Warum die Umstellung auf Zwischenfrequenz?

Beim Studium verschiedener Kommunikationssysteme (Superheterodyne-Empfänger und Fernsehempfänger, um nur einige zu nennen) stoße ich häufig auf Blöcke, die HF-Signale in Zwischenfrequenzsignale (ZF) umwandeln. Was ist die Notwendigkeit für diese Konvertierung? Können die HF-Signale nicht direkt verarbeitet werden, ohne sie in ZF-Signale umzuwandeln?

Ich habe diese Frage angesprochen, aber ihre Antwort hat nicht die Notwendigkeit einer ZF-Konvertierung erklärt.

Diese Antwort konzentriert sich auf Radioempfänger wie AM und FM.

Wenn Sie nur ein Signal von einem Sender empfangen möchten, müssen Sie möglicherweise keine Zwischenfrequenz verwenden. Sie können Ihren Receiver so konfigurieren, dass er genau auf diese Frequenz abstimmt. Die Abstimmung muss scharf sein. Sie müssen alle möglichen anderen Quellen ablehnen, die das gewünschte Signal möglicherweise verschmutzen.

Dies geschieht durch eine Reihe von Bandpassfiltern, die zusammen ein Durchlassband haben, das breit genug ist, um mit dem Signal fertig zu werden, das Sie empfangen möchten, aber nicht so breit, dass es andere reinlässt.

Angenommen, Sie möchten 2 Sender einstellen - Sie müssen diese Filterung neu ausrichten, damit sie mit einem neuen Sender übereinstimmt. Früher waren Radios einfach, und es wäre schwierig, eine Reihe von abgestimmten Bandpassfiltern auf eine neue Mittenfrequenz zu verschieben.

Es war viel einfacher, eine Reihe von festen Bandpassfiltern zu haben, die den größten Teil der unerwünschten Kanalrektionen bewirkten, als sie beim Abstimmen des Reglers auszurichten.

So wurden Super-Heterodyne-Empfänger konzipiert. Das eingehende breite Spektrum vieler Radiosender wurde mit einem Oszillator "gemischt", der einfach mit einem Zifferblatt eingestellt werden kann - dies erzeugte Summen- und Differenzfrequenzen und normalerweise wurde die Differenzfrequenz zur neuen "gewünschten" Frequenz. Für FM (88 MHz bis 108 MHz) betrug die ZF-Frequenz 10,7 MHz, und der Oszillator lag (normalerweise) bei 98,7 MHz zum Abstimmen von 88 MHz-Signalen und bei 118,7 MHz zum Abstimmen von 108 MHz-Signalen.

Hängen Sie mich nicht daran - es könnte auch bei 77,3 MHz auf 97,3 MHz ansteigen, um den gleichen Satz von Differenzfrequenzen zu erzeugen. Vielleicht kann jemand meine Antwort ändern oder mich dazu beraten.

Dies ist jedoch eine Kleinigkeit, da Sie, sobald Sie die Trägerfrequenz des eingehenden Signals manipulieren konnten, das Ergebnis vor der Demodulation durch einen genau abgestimmten festen Satz von Bandpassfiltern leiten können.

Ein bisschen mehr Infos über das UKW-FM-Band

Es reicht von 88 MHz bis 108 MHz und hat eine ZF, die nur geringfügig größer ist (10,7 MHz) als der halbe Frequenzbereich, den es abdeckt. Es gibt einen vernünftigen Grund - wenn der Oszillator genau auf 88 MHz eingestellt wäre (dh osc = 98,7 MHz), würde die Differenzfrequenz, die er von der Oberseite des Bandes bei 108 MHz erzeugen würde, 9,3 MHz betragen und dies wäre gerade außerhalb des Bandes von die Abstimmung zentrierte sich auf 10,7 MHz und wurde daher "abgelehnt".

Natürlich, wenn jemand etwas außerhalb des FM-Bandes sendet, können Sie dies aufnehmen, aber ich glaube, dass die Gesetzgebung dies verhindert.

