Почему супергетеродинирование лучше, чем прямое обращение?

В чем преимущество наличия дополнительной ступени ПЧ, дополнительного локального генератора и дополнительной ступени фильтрации и усиления. Это просто кажется больше работы и схемотехники. Разумеется, прямое преобразование в основную полосу и промежуточное преобразование в основную полосу будут проходить через один и тот же фильтр полосы пропускания в конце, который изолирует исходный частотный диапазон?

Я вижу ответы, такие как «это позволяет использовать общие схемы, а не отдельные схемы для каждой частоты», в основном:

Без использования ПЧ все сложные фильтры и детекторы на радио или телевидении должны были бы настраиваться в унисон при каждом изменении частоты, как это было необходимо в ранее настроенных радиочастотных приемниках.

Но я не понимаю, потому что все они могут быть настроены, например, на сигнал основной полосы частот, а не на ПЧ, что устраняет описанную проблему.

Я также вижу:

Таким образом, более узкая полоса пропускания и большая селективность могут быть достигнуты путем преобразования сигнала в более низкое значение ПЧ и выполнения фильтрации на этой частоте.

Но почему бы не выполнить фильтрацию только на частоте основной полосы частот IF = 0. Это ниже ЕСЛИ, верно. Улучшает ли добавление ступени полосы пропускания ПЧ четкость конечной полосы пропускания, а не делает это напрямую?

Единственный недостаток, который я могу понять, - это утечка локального генератора, и разве это не происходит чаще на более высоких частотах? IF может позволить первому LO колебаться гораздо медленнее.

Есть немало преимуществ.

Взгляните на типичного суперхета (вплоть до IF):

Входной сигнал на ВЧ-входе небольшой (всего -122 дБм в некоторых узкополосных голосовых системах, над которыми я работал - это около 6,3 фВт)

Усиление сигнала при высокой РЧ (скажем, нескольких ГГц) дорого по сравнению с выполнением этого усиления на более низкой частоте. Несколько дБ усиления РЧ обычно достаточно для обработки сигнала до ступени ПЧ.

Полоса пропускания входного фильтра должна быть такой, чтобы она была меньше, чем разнесение каналов (обычно меньше, чем ширина полосы выходного сигнала), чтобы ее было проще реализовать.

Полоса пропускания фильтра подавления изображения задается частотой гетеродина (при РЧ +/- ПЧ), поэтому выбор относительно низкого ПЧ означает, что отбраковка изображения также относительно проста.

Усилитель ПЧ обычно используется там, где большая часть усиления сигнала выполняется при относительно низкой стоимости и низкой сложности (по сравнению с попытками сделать это на более высоких частотах). Фильтр предотвращает утечку и устанавливает полосу пропускания сигнала равной полосе пропускания информации.

Другим важным преимуществом является то, что все после того, как смеситель установлен, не требует регулировки при нормальной работе, поэтому диапазон динамического сигнала может быть высоким. Я не показал AGC (почти всегда присутствует), но это также фиксированная часть (динамической) схемы.

Усовершенствованием стал двойной суперчет (2 этапа IF), с которым я работал десятилетия назад, и они до сих пор пользуются большой популярностью.

Существуют приемники прямого преобразования, но они страдают от ряда проблем, в частности от динамического диапазона сигнала.

[Обновить]

В ответ на комментарий, существует в широкий динамический диапазон прямого преобразования приемники (один из возможных источников в списке); они были в течение некоторого времени и часто встречаются в установках SDR .

Чисто аппаратный подход благоволит суперхетам.

Обратите внимание, что этот ответ перекошен в сторону приема аналогового радио. Правила различны для программно-определяемых радиостанций и для цифровых служб.

Самый большой недостаток прямого преобразования - подавление боковой полосы. Если вы используете один микшер, сигнал в$f_c + f_s$ неотличима от сигнала при $f_c - f_s$, где $f_c$ является перевозчиком и $f_s$частота сигнала Вы можете значительно уменьшить эту проблему с помощью квадратурного преобразования с понижением частоты, но хотя этого достаточно для приема цифровых данных, этого недостаточно для аналоговых (т. Е. SSB или AM).

Вторым по величине недостатком является количество усиления, которое вам нужно на одной частоте. Приемники нуждаются в большом усилении, а микшеры обычно являются ограничивающим фактором в широком динамическом диапазоне. Таким образом, вы хотели бы поместить все свое усиление после первого микшера, который, как правило, является тем, который видит наиболее мешающие сигналы. Для чувствительного приемника SSB это усиление может превышать 120 дБ. Трудно или невозможно получить такой большой выигрыш без колебаний. На самом деле, если вы посмотрите в литературу по радиолюбительству, то увидите, что у большинства приемников прямого преобразования есть наушники - для этого есть причина.

