Pourquoi la superhétérodynie est-elle meilleure que la conversion directe?

Quel est l'avantage d'avoir l'étage supplémentaire de IF, l'oscillateur local supplémentaire et l'étage de filtrage supplémentaire et l'amplification. Cela semble juste plus de travail et de circuits. La conversion directe en bande de base et la conversion intermédiaire en bande de base vont-elles toutes les deux passer par le même filtre de bande passante à la fin de celui-ci qui isole la gamme de fréquences d'origine?

Je vois des réponses telles que «cela permet d'utiliser des circuits communs plutôt que des circuits séparés pour chaque fréquence», essentiellement:

Sans utiliser de FI, tous les filtres et détecteurs complexes d'une radio ou d'une télévision devraient être réglés à l'unisson à chaque changement de fréquence, comme cela était nécessaire dans les premiers récepteurs de radiofréquences réglés.

Mais je ne comprends pas car ils pourraient tous être accordés sur le signal de bande de base par exemple plutôt que sur le FI, éliminant ainsi le problème décrit.

Je vois aussi:

Ainsi, une bande passante plus étroite et une plus grande sélectivité peuvent être obtenues en convertissant le signal en un IF inférieur et en effectuant le filtrage à cette fréquence

Mais pourquoi ne pas effectuer le filtrage uniquement à la fréquence de bande de base IF = 0. C'est un IF inférieur, à droite. L'ajout de l'étage de bande passante IF améliore-t-il la netteté de la bande passante finale au lieu de le faire directement?

Le seul inconvénient que je peux comprendre est l'oscillateur local qui fuit et cela ne se produit-il pas davantage à des fréquences plus élevées? Un FI pourrait permettre au premier LO d'osciller beaucoup plus lentement.

Il y a pas mal d'avantages.

Jetez un oeil à un superhet typique (jusqu'à l'IF):

Le signal d'entrée à l'entrée RF est petit (aussi bas que -122 dBm dans certains systèmes vocaux à bande étroite sur lesquels j'ai travaillé - soit environ 6,3fW)

Amplifier un signal à un RF élevé (disons quelques GHz) coûte cher par rapport à cette amplification à une fréquence plus basse. Quelques dB de gain RF sont généralement suffisants pour traiter le signal jusqu'à l'étage IF.

La bande passante du filtre d'entrée doit être telle qu'elle soit inférieure à l'espacement des canaux (généralement inférieure à la bande passante de sortie), ce qui facilite la mise en œuvre.

La largeur de bande du filtre de rejet d'image est définie par la fréquence de l'oscillateur local (à RF +/- IF), donc choisir un FI relativement faible signifie que la réjection d'image est relativement facile à faire également.

L'amplificateur IF est généralement là où la majeure partie du gain du signal est effectuée à un coût relativement faible et une faible complexité (par rapport à essayer de le faire à des fréquences plus élevées). Le filtre empêche le ressuage et définit la bande passante du signal sur la bande passante de l'information.

Un autre avantage majeur est que tout ce qui se trouve après le mélangeur est fixe - aucun réglage n'est nécessaire pendant le fonctionnement normal, c'est pourquoi la plage de signal dynamique peut être élevée. Je n'ai pas montré l'AGC (à peu près toujours présent) mais c'est aussi un morceau fixe de circuits (dynamiques).

Une amélioration est le double superhet (2 étages IF) avec lequel j'ai travaillé il y a des décennies et ils sont toujours très populaires.

Il existe des récepteurs à conversion directe, mais ils souffrent d'un certain nombre de problèmes, en particulier la plage dynamique du signal.

[Mise à jour]

En réponse au commentaire, il existe des récepteurs à conversion directe à large gamme dynamique (une source possible répertoriée); ceux-ci existent depuis un certain temps et se retrouvent souvent dans les configurations SDR .

Une approche purement matérielle privilégie le superhet.

Notez que cette réponse est biaisée vers la réception radio analogique. Les règles sont différentes pour les radios définies par logiciel et pour les services numériques.

Le plus grand inconvénient de la conversion directe est la suppression de la bande latérale. Si vous utilisez une seule table de mixage, un signal$f_c + f_s$ est impossible à distinguer d'un signal à $f_c - f_s$, où $f_c$ est le transporteur et $f_s$est la fréquence du signal. Vous pouvez atténuer ce problème beaucoup avec la conversion descendante en quadrature, mais bien que cela soit suffisant pour la réception de données numériques, ce n'est pas assez bon pour l'analogique (c'est-à-dire SSB ou AM).

Le deuxième plus gros inconvénient est la quantité de gain dont vous avez besoin à une fréquence. Les récepteurs ont besoin de beaucoup de gain et les mélangeurs sont généralement le facteur limitant dans une plage dynamique élevée. Donc, vous aimeriez mettre tout votre gain après le premier mélangeur, qui a tendance à être celui qui voit les signaux les plus parasites. Pour un récepteur SSB sensible, ce gain peut dépasser 120 dB. Il est difficile, voire impossible, d'obtenir autant de gain sans osciller. En fait, si vous regardez dans la littérature sur la radio amateur, vous verrez que la plupart des récepteurs à conversion directe ont des écouteurs - il y a une raison à cela.

