Receptor radio superheterodină

Într-un receptor radio de tip superheterodină, spectrul semnalului recepţionat este translatat pe o frecvenţă intermediară constantă, diferită de zero, folosind un mixer şi un oscilator local, denumit şi heterodină. Acest ansamblu mai este numit şi schimbător sau convertor de frecvenţă. În funcţie de relaţia de ordine dintre frecvenţa heterodinei şi cea intermediară , sunt posibile două metode de recepţie:

recepţia supradină, la care , o cu acord superior al heterodinei sau o cu acord inferior al heterodinei

recepţia infradină, la care , iar unde reprezintă frecvenţa purtătoare a semnalului util.

Neajunsul principal al receptorului superheterodină constă în apariţia canalelor suplimentare de recepţie, printre care se numără:

canalul cu frecvenţa egală cu frecvenţa intermediară, cunoscut şi sub denumirea de canal direct, deoarece ajunge direct în traseul de frecvenţă intermediară al receptorului, unde este amplificat ca şi semnalul util;

canalul imagine, care, datorită procesului de schimbare de frecvenţă este recepţionat simultan cu canalul util, deoarece determină o frecvenţă de conversie egală cu frecvenţa intermediară.

În fig. 7.7 se poate observa modul în care apare canalul imagine în cazul celor două metode de recepţie. Astfel, în cazul recepţiei supradină, canalul imagine este dispus simetric faţă de frecvenţa heterodinei la o distanţă egală cu frecvenţa intermediară. Pentru un acord superior al heterodinei (cazul din figură), canalul util este dispus la , iar canalul imagine la .

Fig. 7.7 Apariţia canalului imagine la receptorul superheterodină

Pentru un acord inferior al heterodinei, cele două canale îşi schimbă locul între ele. Din figură se poate observa că, deoarece canalul imagine este dispus foarte aproape de canalul util, pentru rejecţia (atenuarea) acestuia este absolut necesar ca etajele dinaintea mixerului, care asigură preselecţia semnalului util, să fie de bandă îngustă - BÎ, acordate pe frecvenţa semnalului util.

În cazul recepţiei infradină, canalul imagine este dispus simetric faţă de frecvenţa intermediară la o distanţă egală cu frecvenţa heterodinei. Pentru un acord superior al heterodinei (cazul din figură), canalul util este dispus la

, iar canalul imagine la . Din figură se poate observa că, în acest caz, deoarece canalul imagine este dispus foarte departe de canalul util, pentru rejecţia (atenuarea) acestuia nu mai este necesar ca etajele dinaintea mixerului să fie de bandă îngustă, preselecţia semnalului util putându-se realiza şi cu un preselector de bandă largă - BL, folosind un filtru trece bandă sau trece jos.

După schimbarea de frecvenţă, semnalul de interes este filtrat pentru a se evita alierea în urma eşantionării, apoi este amplificat până la un nivel care să asigure funcţionarea corectă a CAD.

Ca şi în cazul anterior, în receptorul superheterodină eşantionarea şi conversia analog-digitală se poate realiza fie în banda de bază, fie direct pe frecvenţa intermediară. În primul caz, structura receptorului se continuă cu conversia directă de pe frecvenţa intermediară în banda de bază, folosind un oscilator în cuadratură şi două mixere (vezi fig. 7.3). Deşi această variantă are de mult un suport tehnologic accesibil, ea este mai rar utilizată în practică deoarece necesită utilizarea a două circuite de eşantionare memorare şi conversie analog digitală.

În cazul eşantionării directe a semnalului de frecvenţă intermediară, pentru obţinerea semnalului complex se utilizează metode digitale. Astfel, mai întâi semnalul analogic real, de frecvenţă intermediară, este transformat în semnal digital real prin procesul de eşantionare-memeorare şi conversie analog digitală, ceea ce permite inclusiv translatarea spectrului semnalului interes pe o frecvenţă intermediară mult mai joasă, apoi, semnalul digital real este transformat în semnal digital complex utilizând un generator în cuadratură digital sau alte metode digitale specifice [2]. Schema bloc a receptorului superheterodină generalizat bazat pe această metodă este prezentată în fig. 7.8.

