Mengapa superheterodyning lebih baik daripada konversi langsung?

Apa keuntungan memiliki tahap ekstra IF, osilator lokal ekstra, dan tahap penyaringan ekstra dan amplifikasi. Sepertinya lebih banyak pekerjaan dan sirkuit. Tentunya konversi langsung ke baseband dan konversi antara ke baseband keduanya akan melalui filter passband yang sama di akhir yang mengisolasi rentang frekuensi asli?

Saya melihat jawaban seperti 'ini memungkinkan sirkuit umum untuk digunakan daripada sirkuit terpisah untuk setiap frekuensi', pada dasarnya:

Tanpa menggunakan IF, semua filter dan detektor rumit di radio atau televisi harus disetel secara bersamaan setiap kali frekuensi diubah, seperti yang diperlukan pada penerima frekuensi radio yang disetel awal.

Tapi saya tidak mengerti karena mereka semua bisa disetel ke sinyal baseband misalnya daripada IF, menghilangkan masalah yang dijelaskan.

Saya juga melihat:

Jadi bandwidth yang lebih sempit dan lebih banyak selektivitas dapat dicapai dengan mengubah sinyal menjadi IF yang lebih rendah dan melakukan penyaringan pada frekuensi tersebut.

Tetapi mengapa tidak melakukan penyaringan hanya pada frekuensi baseband IF = 0. Itu IF yang lebih rendah, benar. Apakah penambahan tahap passband IF meningkatkan ketajaman passband akhir sebagai lawan melakukannya secara langsung?

Satu-satunya kelemahan saya dapat mengerti adalah osilator lokal bocor dan tidakkah ini terjadi lebih pada frekuensi yang lebih tinggi? IF bisa membuat LO pertama terombang-ambing jauh lebih lambat.

Ada beberapa keuntungan.

Melihat superhet khas (hingga IF):

Sinyal input pada input RF kecil (serendah -122dBm dalam beberapa sistem suara pita sempit yang telah saya kerjakan - yaitu sekitar 6.3fW)

Untuk memperkuat sinyal pada RF tinggi (katakanlah beberapa GHz) mahal dibandingkan dengan melakukan amplifikasi pada frekuensi yang lebih rendah. Beberapa dB gain RF biasanya cukup untuk memproses sinyal hingga ke level IF.

Bandwidth filter input harus sedemikian rupa sehingga kurang dari jarak saluran (biasanya kurang dari bandwidth output) sehingga lebih mudah untuk diterapkan.

The gambar penolakan bandwidth filter diatur oleh frekuensi osilator lokal (di RF +/- IF), sehingga memilih relatif rendah JIKA berarti bahwa penolakan gambar relatif mudah dilakukan juga.

Penguat IF biasanya di mana sebagian besar penguatan sinyal dilakukan dengan biaya yang relatif rendah dan kompleksitas yang rendah (dibandingkan dengan mencoba melakukan itu pada frekuensi yang lebih tinggi). Filter mencegah pendarahan dan menetapkan bandwidth sinyal ke bandwidth informasi.

Keuntungan utama lainnya adalah bahwa segala sesuatu setelah mixer diperbaiki - tidak perlu penyesuaian selama operasi normal yang mengapa rentang sinyal dinamis bisa tinggi. Saya belum menunjukkan AGC (hampir selalu hadir) tetapi itu juga merupakan bagian tetap (dinamis) sirkuit.

Suatu peningkatan adalah superhet ganda (2 tahap IF) yang saya kerjakan beberapa dekade lalu dan masih sangat populer.

Ada penerima konversi langsung tetapi mereka menderita sejumlah masalah, khususnya rentang dinamis sinyal.

[Memperbarui]

Dalam menanggapi komentar, ada yang lebar dynamic range konversi langsung penerima (satu sumber yang mungkin terdaftar); ini telah ada selama beberapa waktu dan sering ditemukan di pengaturan SDR .

Pendekatan perangkat keras murni mendukung superhet.

Perhatikan bahwa jawaban ini condong ke arah penerimaan radio analog. Peraturannya berbeda untuk radio yang ditentukan perangkat lunak, dan untuk layanan digital.

Kelemahan terbesar untuk konversi langsung adalah penindasan sideband. Jika Anda menggunakan mixer tunggal, sinyal di$f_c + f_s$ tidak bisa dibedakan dari sinyal di $f_c - f_s$dimana $f_c$ adalah pembawa dan $f_s$adalah frekuensi sinyal. Anda dapat mengurangi banyak masalah ini dengan konversi kuadratur turun, tetapi meskipun cukup untuk penerimaan data digital, itu tidak cukup baik untuk analog (yaitu, SSB atau AM).

Kelemahan terbesar kedua adalah jumlah keuntungan yang Anda butuhkan pada satu frekuensi. Penerima membutuhkan banyak keuntungan, dan mixer biasanya merupakan faktor pembatas dalam rentang dinamis tinggi. Jadi, Anda ingin meletakkan semua keuntungan Anda setelah mixer pertama, yang cenderung menjadi salah satu yang melihat sinyal yang paling mengganggu. Untuk penerima SSB sensitif, kenaikan ini bisa melebihi 120dB. Sulit untuk mustahil mendapatkan banyak keuntungan tanpa berosilasi. Bahkan, jika Anda melihat literatur radio amatir Anda akan melihat bahwa sebagian besar penerima konversi langsung memiliki headphone - ada alasan untuk ini.

