Un receptor superheterodino , a menudo abreviado como superhet , es un tipo de receptor de radio que utiliza la mezcla de frecuencias para convertir una señal recibida a una frecuencia intermedia (FI) fija que se puede procesar de manera más conveniente que la frecuencia portadora original . Fue inventado por el ingeniero de radio y fabricante de radio 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 un bujía . La señal de salida tenía una frecuencia portadora definida por la construcción física de la bujía, 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). Los detectores de radio simples 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 mucha mayor eficiencia que los antiguos sistemas de chispas. Sin embargo, a diferencia de las chispas, la salida del alternador era una onda portadora pura a una frecuencia seleccionada. Cuando se detectaban en los receptores existentes, los puntos y rayas normalmente eran 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 distinción entre puntos y rayas.
En 1905, el inventor canadiense Reginald Fessenden ideó la idea de utilizar dos alternadores Alexanderson que funcionaran a frecuencias muy próximas entre sí para transmitir dos señales, en lugar de una. El receptor recibiría entonces ambas señales y, como parte del proceso de detección, solo la frecuencia de batido saldría del receptor. Al seleccionar dos portadoras lo suficientemente cercanas como para que la frecuencia de 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 en los auriculares serían puntos o rayas de 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 "potencia".
El código Morse se utilizó ampliamente en los primeros días de la radio porque era fácil de producir y fácil de recibir. A diferencia de las transmisiones de voz, la salida del amplificador no tenía que coincidir estrechamente con la modulación de la señal original. Como resultado, se podía utilizar cualquier cantidad de sistemas de amplificación simples. Un método utilizaba un efecto secundario interesante de los primeros tubos amplificadores de triodo . Si tanto la placa (ánodo) como la rejilla estaban conectadas a circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia y la ganancia de la etapa era mucho mayor que la unidad , el acoplamiento capacitivo parásito 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 conectaba de nuevo a la entrada a través de un "tickler", lo que provocaba una retroalimentación que impulsaba las señales de entrada mucho más allá de la unidad. Esto hacía 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 y de inmediato 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 se siguió utilizando en funciones especializadas hasta la década de 1940, por ejemplo, en el IFF Mark II .
Había una función en 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, amplificando cualquier señal por encima de un cierto umbral en una cantidad enorme, a veces tan grande que hacía que se convirtiera en un transmisor (que era la base 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 que la intensidad de la señal original, a menudo muy débil, se mida con precisión.
Para satisfacer esta necesidad, los sistemas RDF de la época utilizaban triodos que funcionaban por debajo de la unidad. Para obtener una señal utilizable de un sistema de este tipo, se debían utilizar decenas o incluso cientos de triodos, conectados entre sí por el 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 en señales débiles era tan alto que el Almirantazgo británico consideró que el alto costo estaba justificado.
Aunque varios investigadores descubrieron el concepto de superheterodino, presentando patentes con apenas unos meses de diferencia, a menudo se le atribuye el concepto al ingeniero estadounidense Edwin Armstrong . Lo descubrió mientras buscaba 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, onda corta era cualquier frecuencia por encima de los 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 empezaban a captar otras estaciones. Armstrong (y otros) finalmente dedujeron que esto era 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 fluía de regreso a través de la antena para ser recibida en cualquier receptor cercano. En ese receptor, las dos señales se mezclaban tal como lo hacían en el concepto heterodino original, produciendo una salida que es la diferencia de frecuencia entre las dos señales.
Por ejemplo, supongamos que un receptor solitario está sintonizado en una estación a 300 kHz. Si se instala un segundo receptor cerca y se lo configura a 400 kHz con una ganancia alta, 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 se eligieron deliberadamente para que la frecuencia de batido fuera audible. En este caso, todas las frecuencias están muy por encima del rango audible y, por lo tanto, son "supersónicas", lo que da lugar al nombre de superheterodino.
Armstrong se dio cuenta de que este efecto era una posible solución 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 batido de 100 kHz y recuperar la información original de ella; el receptor no tiene que sintonizar la portadora original de 300 kHz, que es más alta. Al seleccionar un conjunto adecuado de frecuencias, incluso las señales de frecuencia muy alta se pueden "reducir" a una frecuencia que se pueda amplificar con 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 " u LO. Como su señal se estaba alimentando a un segundo receptor en el mismo dispositivo, no tenía que ser potente, generando solo la señal suficiente para ser aproximadamente similar en fuerza a la de la estación recibida, aunque en la práctica los LO tienden a ser señales relativamente fuertes. [ cita requerida ] 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. Denominó a esta diferencia resultante la " frecuencia intermedia ", a menudo abreviada como "IF".
