Warum ist Überlagerung besser als Direktumwandlung?

Es gibt einige Vorteile.

Ein Blick auf einen typischen Superhet (bis zum IF):

Das Eingangssignal am HF-Eingang ist klein (so niedrig wie -122 dBm in einigen Schmalband-Sprachsystemen, an denen ich gearbeitet habe - das sind etwa 6,3 fW)

Die Verstärkung eines Signals bei einer hohen HF (z. B. einige GHz) ist im Vergleich zur Verstärkung bei einer niedrigeren Frequenz teuer. Wenige dB HF-Verstärkung reichen in der Regel aus, um das Signal bis zur ZF-Stufe zu verarbeiten.

Die Eingangsfilterbandbreite muss so sein, dass sie kleiner als der Kanalabstand ist (normalerweise kleiner als die Ausgangsbandbreite), damit sie einfacher zu implementieren ist.

Die Bandbreite des Bildunterdrückungsfilters wird durch die Lokaloszillatorfrequenz (bei RF +/- ZF) eingestellt, sodass die Wahl einer relativ niedrigen ZF bedeutet, dass auch die Bildunterdrückung relativ einfach durchzuführen ist.

Der ZF-Verstärker ist normalerweise der Ort, an dem der größte Teil der Signalverstärkung zu relativ geringen Kosten und geringer Komplexität erfolgt (im Vergleich zu dem Versuch, dies bei höheren Frequenzen zu tun). Der Filter verhindert Durchbluten und stellt die Signalbandbreite auf die Informationsbandbreite ein.

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass alles nach dem Mischer festgelegt ist - im normalen Betrieb ist keine Anpassung erforderlich, weshalb der dynamische Signalbereich hoch sein kann. Ich habe die AGC (fast immer vorhanden) nicht gezeigt, aber das ist auch ein festes Stück (dynamischer) Schaltung.

Eine Verbesserung sind die Doppel-Superhet (2 ZF-Stufen), mit denen ich vor Jahrzehnten gearbeitet habe und die immer noch sehr beliebt sind.

Es gibt Direktumwandlungsempfänger , aber sie leiden unter einer Reihe von Problemen, insbesondere dem Dynamikbereich des Signals.

[Aktualisieren]

Als Antwort auf den Kommentar gibt es Direktumwandlungsempfänger mit großem Dynamikbereich (eine mögliche Quelle aufgeführt); Diese gibt es schon seit einiger Zeit und sind oft in SDR- Setups zu finden.

Ein reiner Hardware-Ansatz begünstigt den Superhet.

Beachten Sie, dass diese Antwort in Richtung analogen Radioempfang verzerrt ist. Die Regeln sind für softwaredefinierte Funkgeräte und für digitale Dienste unterschiedlich.

Der größte Nachteil der Direktwandlung ist die Seitenbandunterdrückung. Wenn Sie ein einzelnes Mischpult verwenden, wird ein Signal an$f_c + f_s$ist von einem Signal bei nicht zu unterscheiden$f_c - f_s$, Wo$f_c$ist der Träger und$f_s$ist die Signalfrequenz. Sie können dieses Problem durch Quadratur-Abwärtskonvertierung erheblich mildern, aber während es für den digitalen Datenempfang ausreicht, ist es nicht gut genug für analoge (dh SSB oder AM).

Der zweitgrößte Nachteil ist die Menge an Verstärkung, die Sie bei einer Frequenz benötigen. Empfänger benötigen viel Verstärkung, und Mischer sind normalerweise der begrenzende Faktor im hohen Dynamikbereich. Sie möchten also Ihren gesamten Gain nach dem ersten Mischer schalten, der tendenziell derjenige ist, der die meisten Störsignale sieht. Bei einem empfindlichen SSB-Empfänger kann diese Verstärkung 120 dB überschreiten. Es ist schwierig bis unmöglich, so viel Verstärkung zu erzielen, ohne zu oszillieren. Wenn Sie in der Amateurfunkliteratur nachsehen, werden Sie feststellen, dass die meisten Direktumwandlungsempfänger Kopfhörer haben – dafür gibt es einen Grund.

