Mengapa konversi ke Frekuensi Menengah?

Saat mempelajari tentang berbagai sistem komunikasi (penerima Superheterodyne dan penerima televisi, untuk beberapa nama) saya sering menemukan blok yang mengubah sinyal RF ke sinyal Intermediate Frequency (IF). Apa perlunya konversi ini? Tidak bisakah sinyal RF diproses secara langsung tanpa mengubahnya menjadi sinyal IF?

Saya merujuk pertanyaan ini , tetapi jawabannya tidak menjelaskan tentang perlunya konversi IF.

Jawaban ini berfokus pada penerima radio seperti AM dan FM.

Jika Anda hanya tertarik menerima sinyal dari satu stasiun, Anda mungkin tidak perlu memiliki atau menggunakan frekuensi menengah. Anda dapat membuat penerima untuk mendengarkan frekuensi tersebut - penyetelannya harus tajam - Anda harus menolak semua sumber lain yang mungkin mencemari sinyal yang Anda inginkan.

Ini dilakukan oleh sekelompok band pass filter yang bersama-sama, memiliki passband yang cukup lebar untuk mengatasi sinyal yang ingin Anda terima tetapi tidak terlalu lebar sehingga memungkinkan orang lain masuk.

Sekarang katakan Anda ingin menyetel ke 2 stasiun - Anda harus menyelaraskan kembali semua pemfilteran ini untuk bertepatan dengan stasiun baru. Secara historis radio sederhana dan memindahkan banyak filter pass band yang disetel ke frekuensi pusat baru akan sulit.

Jauh lebih mudah untuk memiliki banyak filter band-pass tetap yang melakukan sebagian besar dari semua pemilihan saluran yang tidak diinginkan daripada mencoba untuk menyelaraskannya saat Anda menyetel dial.

Jadi penerima super-heterodyne dikandung. Rentang luas yang masuk dari banyak stasiun radio adalah "dicampur" dengan osilator yang dapat dengan mudah disetel dengan dial - ini menghasilkan jumlah dan perbedaan frekuensi dan biasanya frekuensi perbedaan menjadi frekuensi "dicari" baru. Jadi untuk FM (88MHz ke 108MHz), frekuensi IF menjadi 10,7MHz dan osilator akan (biasanya) pada 98,7MHz untuk tuning sinyal 88MHz dan pada 118,7MHz untuk tuning sinyal 108MHz.

Jangan gantung saya pada ini - itu bisa sama-sama berada di 77,3MHz naik ke 97,3MHz untuk menghasilkan set frekuensi perbedaan yang sama. Mungkin seseorang dapat mengubah jawaban saya atau menyarankan saya tentang ini.

Ini masalah kecil karena intinya adalah bahwa sekali Anda dapat memanipulasi frekuensi pembawa sinyal yang masuk, Anda dapat memberi makan hasilnya melalui set tetap filter band-pass tetap sebelum Anda mendemodulasi.

Sedikit info lebih lanjut tentang pita VHF FM

Ia bergerak dari 88MHz ke 108MHz dan memiliki IF yang hanya sedikit lebih besar (10,7MHz) dari setengah rentang frekuensi yang dicakupnya. Ada alasan yang masuk akal - jika osilator disetel tepat untuk mengambil 88MHz (yaitu osc = 98,7MHz) perbedaan frekuensi yang akan dihasilkan dari puncak band di 108MHz akan menjadi 9,3MHz dan ini akan keluar dari band tuning berpusat di 10,7 MHz dan karenanya "ditolak".

Tentu saja jika seseorang mulai mentransmisikan di luar band FM Anda dapat mengambil ini tetapi saya percaya bahwa undang-undang mencegahnya.

Mengikuti aktivitas terbaru dalam pertanyaan ini, saya ingat bahwa ada alasan lain yang valid untuk menggunakan frekuensi menengah. Pertimbangkan bahwa sinyal dari antena mungkin dalam urutan 1 uV RMS dan kemudian pertimbangkan bahwa Anda mungkin ingin sirkuit radio untuk memperkuat ini menjadi sesuatu seperti 1V RMS (maafkan lambaian tangan) di demodulator. Nah, itu keuntungan 1 juta atau 120 dB dan, tidak peduli seberapa keras Anda mungkin mencoba, memiliki papan sirkuit dengan keuntungan 120 dB adalah resep untuk bencana umpan balik yaitu akan berosilasi dan berubah menjadi "theramin".

