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Superheterodyne receiver

A five-tube superheterodyne receiver manufactured by Toshiba circa 1955 Superheterodyne transistor radio circuit circa 1975 The superheterodyne receiver , commonly called the su...

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A five-tube superheterodyne receiver manufactured by Toshiba circa 1955
Superheterodyne transistor radio circuit circa 1975

The superheterodyne receiver, commonly called the superhet, is a radio receiver that uses heterodyning to convert incoming radio-frequency (RF) signals to a fixed intermediate frequency (IF). The signal is then amplified and filtered at that fixed frequency. This arrangement separates tuning from most of the gain and filtering: the RF circuits make an initial, relatively broad selection of the desired station, while the IF stages provide most of the amplification and the selectivity needed to separate it from adjacent stations.

The design became important during the rapid growth of broadcast radio in the 1920s. As amplitude modulation (AM) stations multiplied, receivers had to handle crowded bands and signals that ranged from strong local stations to weak distant ones. Many earlier sets required several tuning controls to be adjusted together, and their performance varied widely. The superheterodyne offered a more practical path to stable gain, sharper selectivity, and simpler operation, especially as vacuum tubes (valves) improved and became cheaper.

The principle had been developed earlier, but the superheterodyne did not become widely used until the mid-1920s, when receiver designs and vacuum tubes improved enough for practical mass production.[1] Patent control and licensing also played a role. The Radio Corporation of America (RCA) and associated companies held key rights and influenced which receiver types could be manufactured. By the early 1930s, as licensing issues eased, the superheterodyne largely replaced earlier receivers.

History

Radio direction finding

Radio direction-finding (RDF) required the accurate amplification of weak signals. RDF equipment used in World War I operated at frequencies from about 50 kHz to 2 MHz.[2] Armstrong stated that the motivation for the superheterodyne was to extend the usable frequency range of such systems, allowing reception of higher-frequency emissions, such as those from aircraft ignition.[3]

Origins

Las señales de radio entrantes son muy débiles, y los primeros receptores estaban limitados por los medios de amplificación disponibles. Los receptores con detector de cristal proporcionaban rectificación sin ganancia y se usaban ampliamente en receptores económicos fabricados por compañías como Crosley . La introducción del audión ( triodo ) hizo posible la amplificación y permitió una recepción más potente, pero los primeros tubos de vacío eran caros y tenían un rendimiento limitado. [ 1 ] Gran parte de la arquitectura de los primeros receptores estaba determinada por el costo de la ganancia; en 1920 un triodo costaba $7.00, [ 4 ] unos $ 113 en la actualidad. [ 1 ]

El rendimiento de un receptor se describe comúnmente en términos de sensibilidad, selectividad, fidelidad, distorsión y ruido. La sensibilidad es la capacidad de recibir señales débiles a un nivel utilizable, mientras que la selectividad es la capacidad de discriminar la señal deseada de señales en otras frecuencias. La fidelidad y la distorsión describen la precisión del audio recuperado, mientras que el ruido del receptor limita la señal más débil que se puede utilizar. [ 5 ] : 749

Herold sitúa los años comprendidos entre 1907 y 1927 aproximadamente como el primer período importante de desarrollo de las válvulas receptoras. El triodo proporcionó a los diseñadores de receptores un amplificador práctico y también hizo posibles los osciladores, los circuitos de retroalimentación, la recepción heterodina y la superheterodina. Dado que las válvulas aún eran caras y escasas, muchos circuitos receptores de la época intentaban obtener una ganancia y selectividad útiles con el menor número de válvulas posible. [ 1 ] Se siguieron varios enfoques:

  • Los receptores regenerativos aumentaron la ganancia y la selectividad con retroalimentación. [ 6 ] : 250
  • Los receptores réflex reutilizaban un solo tubo como dos etapas de amplificación para reducir costos. [ 7 ]
  • El Neutrodyne estabilizó los amplificadores de radiofrecuencia sintonizados cancelando la retroalimentación no deseada, lo que permitió una mayor ganancia por tubo. [ 8 ] : 468–472 [ 9 ]
  • Los receptores superregenerativos , que alcanzan una ganancia muy alta, fueron desarrollados por Edwin H. Armstrong en 1922 mientras estudiaba el receptor regenerativo. El circuito no se popularizó en la recepción de radiodifusión o televisión. [ 1 ]

La radiodifusión se expandió rápidamente, aumentando el número de estaciones y programas disponibles. Westinghouse entró en la radiodifusión después de que Frank Conrad comenzara a transmitir desde su casa poco después de la Primera Guerra Mundial. [ 10 ] : 66 El número de estaciones de radiodifusión de EE. UU. creció de cinco en 1921 a 530 en 1924. [ 11 ] [ 12 ] A finales de la década de 1920, el crecimiento de la radiodifusión impuso mayores exigencias a los receptores. Como observó una reseña contemporánea, «los receptores que daban un servicio satisfactorio al principio de ese período ahora están obsoletos». [ 13 ] Con más estaciones en el aire, los aparatos necesitaban una mejor selectividad. Los oyentes también querían escuchar estaciones distantes más débiles, y los altavoces mejorados hicieron que el audio deficiente fuera más notorio. [ 14 ]

Al mismo tiempo, los tubos de vacío mejoraron y se volvieron menos costosos. Para 1925, el precio de un triodo había bajado a $3.59, [ 15 ] y para 1936 a $0.59. [ 16 ] A medida que los tubos se abarataban, las etapas adicionales requeridas por el superheterodino dejaron de ser una desventaja económica. Los tubos mejorados también hicieron más prácticos la ganancia estable, la sintonización de control único y el control automático de ganancia, lo que ayudó a que el superheterodino se convirtiera en la arquitectura estándar de los receptores de radiodifusión. [ 1 ] [ 17 ]

Desarrollo

A finales de la década de 1910, la recepción heterodina se entendía como un método de conversión de frecuencia, y el uso de tubos de vacío hizo posible generar oscilaciones locales dentro del receptor. [ 18 ] También se reconoció que la amplificación era más fácil a frecuencias más bajas con los tubos disponibles en ese momento, y que la amplificación estable de alta ganancia era difícil cuando la frecuencia sintonizada tenía que variar en un amplio rango. [ 1 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 6 ] Según Herold, "los amplificadores de RF de triodo habían sido bastante infructuosos excepto a frecuencias muy bajas". [ 1 ]

