¿Cómo filtra una radio AM solo la frecuencia deseada?

Entiendo que las ondas electromagnéticas en el aire inducen una corriente alterna en la antena. También entiendo cómo, una vez que filtras la señal para obtener la frecuencia deseada, puedes obtener la envolvente de la señal y conducir un altavoz.

Lo que no entiendo es el bit en el medio, donde la radio toma la señal de la antena y filtra solo la frecuencia deseada. Digamos que es una radio muy simple que solo se preocupa por una sola frecuencia. ¿Puede explicar cómo funciona esto en electrónica y cómo funcionaría si intentara escribir una radio en un software basado en datos discretamente muestreados?

Utiliza algo llamado filtro. Puede crear filtros a partir de todo tipo de cosas diferentes.

Los filtros RC hechos de resistencias y condensadores son probablemente los más simples de entender. Básicamente, el condensador actúa como una resistencia, pero con una resistencia diferente a diferentes frecuencias. Cuando agrega una resistencia, puede construir un divisor de voltaje que depende de la frecuencia. Esto se llama un filtro RC. Puede hacer filtros de paso alto y paso bajo con una resistencia y un condensador. Un filtro de paso bajo está diseñado para pasar frecuencias bajas y bloquear frecuencias altas, mientras que un filtro de paso alto hace lo contrario. Un pase bajo en serie con un pase alto forma un paso de banda, que pasa las frecuencias dentro de cierto rango y bloquea otras frecuencias. Tenga en cuenta que el funcionamiento de un filtro RC (y la mayoría de los filtros, para el caso) dependerá de la fuente y la impedancia de carga.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Los filtros también se pueden hacer con otros componentes, como inductores. Los inductores también actúan como resistencias, pero cambian en la dirección opuesta como condensadores. A bajas frecuencias, un inductor parece corto mientras que un capacitor parece abierto. A altas frecuencias, un inductor parece abierto, mientras que un condensador parece corto. Los filtros LC son un tipo de filtro construido con inductores y condensadores. Es posible hacer un filtro LC bastante afilado que se corte rápidamente y sea fácil de sintonizar con un condensador variable. Esto es lo que normalmente se hace para radios simples como las radios de cristal.

^{simular este circuito}

Puede hacer filtros de paso de banda de cualquier cosa que tenga una frecuencia resonante. Un condensador y un inductor en serie o en paralelo forman un circuito de tanque resonante que se puede usar como un paso de banda o filtro de detención de banda, dependiendo de cómo se conecte. Una antena también es un filtro de paso de banda: solo recibirá bien las frecuencias que tengan longitudes de onda del tamaño de la antena. Demasiado grande o demasiado pequeño y no funcionará. Las cavidades también se pueden usar como filtros: una caja de metal sellada tiene varios modos de onda estacionaria, y estos se pueden explotar para usarlos como filtros. Las ondas electrónicas también pueden convertirse a otras ondas, como las ondas acústicas, y filtrarse. Los filtros SAW (onda acústica de superficie) y los filtros de cristal funcionan por resonancia mecánica y utilizan el efecto piezoeléctrico para interactuar con el circuito. También es posible construir filtros a partir de líneas de transmisión explotando su inductancia y capacitancia inherentes, así como explotando la interferencia constructiva y destructiva que resulta de los reflejos. He visto una serie de filtros de banda de microondas que están hechos de una pieza de cobre con forma de locura impresa en una PCB. Estos se llamanfiltros de elementos distribuidos . Por cierto, la mayoría de estos otros filtros se pueden modelar como circuitos LC o RLC.

Ahora, una radio definida por software es un animal completamente diferente. Como está trabajando con datos digitales, no puede simplemente arrojar algunas resistencias y condensadores al problema. En cambio, puede usar algunas topologías de filtro estándar como FIR o IIR. Estos están construidos a partir de una cascada de multiplicadores y sumadores. La idea básica es crear una representación en el dominio del tiempo del filtro que necesita y luego convolver este filtro con los datos. El resultado son datos filtrados. Es posible construir filtros FIR de paso bajo y paso de banda.

