Pourquoi la conversion en fréquence intermédiaire?

En étudiant divers systèmes de communication (récepteurs superhétérodynes et récepteurs de télévision, pour n'en nommer que quelques-uns), je rencontre souvent des blocs qui convertissent les signaux RF en signaux de fréquence intermédiaire (IF). Quel est le besoin de cette conversion? Les signaux RF ne peuvent-ils pas être traités directement sans les convertir en signaux IF?

J'ai renvoyé cette question, mais sa réponse n'a pas expliqué la nécessité d'une conversion IF.

Cette réponse se concentre sur les récepteurs radio tels que AM et FM.

Si vous souhaitez uniquement recevoir un signal d'une station, vous n'aurez peut-être pas besoin d'avoir ou d'utiliser une fréquence intermédiaire. Vous pouvez construire votre récepteur pour syntoniser uniquement cette fréquence - le réglage doit être précis - vous devez rejeter toutes les autres sources possibles qui peuvent polluer le signal que vous souhaitez.

Cela se fait par un tas de filtres passe-bande qui, ensemble, ont une bande passante suffisamment large pour faire face au signal que vous souhaitez recevoir, mais pas si large qu'elle laisse entrer les autres.

Supposons maintenant que vous vouliez syntoniser 2 stations - vous devrez réaligner tout ce filtrage pour coïncider avec une nouvelle station. Historiquement, les radios étaient simples et il serait difficile de déplacer un tas de filtres passe-bande accordés vers une nouvelle fréquence centrale.

Il était beaucoup plus facile d'avoir un tas de filtres passe-bande fixes qui effectuaient la majorité de la sélection des canaux indésirables plutôt que d'essayer de les aligner pendant que vous régliez le cadran.

C'est ainsi que des récepteurs super-hétérodynes ont été conçus. La large gamme entrante de nombreuses stations de radio a été "mélangée" avec un oscillateur qui peut être simplement réglé avec un cadran - cela a produit des fréquences de somme et de différence et généralement la fréquence de différence est devenue la nouvelle fréquence "souhaitée". Ainsi, pour la FM (88 MHz à 108 MHz), la fréquence IF est devenue 10,7 MHz et l'oscillateur serait (généralement) à 98,7 MHz pour le réglage des signaux à 88 MHz et à 118,7 MHz pour le réglage des signaux à 108 MHz.

Ne m'accrochez pas à cela - cela pourrait également être à 77,3 MHz pour atteindre 97,3 MHz pour produire le même ensemble de fréquences de différence. Peut-être que quelqu'un peut modifier ma réponse ou me conseiller à ce sujet.

C'est un petit problème, car le fait est qu'une fois que vous avez été en mesure de manipuler la fréquence porteuse du signal entrant, vous pouvez transmettre le résultat à travers un ensemble fixe de filtres passe-bande bien ajustés avant de démoduler.

Un peu plus d'informations sur la bande FM VHF

Il passe de 88 MHz à 108 MHz et a un FI qui est légèrement plus grand (10,7 MHz) que la moitié de la gamme de fréquences qu'il couvre. Il y a une raison raisonnable - si l'oscillateur était exactement réglé pour capter 88 MHz (c'est-à-dire osc = 98,7 MHz), la fréquence de différence qu'il produirait du haut de la bande à 108 MHz serait de 9,3 MHz et ce serait juste hors bande de l'accord étant centré sur 10,7 MHz et donc "rejeté".

Bien sûr, si quelqu'un a commencé à émettre juste à l'extérieur de la bande FM, vous pouvez capter cela, mais je pense que la législation l'empêche.

