frecuencias heterodinas están relacionadas con el fenómeno de los " beats " en acústica. [2] [5] [6]
Una aplicación importante del proceso heterodino es el circuito receptor de radio superheterodino , que se utiliza prácticamente en todos los receptores de radio modernos.
En 1901, Reginald Fessenden demostró un receptor heterodino de conversión directa o receptor de ritmo como método para hacer audibles las señales de radiotelegrafía de onda continua . [7] El receptor de Fessenden no tuvo mucha aplicación debido al problema de estabilidad de su oscilador local. No se disponía de un oscilador local estable pero económico hasta que Lee de Forest inventó el oscilador de tubo de vacío triodo . [8] En una patente de 1905, Fessenden afirmó que la estabilidad de frecuencia de su oscilador local era una parte por mil. [9]
En radiotelegrafía, los caracteres de los mensajes de texto se traducen en puntos de corta duración y guiones de larga duración del código Morse que se transmiten como señales de radio. La radiotelegrafía era muy parecida a la telegrafía ordinaria . Uno de los problemas fue construir transmisores de alta potencia con la tecnología del momento. Los primeros transmisores eran transmisores de chispas . Un dispositivo mecánico produciría chispas a un ritmo fijo pero audible; las chispas pondrían energía en un circuito resonante que luego sonaría a la frecuencia de transmisión deseada (que podría ser 100 kHz). Este timbre decaería rápidamente, por lo que la salida del transmisor sería una sucesión de ondas amortiguadas . Cuando estas ondas amortiguadas fueran recibidas por un detector simple, el operador escucharía un zumbido audible que podría transcribirse nuevamente a caracteres alfanuméricos.
Con el desarrollo del transmisor de radio convertidor de arco en 1904, la modulación de onda continua (CW) comenzó a utilizarse para radiotelegrafía. Las señales de código Morse CW no están moduladas en amplitud, sino que consisten en ráfagas de frecuencia portadora sinusoidal. Cuando un receptor AM recibe señales CW, el operador no escucha ningún sonido. El detector de conversión directa (heterodino) se inventó para hacer audibles las señales de radiofrecuencia de onda continua. [10]
El receptor "heterodino" o "beat" tiene un oscilador local que produce una señal de radio ajustada para tener una frecuencia cercana a la señal entrante que se recibe. Cuando se mezclan las dos señales, se crea una frecuencia de "golpe" igual a la diferencia entre las dos frecuencias. Al ajustar correctamente la frecuencia del oscilador local, la frecuencia del batido se coloca en el rango de audio , donde se puede escuchar como un tono en los auriculares del receptor siempre que la señal del transmisor esté presente. Por lo tanto, los "puntos" y "guiones" del código Morse son audibles como pitidos. Esta técnica todavía se utiliza en radiotelegrafía, y el oscilador local ahora se denomina oscilador de frecuencia de batido o BFO. Fessenden acuñó la palabra heterodina de las raíces griegas hetero- "diferente" y dyn- "poder" (cf. δύναμις o dunamis). [11]
Una aplicación importante y ampliamente utilizada de la técnica heterodina es el receptor superheterodino (superhet). En el superhet típico, la señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla (heterodina) con una señal de un oscilador local (LO) para producir una señal de frecuencia fija más baja llamada señal de frecuencia intermedia (IF). La señal IF se amplifica y filtra y luego se aplica a un detector que extrae la señal de audio; el audio finalmente se envía al altavoz del receptor.
El receptor superheterodino tiene varias ventajas sobre los diseños de receptores anteriores. Una ventaja es que el ajuste es más sencillo; el operador sólo sintoniza el filtro de RF y el LO; la FI de frecuencia fija está sintonizada ("alineada") en fábrica y no está ajustada. En diseños más antiguos, como el receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF), todas las etapas del receptor debían sintonizarse simultáneamente. Además, dado que los filtros IF tienen sintonización fija, la selectividad del receptor es la misma en toda la banda de frecuencia del receptor. Otra ventaja es que la señal de FI puede tener una frecuencia mucho más baja que la señal de radio entrante, y eso permite que cada etapa del amplificador de FI proporcione más ganancia. En primer orden, un dispositivo amplificador tiene un producto fijo de ganancia-ancho de banda . Si el dispositivo tiene un producto ganancia-ancho de banda de 60 MHz, entonces puede proporcionar una ganancia de voltaje de 3 a una RF de 20 MHz o una ganancia de voltaje de 30 a una IF de 2 MHz. Con un IF más bajo, se necesitarían menos dispositivos de ganancia para lograr la misma ganancia. El receptor de radio regenerativo obtuvo más ganancia de un dispositivo de ganancia mediante el uso de retroalimentación positiva, pero requirió un ajuste cuidadoso por parte del operador; ese ajuste también cambió la selectividad del receptor regenerativo. El superheterodino proporciona una ganancia grande y estable y una selectividad constante sin ajustes problemáticos.