El filtrado va de la mano con la conversión de frecuencia. Hay un parámetro que verá en todo el lugar llamado Q. Este es el factor de calidad. Para los filtros de paso de banda, está relacionado con el ancho de banda y la frecuencia central. Si desea hacer un filtro de 100 Hz de ancho a 1 GHz, necesitaría un filtro con una Q astronómicamente alta, que no es factible construir. Por lo tanto, lo que debe hacer es filtrar con un filtro Q (ancho) bajo, convertir a una frecuencia más baja y luego filtrar con otro filtro Q bajo. Sin embargo, si convierte 1 GHz a, por ejemplo, 10 MHz, un filtro de 100 Hz tiene una Q mucho más razonable. Esto a menudo se hace en radios, y posiblemente con más de una conversión de frecuencia. Adicionalmente,

En el caso de los filtros digitales, cuanto más largo sea el filtro, mayor será la Q y más selectivo se volverá el filtro. Aquí hay un ejemplo de un filtro de paso de banda FIR:

La curva superior es la respuesta de frecuencia del filtro y la curva inferior es un gráfico de los coeficientes del filtro. Puede pensar en este tipo de filtro como una forma de buscar formas coincidentes. Los coeficientes del filtro contienen componentes de frecuencia específicos. Como puede ver, la respuesta oscila un poco. La idea es que esta oscilación coincida con la forma de onda de entrada. Los componentes de frecuencia que coinciden estrechamente aparecerán en la salida y los componentes de frecuencia que no coincidan se cancelarán. Una señal se filtra deslizando los coeficientes de filtro a lo largo de la señal de entrada, una muestra a la vez, y en cada desplazamiento, las muestras de señal correspondientes y los coeficientes de filtro se multiplican y suman. Esto termina básicamente promediando componentes de señal que no coinciden con el filtro.

La conversión de frecuencia también se realiza tanto en software como en hardware. En hardware, esto es necesario para obtener la banda que le interesa dentro del ancho de banda ADC IF. Supongamos que si desea ver una señal a 100 MHz pero su ADC solo puede recibir 5 MHz de ancho de banda, tendrá que reducirla a unos 95 MHz. La conversión de frecuencia se realiza con un mezclador y una frecuencia de referencia, generalmente llamada oscilador local (LO). La mezcla explota una identidad trigonométrica, . La mezcla requiere un componente que multiplique las amplitudes de las dos señales de entrada juntas, y el resultado son componentes de frecuencia en la suma y diferencia de las frecuencias de entrada. Después de mezclar, necesitará usar un filtro para seleccionar la salida del mezclador que desee.

Esto se hace usando un sistema de sintonización heterodino. Por ejemplo, supongamos que desea sintonizar una estación a 1200kHZ. Configura el dial de sintonización en "1200", que configura un oscilador local para generar una frecuencia de 745 kHz. Cuando los mezcla, una de las frecuencias resultantes es la diferencia (la frecuencia que desea sintonizar: 745 kHz).

La siguiente etapa es un amplificador de banda estrecha sintonizado a 455 kHz. Lo que ahora está a 455kHZ era 455 + 745 o 1200kHZ entrante, la estación que quería recibir. Esto (455 kHz) se amplifica y detecta, lo que hace que se escuche el audio de esa estación.
Todavía se reciben otras frecuencias, por supuesto. Pero su frecuencia resultante será diferente de 455 kHz, por lo que no se amplificarán.

Se decidió utilizar una frecuencia intermedia de 455kHZ (en los EE. UU.) Porque estaba por debajo de la banda AM estándar (535kHZ a 1610kHz), por lo que no habría interferencia con ninguna estación que intentara recibir.

Esto es para la recepción de señal de radio analógica. Para obtener detalles adicionales, puede consultar Heterodino , ¿Por qué la conversión a frecuencia intermedia? y frecuencia intermedia .

La antena de una radio recibirá muchas señales por igual. lo que queremos es filtrar las otras estaciones y solo permitir la señal de la estación a la que estamos sintonizados. La forma en que esto se hizo inicialmente fue usar un inductor y un condensador variable. A alguna frecuencia, la reactancia inductiva será igual a la reactancia capacitiva, Xl = Xc, dando la menor cantidad de impedancia a esa señal. esa señal luego se envía para ser amplificada por los circuitos restantes en la radio, mientras que las otras frecuencias se suprimen porque no están en esa frecuencia resonante. Siempre que la Q del filtro sea lo suficientemente alta, puede eliminar la amplificación de las otras estaciones. También de interés, este circuito inductivo / capacitivo oscila, en el verdadero sentido de los osciladores ... lo que significa que tiene una ganancia superior a 1 y es impulsado por una corriente.

en mi opinión, la onda AMPLITUD MODULADA (que contiene la onda portadora y los datos (voz), se mezcla con la frecuencia intermedia que está desfasada 180 grados, lo que genera la información (voz). Recuerde en la teoría de CA que las ondas salen la fase restar y las ondas en fase agregan la misma idea aquí.