Suite à une activité récente dans cette question, je me suis souvenu qu'il y avait une autre raison valable d'utiliser une fréquence intermédiaire. Considérez que le signal d'une antenne peut être de l'ordre de 1 uV RMS, puis considérez que vous voudrez probablement que le circuit radio amplifie cela à quelque chose comme 1V RMS (pardonnez la main agitant) au démodulateur. Eh bien, c'est un gain de 1 million ou 120 dB et, peu importe à quel point vous pourriez essayer, avoir une carte de circuit imprimé avec un gain de 120 dB est une recette pour un désastre de rétroaction, c'est-à-dire qu'elle oscillera et se transformera en "theramin".

Qu'est-ce qu'un IF vous obtient est une rupture dans la chaîne de signal qui empêche l'oscillation. Ainsi, vous pourriez avoir 60 dB de gain RF puis convertir en votre IF et avoir 60 dB de gain IF - le signal à la fin de la chaîne n'est plus compatible en fréquence avec ce qui se passe à l'antenne et donc, il n'y a pas d'effet theramin !

Certaines radios peuvent avoir deux fréquences intermédiaires - pour cette seule raison, vous pouvez réduire le gain RF à 40 dB et chaque étage IF peut avoir un gain de 40 dB et AUCUN theramin.

IF rend le récepteur à la fois plus économique et de meilleure qualité. Les pièces RF sont plus difficiles à fabriquer et à utiliser, et les circuits sont plus confrontés à des problèmes de capacité parasite, d'inductance, de bruit, de boucles de masse et d'interférences. Plus encore, plus la fréquence est élevée. Mais nous devons avoir un frontal RF parce que le signal à la connexion de l'antenne est tout simplement trop faible pour faire quoi que ce soit mais l'amplifier. Nécessaires mais coûteux, les concepteurs veulent minimiser la quantité de circuits RF.

OTOH, nous voulons une bonne sélectivité. Les transmissions sont attribuées à la bande passante et plusieurs émetteurs sont sous pression pour être serrés les uns à côté des autres en fréquence. Nous voulons une bande passante plate pour la fréquence souhaitée, et un blocage complet des fréquences en dehors de cela. La perfection est impossible mais des compromis peuvent être faits pour un filtre "assez bon". Cela nécessite une conception de filtre avancée, pas seulement un circuit à réglage LC simple. Bien que cela puisse être fait en RF, en théorie, en pratique, ce sera difficile et coûteux, et difficile à stabiliser contre les changements de température et le vieillissement.

Nous pouvons faire de meilleurs filtres répondant à des exigences de réponse complexes à des fréquences plus basses, par exemple des dizaines de MHZ, ou sous-MHz. Plus la fréquence est basse, plus il est facile de concevoir une approximation décente d'un filtre de fonction de réponse rectangulaire. Il s'avère que la fabrication du convertisseur abaisseur - l'oscillateur local et le mélangeur - est relativement facile et économique. Dans l'ensemble, le système est le plus économique avec un minimum d'amplificateurs frontaux RF, un convertisseur abaisseur et une section IF robuste et bien conçue faisant tout le filtrage de fantaisie.

Les principaux points de la leçon sont: * Plus la fréquence est élevée, plus elle est coûteuse et gênante. * Les exigences de filtre élaborées (quoi que ce soit au-delà d'un circuit élémentaire accordé) sont mieux effectuées à des fréquences plus basses

Je trouve intéressant que cette stratégie de conception ait résisté pendant des décennies pour de nombreux systèmes différents utilisant des technologies très différentes. Anciennes radios à tube à vide ressemblant à des meubles en bois dans les années 1930-1940, des radios à transistors dans les années 1960, de minuscules téléphones portables et des appareils Bluetooth aujourd'hui, des télescopes de radioastronomie géants, de la télémesure de vaisseaux spatiaux, etc.

Fondamentalement, c'est pour permettre au circuit de démodulation d'être rendu très sensible avec une bande passante étroite.

Si le circuit de démodulation devait être à large bande (par exemple, capable de fonctionner pour n'importe quelle fréquence de 88 à 108 MHz pour FM), il serait difficile de maintenir une réponse plate sur toute la plage de fréquences. Au lieu de cela, le tuner est à large bande, puis battu (hétérodyné) à une seule fréquence intermédiaire et envoyé à un circuit de démodulation très optimisé.