Andere Probleme sind LO-Durchbluten und die Schwierigkeit, einen Verstärker mit niedrigem Rauschen und niedriger Impedanz bei Audiofrequenzen zu erreichen.

All diese Nachteile geben Ihnen also einen deutlichen Vorteil, wenn Sie zumindest einen Teil Ihrer Filterung und Verstärkung vor der endgültigen Konvertierung in Audio platzieren - sobald Sie davon ausgehen, dass ein solcher Schritt notwendig ist, werden die Gründe, die Sie verwirren, meiner Meinung nach plötzlich Sinn ergeben .

Ja, es gibt Direktumwandlungsempfänger, aber sie erfordern besondere Sorgfalt, insbesondere bei bestimmten Modulationsarten.

Um beispielsweise bei der SSB-Modulation das unerwünschte Seitenband zu unterdrücken, muss Ihr Basisband-Demodulator in der Lage sein, zwischen "positiver Frequenz" und "negativer Frequenz" zu unterscheiden. Das ist nicht trivial und nur mit DSP wirklich praktikabel.

Wenn Sie die Mittenfrequenz eines FM- oder PM-Signals auf 0 Hz heruntersetzen, müssen Sie ebenfalls zwischen positiven und negativen Frequenzen unterscheiden, um es richtig zu demodulieren.

Selbst bei AM- oder DSB-Signalen, bei denen die Seitenbänder identische Informationen enthalten, erhalten Sie Verzerrungen – oder einen konstanten Ton vom AM-Träger, es sei denn, Ihre Umwandlung ist perfekt (Ihr LO stimmt genau mit der empfangenen Trägerfrequenz überein).

Superheterodyne wurde in den Tagen erfunden, als die Demodulation durch einfache Hüllkurvendetektoren durchgeführt wurde, die überhaupt keine Frequenzunterscheidung hatten, geschweige denn zwischen positiven und negativen Frequenzen unterscheiden konnten. Alle Selektivität muss vor der Demodulation angewendet werden, was auf die Gründe zurückkommt, die Sie gefunden haben – Sie benötigen entweder Filter, die die Trägerfrequenz mit konstanter Bandbreite verfolgen können, oder Sie konvertieren auf eine feste Zwischenfrequenz, bei der Sie feste Filter verwenden können.

Die direkte Konvertierung ist konzeptionell einfach, erfordert jedoch eine beträchtliche technische Entwicklung, um sie richtig durchzuführen. Abgesehen von den Antworten von Dave und Tim gibt es ein subtiles schädliches potenzielles Problem mit der direkten Konvertierung ...

Die meisten Mischer (sogar doppelt symmetrische) geben lokale Oszillatorleistung sowohl an den HF-Anschluss als auch an den ZF-Anschluss ab. Strom, der rückwärts durch den HF-Anschluss zur Antenne leckt, kann Probleme verursachen. Selbst bei hervorragender Mischerbalance ist die zurückgestrahlte Energie des lokalen Oszillators oft viel größer als die eingehenden Signale.
Zurückgestrahltes LO kann modifiziert werden (Phase, Amplitude) und wieder in die Empfangsantenne eintreten, zurück in den Mischer. Das Gleichgewicht des Mischers kann beeinträchtigt werden. Außerdem wird am Ausgang des Mischers ein Basisbandsignal erzeugt, das das gewünschte Basisbandsignal verfälschen kann.

Einige Bewegungssensoren, "Wanzen"-Detektoren nutzen diesen Prozess, wobei das "unerwünschte" Basisbandsignal das gewünschte Ergebnis ist, das beispielsweise eine Bewegung anzeigt.

Am häufigsten wird ein linearer Empfänger gewünscht, in diesem Fall möchten Sie nicht, dass die lokale Oszillatorenergie ihren Weg zurück zur Signalquelle findet. Eine hervorragende Mixer-Balance ist ein Anfang, das Hinzufügen eines starken HF-Vorverstärkers mit guter Isolierung von Ausgang zu Eingang hilft ebenfalls. Alles schwierig, wenn die Frequenz steigt.