En diciembre de 1919, el mayor EH Armstrong dio a conocer un método indirecto para obtener amplificación de ondas cortas, llamado superheterodino. La idea es reducir la frecuencia entrante, que puede ser, por ejemplo, de 1.500.000 ciclos (200 metros), a una frecuencia superaudible adecuada que pueda amplificarse de manera eficiente, para luego pasar esta corriente a través de un amplificador de frecuencia intermedia y, finalmente, rectificarla y llevarla a una o dos etapas de amplificación de frecuencia de audio. [2]
El "truco" del superheterodino es que al cambiar la frecuencia del oscilador local se pueden sintonizar diferentes estaciones. Por ejemplo, para recibir una señal a 1300 kHz, se podría sintonizar el oscilador local a 1360 kHz, lo que daría como resultado la misma frecuencia intermedia de 60 kHz. Esto significa que la sección del amplificador se puede sintonizar para que funcione a una sola frecuencia, la frecuencia intermedia de diseño, lo que es mucho más fácil de hacer de manera eficiente.
Armstrong puso en práctica sus ideas y la técnica fue adoptada rápidamente por los militares. Era menos popular cuando la radiodifusión comercial comenzó 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) fueron 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 superheterodino a Westinghouse , que luego la vendió a Radio Corporation of America (RCA) , esta última monopolizando el mercado de receptores superheterodinos hasta 1930. [4]
Debido a que la motivación original para el superheterodino era la dificultad de usar el amplificador de triodo a altas frecuencias, existía una ventaja en usar una frecuencia intermedia más baja. Durante esta era, muchos receptores usaban una frecuencia de FI de solo 30 kHz. [5] Estas frecuencias de FI bajas, que a menudo usaban transformadores de FI basados en la autorresonancia de transformadores de núcleo de hierro , tenían un rechazo de frecuencia de imagen deficiente, pero superaron la dificultad de usar triodos a frecuencias de radio de una manera que compitió favorablemente con el receptor TRF neutrodino menos robusto . Las frecuencias de FI más altas (455 kHz era un estándar común) comenzaron a usarse en años posteriores, después de la invención del tetrodo y el pentodo como tubos amplificadores, resolviendo en gran medida el problema del rechazo de imagen. Sin embargo, incluso más tarde, se volvieron a utilizar frecuencias FI bajas (normalmente 60 kHz) en la segunda (o tercera) etapa FI de los receptores de comunicaciones de conversión doble o triple para aprovechar la selectividad que se lograba más fácilmente en frecuencias FI más bajas, y el rechazo de imagen se lograba en las etapas FI anteriores que estaban en una frecuencia FI más alta.
En la década de 1920, en estas frecuencias bajas, los filtros de FI comerciales se parecían mucho a los transformadores de acoplamiento entre etapas de audio de la década de 1920, tenían una construcción similar y estaban cableados de una manera casi idéntica, por lo que se los conocía como "transformadores de FI". A mediados de la década de 1930, los superheterodinos que usaban frecuencias intermedias mucho más altas (normalmente alrededor de 440–470 kHz) usaban transformadores sintonizados más similares a otras aplicaciones de RF. Sin embargo, se mantuvo el nombre de "transformador de FI", 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 con inductor sintonizado tradicionales.
En la década de 1930, las mejoras en la tecnología de tubos de vacío erosionaron rápidamente las ventajas de costo del receptor TRF, y la explosión en el número de estaciones de transmisión 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 . Esto fue seguido rápidamente por la introducción de tubos diseñados específicamente para el funcionamiento superheterodino, en particular el convertidor pentagrid . Al reducir el número de tubos (siendo cada etapa de tubo el principal factor que afectaba el costo en esta era), esto redujo aún más la ventaja de los diseños de receptor TRF y regenerativo.