Apa yang Anda dapatkan dari IF adalah pemutusan rantai sinyal yang mencegah osilasi. Jadi, Anda mungkin memiliki gain RF 60 dB kemudian dikonversi ke IF Anda dan memiliki gain IF 60 dB - sinyal di akhir rantai tidak lagi kompatibel dengan frekuensi yang terjadi pada antena dan oleh karena itu, tidak ada efek theramin !

Beberapa radio mungkin memiliki dua frekuensi menengah - untuk alasan ini saja Anda dapat mengurangi penguatan RF hingga 40 dB dan setiap tahap IF dapat memiliki gain 40 dB dan TIDAK ada theramin.

JIKA membuat penerima lebih ekonomis dan berkualitas lebih tinggi. Bagian RF lebih sulit untuk dibuat dan digunakan, dan sirkuit lebih banyak dilanda masalah kapasitansi liar, induktansi, kebisingan, loop dan gangguan tanah. Semakin tinggi frekuensinya. Tetapi kita harus memiliki ujung depan RF karena sinyal pada koneksi antena terlalu lemah untuk melakukan apa pun kecuali menguatkannya. Diperlukan tetapi mahal, desainer ingin meminimalkan jumlah sirkuit RF.

OTOH, kami ingin selektivitas yang baik. Transmisi dialokasikan bandwidth, dan beberapa pemancar berada di bawah tekanan untuk diperas bersama di samping satu sama lain dalam frekuensi. Kami ingin passband datar untuk frekuensi yang diinginkan, dan penyumbatan lengkap frekuensi di luar itu. Kesempurnaan tidak mungkin tetapi pengorbanan dapat dilakukan untuk filter "cukup baik". Ini membutuhkan desain filter canggih, bukan hanya sirkuit yang disetel LC biasa. Meskipun ini bisa dilakukan dalam RF, secara teori, dalam praktiknya akan rumit dan mahal, dan sulit untuk membuat stabil terhadap perubahan suhu dan penuaan.

Kita dapat membuat filter yang lebih baik memenuhi persyaratan respons kompleks pada frekuensi yang lebih rendah, misalnya puluhan MHZ, atau sub-MHz. Semakin rendah frekuensinya, semakin mudah untuk merancang perkiraan yang layak untuk filter fungsi respons persegi panjang. Ternyata membuat konverter-ke bawah - osilator dan mixer lokal - relatif mudah dan ekonomis. Secara keseluruhan, sistem ini paling ekonomis dengan amplifier ujung depan RF minimal, konverter turun, dan bagian IF yang dirancang dengan baik, melakukan semua penyaringan yang bagus.

Poin pelajaran utama adalah: * Semakin tinggi frekuensinya, semakin mahal dan menyusahkannya. * Persyaratan filter yang rumit (apa pun di luar sirkuit dasar yang disetel) paling baik dilakukan pada frekuensi yang lebih rendah

Saya merasa menarik bahwa strategi desain ini telah bertahan selama beberapa dekade untuk berbagai sistem yang memanfaatkan teknologi yang sangat berbeda. Radio tabung hampa tua tampak seperti furnitur kayu pada 1930-an-1940-an, radio transistor pada 1960-an, ponsel mungil dan perangkat bluetooth saat ini, teleskop astronomi radio raksasa, telemetri pesawat ruang angkasa, dan banyak lagi.

Pada dasarnya ini memungkinkan sirkuit demodulasi dibuat sangat sensitif dengan bandwidth yang sempit.

Jika rangkaian demodulasi harus wideband (katakanlah, dapat bekerja untuk frekuensi apa pun dari 88-108 MHz untuk FM), menjaga respons datar di seluruh rentang frekuensi akan sulit. Alih-alih, tuner adalah pita lebar dan kemudian dikocok (heterodyned) ke frekuensi menengah tunggal dan dikirim ke sirkuit demodulasi yang sangat dioptimalkan.

