oscilador de frecuencia variable

En electrónica, un oscilador de frecuencia variable ( VFO ) es un oscilador cuya frecuencia puede ajustarse (es decir, variarse) dentro de un rango determinado. ^[¹^] Es un componente esencial en cualquier transmisor de radio sintonizable y en receptores que funcionan según el principio superheterodino . El oscilador controla la frecuencia a la que se sintoniza el aparato.

Objetivo

En un receptor superheterodino simple , la señal de radiofrecuencia entrante (a frecuencia $f_{IN}$ ) de la antena se mezcla con la señal de salida del VFO sintonizada a $f_{LO}$ , produciendo una señal de frecuencia intermedia (FI) que puede procesarse posteriormente para extraer la información modulada . Dependiendo del diseño del receptor, la frecuencia de la señal FI se elige como la suma de las dos frecuencias en las entradas del mezclador ( conversión ascendente ), $f_{IN}+f_{LO}$ o más comúnmente, la frecuencia diferencial (conversión descendente), $f_{IN}-f_{LO}$ .

Además de la señal IF deseada y su imagen no deseada (el producto de mezcla de signo opuesto mencionado anteriormente), la salida del mezclador también contendrá las dos frecuencias originales, $f_{IN}$ y $f_{LO}$ y diversas combinaciones armónicas de las señales de entrada. Estas señales no deseadas son rechazadas por el filtro de FI . Si se utiliza un mezclador doblemente balanceado, las señales de entrada que aparecen en las salidas del mezclador se atenúan considerablemente, lo que reduce la complejidad necesaria del filtro de FI.

La ventaja de usar un VFO como oscilador heterodino es que solo una pequeña parte del receptor de radio (las secciones anteriores al mezclador, como el preamplificador) necesita tener un ancho de banda amplio. El resto del receptor se puede ajustar con precisión a la frecuencia intermedia (FI). ^{[ 2 ]}

En un receptor de conversión directa , el VFO está sintonizado a la misma frecuencia que la radiofrecuencia entrante y $f_{IF}=0$ Hz. La demodulación se realiza en banda base utilizando filtros de paso bajo y amplificadores .

En un transmisor de radiofrecuencia (RF) , los VFO se utilizan a menudo para ajustar la frecuencia de la señal de salida, generalmente de forma indirecta mediante un proceso de heterodino similar al descrito anteriormente. ^{[ 1 ]} Otros usos incluyen generadores de chirp para sistemas de radar, donde el VFO se barre rápidamente a través de un rango de frecuencias, ^{[ 3 ]} generación de señales de sincronización para osciloscopios y reflectómetros de dominio temporal , y generadores de audio de frecuencia variable utilizados en instrumentos musicales y equipos de prueba de audio.

Tipos

Existen dos tipos principales de VFO en uso: analógicos y digitales .

VFO analógicos

Un VFO analógico es un oscilador electrónico en el que el valor de al menos uno de sus componentes pasivos es ajustable por el usuario para modificar su frecuencia de salida. El componente pasivo cuyo valor es ajustable suele ser un condensador , pero también podría ser un inductor variable .

Condensador de sintonización

El condensador variable es un dispositivo mecánico en el que la separación de una serie de placas metálicas intercaladas se altera físicamente para variar su capacitancia . El ajuste de este condensador a veces se facilita mediante una caja de engranajes reductora mecánica para lograr una sintonización fina. ^{[ 2 ]}

Varactor

Un diodo semiconductor polarizado inversamente presenta capacitancia. Dado que el ancho de su región de agotamiento no conductora depende de la magnitud de la tensión de polarización inversa, esta tensión puede utilizarse para controlar la capacitancia de la unión. La tensión de polarización del varactor puede generarse de diversas maneras y es posible que no se requieran partes móviles significativas en el diseño final. ^[⁴^] Los varactores presentan varias desventajas, como la deriva térmica y el envejecimiento, el ruido electrónico, un bajo factor Q y la no linealidad.

VFO digitales

Los receptores y transmisores de radio modernos suelen utilizar algún tipo de síntesis de frecuencia digital para generar su señal VFO. Entre las ventajas se incluyen diseños más compactos, la ausencia de piezas móviles, la mayor estabilidad de los osciladores de referencia de frecuencia y la facilidad con la que se pueden almacenar y manipular las frecuencias preestablecidas en el ordenador digital que, por lo general, viene integrado en el diseño.

