Warum ist Superheterodyning besser als direkte Konvertierung?

Was ist der Vorteil einer zusätzlichen ZF-Stufe, eines zusätzlichen lokalen Oszillators und einer zusätzlichen Filterstufe und Verstärkung? Es scheint nur mehr Arbeit und Schaltung. Sicherlich werden sowohl die direkte Umwandlung in das Basisband als auch die Zwischenumwandlung in das Basisband am Ende denselben Durchlassfilter durchlaufen, der den ursprünglichen Frequenzbereich isoliert.

Ich sehe Antworten wie "es ermöglicht die Verwendung gemeinsamer Schaltkreise anstelle separater Schaltkreise für jede Frequenz", im Grunde genommen:

Ohne Verwendung einer ZF müssten alle komplizierten Filter und Detektoren in einem Radio oder Fernseher bei jeder Frequenzänderung gemeinsam abgestimmt werden, wie dies bei den früh eingestellten Hochfrequenzempfängern erforderlich war

Aber ich verstehe nicht, weil sie alle zum Beispiel auf das Basisbandsignal und nicht auf die ZF abgestimmt werden könnten, wodurch das beschriebene Problem beseitigt wird.

Ich sehe auch:

So kann eine engere Bandbreite und mehr Selektivität erreicht werden, indem das Signal in eine niedrigere ZF umgewandelt und die Filterung bei dieser Frequenz durchgeführt wird

Aber warum nicht die Filterung nur bei der Basisbandfrequenz IF = 0 durchführen? Das ist eine niedrigere IF, richtig. Verbessert das Hinzufügen der IF-Durchlassstufe die Schärfe des endgültigen Durchlassbereichs im Gegensatz zur direkten Ausführung?

Der einzige Nachteil, den ich verstehen kann, ist der undichte lokale Oszillator. Geschieht dies nicht mehr bei höheren Frequenzen? Eine ZF könnte es dem ersten LO ermöglichen, viel langsamer zu schwingen.

Es gibt einige Vorteile.

Schauen Sie sich einen typischen Superhet an (bis zum IF):

Das Eingangssignal am HF-Eingang ist klein (so niedrig wie -122 dBm in einigen Schmalband-Sprachsystemen, an denen ich gearbeitet habe - das sind ungefähr 6,3 fW).

Das Verstärken eines Signals mit einer hohen HF (z. B. einigen GHz) ist im Vergleich zu dieser Verstärkung mit einer niedrigeren Frequenz teuer. Ein paar dB HF-Verstärkung reichen normalerweise aus, um das Signal bis zur ZF-Stufe zu verarbeiten.

Die Eingangsfilterbandbreite muss so sein, dass sie kleiner als der Kanalabstand ist (normalerweise kleiner als die Ausgangsbandbreite), damit sie einfacher zu implementieren ist.

Die Bildunterdrückungsfilterbandbreite wird von der lokalen Oszillatorfrequenz (RF bei +/- IF), so dass die Wahl ein relativ niedrigen IF - Mittel eingestellt wird, dass Bildunterdrückung relativ einfach ist , als auch zu tun.

Beim ZF-Verstärker wird normalerweise der größte Teil der Signalverstärkung mit relativ geringen Kosten und geringer Komplexität durchgeführt (im Vergleich zu dem Versuch, dies bei höheren Frequenzen zu tun). Der Filter verhindert ein Durchbluten und stellt die Signalbandbreite auf die Informationsbandbreite ein.

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass alles nach dem Fixieren des Mischers repariert wird - während des normalen Betriebs ist keine Einstellung erforderlich, weshalb der dynamische Signalbereich hoch sein kann. Ich habe die AGC nicht gezeigt (fast immer vorhanden), aber das ist auch ein fester Teil der (dynamischen) Schaltung.

Eine Verbesserung ist das Double Superhet (2 IF-Stufen), mit dem ich vor Jahrzehnten gearbeitet habe und das immer noch sehr beliebt ist.