Los avances en el receptor superheterodino y la telefonía portadora estuvieron estrechamente relacionados. Ambos dependían de la heterodinación, los filtros y la amplificación estable, y muchos de los avances teóricos y prácticos surgieron de los mismos esfuerzos de investigación. Durante el mismo período, los avances en la telefonía portadora progresaron desde los primeros sistemas comerciales monocanal de 1921 hasta los sistemas multiplex multicanal en 1928, basándose en muchos de los mismos avances en conversión de frecuencia, amplificación y filtrado que sustentaron el receptor superheterodino. [ 21 ]

En 1922, CR Leutz describió el superheterodino de la siguiente manera: "reduce la frecuencia de entrada, que puede ser, por ejemplo, de 1.500.000 ciclos (200 metros), a una frecuencia supraaudible que pueda amplificarse eficientemente; luego, hace pasar esta corriente a través de un amplificador de radiofrecuencia y, finalmente, rectifica y continúa con una o dos etapas de amplificación de audiofrecuencia si se desea. La transformación de la frecuencia de la señal de entrada se suele realizar mediante un oscilador y rectificador heterodino". [ 22 ]

Un enfoque práctico consistía en convertir la señal recibida a una frecuencia intermedia fija antes de la amplificación. La señal entrante se combinaba con una oscilación local (LO) generada en una etapa mezcladora (a menudo denominada primer detector), produciendo frecuencias suma y diferencia. La frecuencia diferencia, denominada frecuencia intermedia (FI), conservaba la información de la señal original, desplazándola a una frecuencia más adecuada para la amplificación y el filtrado. [ 19 ]

La recepción heterodina ya estaba presente en diseños anteriores de tubos de vacío. Lo que distinguía al superheterodino era la selección de una frecuencia intermedia fija por encima del rango de audio, lo que permitía optimizar las etapas subsiguientes para una sola frecuencia. En las primeras discusiones de la conferencia, los ingenieros señalaron que las frecuencias heterodinas no necesariamente tenían que ser audibles. [ 23 ]

Tras la conversión, la señal se filtraba y amplificaba a la frecuencia intermedia, se detectaba para recuperar el audio y se amplificaba aún más para la salida. Esto separaba la sintonización de la amplificación, lo que permitía que la mayor parte del receptor funcionara a una frecuencia fija sin necesidad de reajustar las etapas de alta selectividad. La selectividad se establecía principalmente en las etapas de frecuencia intermedia, donde se podían utilizar circuitos sintonizados más complejos sin necesidad de ajustes. Un artículo de 1921 en QST mostraba cómo utilizar un receptor de radiofrecuencia sintonizado  a 55 kHz como superheterodino añadiendo un tubo como oscilador (LO) y otro como detector. Se podían recibir frecuencias entre 375 kHz y 2 MHz. [ 24 ] 

Los tubos multigrid, en particular el tetrodo de rejilla de pantalla, mejoraron la amplificación tanto de RF como de FI. [ 1 ] [ 25 ]

Aceptación del mercado

El primer receptor superheterodino comercial [ 26 ] [ 27 ] : 208–213 fue el RCA Radiola AR-812. Se lanzó el 4 de marzo de 1924 a un precio de $286 ( equivalente a $5370 en 2025 ). Utilizaba 6 triodos: un mezclador, un oscilador local, dos etapas de FI y dos etapas de amplificación de audio, con una FI de 45 kHz. Fue un éxito comercial, ofreciendo un mejor rendimiento que los receptores de la competencia. 

Los primeros receptores superheterodinos requerían circuitos adicionales para la conversión de frecuencia y un oscilador local, lo que los hacía más caros que los receptores más sencillos. Si bien ofrecían mayor sensibilidad y una sintonización más fácil, estas ventajas no desplazaron inicialmente a los receptores de radiofrecuencia sintonizados, que siguieron siendo comunes durante la década de 1920. La introducción del convertidor pentagrid alrededor de 1933 redujo el número de tubos e hizo que los receptores superheterodinos económicos fueran prácticos. [ 1 ]

En 1923 se produjo un cambio cuando David Sarnoff de RCA observó un receptor superheterodino que incorporaba mejoras de Harry Houck y canceló los pedidos de producción de receptores existentes, reemplazándolos con diseños superheterodinos. [ 28 ]

El trabajo de Houck abordó las limitaciones prácticas de los receptores superheterodinos anteriores, en particular en la generación y el acoplamiento de la señal del oscilador local. Estos cambios permitieron una conversión de frecuencia consistente y un funcionamiento fiable en equipos de producción, y se les atribuye haber hecho que el superheterodino fuera apto para la fabricación en lugar de limitarse al uso experimental. [ 29 ]

Los primeros receptores superheterodinos solían utilizar frecuencias intermedias bajas debido a las limitaciones de los amplificadores de triodo en radiofrecuencias. Si bien esto permitía una amplificación estable, también resultaba en un rechazo de imagen deficiente y una mayor susceptibilidad a las interferencias. Con la disponibilidad de tubos de vacío mejorados, se adoptaron frecuencias intermedias más altas, lo que mejoró el rendimiento en bandas de radiodifusión cada vez más congestionadas. [ 30 ] [ 31 ]

La facilidad de uso fue crucial para su adopción comercial. Los primeros receptores a menudo requerían el ajuste de varios controles de sintonización, cada uno de los cuales modificaba circuitos sintonizados diferentes. Seleccionar una estación con una sintonización de un solo control representó una clara mejora. John L. Hogan ya había descrito trabajos previos sobre la sintonización simplificada, [ 32 ] y a mediados de la década de 1920 se publicaban diseños prácticos de superheterodinos de un solo dial. [ 33 ] [ 34 ]

