Tại sao việc chuyển đổi sang tần số trung gian?

Trong khi nghiên cứu về các hệ thống truyền thông khác nhau (máy thu Superheterodyne và máy thu truyền hình, để kể tên một số) tôi thường bắt gặp các khối chuyển đổi tín hiệu RF thành tín hiệu Tần số trung gian (IF). Sự cần thiết cho việc chuyển đổi này là gì? Các tín hiệu RF có thể được xử lý trực tiếp mà không chuyển đổi chúng thành tín hiệu IF không?

Tôi đã đưa ra câu hỏi này , nhưng câu trả lời của nó không giải thích được về nhu cầu chuyển đổi IF.

Câu trả lời này tập trung vào các máy thu radio như AM và FM.

Nếu bạn chỉ muốn nhận tín hiệu từ một trạm, bạn có thể không cần phải có hoặc sử dụng tần số trung gian. Bạn có thể xây dựng bộ thu của mình để điều chỉnh tần số đó - điều chỉnh cần phải sắc nét - bạn cần từ chối tất cả các nguồn khác có thể gây ô nhiễm tín hiệu bạn muốn.

Điều này được thực hiện bởi một loạt các bộ lọc thông dải cùng nhau, có một dải thông đủ rộng để đối phó với tín hiệu bạn muốn nhận nhưng không quá rộng để nó cho phép người khác vào.

Bây giờ hãy nói rằng bạn muốn điều chỉnh thành 2 trạm - bạn phải điều chỉnh lại tất cả các bộ lọc này để trùng với một trạm mới. Trong lịch sử, radio rất đơn giản và việc di chuyển một loạt các bộ lọc thông dải được điều chỉnh sang tần số trung tâm mới sẽ khó khăn.

Sẽ dễ dàng hơn rất nhiều khi có một loạt các bộ lọc thông dải cố định đã thực hiện phần lớn tất cả các lựa chọn kênh không mong muốn thay vì cố gắng căn chỉnh chúng khi bạn điều chỉnh mặt số.

Do đó, các máy thu siêu dị được hình thành. Phạm vi rộng của nhiều đài phát thanh được "trộn" với một bộ tạo dao động có thể được điều chỉnh đơn giản bằng một mặt số - tần số này tạo ra tổng và tần số khác nhau và thường tần số chênh lệch trở thành tần số "mong muốn" mới. Vì vậy, đối với FM (88 MHz đến 108 MHz), tần số IF trở thành 10,7 MHz và bộ dao động sẽ (thường là) ở mức 98,7 MHz để điều chỉnh tín hiệu 88 MHz và ở mức 118,7 MHz để điều chỉnh tín hiệu 108 MHz.

Đừng cho tôi biết điều này - nó cũng có thể ở mức 77,3 MHz tăng lên 97,3 MHz để tạo ra cùng một tần số khác nhau. Có lẽ ai đó có thể sửa đổi câu trả lời của tôi hoặc tư vấn cho tôi về điều này.

Mặc dù đó là một vấn đề nhỏ bởi vì vấn đề là một khi bạn có thể điều khiển tần số sóng mang của tín hiệu đến, bạn có thể cung cấp kết quả thông qua một bộ lọc băng thông cố định được điều chỉnh chặt chẽ trước khi bạn giải điều chế.

Thông tin thêm một chút về băng tần VHF FM

Nó đi từ 88 MHz đến 108 MHz và có IF chỉ lớn hơn một chút (10,7 MHz) so với một nửa dải tần mà nó bao phủ. Có một lý do hợp lý - nếu bộ tạo dao động được điều chỉnh chính xác để lấy 88 MHz (tức là osc = 98,7 MHz) thì tần số chênh lệch mà nó sẽ tạo ra từ đầu băng tần ở 108 MHz sẽ là 9,3 MHz và nó sẽ nằm ngoài băng tần điều chỉnh tập trung ở mức 10,7 MHz và do đó "bị từ chối".

Tất nhiên nếu ai đó bắt đầu truyền ngay bên ngoài băng tần FM, bạn có thể nhận ra điều này nhưng tôi tin rằng luật pháp ngăn chặn điều này.