Nach der letzten Aktivität in dieser Frage erinnerte ich mich, dass es einen weiteren gültigen Grund für die Verwendung einer Zwischenfrequenz gibt. Stellen Sie sich vor, dass das Signal von einer Antenne in der Größenordnung von 1 µV RMS liegt, und stellen Sie sich dann vor, dass der Funkkreis dies auf etwa 1 V RMS (verzeihen Sie das Winken der Hand) am Demodulator verstärken soll. Nun, das ist ein Gewinn von 1 Million oder 120 dB und, egal wie sehr Sie es auch versuchen, eine Platine mit einem Gewinn von 120 dB zu haben, ist ein Rezept für eine Rückkopplungskatastrophe, dh sie wird oszillieren und sich in ein "Theramin" verwandeln.

Was eine ZF bringt, ist eine Unterbrechung der Signalkette, die ein Schwingen verhindert. Möglicherweise haben Sie eine HF-Verstärkung von 60 dB, die Sie dann in Ihre ZF umwandeln, und eine ZF-Verstärkung von 60 dB - das Signal am Ende der Kette ist nicht mehr frequenzkompatibel mit dem, was an der Antenne geschieht, und daher gibt es keinen Theramin-Effekt !

Einige Radios haben möglicherweise zwei Zwischenfrequenzen - allein aus diesem Grund können Sie die HF-Verstärkung auf 40 dB reduzieren und jede ZF-Stufe kann eine Verstärkung von 40 dB und NO haben.

IF macht den Empfänger wirtschaftlicher und qualitativ hochwertiger. HF-Teile sind schwieriger herzustellen und zu verwenden, und die Schaltung ist stärker mit Problemen hinsichtlich Streukapazität, Induktivität, Rauschen, Masseschleifen und Interferenzen behaftet. Je höher die Frequenz. Wir müssen jedoch ein RF-Front-End haben, da das Signal am Antennenanschluss einfach zu schwach ist, um etwas anderes zu tun, als es zu verstärken. Konstrukteure, die notwendig, aber teuer sind, möchten den Aufwand für HF-Schaltungen minimieren.

OTOH, wir wollen eine gute Selektivität. Sendungen wird Bandbreite zugewiesen, und mehrere Sender stehen unter dem Druck, frequenzmäßig nebeneinander gedrückt zu werden. Wir wollen ein flaches Durchlassband für die gewünschte Frequenz und eine vollständige Sperrung von Frequenzen außerhalb davon. Perfektion ist unmöglich, aber Kompromisse können für einen "gut genug" Filter geschlossen werden. Dies erfordert ein fortschrittliches Filterdesign und nicht nur einen einfachen LC-Schwingkreis. Während dies theoretisch in HF möglich ist, ist es in der Praxis schwierig und teuer und schwer, es gegen Temperaturänderungen und Alterung zu stabilisieren.

Wir können bessere Filter herstellen, die komplexe Reaktionsanforderungen bei niedrigeren Frequenzen erfüllen, z. B. Zehntel-MHz oder Sub-MHz. Je niedriger die Frequenz, desto einfacher ist es, eine annehmbare Annäherung an ein Rechteckantwortfunktionsfilter zu entwerfen. Es stellt sich heraus, dass das Herstellen des Abwärtswandlers - des lokalen Oszillators und des Mischers - relativ einfach und wirtschaftlich ist. Insgesamt ist das System mit minimalen HF-Front-End-Verstärkern, einem Abwärtswandler und einem kräftigen, gut konzipierten ZF-Bereich, der die gesamte ausgefallene Filterung übernimmt, am wirtschaftlichsten.

Die wichtigsten Punkte der Lektion sind: * Je höher die Frequenz, desto teurer und mühsamer ist sie. * Aufwändige Filteranforderungen (alles, was über einen elementaren Schwingkreis hinausgeht) werden am besten bei niedrigeren Frequenzen durchgeführt

Ich finde es interessant, dass diese Designstrategie über Jahrzehnte für viele verschiedene Systeme mit ganz unterschiedlichen Technologien Bestand hat. Alte Vakuumröhrenradios, die in den 1930er bis 1940er Jahren wie Holzmöbel aussahen, Transistorradios in den 1960er Jahren, heute winzige Mobiltelefone und Bluetooth-Geräte, gigantische Radioastronomieteleskope, Telemetrie von Raumfahrzeugen und mehr.

Grundsätzlich soll die Demodulationsschaltung mit einer schmalen Bandbreite sehr empfindlich gemacht werden.

Wenn die Demodulationsschaltung breitbandig sein müsste (z. B. für jede Frequenz von 88-108 MHz für FM), wäre es schwierig, eine flache Antwort über den gesamten Frequenzbereich zu erhalten. Stattdessen wird der Tuner breitbandig und dann auf eine einzelne Zwischenfrequenz geschlagen (überlagert) und an eine sehr optimierte Demodulationsschaltung gesendet.

