ทำไมการแปลงเป็นความถี่กลาง

ในขณะที่ศึกษาเกี่ยวกับระบบสื่อสารต่าง ๆ (เครื่องรับ Superheterodyne และเครื่องรับโทรทัศน์เพื่อชื่อไม่กี่) ฉันมักจะเจอบล็อกที่แปลงสัญญาณ RF เป็นสัญญาณความถี่กลาง (IF) ความต้องการในการแปลงนี้คืออะไร? ไม่สามารถประมวลผลสัญญาณ RF โดยตรงโดยไม่แปลงเป็นสัญญาณ IF ได้หรือไม่

ฉันส่งคำถามนี้แต่คำตอบไม่ได้อธิบายเกี่ยวกับความต้องการการแปลง IF

คำตอบนี้เพ่งความสนใจไปที่เครื่องรับวิทยุเช่น AM และ FM

หากคุณสนใจที่จะรับสัญญาณจากสถานีเดียวคุณไม่จำเป็นต้องมีหรือใช้ความถี่กลาง คุณสามารถสร้างตัวรับสัญญาณของคุณเพื่อจูนคลื่นความถี่นั้นได้ - การปรับแต่งจะต้องเฉียบแหลม - คุณต้องปฏิเสธแหล่งที่มาที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่อาจทำให้เกิดสัญญาณที่คุณต้องการ

สิ่งนี้ทำโดยตัวกรองผ่านแถบที่รวมกันมี passband ที่กว้างพอที่จะรับมือกับสัญญาณที่คุณต้องการรับ แต่ไม่กว้างพอที่จะให้ผู้อื่นเข้ามา

ทีนี้สมมติว่าคุณต้องการปรับเป็น 2 สถานี - คุณจะต้องจัดตำแหน่งตัวกรองทั้งหมดนี้ใหม่เพื่อให้ตรงกับสถานีใหม่ ในอดีตวิทยุนั้นเรียบง่ายและการย้ายตัวกรองพาสพาสที่ได้รับการปรับแต่งไปยังความถี่ศูนย์กลางใหม่นั้นคงยาก

มันง่ายกว่ามากที่จะมีตัวกรองผ่านแถบคงที่ซึ่งทำส่วนใหญ่ของช่องสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ทั้งหมดแทนที่จะพยายามจัดตำแหน่งตามที่คุณปรับการหมุน

ดังนั้นผู้รับซูเปอร์ heterodyne จึงรู้สึก ช่วงกว้างที่เข้ามาของสถานีวิทยุหลายแห่งถูก "มิกซ์" กับออสซิลเลเตอร์ที่สามารถปรับได้ด้วยการหมุน - นี่คือผลรวมและความถี่ที่ต่างกันและโดยทั่วไปแล้วความถี่ที่แตกต่างก็กลายเป็นความถี่ ดังนั้นสำหรับ FM (88MHz ถึง 108MHz) ความถี่ IF กลายเป็น 10.7MHz และ oscillator จะเป็น (ปกติ) ที่ 98.7MHz สำหรับการปรับสัญญาณ 88MHz และที่ 118.7MHz สำหรับการปรับสัญญาณ 108MHz

อย่าแฮงค์ฉันในเรื่องนี้ - มันอาจเท่ากับ 77.3MHz เพิ่มขึ้นเป็น 97.3MHz เพื่อสร้างชุดความถี่ที่แตกต่างกัน บางทีใครบางคนสามารถแก้ไขคำตอบของฉันหรือแนะนำฉันเกี่ยวกับเรื่องนี้

มันเป็นเรื่องเล็กน้อยเพราะประเด็นคือเมื่อคุณสามารถจัดการกับความถี่พาหะของสัญญาณขาเข้าได้แล้วคุณสามารถป้อนผลลัพธ์ผ่านชุดฟิลเตอร์พาสแบบคงที่ที่ปรับจูนแน่นก่อนที่คุณจะกำจัดคลื่นความถี่