Другими проблемами являются сквозное прохождение гетеродина и сложность достижения малошумящего усилителя с низким импедансом на звуковых частотах.

Таким образом, все эти недостатки дают вам явное преимущество, заключающееся в том, что вы, по крайней мере, частично применяете фильтрацию и усиление перед окончательным преобразованием в звук. ,

Да, приемники с прямым преобразованием существуют, но они требуют особого внимания, особенно с определенными видами модуляции.

Например, с модуляцией SSB, чтобы отклонить нежелательную боковую полосу, ваш демодулятор в основной полосе должен иметь возможность различать «положительную частоту» и «отрицательную частоту». Это не тривиально, а только действительно практично с использованием DSP.

Аналогично, если вы переводите центральную частоту сигнала FM или PM до 0 Гц, вам снова нужно различать положительную и отрицательную частоты, чтобы правильно ее демодулировать.

Даже с сигналами AM или DSB, где боковые полосы содержат идентичную информацию, если ваше преобразование не является идеальным (ваш LO точно соответствует принятой несущей частоте), вы получаете искажение - или постоянный тон от несущей AM.

Супергетеродин был изобретен в те дни, когда демодуляция проводилась простыми детекторами огибающей, у которых вообще не было никакой частотной дискриминации, не говоря уже о различии положительных и отрицательных частот. Вся избирательность должна быть применена до демодуляции, что возвращает к причинам, которые вы нашли - вам нужны фильтры, которые могут отслеживать несущую частоту с постоянной полосой пропускания, или вы конвертируете в фиксированную промежуточную частоту, где вы можете использовать фиксированные фильтры.

Прямое преобразование концептуально просто, но требует значительного проектирования, чтобы сделать это правильно. Помимо ответов Дэйва и Тима, существует тонкая пагубная потенциальная проблема с прямым обращением ...

Большинство микшеров (даже двухбалансовых) пропускают мощность локального генератора как на РЧ-порт, так и на ПЧ-порт. Подача питания обратно через РЧ-порт к антенне может вызвать проблемы. Даже при отличном балансе микшера энергия излучаемого локального генератора часто намного больше, чем поступающие сигналы.
Переизлученный гетеродин можно модифицировать (фаза, амплитуда) и повторно ввести приемную антенну обратно в смеситель. Баланс смесителя может быть нарушен. Кроме того, сигнал основной полосы частот генерируется на выходном порте микшера, который может загрязнять желаемый сигнал основной полосы частот.

Некоторые датчики движения, детекторы «жучков», используют преимущества этого процесса, где «ложный» сигнал основной полосы частот является желаемым результатом, указывающим, например, движение.

Чаще всего желателен линейный приемник, и в этом случае вы не хотите, чтобы энергия локального генератора возвращалась к источнику сигнала. Хорошим балансом микшера является начало, добавление сильного РЧ-предусилителя с хорошей изоляцией между входом и выходом также помогает. Все сложно, так как частота увеличивается.

Никто больше не упомянул проблему смещения частоты на ступенях микшера. РЧ-микшер делает все возможное, чтобы соответствовать частоте несущей, но все равно будет различие, которое приведет к смещению ПЧ от требуемой частоты. Стадия ПЧ с ненулевой центральной частотой позволяет использовать ФАПЧ для отслеживания сигнала ПЧ и устранения большей части смещения частоты.

Обычно проще и дешевле сделать лучшую ФАПЧ на частотах ПЧ, а не на РЧ-частотах.

Вы можете использовать два смесителя для преобразования принятого сигнала в I и Q, но для этого потребуются два дорогих ФАПЧ с РЧ-частотой, которые также должны иметь фиксированную разность фаз 90 градусов. Это также гораздо проще и дешевле сделать на частотах ПЧ.

Проблема заключается в подавлении гетеродина гетеродина, близком к фазовому шуму несущей гетеродина. 20 дБ тривиально из коробки. 40 дБ прост с осторожностью. 60 дБ возможно только с героикой и динамической настройкой. 80 дБ можно сделать в лаборатории на короткое время на точечных частотах, если вам повезет, и температура не изменится. Вам нужно> 120 дБ, чтобы заставить работать приемник прямого преобразования, а также супергерой.

Если вы не используете OFDM. Там у вас десятки носителей, и не все используются для передачи данных. Некоторые для пилотов, некоторые для защитных полос, а в некоторых продвинутых системах есть такие, которые используются только для уменьшения пикового ВЧ-напряжения ансамбля для облегчения проблем линейности передатчика. Поэтому оставить несколько несущих без данных в центре канала и вокруг него (DC, если мы говорим о базовых полосах IQ, LO для приемника с прямым преобразованием) - это не большая неэффективность.