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 transmisión AM superheterodino con válvulas de vacío se perfeccionó hasta convertirse en un diseño de fabricación económica llamado " All American Five ", porque utilizaba cinco válvulas de vacío: generalmente 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 para 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 número 493660. [6] Armstrong también presentó su patente en 1917. [7] [8] [9] Levy presentó su divulgación original unos siete meses antes que la de Armstrong. [1] El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente en 1918. [6]
En un primer momento, Estados Unidos reconoció a Armstrong como inventor, y su patente estadounidense 1.342.885 se concedió el 8 de junio de 1920. [1] Después de varios cambios y audiencias judiciales, Lévy recibió la patente estadounidense n.º 1.734.938, que incluía siete de las nueve reivindicaciones de la solicitud de Armstrong, mientras que las dos reivindicaciones restantes se concedieron a Alexanderson de GE y a Kendall de AT&T. [1]
La antena recoge la señal de radio. La etapa de RF sintonizada con amplificador de RF opcional proporciona cierta selectividad inicial; es necesaria para suprimir la frecuencia de imagen 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; normalmente es un oscilador de frecuencia variable que se utiliza para sintonizar el receptor con diferentes estaciones. El mezclador de frecuencia realiza la heterodinación real que da al superheterodino su nombre; cambia la señal de radiofrecuencia entrante a una frecuencia intermedia (FI) fija, más alta o más baja. El filtro de paso de banda de FI y el amplificador suministran la mayor parte de la ganancia y el filtrado de banda estrecha para la radio. El demodulador extrae el audio u otra modulación de la frecuencia de radio de FI. Luego, el amplificador de audio amplifica la señal extraída.
Para recibir una señal de radio, se requiere una antena adecuada. La salida de la antena puede ser muy pequeña, a menudo solo unos pocos microvoltios . La señal de la antena se sintoniza y puede amplificarse en un llamado 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 deseada. 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 pueden utilizar un capacitor variable o un diodo varicap . [11] La sintonización de uno (o más) circuitos sintonizados en la etapa de RF debe seguir la sintonización del oscilador local.
La señal se introduce entonces en un circuito donde se mezcla con una onda sinusoidal procedente de un oscilador de frecuencia variable conocido como oscilador local (LO). El mezclador utiliza un componente no lineal para producir señales de frecuencia de batido tanto de suma como de diferencia, [12] cada una de las cuales contiene la modulación 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 y f RF − f LO . El mezclador puede producir inadvertidamente frecuencias adicionales, como productos de intermodulación de tercer orden y de orden superior. Idealmente, el filtro de paso de banda de FI elimina todo excepto la señal de FI deseada en f IF . La señal de FI 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 recepción de radio deseada f RF se mezcle con f IF . Hay dos opciones para la frecuencia del oscilador local debido a la correspondencia entre frecuencias positivas y negativas. Si la frecuencia del oscilador local es menor que la frecuencia de recepción deseada, se denomina inyección de lado bajo ( f IF = f RF − f LO ); si el oscilador local es más alto, se denomina inyección de lado alto ( f IF = f LO − f RF ).
El mezclador procesará no sólo la señal de entrada deseada en f RF , sino también todas las señales presentes en sus entradas. Habrá muchos productos mezcladores (heterodinos). La mayoría de las demás señales producidas por el mezclador (como las debidas a estaciones en frecuencias cercanas) se pueden filtrar en el amplificador sintonizado de FI ; eso le da al receptor superheterodino su rendimiento superior. Sin embargo, si f LO se establece en f RF + f IF , entonces una señal de radio entrante en f LO + f IF también producirá un heterodino en f IF ; la frecuencia f LO + f IF se llama frecuencia de imagen y debe ser rechazada por los circuitos sintonizados en la etapa de RF. La frecuencia de imagen es 2 f IF más alta (o más baja) que la frecuencia deseada f RF , por lo que emplear una frecuencia de FI más alta f IF aumenta el rechazo de imagen del receptor sin requerir selectividad adicional en la etapa de RF.