Es gibt Direktumwandlungsempfänger, die jedoch unter einer Reihe von Problemen leiden, insbesondere unter dem Dynamikbereich des Signals.

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Als Antwort auf den Kommentar gibt es Direktumwandlungsempfänger mit großem Dynamikbereich (eine mögliche Quelle ist aufgeführt). Diese gibt es schon seit einiger Zeit und sind häufig in SDR- Setups zu finden.

Ein reiner Hardware-Ansatz begünstigt den Superhet.

Beachten Sie, dass diese Antwort in Richtung analoger Funkempfang verzerrt ist. Die Regeln unterscheiden sich für softwaredefinierte Funkgeräte und für digitale Dienste.

$f_c + f_s$$f_c - f_s$$f_c$$f_s$

Der zweitgrößte Nachteil ist die Menge an Verstärkung, die Sie bei einer Frequenz benötigen. Empfänger benötigen viel Verstärkung, und Mischer sind normalerweise der begrenzende Faktor für einen hohen Dynamikbereich. Sie möchten also Ihren gesamten Gewinn nach dem ersten Mixer setzen, der in der Regel die störendsten Signale sieht. Bei einem empfindlichen SSB-Empfänger kann diese Verstärkung mehr als 120 dB betragen. Es ist schwierig bis unmöglich, so viel Gewinn zu erzielen, ohne zu schwingen. Wenn Sie sich die Amateurfunkliteratur ansehen, werden Sie feststellen, dass die meisten Direktumwandlungsempfänger Kopfhörer haben - es gibt einen Grund dafür.

Andere Probleme sind das Durchbluten von LO und die Schwierigkeit, einen rauscharmen Verstärker mit niedriger Impedanz bei Audiofrequenzen zu erzielen.

All diese Nachteile bieten Ihnen einen deutlichen Vorteil darin, zumindest einen Teil Ihrer Filterung und Verstärkung vor der endgültigen Konvertierung in Audio zu platzieren. Wenn Sie davon ausgehen, dass ein solcher Schritt erforderlich ist, werden die Gründe, die Sie verwirren, plötzlich Sinn machen .

Ja, es gibt Direktumwandlungsempfänger, die jedoch besondere Sorgfalt erfordern, insbesondere bei bestimmten Modulationsarten.

Bei der SSB-Modulation muss Ihr Basisband-Demodulator beispielsweise in der Lage sein, zwischen "positiver Frequenz" und "negativer Frequenz" zu unterscheiden, um das unerwünschte Seitenband zurückzuweisen. Dies ist nicht trivial und nur mit DSP wirklich praktisch.

Wenn Sie die Mittenfrequenz eines FM- oder PM-Signals auf 0 Hz verschieben, müssen Sie erneut zwischen positiven und negativen Frequenzen unterscheiden, um sie ordnungsgemäß zu demodulieren.

Selbst bei AM- oder DSB-Signalen, bei denen die Seitenbänder identische Informationen enthalten, erhalten Sie Verzerrungen - oder einen konstanten Ton vom AM-Träger, sofern Ihre Konvertierung nicht perfekt ist (Ihr LO stimmt genau mit der empfangenen Trägerfrequenz überein).

Superheterodyn wurde in den Tagen erfunden, als die Demodulation durch einfache Hüllkurvendetektoren durchgeführt wurde, die überhaupt keine Frequenzunterscheidung hatten, geschweige denn zwischen positiven und negativen Frequenzen unterschieden. Die gesamte Selektivität muss vor der Demodulation angewendet werden, was auf die von Ihnen gefundenen Gründe zurückgeht. Sie benötigen entweder Filter, die die Trägerfrequenz mit konstanter Bandbreite verfolgen können, oder Sie konvertieren in eine feste Zwischenfrequenz, in der Sie feste Filter verwenden können.