Las fuentes de alimentación también estaban cambiando. Los primeros aparatos dependían de costosas baterías, pero a finales de la década de 1920, los eliminadores de baterías y, posteriormente, los receptores alimentados por la red eléctrica redujeron los costos operativos. Houck también participó en esta transición; relatos de la época describen un litigio con Cornell-Dubilier sobre la tecnología de eliminación de baterías, con daños estimados en aproximadamente 20 millones de dólares, lo que demuestra la importancia comercial de estos avances. [ 35 ] [ 29 ]

El control de la intensidad de la señal se volvió cada vez más importante, ya que algunas señales eran mucho más fuertes que otras. En 1928, HA Wheeler, de la Hazeltine Corporation, describió un sistema de control automático de volumen (AVC) que ajustaba la ganancia del receptor en respuesta a la intensidad de la señal, de modo que "la intensidad del altavoz alcanza aproximadamente el nivel deseado para cada señal, independientemente de la intensidad de la señal y, por lo tanto, independientemente de una cantidad razonable de atenuación". [ 36 ]

Hacia 1930, se incorporaron tubos de vacío mejorados, como el tetrodo de rejilla de pantalla, a los receptores superheterodinos, lo que mejoró aún más la ganancia y la estabilidad. Durante el mismo período, RCA amplió la concesión de licencias de patentes superheterodinas a otros fabricantes en medio de presiones antimonopolio, extendiendo el acceso al diseño y manteniendo los acuerdos de regalías. [ 37 ] El receptor superheterodino desempeñó un papel importante en la compleja red de patentes y licencias de los inicios de la radio . [ 27 ] : 389

El receptor de radio AM " All American Five " de la década de 1940 era económico porque solo requería cinco tubos y no utilizaba un transformador de alimentación.

El tubo convertidor pentagrid redujo aún más el precio de una radio superheterodina, lo que permitió el receptor "All-American Five", que utilizaba solo cinco tubos: generalmente un convertidor (mezclador/oscilador local), un amplificador de FI, un detector/amplificador de audio, un amplificador de potencia de audio y un rectificador. Los tubos convertidores redujeron el costo y el número de componentes al combinar las funciones de oscilador y mezclador en un solo tubo. Herold describió el convertidor pentagrid como el más satisfactorio de los primeros tubos convertidores multigrid y señaló que seguía siendo ampliamente utilizado. [ 38 ] [ 39 ] Desde mediados de la década de 1930, el diseño superheterodino se utilizó para casi todos los receptores de radio y televisión comerciales. [ 40 ] [ 41 ] [ 1 ] [ 42 ]

Por qué el superheterodino desplazó a otras tecnologías.

Hasta 1930, los receptores no superheterodinos seguían dominando el mercado. Sin embargo, en 1933, los receptores superheterodinos representaban el 96 por ciento de las ventas. Por lo tanto, un estudio contemporáneo sobre los efectos de la interferencia concluyó que solo era necesario considerar los receptores superheterodinos. [ 43 ]

El superheterodino se convirtió en el sistema dominante porque separaba funciones que resultaban difíciles de realizar simultáneamente. Los receptores anteriores debían amplificar, seleccionar y sintonizar la señal en la frecuencia recibida, lo que a menudo requería que varias etapas sintonizadas funcionaran en conjunto. Al trasladar la mayor parte de la amplificación y el filtrado a una frecuencia intermedia fija, el superheterodino facilitó la obtención de ganancia, selectividad y estabilidad. Se podían utilizar filtros de orden superior en la frecuencia intermedia fija, mientras que las etapas de radiofrecuencia solo necesitaban realizar una selección inicial más aproximada. Estas ventajas se hicieron evidentes a medida que las bandas de radiodifusión se saturaban. [ 13 ]

Los primeros receptores superheterodinos eran caros porque requerían tubos adicionales, incluyendo un oscilador local y un mezclador. A medida que los tubos de vacío mejoraron y se abarataron, esta desventaja se volvió menos importante. [ 1 ] Las radios se volvieron más fáciles de usar ya que la sintonización con un solo control y el control automático de volumen redujeron las perillas y los ajustes. [ 33 ] [ 36 ]

Herold identificó posteriormente los años comprendidos entre 1927 y 1936 como el período en que el superheterodino se convirtió en el circuito receptor universal. Las mejoras en los tubos hicieron posible el funcionamiento en corriente alterna, la sintonización con un solo mando, el control automático de ganancia y las etapas convertidoras multigrid. Estos cambios eliminaron gran parte de la desventaja inicial de utilizar un receptor más complejo, al tiempo que conservaron las ventajas del superheterodino en cuanto a ganancia y selectividad. [ 1 ]

La adopción comercial también estuvo marcada por las licencias de RCA. [ 10 ] Los tubos convertidores combinaban el oscilador y el mezclador, reduciendo el costo. Los superheterodinos de bajo costo, como el All American Five, proliferaron a medida que el superheterodino se convertía en el estándar. [ 40 ] [ 41 ] Para la Segunda Guerra Mundial, el superheterodino era "reconocido como el circuito receptor más eficiente..." [ 6 ]

disputas de patentes

Teoría y práctica heterodina temprana

El método de recepción heterodina fue descrito por Fessenden en patentes de 1905, 1908 y 1912. Se describió como una forma de hacer audibles las señales continuas compensando las frecuencias de los dos extremos de un enlace de comunicaciones y utilizando un generador en cada extremo como transmisor y fuente heterodina para la recepción. [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] En 1913 se describió como un método para lograr una amplificación aparente de la señal. En 1913, John L. Hogan Jr. describió la recepción heterodina en términos de generación de frecuencias de batido. [ 47 ] Cuando Robert Marriott le preguntó sobre el uso de la heterodina para la telefonía, Hogan respondió que la frecuencia de batido estaría por encima del umbral de audición. [ 23 ]

En 1915, el uso del tubo de vacío como oscilador amplió el uso de métodos heterodinos. Hogan describió receptores en los que un solo tubo de vacío podía generar oscilaciones, detectar señales y proporcionar amplificación simultáneamente, aunque señaló que la acción combinada de estos procesos dificultaba el análisis del comportamiento subyacente. [ 48 ] Las patentes también describían el uso de oscilaciones generadas localmente para mejorar la detección, pero no incluían etapas selectivas de frecuencia intermedia ni amplificación en la frecuencia convertida. [ 49 ]