Masalah lain adalah LO-bleed-through dan kesulitan mencapai penguat rendah-noise, low-impedance pada frekuensi audio.

Jadi semua kelemahan ini membuat Anda memiliki keuntungan yang berbeda untuk menempatkan setidaknya beberapa penyaringan dan keuntungan sebelum konversi akhir ke audio - setelah Anda menganggap bahwa langkah seperti itu diperlukan, saya pikir alasan yang membingungkan Anda tiba-tiba masuk akal .

Ya, penerima konversi langsung ada, tetapi mereka membutuhkan perawatan khusus, terutama dengan jenis modulasi tertentu.

Misalnya, dengan modulasi SSB, untuk menolak sideband yang tidak diinginkan, demodulator baseband Anda harus dapat membedakan antara "frekuensi positif" dan "frekuensi negatif". Ini bukan hal sepele, dan hanya benar-benar praktis menggunakan DSP.

Demikian pula, jika Anda menerjemahkan frekuensi tengah sinyal FM atau PM ke 0 Hz, sekali lagi Anda perlu membedakan antara frekuensi positif dan negatif untuk mendemodulasi dengan benar.

Bahkan dengan sinyal AM atau DSB, di mana sideband berisi informasi yang identik, kecuali konversi Anda sempurna (LO Anda persis dengan frekuensi pembawa yang diterima), Anda mendapatkan distorsi - atau nada konstan dari operator AM.

Superheterodyne ditemukan pada hari-hari ketika demodulasi dilakukan oleh detektor amplop sederhana, yang tidak memiliki diskriminasi frekuensi sama sekali, apalagi membedakan antara frekuensi positif dan negatif. Semua selektivitas harus diterapkan sebelum demodulasi, yang kembali ke alasan yang Anda temukan - Anda memerlukan filter yang dapat melacak frekuensi operator dengan bandwidth konstan, atau Anda mengonversi ke frekuensi menengah tetap di mana Anda dapat menggunakan filter tetap.

Konversi langsung secara konsep sederhana, tetapi membutuhkan rekayasa yang cukup untuk melakukannya dengan benar. Selain jawaban Dave & Tim, ada potensi masalah berbahaya yang halus dengan konversi langsung ...

Kebanyakan mixer (bahkan yang seimbang) membocorkan daya osilator lokal ke port RF dan port IF. Daya bocor mundur ke port RF ke antena dapat menyebabkan masalah. Bahkan dengan keseimbangan mixer yang sangat baik, energi Oscillator Lokal yang diradiasi ulang seringkali jauh lebih besar daripada sinyal yang masuk.
Radiasi ulang LO dapat dimodifikasi (fase, amplitudo) dan masukkan kembali antena penerima, kembali ke mixer. Keseimbangan mixer dapat terpengaruh. Selain itu, sinyal baseband dihasilkan di port output mixer yang dapat mengotori sinyal baseband yang diinginkan.

Beberapa sensor gerak, detektor "bug" mengambil keuntungan dari proses ini, di mana sinyal baseband "palsu" adalah hasil yang diinginkan, menunjukkan gerakan misalnya.

Penerima linier paling sering diinginkan, dalam hal ini Anda tidak ingin energi osilator lokal menemukan jalan kembali ke sumber sinyal. Memiliki keseimbangan mixer yang sangat baik adalah awal, menambahkan RF preamp yang kuat dengan isolasi keluaran-ke-input yang baik juga membantu. Semua sulit karena frekuensi naik.

Tidak ada orang lain yang menyebutkan masalah frekuensi offset pada tahap mixer. Mixer RF melakukan yang terbaik untuk mencocokkan frekuensi pembawa, tetapi masih akan ada perbedaan yang akan menghasilkan IF memiliki offset dari frekuensi yang diinginkan. Tahap IF dengan frekuensi pusat non-nol memungkinkan PLL digunakan untuk melacak sinyal IF dan menghapus sebagian besar offset frekuensi.

Biasanya lebih mudah dan lebih murah untuk membuat PLL terbaik pada frekuensi IF daripada frekuensi RF.

Anda dapat menggunakan dua mixer untuk mengkonversi sinyal yang diterima ke I dan Q, tetapi itu akan membutuhkan dua PLL frekuensi RF mahal yang juga harus memiliki perbedaan fase 90 derajat tetap. Ini juga sesuatu yang jauh lebih mudah dan lebih murah untuk dilakukan pada frekuensi IF.

Masalahnya adalah penolakan mixer LO, dan dekat dengan noise fase LO carrier. 20dB sepele di luar kotak. 40dB mudah dengan hati-hati. 60dB hanya mungkin dengan kepahlawanan dan penyesuaian dinamis. 80dB dapat dilakukan di lab, untuk sementara waktu, pada frekuensi spot, jika Anda beruntung, dan suhunya tidak berubah. Anda perlu> 120dB untuk mendapatkan penerima konversi langsung agar berfungsi sebaik superhet.

Kecuali Anda menggunakan OFDM. Di sana Anda memiliki lusinan operator, dan tidak semua digunakan untuk data. Ada beberapa untuk pilot, beberapa untuk pita pengaman, dan dalam beberapa sistem canggih ada beberapa yang hanya digunakan untuk mengurangi tegangan RF puncak ensemble untuk memudahkan masalah linearitas pemancar. Jadi meninggalkan beberapa operator tanpa data pada mereka di dan di sekitar pusat saluran (DC jika kita berbicara basis data IQ, LO untuk penerima konversi langsung) bukan inefisiensi besar.