Frühe Radios verwendeten Tune RF-Stufen, um schwache Funksignale so weit zu verstärken, dass ein AM- "Detektor" sie wieder in Audio umwandeln konnte. Diese TRF-Funkgeräte hätten irgendwo von einer Stufe bis zu 12 Stufen. Je mehr Stufen vorhanden sind, desto besser ist der Empfang für schwache Signale und desto besser ist die Bildunterdrückung (Unterdrückung benachbarter Frequenzen). Dies funktionierte gut, wenn es nur wenige Radiosender gab, aber es funktionierte nicht gut, als mehr Sender die Luftwellen überfüllten.

Ein TRF-Radio verwendet einen abgestimmten Schaltkreis, dessen Q für jede Stufe so eingestellt ist, dass alle Frequenzen für die verwendete Audiobandbreite durchgelassen werden, und eine kleine Verstärkung, um das Signal auf verwendbare Pegel anzuheben. Dies hatte einige Nachteile, auf die andere hingewiesen haben, und einige, die sie verpassten. Wenn die Verstärkung der Stufen zu hoch ist, können sie oszillieren und das Radio funktioniert nicht mehr. Selbst bei variablen gekoppelten Kondensatoren war es schwierig, alle Stufen auf der Frequenz zu halten, so dass in einigen Stufen oder in allen Stufen Vorkehrungen zum "Trimmen" des Signals getroffen wurden. Dies ist der Grund, warum Bilder, die Sie von frühen Funkgeräten sehen, so viele Knöpfe hatten. Nicht wenige waren für den "Trimmer" variable Kondensatoren und andere waren Röhrenvorspannungsanpassungen, um die Verstärkung einzustellen, um eine Rückkopplung zu verhindern. Wie Sie sich vorstellen können,

Vor der Wende des 19. Jahrhunderts war bekannt, dass zwei Oszillatoren, wenn sie nahe beieinander wären, gegeneinander "schlagen" und ein neues Signal erzeugen würden, wie im Fall von zwei Flöten, die auf die gleiche Tonhöhe gestimmt waren. Dies wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts auf mehrere interessante Arten ausgenutzt. Der erste Einsatz erfolgte in einem Basisband-CW-Detektor, der ein Funksignal viel sauberer in hörbaren Klang umwandelte als die Barrater- und andere Detektorgeräte. Das Theremin verwendet die Überlagerung von zwei Oszillatoren, wobei einer seine Abstimmkapazität durch eine kleine Platte oder einen Draht und die Hand des Benutzers liefert.

Major Armstrong in den USA und einige andere in Europa erkannten während des Ersten Weltkriegs, dass dies ausgenutzt werden konnte, um einen Empfänger mit nur wenigen sehr hohen Verstärkungsstufen und viel einfacheren Abstimmfiltern herzustellen. Die Mischstufe würde die ankommende HF aufnehmen, gegen den lokalen Oszillator überlagern und aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der Mischstufe sowohl eine Summen- als auch eine Differenzfrequenz erzeugen. Normalerweise war die Differenzfrequenz niedriger als der verwendete HF oder Oszillator. Bei 1 MHz ist der LO auf 1,455 MHz eingestellt, und ein Signal bei 455 kHz (Differenz) und 1,91 MHz (Summe) wird erzeugt.

Anstelle vieler abgestimmter Stufen, deren Verstärkung so angepasst wurde, dass sie keine Schwingungen verursachen, da ihre Eingangs- und Ausgangsfrequenzen alle gleich sind, könnten auf eine oder zwei Stufen mit höherer Verstärkung für die HF eine oder mehrere sorgfältig entworfene Stufen folgen, die alle mit einer anderen festen Frequenz arbeiten als diese musste nicht angepasst werden.

Von einem vielteiligen Abstimmkondensator, der sehr teuer und schwierig herzustellen war, benötigen Sie nur zwei oder drei Teile, die zu einem viel geringeren Aufwand werden. Dies war auch einfacher abzustimmen, da die Selektivität, die ZF bei 455 kHz zu haben, bedeutete, dass keine Radiosender bei dieser Frequenz existieren würden, da das Rundfunkband 540 kHz bis 1650 kHz beträgt.