Niemand sonst hat das Problem des Frequenzversatzes in den Mischstufen erwähnt. Der HF-Mischer tut sein Bestes, um die Frequenz des Trägers anzupassen, aber es wird immer noch einen Unterschied geben, der dazu führt, dass die ZF einen Versatz von der gewünschten Frequenz aufweist. Eine ZF-Stufe mit einer Mittenfrequenz ungleich Null ermöglicht die Verwendung einer PLL, um das ZF-Signal zu verfolgen und den größten Teil des Frequenzversatzes zu entfernen.

Es ist normalerweise einfacher und billiger, die beste PLL bei ZF-Frequenzen statt bei HF-Frequenzen herzustellen.

Sie können zwei Mischer verwenden, um das empfangene Signal in I und Q umzuwandeln, aber das würde zwei teure HF-Frequenz-PLLs erfordern, die auch eine feste Phasendifferenz von 90 Grad haben müssen. Dies ist auch etwas, das bei ZF-Frequenzen viel einfacher und billiger zu tun ist.

Das Problem ist die LO-Unterdrückung des Mischers und das LO-Phasenrauschen in der Nähe des Trägers. 20dB sind out of the box trivial. 40dB ist mit Vorsicht einfach. 60dB sind nur mit Heldentaten und dynamischer Anpassung möglich. 80 dB können im Labor für kurze Zeit bei Punktfrequenzen durchgeführt werden, wenn Sie Glück haben und sich die Temperatur nicht ändert. Sie benötigen >120 dB, um einen Direktumwandlungsempfänger zum Laufen zu bringen und einen Superhet.

Es sei denn, Sie verwenden OFDM. Dort haben Sie Dutzende von Trägern, und nicht alle werden für Daten verwendet. Es gibt einige für Piloten, einige für Schutzbänder, und in einigen fortgeschrittenen Systemen gibt es einige, die nur verwendet werden, um die HF-Spitzenspannung des Ensembles zu reduzieren, um Probleme mit der Senderlinearität zu lösen. Es ist also keine große Ineffizienz, einige Träger ohne Daten in und um das Kanalzentrum herum zu belassen (DC, wenn wir über IQ-Basisbänder sprechen, das LO für einen Direktumwandlungsempfänger).

Ich habe unter https://www.arrl.org/files/file/Technology/tis/info/pdf/9208019.pdf einen wissenschaftlichen Artikel gefunden, der ziemlich gut erscheintIch habe noch nie einen Direktumwandlungsempfänger gebaut, aber ich habe alle Teile. Ich vermute, dass es ähnliche Geräusche wie ein Superheterodyn macht, dessen Schwebungsfrequenzoszillator eingeschaltet ist. Ich würde jede Art von HF-Empfänger mit einem HF-Verstärker als erste Stufe bauen, weil ich bereits mehrere für meine bevorzugten Bänder gemacht habe und sie die meisten Außerbandsignale loswerden würden. Ich habe Audio-Verstärker aus dem Computerzubehör, also ist das so gut wie erledigt. Ich habe Audioverstärker aus diskreten Teilen gebaut und festgestellt, dass drei Verstärkungsstufen (dh drei Transistoren) alles sind, was ich tun kann. Bei drei Stufen (je ca. 10 dB) ist das Rauschen des ersten Transistors hörbar. Das Hinzufügen weiterer Stufen macht das Rauschen nur lauter, so dass dies für mich eine grundlegende Grenze zu sein scheint. Eine Verstärkung von bis zu 100 dB mit direkter Konvertierung scheint mir unmöglich, da 10 db für einen HF-Verstärker und 10 dB für einen Konverter alles sind, was ich mir vorstellen kann. Das sind insgesamt nur 50 dB. Superheterodyning mit 30 oder mehr dB ZF-Verstärkung, die zu den 50 hinzugefügt wird, kommt dem Ideal von 100 oder mehr dB viel näher.