Radio awal menggunakan tahap Tune RF untuk memperkuat sinyal radio yang lemah ke titik "detektor" AM dapat mengubahnya kembali menjadi audio. Radio-radio TRF ini akan memiliki mana saja dari satu tahap ke sebanyak 12 tahap. Semakin banyak tahapan, semakin baik penerimaan sinyal lemah dan semakin baik penolakan gambar (penolakan frekuensi terdekat). Ini bekerja dengan baik ketika hanya ada beberapa stasiun radio tetapi tidak berfungsi dengan baik ketika lebih banyak stasiun mulai memadati gelombang udara.

Radio TRF menggunakan sirkuit yang disetel dengan Q untuk setiap tahap diatur untuk memungkinkan semua frekuensi untuk bandwidth audio yang digunakan untuk melewati dan sedikit amplifikasi untuk meningkatkan sinyal ke tingkat yang dapat digunakan. Ini memiliki beberapa kelemahan seperti yang ditunjukkan orang lain dan beberapa mereka tidak terjawab. Jika tingkat gain terlalu tinggi, mereka mungkin mulai berosilasi dan radio berhenti bekerja. Bahkan dengan kapasitor variabel geng, mendapatkan semua tahap untuk tetap pada frekuensi sulit sehingga ketentuan dibuat pada beberapa tahap atau semua tahap untuk "memotong" sinyal. Inilah sebabnya mengapa gambar yang Anda lihat dari perangkat radio awal memiliki begitu banyak tombol. Cukup banyak untuk kapasitor variabel "trimmer" dan lainnya adalah penyesuaian bias tabung untuk mengatur penguatan untuk mencegah umpan balik. Ini, seperti yang bisa Anda bayangkan,

Diketahui sebelum pergantian abad ke-19 bahwa jika dua osilator saling berdekatan maka mereka akan "mengalahkan" satu sama lain dan menghasilkan sinyal baru seperti dalam kasus dua seruling disetel ke nada yang sama. Ini dieksploitasi dengan beberapa cara menarik pada awal abad ke-20. Penggunaan pertama adalah dalam detektor CW baseband yang mengubah sinyal radio menjadi suara yang terdengar jauh lebih bersih daripada barbar dan perangkat detektor berbelit-belit lainnya. Theremin menggunakan heterodyning dari dua osilator di mana satu memiliki kapasitansi tuning yang dipasok oleh piring kecil atau kawat dan tangan pengguna.

Mayor Armstrong di AS dan beberapa lainnya di Eropa menyadari selama Perang Dunia I bahwa ini dapat dieksploitasi untuk membuat penerima yang hanya memiliki beberapa tahap gain yang sangat tinggi dan filter tuning yang lebih sederhana. Tahap mixer akan mengambil RF yang masuk, heterodyne terhadap osilator lokal dan karena perilaku nonlinear dari tahap mixer menghasilkan jumlah dan frekuensi perbedaan. Biasanya perbedaan frekuensi itu lebih rendah daripada RF atau osilator yang digunakan. Pada 1MHz, LO ditetapkan untuk 1,455MHz dan sinyal pada 455KHz (perbedaan) dan pada 1,91MHz (jumlah) diproduksi.

Alih-alih banyak tahap yang disetel yang gainnya dirancang untuk mencegah osilasi karena frekuensi input dan outputnya sama, satu atau dua tahap gain yang lebih tinggi untuk RF dapat diikuti oleh satu atau beberapa tahap yang dirancang dengan hati-hati semua beroperasi pada frekuensi tetap berbeda yang tidak perlu disesuaikan.

Dari kapasitor tuning banyak bagian yang sangat mahal dan sulit untuk diproduksi Anda hanya perlu dua atau tiga bagian yang menjadi biaya yang jauh lebih kecil. Ini juga lebih mudah diatur karena selektivitas memiliki IF pada 455KHz berarti tidak ada stasiun radio pada frekuensi itu karena band siaran adalah 540KHz hingga 1650KHz.