En una solicitud de patente de 1916, Langmuir describe el uso de un solo triodo como oscilador y detector. El uso de una frecuencia heterodina por encima de la banda de audio era conocido, como afirma: «Dado que en la mayoría de los casos será deseable emplear frecuencias que superen el rango de audición de un receptor telefónico». Esto refleja un reconocimiento temprano de que el proceso heterodino no necesita producir una salida audible directamente. [ 50 ]

Una cuestión central en este período fue si la recepción heterodina en sí misma proporcionaba amplificación. Benjamin Liebowitz analizó el método matemáticamente en 1915, concluyendo que la ganancia no era inherente al proceso en sí, sino que atribuyó los efectos observados a la no linealidad del detector en lugar de a la conversión de frecuencia propiamente dicha. [ 18 ]

En 1917, Edwin Howard Armstrong demostró que la recepción heterodina podía producir amplificación cuando el detector operaba en una región de ley cuadrática , con una ganancia de conversión que dependía de la amplitud del oscilador local y estaba limitada por las características del tubo. [ 51 ] Este resultado fue analizado posteriormente por GWO Howe en 1918, quien confirmó matemáticamente los resultados de Armstrong. [ 52 ] En 1919, John R. Carson proporcionó un tratamiento teórico más general del tubo de vacío de tres elementos, mostrando resultados similares. [ 53 ]

Al final de este período, el proceso heterodino se entendía como una forma de conversión de frecuencia no lineal en la que se podía obtener ganancia bajo condiciones de funcionamiento específicas. Se había discutido la conversión a frecuencias superaudio, pero aún no se había desarrollado el uso de una frecuencia intermedia fija para su posterior procesamiento como base de una arquitectura de receptor. [ 54 ]

Invenciones paralelas

El ingeniero francés Lucien Lévy presentó una solicitud de patente para el principio superheterodino en agosto de 1917 con el brevet n.° 493660. [ 55 ] Armstrong también presentó su patente en 1917. [ 56 ] [ 57 ] Lévy presentó su divulgación original unos siete meses antes que Armstrong. [ 58 ] El inventor alemán Walter H. Schottky también presentó una patente relacionada en 1918. [ 55 ]

En un principio, Estados Unidos reconoció a Armstrong como el inventor, y su patente estadounidense n.° 1.342.885 se emitió el 8 de junio de 1920. [ 58 ] Después de varios cambios y audiencias judiciales, a Lévy se le otorgó la patente estadounidense n.° 1.734.938 que incluía siete de las nueve reivindicaciones de la solicitud de Armstrong, mientras que las dos reivindicaciones restantes se otorgaron a Ernst Alexanderson de GE y a Kendall de AT&T. [ 58 ]

La prioridad de las patentes y su adopción práctica no siguieron el mismo camino. En 1926, Walter Schottky afirmó que la patente de Lévy describía los elementos esenciales del método superheterodino y, por lo tanto, representaba su origen desde la perspectiva del derecho de patentes, atribuyendo el desarrollo práctico del receptor a Armstrong y sus colaboradores. En la práctica, la adopción comercial dependió de la concesión de licencias y de la licencia cruzada entre los principales fabricantes de radio. [ 54 ] [ 59 ]

La política de licencias de RCA también influyó en su adopción. En 1927, la compañía otorgó licencias del circuito Neutrodyne a otros fabricantes, mientras que los derechos sobre el circuito superheterodino siguieron estando más restringidos. [ 59 ]

Tras el suicidio de Armstrong en 1954, Lévy escribió: «Si se me permite, al recordar con emoción la memoria de EH Armstrong, a quien conocí hacia el final de la guerra de 1914, lamento profundamente la pérdida para la humanidad y para la radio de un espíritu tan original y valioso como el suyo». [ 60 ]

Principio de funcionamiento

Diagrama de bloques de un receptor superheterodino de conversión simple típico. El diagrama presenta bloques comunes a los receptores superheterodinos, [ 61 ] siendo opcional únicamente el amplificador de RF. Las partes rojas procesan la señal de radiofrecuencia (RF) entrante; las partes verdes operan en la frecuencia intermedia (FI), mientras que las partes azules operan en la frecuencia de modulación (audio). La línea punteada indica que el oscilador local y el filtro de RF deben sintonizarse simultáneamente.

Un receptor superheterodino convierte una señal de radiofrecuencia entrante en una frecuencia intermedia fija, donde se aplica la mayor parte de la amplificación y selectividad. La señal recibida de la antena se filtra primero y luego se combina con una señal de oscilador generada localmente en un mezclador para producir nuevas frecuencias iguales a la suma y la diferencia de ambas. [ 6 ] Una de estas, la frecuencia intermedia, se selecciona y amplifica mediante etapas sintonizadas optimizadas para una sola frecuencia. La modulación se recupera mediante un detector y se envía a una etapa de salida de audio u otra. Al concentrar la ganancia y el filtrado en una frecuencia fija en lugar de en la frecuencia recibida, el diseño superheterodino permite una selectividad y sensibilidad consistentes en un amplio rango de sintonización. [ 19 ] [ 62 ]

Ejemplo: receptor de radiodifusión de onda media

La banda de radiodifusión AM de onda media abarca de 531 a 1602 kHz en Europa, con canales espaciados a 9 kHz. En Norteamérica se utiliza la banda de 540 a 1700 kHz, con un espaciado de 10 kHz. A mediados de la década de 1930, los nuevos tubos de vacío multigrid permitieron aumentar la frecuencia intermedia a 455 kHz, un estándar para los receptores de radiodifusión. Esta frecuencia ofrece un equilibrio entre el rechazo de imagen y una alta selectividad, que se puede lograr con circuitos sintonizados LC. [ 63 ]

En una configuración típica, el oscilador local opera por encima de la frecuencia recibida (inyección de lado alto), de modo que la frecuencia intermedia viene dada por f IF = f LO − f RF . Las relaciones de frecuencia resultantes en los extremos inferior y superior de la banda se muestran a continuación. [ 20 ]