D'autres problèmes sont la fuite de LO et la difficulté de réaliser un amplificateur à faible bruit et à faible impédance aux fréquences audio.

Donc, tous ces inconvénients vous laissent un avantage distinct de mettre au moins une partie de votre filtrage et de votre gain avant la conversion finale en audio - une fois que vous supposez qu'une telle étape est nécessaire, je pense que les raisons qui vous déroutent auront soudain un sens .

Oui, des récepteurs à conversion directe existent, mais ils nécessitent une attention particulière, en particulier avec certains types de modulation.

Par exemple, avec la modulation SSB, afin de rejeter la bande latérale indésirable, votre démodulateur de bande de base doit être capable de faire la distinction entre "fréquence positive" et "fréquence négative". Ce n'est pas anodin et n'est vraiment pratique qu'avec DSP.

De même, si vous convertissez la fréquence centrale d'un signal FM ou PM à 0 Hz, vous devez à nouveau faire la distinction entre les fréquences positives et négatives afin de la démoduler correctement.

Même avec des signaux AM ou DSB, où les bandes latérales contiennent des informations identiques, à moins que votre conversion ne soit parfaite (votre LO correspond précisément à la fréquence porteuse reçue), vous obtenez une distorsion - ou une tonalité constante de la porteuse AM.

Superheterodyne a été inventé à l'époque où la démodulation était effectuée par de simples détecteurs d'enveloppe, qui n'avaient aucune discrimination de fréquence, et encore moins une distinction entre les fréquences positives et négatives. Toute la sélectivité doit être appliquée avant la démodulation, ce qui revient aux raisons que vous avez trouvées - soit vous avez besoin de filtres qui peuvent suivre la fréquence porteuse avec une bande passante constante, soit vous convertissez en une fréquence intermédiaire fixe où vous pouvez utiliser des filtres fixes.

La conversion directe est conceptuellement simple, mais nécessite une ingénierie considérable pour le faire correctement. Outre les réponses de Dave et Tim, il existe un subtil problème potentiel pernicieux avec la conversion directe ...

La plupart des mélangeurs (même ceux doublement équilibrés) fuient la puissance de l'oscillateur local au port RF et au port IF. Une fuite de courant vers l'arrière via le port RF de l'antenne peut provoquer des problèmes. Même avec une excellente balance de mixage, l'énergie de l'oscillateur local retransmise est souvent beaucoup plus importante que les signaux entrants.
La LO re-rayonnée peut être modifiée (phase, amplitude) et rentrer dans l'antenne réceptrice, dans le mélangeur. L'équilibre de la console de mixage peut être altéré. De plus, un signal en bande de base est généré au port de sortie du mélangeur qui peut encrasser le signal en bande de base souhaité.

Certains détecteurs de mouvement, détecteurs de "bogues" profitent de ce processus, où le signal de bande de base "parasite" est le résultat souhaité, indiquant par exemple un mouvement.

Un récepteur linéaire est le plus souvent souhaité, auquel cas vous ne voulez pas que l'énergie de l'oscillateur local retourne à la source du signal. Avoir une excellente balance de mixage est un début, l'ajout d'un préampli RF puissant avec une bonne isolation de sortie à entrée aide également. Tout est difficile car la fréquence augmente.

Personne d'autre n'a mentionné le problème du décalage de fréquence dans les étages de mixage. Le mélangeur RF fait de son mieux pour correspondre à la fréquence de la porteuse, mais il y aura toujours une différence qui entraînera un décalage par rapport à la fréquence souhaitée. Un étage IF avec une fréquence centrale non nulle permet d'utiliser une PLL pour suivre le signal IF et supprimer la majeure partie du décalage de fréquence.

Il est généralement plus facile et moins cher de faire la meilleure PLL aux fréquences IF plutôt qu'aux fréquences RF.

Vous pouvez utiliser deux mélangeurs pour convertir le signal reçu en I et Q, mais cela nécessiterait deux PLL de fréquences RF coûteuses qui doivent également avoir une différence de phase fixe de 90 degrés. C'est aussi quelque chose de beaucoup plus facile et moins cher à faire aux fréquences IF.

Le problème est la réjection LO du mélangeur, et proche du bruit de phase LO de la porteuse. 20 dB est trivial hors de la boîte. 40 dB est simple avec soin. 60 dB est tout simplement possible avec l'héroïsme et l'ajustement dynamique. 80 dB peuvent être effectués en laboratoire, pendant un court instant, à des fréquences ponctuelles, si vous êtes chanceux, et la température ne change pas. Vous avez besoin de> 120 dB pour faire fonctionner un récepteur à conversion directe ainsi qu'un superhet.

Sauf si vous utilisez OFDM. Là, vous avez des dizaines de transporteurs, et tous ne sont pas utilisés pour les données. Il y en a pour les pilotes, d'autres pour les bandes de garde, et dans certains systèmes avancés, il y en a qui ne sont utilisés que pour réduire la tension RF de crête de l'ensemble pour soulager les problèmes de linéarité de l'émetteur. Donc, laisser quelques porteuses sans données sur elles au centre des canaux et autour (DC si nous parlons de bandes de base IQ, le LO pour un récepteur à conversion directe) n'est pas une énorme inefficacité.