Sau hoạt động gần đây trong câu hỏi này, tôi nhớ rằng có một lý do hợp lệ khác để sử dụng tần số trung gian. Hãy xem xét rằng tín hiệu từ ăng-ten có thể theo thứ tự 1 uV RMS và sau đó xem xét rằng có thể bạn sẽ muốn mạch vô tuyến khuếch đại tín hiệu này thành một cái gì đó như RMS 1V (tha thứ cho việc vẫy tay) ở bộ giải mã. Chà, đó là mức tăng 1 triệu hoặc 120 dB và cho dù bạn có cố gắng đến đâu, có một bảng mạch với mức tăng 120 dB là một công thức cho thảm họa phản hồi tức là nó sẽ dao động và biến thành "trị liệu".

Những gì IF mang lại cho bạn là sự phá vỡ chuỗi tín hiệu ngăn cản dao động. Vì vậy, bạn có thể có mức tăng RF 60 dB sau đó chuyển đổi thành IF của bạn và có mức tăng IF 60 dB - tín hiệu ở cuối chuỗi không còn tương thích tần số với những gì xảy ra ở ăng-ten và do đó, không có hiệu ứng trị liệu !

Một số radio có thể có hai tần số trung gian - chỉ với lý do này, bạn có thể giảm mức tăng RF xuống 40 dB và mỗi giai đoạn IF có thể có mức tăng 40 dB và KHÔNG trị liệu.

IF làm cho người nhận cả kinh tế hơn và chất lượng cao hơn. Các bộ phận RF là khó khăn hơn để thực hiện và sử dụng, và các mạch nhiều hơn với các vấn đề về điện dung đi lạc, điện cảm, tiếng ồn, vòng lặp mặt đất và nhiễu. Càng nhiều tần số càng cao. Nhưng chúng ta phải có một mặt trước RF vì tín hiệu ở kết nối ăng-ten quá yếu để làm bất cứ điều gì ngoài việc khuếch đại nó. Cần thiết nhưng tốn kém, các nhà thiết kế muốn giảm thiểu lượng mạch RF.

OTOH, chúng tôi muốn chọn lọc tốt. Truyền là băng thông được phân bổ, và nhiều máy phát chịu áp lực phải được ép với nhau cạnh tần số. Chúng tôi muốn một băng thông phẳng cho tần số mong muốn và chặn hoàn toàn các tần số bên ngoài đó. Sự hoàn hảo là không thể nhưng sự đánh đổi có thể được tạo ra cho một bộ lọc "đủ tốt". Điều này có thiết kế bộ lọc tiên tiến, không chỉ là một mạch điều chỉnh LC đơn giản. Mặc dù điều này có thể được thực hiện trong RF, nhưng trên thực tế, trên thực tế, nó sẽ khó khăn và tốn kém, và khó có thể ổn định trước sự thay đổi nhiệt độ và lão hóa.

Chúng tôi có thể tạo các bộ lọc tốt hơn đáp ứng các yêu cầu đáp ứng phức tạp ở tần số thấp hơn, ví dụ: hàng chục MHZ hoặc sub MHz. Tần số càng thấp, càng dễ thiết kế một xấp xỉ hợp lý cho bộ lọc hàm phản ứng hình chữ nhật. Hóa ra việc chế tạo bộ chuyển đổi xuống - bộ tạo dao động và bộ trộn cục bộ - tương đối dễ dàng và kinh tế. Nhìn chung, hệ thống này là kinh tế nhất với các bộ khuếch đại mặt trước RF tối thiểu, bộ chuyển đổi xuống và phần IF được thiết kế tốt, thực hiện tất cả các bộ lọc ưa thích.

Các điểm chính của bài học là: * Tần suất càng cao, càng tốn kém và rắc rối. * Xây dựng các yêu cầu bộ lọc (mọi thứ nằm ngoài mạch điều chỉnh cơ bản) được thực hiện tốt nhất ở tần số thấp hơn

Tôi thấy thú vị khi chiến lược thiết kế này đã được duy trì trong nhiều thập kỷ cho nhiều hệ thống khác nhau sử dụng các công nghệ cực kỳ khác nhau. Bộ đàm ống chân không cũ trông giống như đồ nội thất bằng gỗ trong những năm 1930-1940, bộ đàm bóng bán dẫn vào những năm 1960, điện thoại di động nhỏ và thiết bị bluetooth ngày nay, kính viễn vọng thiên văn vô tuyến khổng lồ, từ xa tàu vũ trụ, v.v.

Về cơ bản, nó cho phép mạch giải điều chế được thực hiện rất nhạy với băng thông hẹp.

Nếu mạch giải điều chế phải là băng thông rộng (giả sử, có thể hoạt động ở bất kỳ tần số nào từ 88-108 MHz cho FM), thì việc giữ đáp ứng phẳng trên toàn bộ dải tần sẽ khó khăn. Thay vào đó, bộ chỉnh tần số là băng thông rộng và sau đó đánh bại (dị hóa) đến một tần số trung gian duy nhất và được gửi đến một mạch giải điều chế rất tối ưu.