Para suprimir la imagen no deseada, la sintonización de la etapa de RF y el LO puede necesitar "rastrearse" entre sí. En algunos casos, un receptor de banda estrecha puede tener un amplificador de RF sintonizado fijo. En ese caso, solo se cambia la frecuencia del oscilador local. En la mayoría de los casos, la banda de entrada de un receptor es más ancha que su frecuencia central de FI. Por ejemplo, un receptor de banda de transmisión AM típico cubre de 510 kHz a 1655 kHz (una banda de entrada de aproximadamente 1160 kHz) con una frecuencia de FI de 455 kHz; un receptor de banda de transmisión FM cubre la banda de 88 MHz a 108 MHz con una frecuencia de FI de 10,7 MHz. En esa situación, el amplificador de RF debe estar sintonizado de modo que el amplificador de FI no vea dos estaciones al mismo tiempo. Si el LO del receptor de banda de transmisión AM se ajustara a 1200 kHz, vería estaciones tanto a 745 kHz (1200−455 kHz) como a 1655 kHz. En consecuencia, la etapa de RF debe diseñarse de modo que cualquier estación que se encuentre al doble de la frecuencia de FI se atenúe significativamente. El seguimiento se puede realizar con un condensador variable de varias secciones o algunos varactores accionados por un voltaje de control común. Un amplificador de RF puede tener circuitos sintonizados tanto en su entrada como en su salida, por lo que se pueden rastrear tres o más circuitos sintonizados. En la práctica, las frecuencias de RF y LO deben rastrearse de cerca, pero no de manera perfecta. [13] [14]
En la época de la electrónica de válvulas , era habitual que los receptores superheterodinos combinaran las funciones del oscilador local y del mezclador en una única válvula, lo que suponía un ahorro de potencia, tamaño y, sobre todo, costes. Una única válvula convertidora pentagonal oscilaría y también proporcionaría amplificación de la señal, así como mezcla de frecuencias. [15]
El tubo mezclador o transistor a veces se denomina primer detector , mientras que el demodulador que extrae la modulación de la señal FI se denomina segundo detector . [16] En un superheterodino de conversión dual hay dos mezcladores, por lo que el demodulador se denomina tercer detector .
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 de FI. [10] El amplificador de FI es selectivo en torno a su frecuencia central f FI . La frecuencia central fija permite que las etapas del amplificador de FI se sintonicen cuidadosamente para obtener el mejor rendimiento (esta sintonización se denomina "alineación" del amplificador de FI). Si la frecuencia central cambiara con la frecuencia de recepción, entonces las etapas de FI tendrían que haber seguido su sintonización. Ese no es el caso con el superheterodino.
Normalmente, la frecuencia central de FI f IF se elige para que sea menor que el rango de frecuencias de recepción deseadas f RF . 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 un cierto Q es proporcional a la frecuencia en sí (y lo que es más, se puede lograr un Q más alto a frecuencias más bajas), por lo que se requieren menos etapas de filtro de FI 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 un amplio rango de frecuencias (por ejemplo, escáneres y analizadores de espectro) se emplea una primera frecuencia IF más alta que 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 de RF conmutado por banda y mezcla la entrada a una primera 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 imagen 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 (lo 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 la segunda FI no es un problema, ya que la primera FI tiene un ancho de banda mucho menor que 2,8 MHz.
Para evitar interferencias en los receptores, las autoridades que otorgan licencias evitarán asignar frecuencias de FI 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 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 dio como resultado una estandarización de facto mundial de las frecuencias intermedias.
En los primeros superheteros, la etapa IF era a menudo una etapa regenerativa que proporcionaba sensibilidad y selectividad con menos componentes. Estos superheteros se denominaban superganadores o regenerodinos. [17] Esto también se denomina multiplicador Q y supone una pequeña modificación de un receptor existente especialmente con el fin de aumentar la selectividad.
La etapa de FI 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 espaciamiento de frecuencia entre canales de transmisión adyacentes. Idealmente, un filtro tendría una alta atenuación para los canales adyacentes, pero mantendría una respuesta plana a lo largo del espectro de señal deseado para conservar la calidad de la señal recibida. Esto se puede obtener utilizando uno o más transformadores de FI doblemente sintonizados, un filtro de cristal de cuarzo o un filtro de cristal cerámico multipolar . [18]
En el caso de los receptores de televisión, ninguna otra técnica era capaz de producir la característica precisa de paso de banda necesaria para la recepción de banda lateral vestigial , como la utilizada en el sistema NTSC aprobado por primera vez por los EE. UU. en 1941. En la década de 1980, los filtros de condensador-inductor multicomponente habían sido reemplazados por filtros de ondas acústicas de superficie (SAW) electromecánicos 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 son muy estables en funcionamiento.