El sistema superheterodino superior reemplazó a los diseños anteriores de receptores regenerativos y TRF, y desde la década de 1930 la mayoría de los receptores de radio comerciales han sido superheterodinos.
La heterodinación, también llamada conversión de frecuencia , se utiliza muy ampliamente en ingeniería de comunicaciones para generar nuevas frecuencias y mover información de un canal de frecuencia a otro. Además de su uso en el circuito superheterodino que se encuentra en casi todos los receptores de radio y televisión, se utiliza en transmisores de radio , módems , descodificadores y comunicaciones por satélite , radares , radiotelescopios , sistemas de telemetría , teléfonos móviles, decodificadores de televisión por cable y cabeceras. , relés de microondas , detectores de metales , relojes atómicos y sistemas electrónicos militares de contramedidas (interferencias).
En redes de telecomunicaciones a gran escala, como redes troncales telefónicas , redes de retransmisión de microondas , sistemas de televisión por cable y enlaces de comunicación por satélite , muchos canales de comunicación individuales comparten enlaces de gran capacidad de ancho de banda mediante el uso de heterodinación para mover la frecuencia de las señales individuales hasta diferentes frecuencias. , que comparten el canal. Esto se llama multiplexación por división de frecuencia (FDM).
Por ejemplo, un cable coaxial utilizado por un sistema de televisión por cable puede transportar 500 canales de televisión al mismo tiempo porque a cada uno se le asigna una frecuencia diferente, por lo que no interfieren entre sí. En la fuente o cabecera del cable , los convertidores electrónicos convierten cada canal de televisión entrante a una frecuencia nueva y más alta. Lo hacen mezclando la frecuencia de la señal de televisión, f CH con un oscilador local a una frecuencia mucho más alta f LO , creando un heterodino en la suma f CH + f LO , que se agrega al cable. En el hogar del consumidor, el decodificador de cable tiene un convertidor reductor que mezcla la señal entrante en la frecuencia f CH + f LO con la misma frecuencia del oscilador local f LO creando la diferencia de frecuencia heterodina, convirtiendo el canal de televisión nuevamente a su frecuencia original: ( f CH + f LO ) − f LO = f CH . Cada canal se mueve a una frecuencia superior diferente. La frecuencia básica inferior original de la señal se llama banda base , mientras que el canal más alto al que se mueve se llama banda de paso .
Muchos sistemas de cintas de vídeo analógicas dependen de una subportadora de color convertida para grabar información de color en su ancho de banda limitado. Estos sistemas se denominan "sistemas heterodinos" o "sistemas de color inferior". Por ejemplo, para los sistemas de vídeo NTSC , el sistema de grabación VHS (y S-VHS ) convierte la subportadora de color del estándar NTSC de 3,58 MHz a ~629 kHz. [12] La subportadora de color PAL VHS tiene una conversión descendente similar (pero desde 4,43 MHz). Los ahora obsoletos sistemas U-matic de 3/4" utilizan una subportadora heterodina de ~688 kHz para grabaciones NTSC (al igual que el Betamax de Sony , que es en esencia una versión de consumo de 1/2" de U-matic), mientras que PAL Los decks U-matic venían en dos variedades mutuamente incompatibles, con diferentes frecuencias subportadoras, conocidas como Hi-Band y Low-Band. Otros formatos de cintas de vídeo con sistemas de color heterodinos incluyen Video-8 y Hi8 .
El sistema heterodino en estos casos se utiliza para convertir ondas sinusoidales codificadas en fase en cuadratura y moduladas en amplitud de las frecuencias de transmisión a frecuencias grabables en un ancho de banda inferior a 1 MHz. Durante la reproducción, la información de color grabada se heterodina a las frecuencias subportadoras estándar para su visualización en televisores y para su intercambio con otros equipos de video estándar.
Algunas pletinas U-matic (3/4″) cuentan con conectores mini-DIN de 7 pines para permitir la copia de cintas sin conversión, al igual que algunas grabadoras industriales VHS, S-VHS y Hi8.