După translatarea în joasă frecvenţă urmează filtrarea şi decimarea semnalul pentru a reduce frecvenţa de eşantionare şi implicit pentru a mări timpul necesar procesorului pentru prelucrări ulterioare. Acest lucru se realizează în blocul de conversie a ratei de eşantionare – CRE. În plus

decimarea are şi rolul de a micşora zgomotul de cuantizare. Pentru o frecvenţă de eşantionare zgomotul de cuantizare este distribuit în domeniul . Selectarea numai a unei benzi egală cu se realizează cu un filtru numeric care asigură şi filtrarea zgomotului din afara acestei benzi. Ca urmare se produce o reducere de k ori a puterii zgomotului de cuantizare.

Fig. 7.8 Receptor superheterodină cu eşantionare în FI

Este absolut necesar ca frecvenţa de eşantionare să se stabilească în strânsă legătură cu lărgimea de bandă a interfeţei analogice şi nu cu cea a semnalului util, deoarece, semnalul de FI poate fi de bandă largă, conţinând mai multe canale de bandă îngustă, selectarea şi filtrarea canalelor individuale realizându-se în interfaţa digitală. Caracteristicile canalului de bandă îngustă, precum lărgimea de bandă, riplul în banda de trecere, rejecţia canalului alăturat, pot fi controlate prin intermediul coeficienţilor filtrului digital de canal, ceea ce conferă o mai mare flexibilitate decât în cazul unei procesări analogice de canal.

Pentru translatarea spectrului semnalului de frecvenţă intermediară pe o frecvenţă intermediară mai joasă se poate utiliza tehnica subeşantionării. Această tehnică constă în eşantionarea cu frecvenţe mai mici de 2 fmax , refacerea exactă a mesajului informaţional conţinut de semnalul analogic fiind posibilă numai dacă semnalul este de bandă limitată.

În paragraful anterior am considerat cazul eşantionării semnalului în banda de bază, adică toate semnalele de interes se situează în prima zonă Nyquist. Figura 7.9 (A) ilustrează un astfel de caz, în care banda semnalelor eşantionate este limitată la prima zonă şi imagini ale benzii originale apar în fiecare din celelalte zone Nyquist.

Fie cazul considerat în fig. 7.9 B, unde banda semnalului de frecvenţă intermediară, supus eşantionării, se situează în întregime în a doua zonă

Nyquist. Procesul eşantionării unui semnal aflat în afara primei zone Nyquist este adesea denumit subeşantionare sau eşantionare armonică. Se poate observa că imaginea din prima zonă Nyquist conţine informaţia din semnalul original cu excepţia locaţiei originale (ordinea componentelor în spectru este inversată, dar acest neajuns este corectat cu uşurinţă prin reordonarea ieşirii FFT).

Fig. 7.9 Eşantionarea semnalelor dispuse în diferite zone Nyquist

În fig. 7.9 C este prezentat cazul când semnalul de frecvenţă intermediară se află în zona a treia Nyquist. Se observă că imaginea din prima zonă Nyquist nu are nici o inversare a frecvenţelor. De fapt, banda de frecvenţele a semnalului eşantionat poate fi dispusă în orice zonă Nyquist, pentru că în prima zonă obţinem oricum o imagine fidelă a acesteia (cu excepţia inversării ordinii componentelor, fenomen care are loc atunci când semnalul se află în zonele pare). În acest moment, putem formula clar criteriul Nyquist [1, 2]: pentru a conserva toată informaţia conţinută de un semnal de frecvenţă intermediară, acesta trebuie eşantionat la o rată egală sau mai mare decât dublul benzii sale.

Se observă că nu se face nici o referire la locaţia absolută a benzii semnalelor eşantioanate în spectru, relativ la frecvenţa de eşantionare. Singura constrângere este ca banda semnalului eşantionat să fie limitată la o singură zonă Nyquist (aceasta este de fapt funcţia principală a filtrului antialiere).