En toda la banda, el oscilador local debe sintonizar desde aproximadamente 986  kHz hasta 2155  kHz, un rango ligeramente superior a 2:1. Si se utilizara la inyección de lado bajo, el oscilador tendría que sintonizar desde 76  kHz hasta 1245  kHz, una relación mucho más amplia que resulta difícil de lograr con un único circuito sintonizado. Esta es una de las razones por las que la inyección de lado alto se convirtió en estándar en los receptores de radiodifusión. [ 19 ]

Los circuitos sintonizados de RF son los principales responsables de atenuar las interferencias relativamente distantes, incluida la frecuencia imagen, mientras que las etapas de FI proporcionan la mayor parte de la selectividad frente a los canales cercanos. Esta separación permite optimizar cada etapa para un problema diferente: la etapa de RF para el rechazo de la imagen en un amplio rango de frecuencias, y la etapa de FI para la selectividad de banda estrecha. [ 20 ]

La frecuencia de la imagen está separada de la señal deseada por el doble de la frecuencia intermedia (2 × 455  kHz = 910  kHz). En el extremo superior de la banda, esto sitúa la imagen muy por encima de la banda de transmisión, mientras que en el extremo inferior cae dentro de la banda. Por lo tanto, el circuito de entrada de RF debe atenuar estas frecuencias de imagen sin dejar de transmitir la señal deseada, lo que requiere que la sintonización de RF siga al oscilador local. [ 20 ] [ 19 ]

Debido a que los canales de difusión están separados por tan solo 9 o 10  kHz, la selectividad no se puede lograr sin múltiples circuitos LC, cuya implementación en una etapa de RF sintonizada sería poco práctica. En cambio, la arquitectura superheterodina concentra la ganancia y el filtrado en la frecuencia intermedia fija, donde se pueden optimizar múltiples etapas sintonizadas para separar el canal deseado de los adyacentes. La etapa de RF sirve entonces principalmente para limitar la respuesta de imagen y las señales fuertes fuera de banda, mientras sigue el oscilador local a medida que el receptor se sintoniza a lo largo de la banda. [ 62 ] [ 8 ] : 636–649

Processing in a superheterodyne receiver. The horizontal axes denote frequency f. The blue plots show the voltage spectra of the signals at successive stages in the circuit, while the red plots show the transfer functions of the filters. The incoming signal from the antenna (top plot) consists of the desired signal S1 together with interferers at other frequencies. The RF filter (second plot) attenuates signals such as S2 at the image frequency LO − IF, which would otherwise interfere after conversion. The filtered signal is then mixed with the local oscillator (LO) (third plot). At the mixer output (fourth plot), S1 has been converted to the intermediate frequency. The IF band-pass filter (fifth plot) selects this component, which is then amplified and demodulated (demodulation not shown).

RF stage

The RF stage provides the initial frequency-selective filtering and, in some designs, gain for the received signal.[64] Its primary function is to attenuate the image frequency and other out-of-band signals that would otherwise be converted to the intermediate frequency by the mixer.[65][64][8]:649–652[6] This operation is often called preselection.[5]:748

The filtering is typically provided by one or more tuned circuits. In receivers that tune over a wide frequency range, the RF tuning tracks the local oscillator so that both remain tuned together as the receiver is tuned. This tracking may be achieved with mechanically ganged variable capacitors or electronically using varicap diodes.[65][64][8]:649–652

An RF amplifier may be included to improve sensitivity, but at lower frequencies it is often unnecessary when external noise exceeds the internal noise of the receiver. In such cases the RF stage provides little or no gain, and most of the amplification is obtained at the intermediate frequency.[8]:636

The RF stage must also remain sufficiently linear to handle strong signals without overload. Nonlinear operation can produce intermodulation products that fall within the passband and interfere with reception of nearby channels.[66]

En los receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF) anteriores , toda la ganancia y selectividad se aplicaban a la frecuencia recibida, lo que requería que múltiples etapas sintonizadas siguieran la señal simultáneamente. El superheterodino, en cambio, concentra la mayor parte de la ganancia y selectividad en una frecuencia intermedia fija, lo que permite una mayor ganancia general con una estabilidad mejorada. [ 20 ]

La ganancia de voltaje total de un receptor, desde señales de entrada de nivel de microvoltios hasta varios voltios en la salida de audio, puede superar los 100  dB. En el superheterodino, esta ganancia se distribuye entre las etapas de RF y FI, lo que reduce la probabilidad de inestabilidad debido a retroalimentación no deseada. [ 19 ]

La etapa de RF también sirve para limitar la radiación de la señal del oscilador local de la antena, que de otro modo podría causar interferencias a los receptores cercanos. [ 67 ]

Oscilador y mezclador local

Herold describió la conversión de frecuencia en receptores superheterodinos como un proceso de modulación en el que el oscilador local varía periódicamente la transconductancia de la ruta de la señal, produciendo una salida de frecuencia intermedia. [ 38 ]

La señal recibida se combina con una señal de un oscilador local (LO) en un dispositivo no lineal llamado mezclador. El mezclador produce frecuencias de señal que son la suma y la diferencia de sus frecuencias de entrada. Cada una de esas señales lleva la modulación original. Para una entrada enFRF{\displaystyle f_{\mathrm {RF} }}y un oscilador enFLO{\displaystyle f_{\mathrm {LO} }}, los principales resultados sonFRF+FLO{\displaystyle f_{\mathrm {RF} }+f_{\mathrm {LO} }}y|FRF−FLO|{\displaystyle \left|f_{\mathrm {RF} }-f_{\mathrm {LO} }\right|}En un multiplicador ideal accionado por un oscilador local sinusoidal, solo se producen estos dos componentes, pero los mezcladores prácticos también generan productos de intermodulación de orden superior. Los primeros mezcladores sumaban las señales de oscilador local y de radiofrecuencia en un dispositivo no lineal, generalmente de ley cuadrática, para realizar la conversión. Los mezcladores IC modernos utilizan una configuración de mezclador balanceado para producir menos productos de interferencia. [ 68 ]

El oscilador local está sintonizado de modo que el componente de diferencia sea igual a la frecuencia intermedia: [ 6 ] : 266

FIF=|FLO−FRF|{\displaystyle f_{\mathrm {IF} }=\left|f_{\mathrm {LO} }-f_{\mathrm {RF} }\right|}.