También es posible que la radio sea extremadamente ágil en frecuencia, de modo que la computadora de control pueda modificar la frecuencia sintonizada de la radio decenas, miles o incluso millones de veces por segundo. Esta capacidad permite a los receptores de comunicaciones monitorear eficazmente muchos canales a la vez, utilizando quizás técnicas de llamada selectiva digital ( DSC ) para decidir cuándo abrir un canal de salida de audio y alertar a los usuarios sobre las comunicaciones entrantes. La agilidad de frecuencia preprogramada también constituye la base de algunas técnicas militares de cifrado y sigilo de radio. La extrema agilidad de frecuencia es fundamental para las técnicas de espectro ensanchado que han alcanzado una amplia aceptación en las redes inalámbricas informáticas, como Wi-Fi .

La síntesis digital presenta desventajas, como la incapacidad de un sintetizador digital para sintonizar de forma fluida en todas las frecuencias, pero con la canalización de muchas bandas de radio, esto también puede considerarse una ventaja, ya que evita que las radios operen entre dos canales reconocidos.

La síntesis de frecuencia digital se basa en fuentes de frecuencia de referencia estables controladas por cristal . Los osciladores controlados por cristal son más estables que los controlados inductivamente o capacitivamente. Su desventaja radica en que para modificar la frecuencia (en cantidades significativas) es necesario cambiar el cristal, pero las técnicas de síntesis de frecuencia han hecho que esto sea innecesario en los diseños modernos.

Síntesis de frecuencia digital

Las técnicas electrónicas y digitales implicadas en esto incluyen:

Síntesis digital directa (DDS): En la memoria digital se almacenan suficientes puntos de datos para generar una función sinusoidal matemática . Estos se recuperan a la velocidad adecuada y se envían a un convertidor digital-analógico donde se construye la onda sinusoidal requerida.
Síntesis de frecuencia directa: Las primeras radios de comunicación canalizada contaban con múltiples cristales, uno para cada canal en el que podían operar. Posteriormente, este concepto se combinó con los principios básicos de heterodino y mezcla descritos anteriormente . Es posible combinar varios cristales en diversas combinaciones para generar diferentes frecuencias de salida.
Bucle de enganche de fase (PLL): Utilizando un oscilador controlado por varactor o por voltaje (VCO) (descrito anteriormente en la sección de técnicas de VFO analógico ) y un detector de fase, se puede configurar un bucle de control para que la salida del VCO se sincronice en frecuencia con un oscilador de referencia controlado por cristal. El detector de fase compara las salidas de ambos osciladores tras la división de frecuencia mediante diferentes divisores. Posteriormente, modificando el o los divisores de frecuencia mediante control informático, se pueden generar diversas frecuencias de salida reales (sin dividir) del VCO. La técnica PLL predomina en la mayoría de los diseños de VFO de radio actuales.

Actuación

Las métricas de calidad para un VFO incluyen la estabilidad de frecuencia, el ruido de fase y la pureza espectral. Todos estos factores tienden a ser inversamente proporcionales al factor Q del circuito de sintonización . Dado que, en general, el rango de sintonización también es inversamente proporcional a Q, estos factores de rendimiento generalmente se degradan a medida que aumenta el rango de frecuencia del VFO. ^[⁵^]

Estabilidad

La estabilidad es la medida de cuánto varía la frecuencia de salida de un VFO con el tiempo y la temperatura. ^{[ 5 ]} Para mitigar este problema, los VFO generalmente se sincronizan en fase con un oscilador de referencia estable. Los PLL utilizan retroalimentación negativa para corregir la deriva de frecuencia del VFO, lo que permite un amplio rango de sintonización y una buena estabilidad de frecuencia. ^{[ 6 ]}

Repetibilidad

Idealmente, para la misma señal de control aplicada al VFO, el oscilador debería generar exactamente la misma frecuencia. Un cambio en la calibración del VFO puede modificar la calibración de sintonización del receptor; por lo tanto, puede ser necesario realinear el receptor periódicamente. Los VFO utilizados como parte de un sintetizador de frecuencia con bucle de enganche de fase (PLL) tienen requisitos menos estrictos, ya que la estabilidad del sistema depende de la frecuencia de referencia controlada por cristal.

Pureza

Un gráfico de amplitud de un VFO frente a frecuencia puede mostrar varios picos, probablemente relacionados armónicamente . Cada uno de estos picos puede mezclarse con alguna otra señal entrante y producir una respuesta espuria . Estas espurias (a veces escritas como spuriae ) pueden resultar en un aumento del ruido o en la detección de dos señales donde solo debería haber una. ^{[ 1 ]} Se pueden agregar componentes adicionales a un VFO para suprimir las oscilaciones parásitas de alta frecuencia, en caso de que estén presentes.