ข้อมูลเพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับวง VHF FM

มันเปลี่ยนจาก 88MHz เป็น 108MHz และมี IF ที่ใหญ่กว่า (10.7MHz) เล็กน้อยกว่าช่วงความถี่ครอบคลุม มีเหตุผลที่สมเหตุสมผล - หาก oscillator ได้รับการปรับเพื่อรับ 88MHz (เช่น osc = 98.7MHz) ความถี่ที่แตกต่างมันจะผลิตจากด้านบนของวงดนตรีที่ 108MHz จะเป็น 9.3MHz และนี่จะออกจากวงของ การปรับจูนอยู่ที่ 10.7 MHz และ "ปฏิเสธ"

แน่นอนว่าถ้าใครบางคนเริ่มส่งสัญญาณนอกย่านความถี่วิทยุคุณอาจจะหยิบมันขึ้นมา แต่ฉันเชื่อว่ากฎหมายจะป้องกันสิ่งนี้

การติดตามกิจกรรมล่าสุดในคำถามนี้ฉันจำได้ว่ามีอีกเหตุผลที่ถูกต้องสำหรับการใช้ความถี่กลาง พิจารณาว่าสัญญาณจากเสาอากาศอาจอยู่ในลำดับที่ 1 uV RMS และจากนั้นพิจารณาว่าคุณอาจต้องการให้วงจรวิทยุขยายสัญญาณนี้ให้เหมือนกับ 1V RMS (ยกโทษให้มือโบกมือ) ที่ demodulator นั่นคือการได้รับ 1 ล้านหรือ 120 เดซิเบลและไม่ว่าคุณจะพยายามอย่างหนักเพียงใดการมีแผงวงจรที่ได้รับ 120 เดซิเบลนั้นเป็นสูตรสำหรับหายนะข้อเสนอแนะนั่นคือมันจะสั่นไหว

สิ่งที่ทำให้คุณได้รับคือการหยุดในห่วงโซ่สัญญาณซึ่งป้องกันการสั่น ดังนั้นคุณอาจจะได้รับ RF 60 เดซิเบลจากนั้นแปลงเป็น IF ของคุณและได้รับ 60 เดซิเบลถ้าสัญญาณที่ส่วนท้ายของห่วงโซ่ไม่มีความถี่อีกต่อไปเข้ากันได้กับสิ่งที่เกิดขึ้นที่เสาอากาศและดังนั้นจึงไม่มีผลข้างเคียง !

วิทยุบางตัวอาจมีความถี่กลางสองระดับด้วยเหตุนี้เพียงอย่างเดียวคุณสามารถลดอัตราขยายคลื่นความถี่วิทยุได้ถึง 40 เดซิเบลและในแต่ละขั้นตอน IF จะได้รับ 40 เดซิเบลและไม่มีเทรามิน

IF ทำให้ตัวรับสัญญาณทั้งประหยัดและมีคุณภาพสูงขึ้น ชิ้นส่วน RF นั้นมีความยุ่งยากในการใช้และใช้งานและวงจรก็ยิ่งรุมเร้ามากขึ้นเกี่ยวกับปัญหาของความจุจรจัด, การเหนี่ยวนำ, เสียง, ลูปกราวนด์และการรบกวน มากขึ้นดังนั้นความถี่ที่สูงขึ้น แต่เราต้องมีส่วนหน้า RF เพราะสัญญาณที่เชื่อมต่อเสาอากาศอ่อนแอเกินกว่าจะทำอะไรได้ แต่ขยายสัญญาณ จำเป็น แต่แพงนักออกแบบต้องการลดจำนวนวงจร RF

OTOH เราต้องการการคัดสรรที่ดี การส่งสัญญาณเป็นแบนด์วิดท์ที่กำหนดและเครื่องส่งสัญญาณหลายเครื่องอยู่ภายใต้แรงกดดันที่จะถูกบีบอัดเข้าด้วยกันถัดจากกันในความถี่ เราต้องการ passband แบบแบนสำหรับความถี่ที่ต้องการและปิดกั้นความถี่ที่สมบูรณ์นอกนั้น ความสมบูรณ์แบบนั้นเป็นไปไม่ได้ แต่การแลกเปลี่ยนสามารถสร้างขึ้นเพื่อตัวกรอง "ดีพอ" นี่ใช้การออกแบบตัวกรองขั้นสูงไม่ใช่แค่วงจร LC ที่ปรับได้ธรรมดา ในขณะนี้สามารถทำได้ใน RF ในทางทฤษฎีในทางปฏิบัติมันจะยุ่งยากและมีราคาแพงและยากที่จะทำให้มั่นคงกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและอายุ

เราสามารถทำให้ตัวกรองที่ดีขึ้นตอบสนองความต้องการการตอบสนองที่ซับซ้อนที่ความถี่ต่ำเช่นสิบ MHZ หรือ sub-MHz ยิ่งความถี่ต่ำลงเท่าไหร่การออกแบบฟังก์ชั่นการตอบสนองต่อสัญญาณสี่เหลี่ยมผืนผ้าก็จะง่ายขึ้น ปรากฎว่าการแปลงลง - oscillator และมิกเซอร์ท้องถิ่น - ค่อนข้างง่ายและประหยัด โดยรวมแล้วระบบประหยัดที่สุดด้วยแอมพลิฟายเออร์ RF หน้าต่ำสุด, คอนเวอร์เตอร์ดาวน์และส่วน IF ที่ได้รับการออกแบบมาเป็นอย่างดีที่ทำตัวกรองแฟนซีทั้งหมด

ประเด็นหลักของบทเรียนคือ: * ยิ่งมีความถี่สูงเท่าไหร่ราคาแพงและลำบากมากเท่านั้น * ข้อกำหนดตัวกรองที่ซับซ้อน (อะไรก็ตามที่นอกเหนือจากวงจรปรับแต่งเบื้องต้น) ทำได้ดีที่สุดที่ความถี่ต่ำ

ฉันพบว่ามันน่าสนใจที่กลยุทธ์การออกแบบนี้มีมานานหลายทศวรรษสำหรับระบบต่าง ๆ ที่ใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกัน วิทยุหลอดสุญญากาศเก่าดูเหมือนเฟอร์นิเจอร์ไม้ในช่วงทศวรรษที่ 1930 - 1940 วิทยุทรานซิสเตอร์ในปี 1960 โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์บลูทู ธ เล็ก ๆ ทุกวันนี้กล้องโทรทรรศน์ดาราศาสตร์วิทยุยักษ์ telemetry ยานอวกาศและอื่น ๆ

โดยพื้นฐานแล้วจะอนุญาตให้วงจร demodulation ไวต่อความรู้สึกด้วยแบนด์วิธแคบ ๆ

ถ้าวงจร demodulation ต้องเป็นไวด์แบนด์ (บอกว่าสามารถทำงานกับความถี่ใดก็ได้จาก 88-108 MHz สำหรับ FM) การตอบสนองแบบแบนตลอดช่วงความถี่ทั้งหมดนั้นจะเป็นเรื่องยาก แต่จูนเนอร์เป็นแบบย่านกว้างแล้วจึงตี (heterodyned) ไปยังความถี่กลางเดียวและส่งไปยังวงจร demodulation ที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด

คลื่นวิทยุยุคแรก ๆ ใช้คลื่นความถี่วิทยุ Tune เพื่อขยายสัญญาณวิทยุที่อ่อนไปจนถึงจุดที่ "ตัวตรวจจับ" AM สามารถแปลงกลับเป็นเสียงได้ วิทยุ TRF เหล่านี้จะมีได้ทุกที่ตั้งแต่ขั้นตอนเดียวไปจนถึง 12 ขั้นตอน ยิ่งขั้นตอนมากเท่าไหร่การรับสัญญาณที่อ่อนแอก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้นและการปฏิเสธภาพที่ดีขึ้น (การปฏิเสธความถี่ใกล้เคียง) วิธีนี้ใช้งานได้ดีเมื่อมีสถานีวิทยุเพียงไม่กี่สถานี แต่ก็ใช้งานไม่ได้เมื่อสถานีอื่นเริ่มมีคลื่นวิทยุมากขึ้น