SiFLO>FRF{\displaystyle f_{\mathrm {LO} }>f_{\mathrm {RF} }}, la disposición se denomina inyección de lado alto ; siFLO<FRF{\displaystyle f_{\mathrm {LO} }<f_{\mathrm {RF} }}Se trata de inyección de lado bajo . La inyección de lado alto se utiliza comúnmente en receptores de radiodifusión porque da como resultado un rango de sintonización más práctico para el oscilador. [ 19 ]

El mezclador procesa todas las señales presentes en su entrada, incluidos los canales adyacentes y las señales fuertes fuera de banda. Después de la conversión, el filtro de FI selecciona el componente deseado enFIF{\displaystyle f_{\mathrm {IF} }}y rechaza las demás. Esta separación de la conversión de frecuencia y la selectividad es una ventaja clave sobre los diseños anteriores de radiofrecuencia sintonizada (TRF) . [ 19 ]

La etapa de conversión se denominaba históricamente detección heterodina o primera detección, pero en la década de 1940 el proceso se describía comúnmente como conversión de frecuencia; Herold utilizó el término convertidor para la etapa completa de cambio de frecuencia y mezclador o modulador para la sección de tubos que realizaba la mezcla cuando el oscilador estaba separado. [ 38 ] En los receptores de tubos de vacío, las funciones de oscilador y mezclador a menudo se combinaban en un solo dispositivo, como un convertidor pentagrid , lo que reducía el número de componentes y el costo. [ 69 ] La etapa de mezcla a veces se denomina primer detector , mientras que el demodulador que recupera la modulación en la FI se denomina segundo detector . [ 70 ] En receptores con múltiples etapas de conversión, estos términos se extienden al tercer detector y más allá. [ 70 ]

amplificador de FI

Las etapas de un amplificador de frecuencia intermedia ("amplificador de FI" o "serie de FI") están sintonizadas a una frecuencia fija que no cambia al variar la frecuencia de recepción. Esto simplifica la optimización del amplificador y sus filtros asociados. [ 13 ] [ 61 ] El amplificador de FI es selectivo en torno a su frecuencia central.FIF{\displaystyle f_{\mathrm {IF} }}Debido a que esta frecuencia es fija, las etapas se pueden ajustar cuidadosamente para obtener el mejor rendimiento, un proceso conocido como alineación. [ 6 ] La mayor parte de la ganancia del receptor se produce en la etapa de FI. [ 5 ] : 748

Los primeros receptores utilizaban circuitos sintonizados LC para el filtrado de FI, generalmente de doble sintonización, es decir, dos circuitos LC por etapa. [ 5 ] : 748 Los diseños posteriores emplearon filtros mecánicos y de cristal para mejorar la selectividad y la estabilidad. [ 71 ]

En los primeros diseños, la frecuencia central de FIFIF{\displaystyle f_{\mathrm {IF} }}Por lo general, se elegía un valor inferior al rango de frecuencias recibidas.FRF{\displaystyle f_{\mathrm {RF} }}, ya que es más fácil lograr una alta selectividad a frecuencias más bajas. [ 20 ]

Las frecuencias intermedias estándar incluyen 455  kHz para receptores AM de onda media  , 10,7 MHz para FM de radiodifusión, 38,9  MHz (Europa) o 45  MHz (Estados Unidos) para televisión, y 70  MHz para sistemas de microondas terrestres y satelitales. El uso generalizado de estos valores condujo a la estandarización de facto de los componentes de FI. [ 72 ]

In early superheterodyne receivers, the IF stage was sometimes implemented as a regenerative circuit, providing both gain and selectivity with fewer components. Such receivers were referred to as super-gainers or regenerodynes.[73][74] A related technique is the Q multiplier, which increases the effective selectivity of an IF stage by controlled feedback.[75]

IF bandpass filter

The IF stage includes a filter and/or multiple tuned circuits to provide the required selectivity. The passband is chosen to accommodate the bandwidth of the desired signal, while attenuating adjacent channels. Ideally, the filter provides high attenuation outside the passband while maintaining a relatively flat response across the signal spectrum. Reduction of bandwidth or uneven response can degrade sound fidelity; excessive bandwidth or shallow roll-off permits interference from adjacent channels.[5]:748-751

This selectivity may be obtained using one or more dual-tuned IF transformers, a quartz crystal filter, or a multipole ceramic filter.[76] In some receivers the IF bandwidth is adjustable, allowing a trade-off between fidelity and noise or interference rejection.[77]

In television receivers, the IF filter must produce the asymmetrical response required for vestigial sideband reception,[78] as used in systems such as NTSC, first standardized in the United States in 1941.[79]

By the 1980s, multi-component LC filters were increasingly replaced by precision electromechanical surface acoustic wave (SAW) filters. SAW filters can be manufactured to tight tolerances, are stable in operation, and are well suited to high-volume production.[80]

Demodulator

The received signal is processed by the demodulator stage where the audio signal (or other baseband signal) is recovered and further amplified. AM demodulation requires envelope detection, which can be achieved by means of rectification and a low-pass filter to remove remnants of the intermediate frequency.[81] FM signals may be detected using a discriminator, ratio detector, or phase-locked loop. Continuous wave and single sideband signals require a product detector using a beat frequency oscillator, or other techniques used for different types of modulation.[82] The resulting audio signal (for instance) is then amplified and drives a loudspeaker.[5]:751–754

With high-side injection, in which the local-oscillator frequency is above the received signal, the resulting intermediate-frequency spectrum is reversed. This spectral inversion must be allowed for when receiving modulation formats in which the distinction between upper and lower sidebands is important, such as single-sideband modulation.[42][83]