En un transmisor, estas señales espurias se generan junto con la señal deseada. Puede ser necesario aplicar filtros para garantizar que la señal transmitida cumpla con las normativas de ancho de banda y emisiones espurias.

ruido de fase

Al analizarlo con equipos muy sensibles, es muy probable que el pico de onda sinusoidal pura en el gráfico de frecuencia de un VFO no se encuentre sobre un nivel de ruido plano . Ligeras fluctuaciones aleatorias en la sincronización de la señal harán que el pico se sitúe sobre zonas de ruido de fase en frecuencias cercanas a la deseada.

Estos problemas también se presentan en bandas congestionadas. Permiten el paso de señales no deseadas que se encuentran bastante cerca de la señal esperada, pero debido a la naturaleza aleatoria de estas interferencias de ruido de fase, las señales suelen ser ininteligibles y aparecen simplemente como ruido adicional en la señal recibida. El resultado es que lo que debería ser una señal limpia en una banda congestionada puede parecer una señal muy ruidosa debido a los efectos de las señales fuertes cercanas.

El efecto del ruido de fase del VFO en un transmisor es que se transmite ruido aleatorio a ambos lados de la señal requerida. Nuevamente, esto debe evitarse por razones legales en muchos casos.

Referencia de frecuencia

Los osciladores digitales o controlados digitalmente suelen basarse en referencias de frecuencia única constante, que pueden fabricarse con mayor precisión que las alternativas basadas en semiconductores y circuitos LC . Lo más común es utilizar un oscilador de cristal de cuarzo, aunque en aplicaciones de alta precisión, como las redes celulares TDMA , los relojes atómicos , como el estándar de rubidio, también son habituales desde 2018.

Debido a la estabilidad de la referencia utilizada, los osciladores digitales tienden a ser más estables y repetibles a largo plazo. Esto explica en parte su gran popularidad en VFOs de bajo costo y controlados por computadora. A corto plazo, las imperfecciones introducidas por la división y multiplicación de frecuencia digital ( jitter ), así como la susceptibilidad del estándar de cuarzo común a choques acústicos, variaciones de temperatura, envejecimiento e incluso radiación, limitan la aplicabilidad de un oscilador digital simple.

Por eso, los VFO de gama alta, como los transmisores de RF sincronizados con el tiempo atómico , suelen combinar varias referencias diferentes, y de forma compleja. Algunas referencias, como los relojes de rubidio o cesio, proporcionan una mayor estabilidad a largo plazo, mientras que otras, como los máseres de hidrógeno, generan un menor ruido de fase a corto plazo. Luego, osciladores de menor frecuencia (y, por lo tanto, de menor coste), sincronizados digitalmente con una versión dividida del reloj maestro, proporcionan la salida final del VFO, suavizando el ruido inducido por los algoritmos de división. Esta configuración permite obtener toda la estabilidad y repetibilidad a largo plazo de una referencia exacta, las ventajas de una selección precisa de frecuencia digital y la estabilidad a corto plazo, incluso en una forma de onda analógica de frecuencia arbitraria : lo mejor de ambos mundos.

Véase también

Referencias

1 2 3 Larry D. Wolfgang, ed. (1991). Manual de la ARRL para radioaficionados, sexagésima octava edición . Newington, Connecticut: American Radio Relay League. Capítulo 10. ISBN 0-87259-168-9.
1 2 Rohde, Ulrich (1988), Receptores de comunicación: Principios y diseño , McGraw Hill, ISBN 0-07-053570-1
↑ Generación de señales de chirrido de frecuencia para probar sistemas de radar (PDF) , IFR corp.
↑ Holt, Charles (1978), Circuitos electrónicos , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2
1 2 Clark, Kenneth K. y Hess, Donald T. (1978). Circuitos de comunicación: análisis y diseño . San Francisco, California : Addison-Wesley . págs. 216–222 . ISBN 0-201-01040-2.
↑ Hittite Microwave Corp (2009). "PLL compactos integran VCO" . Microwaves & RF Magazine. Archivado del original el 15 de mayo de 2021. Consultado el 4 de febrero de 2010 .

[arrlhandbook-1] 1 2 3 Larry D. Wolfgang, ed. (1991). Manual de la ARRL para radioaficionados, sexagésima octava edición . Newington, Connecticut: American Radio Relay League. Capítulo 10. ISBN 0-87259-168-9.

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[ifr-3] Generación de señales de chirrido de frecuencia para probar sistemas de radar (PDF) , IFR corp.

[Holt78-4] Holt, Charles (1978), Circuitos electrónicos , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2

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[6] Hittite Microwave Corp (2009). "PLL compactos integran VCO" . Microwaves & RF Magazine. Archivado del original el 15 de mayo de 2021. Consultado el 4 de febrero de 2010 .

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