El theremin , un instrumento musical electrónico , utiliza tradicionalmente el principio heterodino para producir una frecuencia de audio variable en respuesta al movimiento de las manos del músico en las proximidades de una o más antenas, que actúan como placas condensadoras. La salida de un oscilador de radiofrecuencia fijo se mezcla con la de un oscilador cuya frecuencia se ve afectada por la capacitancia variable entre la antena y la mano del músico cuando se mueve cerca de la antena de control de tono. La diferencia entre las dos frecuencias del oscilador produce un tono en el rango de audio.
El modulador en anillo es un tipo de mezclador de frecuencia incorporado a algunos sintetizadores o utilizado como efecto de audio independiente.
La detección óptica de heterodina (un área de investigación activa) es una extensión de la técnica de heterodina a frecuencias más altas (visibles). Guerra [14] (1995) publicó por primera vez los resultados de lo que llamó una "forma de heterodinación óptica" en la que la luz modelada por una rejilla de paso de 50 nm iluminaba una segunda rejilla de paso de 50 nm, con las rejillas giradas entre sí. por la cantidad angular necesaria para lograr la ampliación. Aunque la longitud de onda de iluminación era de 650 nm, la rejilla de 50 nm se resolvió fácilmente. Esto mostró una mejora de casi cinco veces con respecto al límite de resolución de Abbe de 232 nm, que debería haber sido el más pequeño obtenido para la apertura numérica y la longitud de onda utilizadas. Esta imagen microscópica de superresolución mediante heterodinación óptica llegó a ser conocida más tarde por muchos como "microscopía de iluminación estructurada".
Además de la microscopía óptica de superresolución, la heterodinación óptica podría mejorar enormemente los moduladores ópticos , aumentando la densidad de la información transportada por las fibras ópticas . También se está aplicando en la creación de relojes atómicos más precisos basados en la medición directa de la frecuencia de un rayo láser. Consulte el subtema 9.07.9-4.R del NIST para obtener una descripción de la investigación sobre un sistema para hacer esto. [15] [16]
Dado que las frecuencias ópticas están mucho más allá de la capacidad de manipulación de cualquier circuito electrónico factible, todos los detectores de fotones de frecuencia visible son inherentemente detectores de energía, no detectores de campos eléctricos oscilantes. Sin embargo, dado que la detección de energía es inherentemente una detección de " ley cuadrada ", mezcla intrínsecamente cualquier frecuencia óptica presente en el detector. Por lo tanto, la detección sensible de frecuencias ópticas específicas requiere una detección óptica heterodina, en la que dos longitudes de onda de luz diferentes (cercanas) iluminan el detector de modo que la salida eléctrica oscilante corresponda a la diferencia entre sus frecuencias. Esto permite una detección de banda extremadamente estrecha (mucho más estrecha que la que puede lograr cualquier filtro de color posible), así como mediciones precisas de la fase y la frecuencia de una señal luminosa en relación con una fuente de luz de referencia, como en un vibrómetro láser Doppler .
Esta detección sensible a la fase se ha aplicado para mediciones Doppler de la velocidad del viento y para obtener imágenes a través de medios densos. La alta sensibilidad contra la luz de fondo es especialmente útil para lidar .
En la espectroscopia óptica del efecto Kerr (OKE), la heterodinación óptica de la señal OKE y una pequeña parte de la señal de la sonda produce una señal mixta que consta de sonda, sonda OKE heterodina y señal OKE homodina. Las señales de sonda y OKE homodinas se pueden filtrar, dejando la señal de frecuencia heterodina para la detección.
La detección heterodina se utiliza a menudo en interferometría , pero generalmente se limita a la detección de un solo punto en lugar de la interferometría de campo amplio; sin embargo, la interferometría heterodina de campo amplio es posible utilizando una cámara especial. [17] Utilizando esta técnica en la que se extrae una señal de referencia de un solo píxel, es posible construir un interferómetro heterodino de campo amplio altamente estable eliminando el componente de fase del pistón causado por la microfónica o las vibraciones de los componentes ópticos u objetos. [18]
La heterodinación se basa en la identidad trigonométrica :
El producto del lado izquierdo representa la multiplicación ("mezcla") de una onda sinusoidal con otra onda sinusoidal (ambas producidas por funciones coseno ). El lado derecho muestra que la señal resultante es la diferencia de dos términos sinusoidales , uno en la suma de las dos frecuencias originales y otro en la diferencia, que se puede tratar por separado, ya que su (gran) diferencia de frecuencia facilita para filtrar limpiamente la frecuencia de una señal, dejando la otra señal sin cambios.
Usando esta identidad trigonométrica, el resultado de multiplicar dos señales de onda coseno y a diferentes frecuencias se puede calcular:
El resultado es la suma de dos señales sinusoidales, una en la suma f 1 + f 2 y otra en la diferencia f 1 − f 2 de las frecuencias originales.