วิทยุ TRF ใช้วงจรปรับที่มี Q สำหรับแต่ละสเตจตั้งค่าเพื่ออนุญาตความถี่ทั้งหมดสำหรับแบนด์วิดท์เสียงที่ใช้ในการส่งผ่านและการขยายสัญญาณเล็กน้อยเพื่อเพิ่มสัญญาณให้อยู่ในระดับที่ใช้งานได้ สิ่งนี้มีข้อบกพร่องเล็กน้อยเนื่องจากคนอื่น ๆ ได้ชี้ให้เห็นและบางคนก็พลาดไป หากขั้นตอนดังกล่าวสูงเกินไปพวกเขาอาจเริ่มสั่นและวิทยุหยุดทำงาน แม้จะมีตัวเก็บประจุแบบแปรผันได้การทำให้ทุกขั้นตอนอยู่ในความถี่นั้นเป็นเรื่องยากดังนั้นบทบัญญัติต่างๆจึงถูกทำขึ้นในบางขั้นตอนหรือทุกขั้นตอนสำหรับ "ตัด" สัญญาณ นี่คือเหตุผลที่รูปภาพที่คุณเห็นของชุดวิทยุต้นมีปุ่มมากมาย ค่อนข้างน้อยสำหรับตัวเก็บประจุตัวแปร "ทริมเมอร์" และคนอื่น ๆ มีการปรับอคติ Tube เพื่อตั้งค่ากำไรเพื่อป้องกันการตอบรับ อย่างที่คุณจินตนาการได้

มันเป็นที่รู้จักกันก่อนเปลี่ยนศตวรรษที่ 19 ว่าถ้าทั้งสองคนอยู่ใกล้กันว่าพวกเขาจะ "ออสซิลเลเตอร์" ซึ่งกันและกันและสร้างสัญญาณใหม่เช่นเดียวกับในกรณีที่สองขลุ่ยปรับไปที่ระดับเดียวกัน สิ่งนี้ถูกใช้ประโยชน์ในรูปแบบที่น่าสนใจหลายอย่างในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การใช้งานครั้งแรกนั้นอยู่ในเครื่องตรวจจับ CW แบนด์แบนด์ที่แปลงสัญญาณวิทยุเป็นเสียงที่ได้ยินได้ดีกว่าบาร์บาเรตและอุปกรณ์ตรวจจับที่ซับซ้อนอื่น ๆ Theremin ใช้ heterodyning ของสองออสซิลเลเตอร์ที่หนึ่งมีการปรับแต่งความจุที่จัดทำโดยแผ่นเล็ก ๆ หรือลวดและมือผู้ใช้

พันตรีอาร์มสตรองในสหรัฐอเมริกาและอีกสองสามคนในยุโรปตระหนักในช่วงสงครามโลกครั้งที่ว่าสิ่งนี้อาจถูกนำไปใช้เพื่อทำให้ผู้รับที่มีขั้นตอนการรับสูงเพียงไม่กี่ขั้นและตัวกรองการปรับแต่งที่ง่ายกว่ามาก เครื่องผสมจะใช้ RF ที่เข้ามา heterodyne กับ oscillator ท้องถิ่นและเนื่องจากพฤติกรรมที่ไม่เชิงเส้นของเครื่องผสมสัญญาณสร้างทั้งผลรวมและความถี่ที่แตกต่างกัน มักจะเป็นความถี่ที่แตกต่างที่ต่ำกว่า RF หรือ oscillator ที่ใช้ ที่ 1MHz, LO ถูกตั้งค่าไว้ที่ 1.455MHz และสัญญาณที่ 455KHz (ความแตกต่าง) และที่ 1.91MHz (ผลรวม) ถูกสร้างขึ้น

แทนที่จะเป็นหลายขั้นตอนที่มีการปรับจูนซึ่งได้รับการปรับแต่งเพื่อป้องกันการสั่นเนื่องจากความถี่อินพุทและเอาท์พุทเหมือนกันทั้งหมดขั้นตอนการรับคลื่นวิทยุที่สูงขึ้นหนึ่งหรือสองครั้งสามารถตามมาด้วย ไม่จำเป็นต้องปรับ

จากตัวเก็บประจุแบบปรับตั้งหลายส่วนที่มีราคาแพงมากและยากที่จะสร้างคุณต้องการเพียงสองหรือสามส่วนเท่านั้นซึ่งจะกลายเป็นค่าใช้จ่ายที่น้อยกว่ามาก นอกจากนี้ยังง่ายต่อการปรับแต่งเนื่องจากการเลือกที่มี IF ที่ 455KHz หมายความว่าไม่มีสถานีวิทยุที่ความถี่นั้นจะมีอยู่เนื่องจากช่วงความถี่ออกอากาศคือ 540KHz ถึง 1650KHz