为什么超外差比直接转换更好?

电器工程 信号处理 带通 调幅 超外差
2022-01-15 23:01:09

额外的中频级、额外的本地振荡器和额外的滤波级和放大有什么好处?这似乎是更多的工作和电路。当然,到基带的直接转换和到基带的中间转换都将在其末端通过相同的通带滤波器来隔离原始频率范围?

我看到诸如“它允许使用通用电路而不是每个频率的单独电路”之类的答案,基本上:

在不使用 IF 的情况下,收音机或电视中所有复杂的滤波器和检测器在每次改变频率时都必须同时调谐,这在早期调谐的射频接收器中是必需的

但我不明白,因为它们都可以调谐到例如基带信号而不是中频,从而消除了所描述的问题。

我还看到:

因此,通过将信号转换为较低的 IF 并在该频率上执行滤波,可以实现更窄的带宽和更高的选择性

但是为什么不只在基带频率 IF=0 时进行滤波呢?那是一个较低的IF,对吧。增加中频通带阶段是否会提高最终通带的清晰度,而不是直接这样做?

我能理解的唯一缺点是泄漏的本地振荡器,这不是在更高的频率下发生得更多吗?IF 可以让第一个 LO 振荡得更慢。

4个回答

有不少优点。

看一下典型的超外差(直到 IF):

超外差框图

RF 输入端的输入信号很小(在我研究过的一些窄带语音系统中低至 -122dBm - 大约为 6.3fW)

与以较低频率进行放大相比,以高 RF(例如几 GHz)放大信号的成本更高。几个 dB 的 RF 增益通常足以将信号处理到 IF 级。

输入滤波器带宽必须小于通道间距(通常小于输出带宽),以便更容易实现。

镜像抑制滤波器带宽由本地振荡器频率(RF +/- IF)设置,因此选择相对较低的 IF 意味着镜像抑制也相对容易实现。

IF 放大器通常以相对较低的成本和较低的复杂性完成大部分信号增益(与试图在较高频率下进行比较)。滤波器防止渗漏并将信号带宽设置为信息带宽。

另一个主要优点是混频器之后的一切都是固定的 - 在正常操作期间无需调整,这就是动态信号范围可能很高的原因。我没有展示 AGC(几乎总是存在),但这也是一个固定的(动态)电路。

一个改进是我几十年前使用的双超外差(2 个 IF 级),它们仍然非常受欢迎。

直接转换接收器,但它们存在许多问题,特别是信号的动态范围。

[更新]

针对评论,有动态范围直接转换接收器(列出了一种可能的来源);这些已经存在了一段时间,并且经常在SDR设置中找到。

纯硬件方法有利于超外差。

请注意,此答案偏向于模拟无线电接收。软件定义无线电和数字服务的规则不同。

直接转换的最大缺点是边带抑制。如果您使用单个混频器,则 \$f_c + f_s\$处的信号与\$f_c - f_s\$处的信号无法区分,其中\$f_c\$是载波,\$f_s\$是信号频率. 您可以通过正交下变频大大缓解这个问题,但是虽然它对于数字数据接收来说已经足够了,但对于模拟(即 SSB 或 AM)来说还不够好。

第二大缺点是在一个频率上需要的增益量。接收器需要很大的增益,而混频器通常是高动态范围的限制因素。因此,您希望将所有增益放在第一个混频器之后,这往往是看到最多干扰信号的那个。对于敏感的 SSB 接收器,此增益可能超过 120dB。如果没有振荡,很难甚至不可能获得这么多的收益。事实上,如果您查看业余无线电文献,您会发现大多数直接转换接收器都有耳机——这是有原因的。

其他问题是 LO 泄漏以及在音频频率下难以实现低噪声、低阻抗放大器。

因此,所有这些缺点都使您具有明显的优势,即在最终转换为音频之前至少放置一些过滤和增益——一旦您认为这样的步骤是必要的,我认为让您感到困惑的原因会突然变得有意义.

是的,存在直接转换接收器,但它们需要特别小心,尤其是在某些类型的调制中。

例如,使用 SSB 调制时,为了抑制不需要的边带,您的基带解调器必须能够区分“正频率”和“负频率”。这不是微不足道的,只有使用 DSP 才真正实用。

同样,如果您将 FM 或 PM 信号的中心频率转换为 0 Hz,您需要再次区分正频率和负频率以便正确解调。

即使对于边带包含相同信息的 AM 或 DSB 信号,除非您的转换是完美的(您的 LO 与接收到的载波频率精确匹配),否则您会得到失真——或者来自 AM 载波的恒定音调。

超外差法是在通过简单的包络检波器完成解调的时代发明的,它根本没有任何频率歧视,更不用说区分正负频率了。所有的选择性都必须在解调之前应用,这又回到了你找到的原因——你要么需要可以跟踪具有恒定带宽的载波频率的滤波器,要么转换为可以使用固定滤波器的固定中频。

直接转换在概念上很简单,但需要大量的工程才能正确完成。除了戴夫和蒂姆的回答之外,直接转换还有一个微妙的有害潜在问题......

大多数混频器(甚至是双平衡混频器)都将本地振荡器功率泄漏到 RF 端口和 IF 端口。功率通过射频端口向后泄漏到天线可能会导致问题。即使具有出色的混频器平衡,重新辐射的本地振荡器能量通常也比输入信号大得多。
可以修改重新辐射的 LO(相位、幅度)并重新进入接收天线,然后返回混频器。混合器平衡可能会受到不利影响。同样,在混频器的输出端口会生成一个基带信号,它会干扰所需的基带信号。

一些运动传感器,“错误”检测器利用此过程,其中“虚假”基带信号是所需的结果,例如指示运动。

通常需要线性接收器,在这种情况下,您不希望本地振荡器能量返回信号源。拥有出色的混频器平衡是一个开始,添加具有良好输出到输入隔离的强大射频前置放大器也有帮助。随着频率的提高,一切都变得困难。