Las dos señales se combinan en un dispositivo llamado mezclador . Como se vio en el apartado anterior, un mezclador ideal sería un dispositivo que multiplique las dos señales. Algunos circuitos mezcladores muy utilizados, como la celda de Gilbert , funcionan de esta manera, pero están limitados a frecuencias más bajas. Sin embargo, cualquier componente electrónico no lineal también multiplica las señales que se le aplican, produciendo frecuencias heterodinas en su salida, por lo que una variedad de componentes no lineales sirven como mezcladores. Un componente no lineal es aquel en el que la corriente o voltaje de salida es una función no lineal de su entrada. La mayoría de los elementos de los circuitos de comunicaciones están diseñados para ser lineales . Esto significa que obedecen al principio de superposición ; si es la salida de un elemento lineal con una entrada de :
Entonces, si se aplican dos señales de onda sinusoidal en las frecuencias f 1 y f 2 a un dispositivo lineal, la salida es simplemente la suma de las salidas cuando las dos señales se aplican por separado sin términos de producto. Por tanto, la función debe ser no lineal para crear productos mezcladores. Un multiplicador perfecto solo produce productos mezcladores en las frecuencias de suma y diferencia ( f 1 ± f 2 ) , pero funciones no lineales más generales producen productos mezcladores de orden superior: n ⋅ f 1 + m ⋅ f 2 para números enteros n y m . Algunos diseños de mezcladores, como los mezcladores de doble balance, suprimen algunos productos no deseados de alto orden, mientras que otros diseños, como los mezcladores armónicos, explotan diferencias de alto orden.
Ejemplos de componentes no lineales que se utilizan como mezcladores son los tubos de vacío y los transistores polarizados cerca del corte ( clase C ) y los diodos . Los inductores de núcleo ferromagnético saturados también se pueden utilizar a frecuencias más bajas. En óptica no lineal , se utilizan cristales que tienen características no lineales para mezclar haces de luz láser para crear frecuencias ópticas heterodinas .
Para demostrar matemáticamente cómo un componente no lineal puede multiplicar señales y generar frecuencias heterodinas, la función no lineal se puede expandir en una serie de potencias ( serie de MacLaurin ):
Para simplificar las matemáticas, los términos de orden superior por encima de α 2 se indican con puntos suspensivos ( ) y solo se muestran los primeros términos. Aplicando las dos ondas sinusoidales en frecuencias ω 1 = 2 π f 1 y ω 2 = 2 π f 2 a este dispositivo:
Se puede ver que el segundo término anterior contiene un producto de las dos ondas sinusoidales. Simplificando con identidades trigonométricas :
Lo que deja las dos frecuencias heterodinas como dos entre muchos términos:
junto con muchos otros términos que no se muestran.
Entre muchas otras frecuencias, la salida contiene términos sinusoidales con frecuencias en la suma ω 1 + ω 2 y la diferencia ω 1 − ω 2 de las dos frecuencias originales. También contiene términos en las frecuencias originales y términos en múltiplos de las frecuencias originales 2 ω 1 , 2 ω 2 , 3 ω 1 , 3 ω 2 , etc., llamados armónicos . También contiene términos mucho más complicados en frecuencias de M ω 1 + N ω 2 , llamados productos de intermodulación . Estas frecuencias no deseadas, junto con la frecuencia heterodina no deseada, deben ser eliminadas de la salida del mezclador mediante un filtro electrónico , para dejar la frecuencia heterodina deseada.
![{\displaystyle \cos(2\pi f_{1}t)\cos(2\pi f_{2}t)={\tfrac {1}{2}}\cos[2\pi (f_{1}-) f_{2})t]+{\tfrac {1}{2}}\cos[2\pi (f_{1}+f_{2})t]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d67870ca12496bcd64ab67bb623a5895bd33583a)
![{\displaystyle {\begin{aligned}v_{\mathsf {out}}={}&\alpha _{1}{\Bigl (}A_{1}\cos(\omega _{1}t)+A_{ 2}\cos(\omega _{2}t){\Bigr )}\\&{}+\alpha _{2}{\Bigl (}{\tfrac {1}{2}}A_{1}^ {2}[1+\cos(2\omega _{1}t)]+A_{1}A_{2}[\cos(\omega _{1}t-\omega _{2}t)+\ cos(\omega _{1}t+\omega _{2}t)]+{\tfrac {1}{2}}A_{2}^{2}[1+\cos(2\omega _{2} t)]{\Bigr )}+\cdots \end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/12dc84ca8c77ad402eb5e39ed677648a6732e40c)