Multiple conversion

Double conversion superheterodyne receiver block diagram

In many receivers designed to cover a wide frequency range, a first intermediate frequency higher than the received frequency is used in a double-conversion architecture.[84] This approach improves image rejection and allows more practical local oscillator tuning ranges. For example, the Rohde & Schwarz EK-070 VLF/HF receiver covers 10 kHz to 30 MHz. The input is mixed to a first IF of 81.4 MHz, followed by a second IF of 1.4 MHz. The first local oscillator therefore tunes from 81.4 to 111.4 MHz, a practical range for a stable oscillator, while the second local oscillator is fixed at 80 MHz.[64]

If the same RF range were converted directly to 1.4 MHz, the local oscillator would need to tune from 1.4 to 31.4 MHz, an impractically wide range for a single tuned circuit. By converting first to a high IF, image rejection becomes simple and oscillator design eased. For example, with a 1 MHz input signal, the first LO is at 82.4 MHz and the image occurs at fRF+2fIF=163.8 MHz{\displaystyle f_{\mathrm {RF} }+2f_{\mathrm {IF} }=163,8\ {\text{MHz}}}, a distant frequency which is easily filtered out.[64]

The first IF stage typically includes a narrow filter, known as a roofing filter. An example is a 12 kHz wide crystal filter to limit the signal bandwidth before further conversion. This filtering attenuates many potential interferers, reducing the opertunity for overload and intermodulation distortion in subsequent amplification stages. A second conversion then translates the signal to a lower IF (for example, mixing 81.4 MHz with 80 MHz to produce 1.4 MHz), where higher selectivity is obtained.[85]

In amateur radio receivers, intermediate frequencies around 9 MHz are commonly used, as they allow practical crystal filter implementations and convenient frequency planning with acceptable image separation. Analyses of receiver performance and architecture trade-offs, including the impact of conversion strategy on dynamic range and interference handling, are discussed in the technical literature.[86]

Modern designs

Microprocessor technology allows replacing the superheterodyne receiver design by a software-defined radio architecture, where the IF processing after the initial IF filter is implemented in software. This technique is already in use in certain designs, such as very low-cost FM radios incorporated into mobile phones, since the system already has the necessary microprocessor.[87]

Advantages and disadvantages

By converting signals to a fixed intermediate frequency (IF), the superheterodyne improved sensitivity, selectivity, and frequency stability compared with earlier designs. Early superheterodyne receivers required more vacuum tubes than competing designs, which increased cost and complexity. As tube performance improved and manufacturing scaled during the 1920s and 1930s, this disadvantage diminished, and with the introduction of transistors the additional circuit complexity became negligible in most applications.[31]

The remaining limitations arise from the frequency conversion process itself. Mixing produces undesired responses, including the image frequency, which must be suppressed by RF filtering. It also introduces spurious signals and adds noise, while imperfections in the local oscillator further degrade performance. These effects set practical limits on receiver performance.[88]

Image frequency (fIMAGE)

Illustration of image response in a superhet receiver. The horizontal axes are frequency and the vertical axes are signal strength. Image signal S2 (green) and desired signal S1 (blue) both heterodyn to the IF frequency fIF{\displaystyle f_{\text{SI}}}. Ambos pasan a través del filtro de FI (rojo) , lo que provoca la interferencia.

Una limitación fundamental del superheterodino es la frecuencia imagen: una señal no deseada desplazada de la señal deseada por el doble de la frecuencia intermedia, que también se convierte a la misma FI y no puede distinguirse solo con el filtro de FI. [ 89 ]

Por ejemplo, un receptor sintonizado a 660  kHz (como WFAN en Nueva York) con una  FI de 455 kHz e inyección de lado alto utiliza un oscilador local a 1115  kHz. Una señal a 1570  kHz, también a 455  kHz del oscilador, producirá la misma FI y puede interferir con la recepción. Históricamente, la frecuencia de 1570 kHz estaba ocupada por XERF  de alta potencia , lo que hacía que el efecto fuera fácilmente observable. [ 90 ]

La respuesta de la imagen se reduce mediante el filtrado de RF antes del mezclador. Los primeros receptores, que a menudo utilizaban frecuencias de FI bajas debido a las limitaciones de los tubos, requerían múltiples etapas de RF sintonizadas para suprimir las imágenes. Los diseños posteriores redujeron el problema utilizando frecuencias de FI iniciales más altas o múltiples conversiones de frecuencia, lo que aumentó la separación entre la señal deseada y su imagen. [ 19 ]

La capacidad de un receptor para rechazar señales interferentes en la frecuencia imagen se mide mediante la relación de rechazo de imagen . Esta es la relación (en decibelios ) entre la salida del receptor para una señal en la frecuencia recibida y su salida para una señal de igual intensidad en la frecuencia imagen. [ 43 ] [ 91 ]

Respuestas falsas

Cuando el mezclador no es un multiplicador perfecto, la mezcla produce componentes adicionales de la forma m f RF ± n f LO , donde m y n son enteros. Cualquiera de estos componentes que caiga dentro de la banda de paso de FI aparece como señal espuria ("espurias") en la salida. Por ejemplo, considérese un receptor AM sintonizado a 1000  kHz con una  FI de 455 kHz y un oscilador local a 1455  kHz. Una señal a 955  kHz puede producir una espuria en la FI a través de un producto de mezcla de orden superior (2 × 955 − 1455 = 455  kHz). Esto ocurre porque el mezclador genera armónicos y productos de intermodulación además de las frecuencias de suma y diferencia deseadas. El espaciado de canales en las bandas de radiodifusión (como 10  kHz en Estados Unidos) a menudo coloca dichas espurias ligeramente desplazadas (por ejemplo, en 5  kHz), por lo que pueden ser atenuadas parcialmente por el filtro de FI, pero aún pueden causar interferencia audible. [ 51 ] [ 66 ]