Les premières radios utilisaient les étages Tune RF pour amplifier les signaux radio faibles au point qu'un "détecteur" AM pourrait les reconvertir en audio. Ces radios TRF auraient entre un étage et 12 étages. Plus il y a d'étages, meilleure est la réception des signaux faibles et meilleure est la réjection de l'image (réjection des fréquences proches). Cela a bien fonctionné quand il n'y avait que quelques stations de radio, mais cela n'a pas bien fonctionné lorsque plus de stations ont commencé à encombrer les ondes.

Une radio TRF utilise un circuit accordé dont le Q pour chaque étage est réglé pour laisser passer toutes les fréquences de la bande passante audio et une petite amplification pour amplifier le signal à des niveaux utilisables. Cela a eu quelques inconvénients comme d'autres l'ont souligné et quelques-uns qu'ils ont manqués. Si les étages avaient un gain trop élevé, ils pourraient commencer à osciller et la radio cesserait de fonctionner. Même avec des condensateurs variables groupés, il était difficile de maintenir tous les étages sur la fréquence, de sorte que des dispositions ont été prises à certains étages ou à tous les étages pour "couper" le signal. C'est pourquoi les images que vous voyez des premiers postes de radio avaient autant de boutons. Un bon nombre d'entre eux concernaient les condensateurs variables "trimmer" et d'autres étaient des ajustements de polarisation des tubes pour régler le gain afin d'éviter le larsen. Comme vous pouvez l'imaginer,

On savait avant le début du XIXe siècle que si deux oscillateurs étaient proches l'un de l'autre, ils "battraient" l'un contre l'autre et produiraient un nouveau signal comme dans le cas de deux flûtes accordées sur la même hauteur. Cela a été exploité de plusieurs manières intéressantes au début du 20e siècle. La première utilisation a été effectuée dans un détecteur CW en bande de base qui a converti un signal radio en son audible beaucoup plus proprement que le barrater et d'autres dispositifs détecteurs alambiqués. Le Theremin utilise l'hétérodynage de deux oscillateurs où l'un a sa capacité d'accord fournie par une petite plaque ou un fil et la main de l'utilisateur.

Le major Armstrong aux États-Unis et quelques autres en Europe ont réalisé pendant la Première Guerre mondiale que cela pourrait être exploité pour fabriquer un récepteur qui n'avait que quelques étages à gain très élevé et des filtres d'accord beaucoup plus simples. L'étage mélangeur prendrait le RF entrant, l'hétérodyne contre l'oscillateur local et, en raison du comportement non linéaire de l'étage mélangeur, produirait à la fois une somme et une différence de fréquence. Habituellement, c'était la différence de fréquence qui était inférieure à la RF ou à l'oscillateur utilisé. À 1 MHz, la LO est réglée sur 1,455 MHz et un signal à 455 kHz (la différence) et à 1,91 MHz (la somme) est produit.

Au lieu de nombreux étages accordés dont le gain a été conçu pour éviter les oscillations car leurs fréquences d'entrée et de sortie étaient toutes les mêmes, un ou deux étages de gain plus élevés pour le RF pourraient être suivis par un ou plusieurs étages soigneusement conçus fonctionnant tous à une fréquence fixe différente qui n'a pas eu besoin d'être ajusté.

À partir d'un condensateur d'accord à plusieurs sections qui était très cher et difficile à produire, vous n'avez besoin que de deux ou trois sections qui deviennent une dépense beaucoup plus petite. Cela a également été plus facile à régler car la sélectivité d'avoir le FI à 455 KHz signifiait qu'aucune station de radio à cette fréquence n'existerait puisque la bande de diffusion est de 540 KHz à 1650 KHz.