Eşantionarea semnalelor dincolo de prima zonă Nyquist este frecvent utilizată în domeniul comunicaţiilor deoarece procesul este echivalent

demodulării analogice. Eşantionarea directă a semnalelor de frecvenţă intermediară, urmată de folosirea tehnicilor digitale de procesare a semnalului, a devenit o practică obişnuită, eliminând astfel nevoia unui demodulator analogic pe FI. Bineînţeles, pe măsură ce frecvenţa intermediară creşte, performanţele dinamice impuse CAD devin critice. Lărgimea de bandă la intrarea CAD şi performanţele în domeniul distorsiunilor, trebuie adaptate la frecvenţa intermediară şi nu la banda de bază, de aceea un CAD destinat unor aplicaţii de eşantionare în FI trebuie să-şi menţină performanţele dinamice şi în zonele Nyquist de ordin superior.

În cazul subeşantionării, filtrul antialiere este un filtru trece-bandă. În fig. 7.10 este reprezentat un semnal situat în a doua zonă Nyquist,

centrat în jurul unei purtătoare , cu frecvenţa minimă şi cea maximă . Gama dinamică dorită, GD, defineşte atenuarea în banda de blocare. Banda superioară de tranziţie este ( , 2 – ), iar cea inferioară ( , – ). Ca şi în cazul eşantionării în banda de bază, cerinţele asupra filtrului antialiere devin mai puţin pretenţioase odată cu mărirea frecvenţei de eşantionare, dar trebuie avut în vedere că şi trebuie mărită, astfel încât să fie mereu centrată în a doua zonă Nyquist.

Fig. 7.10 Stabilirea parametrilor filtrului antialiere

Pentru a determina frecvenţa de eşantionare , în funcţie de frecvenţa purtătoare şi banda semnalului f, se pot folosi două relaţii de bază. Prima este impusă de criteriul Nyquist:

, (7.2)

iar a doua asigură plasarea lui în centrul zonei Nyquist:

, (7.3)

unde NZ=1, 2, 3, ... corespunde zonei Nyquist în care se află semnalul şi purtătoarea sa (vezi fig. 7.11).

NZ este ales cât mai mare cu putinţă, menţinând însă . Acest lucru conduce la cea mai mică rată de eşantionare necesară. Dacă NZ este ales impar, atunci semnalul şi purtătoarea sa, , vor cădea într-o zonă Nyquist impară şi frecvenţele imagine din prima zonă Nyquist nu vor fi inversate. Pot fi făcute compromisuri între frecvenţa de eşantionare şi complexitatea filtrului antialiere, prin alegerea unor valori mai mici pentru NZ (adică o frecvenţă de eşantionare mai mare).

Fig. 7.11

Ca un exemplu, se consideră un semnal cu banda de 4 MHz centrat pe o frecvenţă de 71 MHz. Rezultă că frecvenţa minimă de eşantionare necesară este 8MSPS. Din relaţia (2.3), pentru = 71MHz şi =8MSPS rezultă NZ=18,2. Dar NZ trebuie să fie întreg şi se rotunjeşte prin lipsă la 18. Rezolvând din nou ecuaţia (2.3) în raport cu , rezultă valorile finale: =8,1143 MSPS; =71 MHz şi NZ=18.

Procesul iterativ de mai sus poate fi dus la bun sfârşit pornind şi de la , ajustând frecvenţa purtătoare pentru a obţine un NZ întreg.

Din cele prezentate mai sus rezultă faptul că, în urma subeşantionării unui semnal de frecvenţă intermediară spectrul dispus în jurul purtătoarei, aflată în centrul unei zone Nyquist, este translatat în mijlocul primei zone Nyquist, pe o nouă frecvenţă intermediară. Ca urmare, procesul de subeşantionare poate fi asimilat cu procesul de schimbare de frecvenţă din traseul analogic, cu avantajul dispariţiei canalului imagine. Pe această nouă frecvenţă intermediară vor avea loc toate procesările digitale ulterioare, necesare extragerii informaţiei