Estas respuestas surgen porque los mezcladores prácticos tienen una función de transferencia no lineal en lugar de actuar como multiplicadores ideales. Los diseños modernos de mezcladores balanceados y doblemente balanceados reducen la amplitud de muchos productos no deseados, y las implementaciones de circuitos integrados logran un mejor rendimiento de espurios. [ 92 ] El tubo de deflexión de haz (por ejemplo, el 7360 ) se aproximó a una multiplicación más ideal y redujo los efectos de intermodulación. [ 93 ]

radiación del oscilador local

La radiación dispersa del oscilador local puede ser difícil de suprimir por debajo de los niveles detectables por un receptor cercano y de los niveles exigidos por las organizaciones de normalización. Cuando la señal del oscilador local llega a la antena, el receptor actúa como un transmisor de onda continua de baja potencia , pudiendo interferir con otros receptores. Este problema fue significativo en los inicios de la radio. [ 94 ]

La radiación del oscilador local es más prominente en receptores donde la antena está acoplada directamente al mezclador, que también recibe la señal del oscilador local, en lugar de en diseños que incluyen una etapa amplificadora de RF intermedia. Por lo tanto, es más significativa en receptores económicos y en receptores que operan a frecuencias muy altas (especialmente microondas), donde las etapas amplificadoras de RF son más difíciles de implementar. [ 95 ]

En operaciones de inteligencia, la radiación del oscilador local puede utilizarse para detectar un receptor encubierto y su frecuencia de funcionamiento. El método fue utilizado por el MI5 durante la Operación RAFTER . [ 96 ] Esta misma técnica también se utiliza en detectores de radar por la policía de tráfico en jurisdicciones donde los detectores de radar son ilegales. [ 97 ]

Mezcla de ruido de la imagen

La mezcla degrada la relación señal-ruido, lo cual es inevitable. Si la entrada deseada al mezclador es de 1000  kHz y el oscilador local es de 1455  kHz, el ruido tanto a 1000  kHz como a la frecuencia imagen de 1910  kHz se traducirá a la  frecuencia intermedia de 455 kHz. Por lo tanto, el ruido de la banda imagen aparece en la salida incluso para un mezclador ideal. En los receptores prácticos, el mezclador también contribuye con ruido, y su pérdida de conversión reduce la relación señal-ruido. La ganancia posterior amplifica tanto la señal como el ruido, preservando esta relación reducida. Esta es una consecuencia inherente de la conversión de frecuencia y establece un límite inferior para la sensibilidad alcanzable. [ 98 ]

Ruido de fase del oscilador local y mezcla recíproca

El proceso de conversión de frecuencia no mejora la relación señal-ruido; simplemente traslada tanto la señal deseada como el ruido presente en la entrada a la frecuencia intermedia (FI). Además, el oscilador local (OL) genera su propio ruido, principalmente como ruido de fase , un efecto secundario de los osciladores prácticos. Durante la mezcla, este ruido de fase aparece como bandas laterales alrededor de la señal convertida en la frecuencia intermedia. Este efecto, conocido como mezcla recíproca , se produce porque el mezclador combina no solo la señal de entrada deseada con el OL, sino que también mezcla el ruido del OL con las señales presentes en la entrada. Como resultado, las señales fuertes en frecuencias adyacentes pueden convertirse en ruido dentro de la banda de paso del receptor, lo que degrada la sensibilidad y la selectividad. Por lo tanto, el ruido de fase del oscilador local es un parámetro crítico en el rendimiento del receptor. El diseño del oscilador, el ruido del dispositivo y la topología del circuito influyen en el ruido de fase. [ 99 ]

Véase también

  • Control automático de ganancia : circuito electrónico para ajustar automáticamente la intensidad de la señal. 
  • Demodulador : proceso de extracción de la señal portadora de información original de una onda portadora. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección. 
  • Receptor de conversión directa – Tipo de diseño de radio Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección 
  • Radar H2X : sistema de radar de exploración terrestre estadounidense utilizado durante la Segunda Guerra Mundial. Páginas que muestran breves descripciones de objetivos de redirección. 
  • Detección heterodina óptica : método de información en radiación electromagnética 
  • Receptor réflex
  • Front-end de RF – Subsistema receptor de radio 
  • Banda lateral única : método electrónico de transmisión de información con una onda portadora. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección. 
  • Transmisor superheterodino : transmisores que utilizan frecuencia intermedia. 
  • Receptor de radiofrecuencia sintonizado : receptor de radio con etapas de amplificación y un detector. 
  • VFO – Oscilador cuya frecuencia se puede ajustar en un rango determinado. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección. 

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , "Aparato de señalización eléctrica", publicado el 27 de julio de 1905, emitido el 14 de enero de 1913. 
  • US 1050728 , Fessenden, Reginald A. , "Método de señalización", publicado el 21 de agosto de 1906, emitido el 14 de enero de 1913. 
  • Witts, Alfred T. (1936). El receptor superheterodino (2.ª  ed.). Londres, Reino Unido: Sir Isaac Pitman & Sons .
  • Douglas, Alan (noviembre de 1990). "¿Quién inventó el superheterodino?" . Actas del Radio Club de América . 64 (3): 123– 142.Un artículo que narra la historia de los diversos inventores que trabajaron en el método superheterodino.
  • Hogan, John L. Jr. (septiembre de 1915). "Desarrollos del receptor heterodino" . Actas del IRE . 3 (3): 249– 260. Bibcode : 1915PIRE....3..249H . doi : 10.1109/jrproc.1915.216679 . S2CID 51639962 . 
  • Champeix (marzo-abril de 1979). "¿Qui a Inventé le Superhétérodyne?". La Liaison des Transmissions (en francés). 116 .Champeix (abril-mayo de 1979). "¿Qui a Inventé le Superhétérodyne?". La Liaison des Transmissions (en francés). 117 .Paul Laüt publicó el informe seis meses antes que Lévy; Étienne publicó el memorándum.
  • 29F(2d)953. Armstrong contra Lévy, dictada el 3 de diciembre de 1928. http://www.leagle.com/decision/192898229F2d953_1614/ARMSTRONG%20v.%20LEVY
  • Introducción en profundidad a los receptores superheterodinos
  • Receptores superheterodinos de Microwaves101.com. Archivado el 26/11/2010 en Wayback Machine.
  • Tutorial de varias páginas que describe el receptor superheterodino y su tecnología.