La señal recibida ahora es procesada por la etapa de demodulación 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 por medio de rectificación y un filtro de paso bajo (que puede ser tan simple como un circuito RC ) para eliminar los restos de la frecuencia intermedia. [19] Las señales de FM se pueden detectar utilizando un discriminador, un detector de relación o un bucle de enganche de fase . Las señales de onda continua y de banda lateral única requieren un detector de producto que utilice un llamado oscilador de frecuencia de batido , y existen otras técnicas utilizadas para diferentes tipos de modulación . [20] La señal de audio resultante (por ejemplo) luego se amplifica y activa un altavoz.
Cuando se ha utilizado la llamada inyección de lado alto , donde el oscilador local está a una frecuencia más alta que la señal recibida (como es habitual), entonces el espectro de frecuencia de la señal original se invertirá. Esto debe tenerse en cuenta en el demodulador (y en el filtrado de FI) en el caso de ciertos tipos de modulación como la banda lateral única .
Para superar obstáculos como la respuesta de imagen , algunos receptores utilizan múltiples etapas sucesivas de conversión de frecuencia y múltiples FI de diferentes valores. Un receptor con dos conversiones de frecuencia y FI se denomina superheterodino de conversión dual , y uno con tres FI se denomina superheterodino de conversión triple .
La razón principal por la que se hace esto es que con una sola FI hay un equilibrio entre una respuesta de imagen baja y selectividad. La separación entre la frecuencia recibida y la frecuencia de imagen es igual al doble de la frecuencia de FI, por lo que cuanto mayor sea la FI, más fácil es diseñar un filtro de RF para eliminar la frecuencia de imagen de la entrada y lograr una respuesta de imagen baja . Sin embargo, cuanto mayor sea la FI, más difícil es lograr una alta selectividad en el filtro de FI. En frecuencias de onda corta y superiores, la dificultad de obtener una selectividad suficiente en la sintonización con las altas FI necesarias para una respuesta de imagen baja afecta el rendimiento. Para resolver este problema se pueden utilizar dos frecuencias de FI, primero convirtiendo la frecuencia de entrada a una FI alta para lograr una respuesta de imagen baja, y luego convirtiendo esta frecuencia a una FI baja para lograr una buena selectividad en el segundo filtro de FI. Para mejorar la sintonización, se puede utilizar una tercera FI.
Por ejemplo, para un receptor que puede sintonizar desde 500 kHz a 30 MHz, se podrían utilizar tres convertidores de frecuencia. [10] Con una IF de 455 kHz es fácil obtener una selectividad adecuada del front-end 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 a 1055 kHz, dando una imagen en (-600+1055=) 455 kHz. Pero una estación en 1510 kHz también podría producir potencialmente una imagen en (1510-1055=) 455 kHz y así causar interferencia de imagen. Sin embargo, debido a que 600 kHz y 1510 kHz están tan separados, es fácil diseñar el ajuste del front-end para rechazar la frecuencia de 1510 kHz.
Sin embargo, a 30 MHz, las cosas son diferentes. El oscilador se ajustaría a 30,455 MHz para producir una frecuencia intermedia de 455 kHz, pero una estación en 30,910 también produciría un pulso 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 un enfoque es "convertir a la baja en masa" secciones completas de las bandas de onda corta a una frecuencia más baja, donde es más fácil organizar una sintonización adecuada del extremo frontal.
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, para poder sintonizarlos de manera más conveniente. Esto se hace a menudo convirtiendo primero cada "bloque" a una frecuencia más alta (normalmente 40 MHz) y luego utilizando 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, probablemente con un IF estándar de 455 kHz.
La tecnología de microprocesadores permite sustituir el diseño de receptor superheterodino por una arquitectura de radio definida por software , donde el procesamiento de FI después del filtro de FI inicial se implementa en software. Esta técnica ya se utiliza en ciertos 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 el reverso de un receptor superheterodino.
Los receptores superheterodinos han reemplazado esencialmente a todos los diseños de receptores anteriores. El desarrollo de la electrónica de semiconductores moderna anuló las ventajas de los diseños (como el receptor regenerativo ) que usaban menos tubos de vacío. El receptor superheterodino ofrece una sensibilidad, estabilidad de frecuencia y selectividad superiores. En comparación con el diseño del receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF), los superheterodinos ofrecen una mejor estabilidad porque un oscilador sintonizable es más fácil de realizar que un amplificador sintonizable. Al operar a una frecuencia más baja, los filtros de FI pueden dar bandas de paso más estrechas con el mismo factor Q que un filtro de 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 sufren problemas de estabilidad que dificultan su funcionamiento.