Các đài phát thanh ban đầu đã sử dụng các giai đoạn Tune RF để khuếch đại tín hiệu vô tuyến yếu đến điểm mà "máy dò" AM có thể chuyển đổi chúng thành âm thanh. Các đài TRF này sẽ có bất cứ nơi nào từ một giai đoạn đến 12 giai đoạn. Càng nhiều giai đoạn, khả năng thu tín hiệu yếu càng tốt và từ chối hình ảnh càng tốt (loại bỏ tần số lân cận). Điều này hoạt động tốt khi chỉ có một vài đài phát thanh nhưng không hoạt động tốt khi nhiều trạm bắt đầu làm đông đảo sóng.

Một đài phát thanh TRF sử dụng một mạch được điều chỉnh có Q cho từng giai đoạn được đặt để cho phép tất cả các tần số cho băng thông âm thanh được sử dụng để đi qua và khuếch đại một chút để tăng tín hiệu đến mức có thể sử dụng. Điều này có một vài nhược điểm như những người khác đã chỉ ra và một số ít họ đã bỏ lỡ. Nếu các giai đoạn tăng quá cao, chúng có thể bắt đầu dao động và radio ngừng hoạt động. Ngay cả với các tụ điện biến đổi theo băng đảng, việc có được tất cả các giai đoạn để duy trì tần số là khó khăn vì vậy các quy định đã được thực hiện ở một số giai đoạn hoặc tất cả các giai đoạn để "cắt xén" tín hiệu. Đây là lý do tại sao hình ảnh bạn nhìn thấy của các đài phát thanh đầu tiên có rất nhiều nút. Một số ít là cho các tụ điện biến "tông đơ" và một số khác là các điều chỉnh sai lệch ống để đặt mức tăng để ngăn phản hồi. Điều này, như bạn có thể tưởng tượng,

Người ta đã biết trước khi bước sang thế kỷ 19 rằng nếu hai dao động ở gần nhau thì chúng sẽ "đập" vào nhau và tạo ra tín hiệu mới như trong trường hợp hai sáo được điều chỉnh đến cùng một cao độ. Điều này đã được khai thác theo nhiều cách thú vị vào đầu thế kỷ 20. Việc sử dụng đầu tiên là trong một máy dò CW cơ sở đã chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành âm thanh rõ ràng hơn nhiều so với barrater và các thiết bị dò phức tạp khác. Theremin sử dụng kết hợp hai bộ dao động trong đó một bộ có điện dung điều chỉnh được cung cấp bởi một tấm hoặc dây nhỏ và tay người dùng.

Major Armstrong ở Mỹ và một vài người khác ở châu Âu đã nhận ra trong WWI rằng điều này có thể được khai thác để tạo ra một máy thu chỉ có một vài giai đoạn tăng rất cao và các bộ lọc điều chỉnh đơn giản hơn nhiều. Giai đoạn trộn sẽ đưa RF đến, dị hợp nó với bộ tạo dao động cục bộ và do hoạt động phi tuyến của giai đoạn trộn tạo ra cả một tổng và tần số chênh lệch. Thông thường đó là tần số chênh lệch thấp hơn RF hoặc bộ dao động được sử dụng. Ở mức 1 MHz, LO được đặt cho 1.455 MHz và tín hiệu ở mức 455KHz (mức chênh lệch) và ở mức 1.91 MHz (tổng) được tạo ra.

Thay vì nhiều giai đoạn được điều chỉnh có mức tăng được điều chỉnh để ngăn ngừa dao động vì tần số đầu vào và đầu ra của chúng là như nhau, một hoặc hai giai đoạn tăng cao hơn cho RF có thể được theo sau bởi một hoặc nhiều giai đoạn được thiết kế cẩn thận hoạt động ở tần số cố định khác nhau không cần điều chỉnh.

Từ một tụ điện điều chỉnh nhiều phần rất tốn kém và khó sản xuất, bạn chỉ cần hai hoặc ba phần trở thành một chi phí nhỏ hơn nhiều. Điều này cũng dễ dàng điều chỉnh hơn vì tính chọn lọc của việc có IF ở mức 455KHz có nghĩa là không có đài phát thanh nào ở tần số đó tồn tại do băng tần phát sóng là 540KHz đến 1650KHz.