Die direkte Konvertierung ist konzeptionell einfach, erfordert jedoch ein beträchtliches Engineering, um sie richtig zu machen. Neben den Antworten von Dave & Tim gibt es ein subtiles schädliches potenzielles Problem bei der direkten Konvertierung ...

Die meisten Mischer (auch doppelt symmetrische) geben lokale Oszillatorleistung sowohl an den HF-Port als auch an den ZF-Port ab. Strom, der rückwärts durch den HF-Anschluss zur Antenne fließt, kann Probleme verursachen. Selbst bei ausgezeichneter Mischerbalance ist die wieder abgestrahlte lokale Oszillator-Energie oft viel größer als die eingehenden Signale.
Der neu abgestrahlte LO kann modifiziert werden (Phase, Amplitude) und die Empfangsantenne wieder in den Mischer zurückführen. Das Mischungsgleichgewicht kann beeinträchtigt werden. Außerdem wird am Ausgangsanschluss des Mischers ein Basisbandsignal erzeugt, das das gewünschte Basisbandsignal verschmutzen kann.

Einige Bewegungssensoren, "Bug" -Detektoren, nutzen diesen Prozess, bei dem das "falsche" Basisbandsignal das gewünschte Ergebnis ist und beispielsweise eine Bewegung anzeigt.

Am häufigsten wird ein linearer Empfänger gewünscht. In diesem Fall soll die Energie des lokalen Oszillators nicht zur Signalquelle zurückkehren. Ein ausgezeichneter Mixer-Ausgleich ist ein Anfang. Das Hinzufügen eines starken HF-Vorverstärkers mit guter Isolation von Ausgang zu Eingang hilft ebenfalls. Alles schwierig, wenn die Frequenz steigt.

Niemand sonst hat das Problem des Frequenzversatzes in den Mischstufen erwähnt. Der HF-Mischer tut sein Bestes, um die Frequenz des Trägers anzupassen, aber es gibt immer noch einen Unterschied, der dazu führt, dass die ZF einen Versatz von der gewünschten Frequenz aufweist. Eine ZF-Stufe mit einer Mittenfrequenz ungleich Null ermöglicht die Verwendung einer PLL, um das ZF-Signal zu verfolgen und den größten Teil des Frequenzversatzes zu entfernen.

Es ist normalerweise einfacher und billiger, die beste PLL bei ZF-Frequenzen anstelle von HF-Frequenzen zu erzielen.

Sie können zwei Mischer verwenden, um das empfangene Signal in I und Q umzuwandeln. Dies würde jedoch zwei teure HF-Frequenz-PLLs erfordern, die ebenfalls eine feste Phasendifferenz von 90 Grad aufweisen müssen. Dies ist auch bei ZF-Frequenzen viel einfacher und billiger.

Das Problem ist die LO-Unterdrückung des Mischers und nahe am LO-Phasenrauschen des Trägers. 20 dB sind sofort einsatzbereit. 40dB ist mit Sorgfalt unkompliziert. 60dB sind nur mit Heldentaten und dynamischer Anpassung möglich. 80 dB können für kurze Zeit im Labor bei Punktfrequenzen durchgeführt werden, wenn Sie Glück haben und die Temperatur sich nicht ändert. Sie benötigen> 120 dB, damit ein Direktumwandlungsempfänger funktioniert, sowie ein Superhet.

Es sei denn, Sie verwenden OFDM. Dort haben Sie Dutzende von Spediteuren, und nicht alle werden für Daten verwendet. Es gibt einige für Piloten, einige für Schutzbänder, und in einigen fortschrittlichen Systemen gibt es einige, die nur zum Reduzieren der HF-Spitzenspannung des Ensembles verwendet werden, um Probleme mit der Senderlinearität zu lösen. Es ist also keine große Ineffizienz, ein paar Carrier ohne Daten in und um das Kanalzentrum zu lassen (DC, wenn es sich um IQ-Basisbänder handelt, der LO für einen Direktumwandlungsempfänger).