Aunque las ventajas del diseño superheterodino son abrumadoras, existen algunas desventajas que deben abordarse en la práctica.
Una de las principales desventajas del receptor superheterodino es el problema de la frecuencia de imagen . En los 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 imagen da como resultado que se reciban dos estaciones al mismo tiempo, lo que produce interferencias. La recepción en la frecuencia de 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 está sintonizada en un receptor con una 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 de distancia del oscilador local; por lo que tanto la señal deseada como la imagen, cuando se mezclan 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; además, las estaciones de transmisión en la misma área tienen sus frecuencias asignadas para evitar tales imágenes [ cita requerida ] .
La frecuencia no deseada se denomina imagen de la frecuencia deseada, porque es la "imagen especular" de la frecuencia deseada reflejada sobre . Un receptor con un filtrado inadecuado en su entrada captará señales en dos frecuencias diferentes simultáneamente: la frecuencia deseada y la frecuencia imagen. Una recepción de radio que esté en la frecuencia imagen puede interferir con la recepción de la señal deseada, y el ruido (estática) alrededor de la frecuencia imagen puede disminuir la relación señal-ruido (SNR) del receptor hasta en 3dB.
Los primeros receptores autodinos solían utilizar frecuencias intermedias de sólo 150 kHz aproximadamente. Como consecuencia, la mayoría de los receptores autodinos requerían una mayor selectividad en la etapa de entrada, que a menudo implicaba bobinas de doble sintonización, para evitar la interferencia de la imagen. Con el desarrollo posterior de tubos capaces de amplificar bien a frecuencias más altas, se empezaron a utilizar frecuencias intermedias más altas, lo que redujo el problema de la interferencia de la imagen. Los receptores de radio de consumo típicos tienen sólo un único circuito sintonizado en la etapa de RF.
La sensibilidad a la frecuencia de la imagen se puede minimizar únicamente mediante (1) un filtro que precede al mezclador o (2) un circuito mezclador más complejo [21] para suprimir la imagen; esto se utiliza raramente. En la mayoría de los receptores sintonizables que utilizan una sola frecuencia de FI, la etapa de RF incluye al menos un circuito sintonizado en el extremo frontal de RF cuya sintonización se realiza en tándem con el oscilador local. En los receptores de conversión doble (o triple) en los que la primera conversión utiliza un oscilador local fijo, este puede ser más bien un filtro de paso de banda fijo que se adapta al rango de frecuencia que se está asignando al primer rango de frecuencia de FI.
El rechazo de 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 la frecuencia de paso de banda y la frecuencia de imagen es , una frecuencia intermedia más alta mejora el rechazo de imagen. Es posible utilizar una primera IF lo suficientemente alta como para que una etapa de RF de sintonización 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 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 dispersa del oscilador local por debajo del nivel que puede detectar un receptor cercano. Si el oscilador local del receptor puede llegar a la antena, actuará como un transmisor de onda continua de baja potencia . En consecuencia, lo que se supone que es un receptor puede crear interferencias de radio.
En las operaciones de inteligencia, la radiación del oscilador local proporciona un medio para detectar un receptor encubierto y su frecuencia operativa. El método fue utilizado por el MI5 durante la Operación RAFTER . [22] 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 evidente 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) que en los receptores en los que se utiliza una etapa amplificadora de RF en el medio. Por lo tanto, es un problema más frecuente en los receptores económicos y en los receptores de frecuencias tan altas (especialmente las microondas) en las que las etapas amplificadoras de RF son difíciles de implementar.
Los osciladores locales suelen generar una señal de frecuencia única que tiene una modulación de amplitud despreciable pero cierta modulación de fase aleatoria que distribuye parte de la energía de la señal en frecuencias de banda lateral. Eso provoca un ensanchamiento correspondiente de la respuesta de frecuencia del receptor [ dudoso – discutir ] , lo que frustraría el objetivo de crear un receptor con un ancho de banda muy estrecho para recibir señales digitales de baja velocidad. Se debe tener cuidado de minimizar el ruido de fase del oscilador, generalmente asegurando [ dudoso – discutir ] que el oscilador nunca entre en un modo no lineal .
