¿Por qué es mejor la superheterodinación que la conversión directa?

¿Cuál es la ventaja de tener una etapa adicional de FI, un oscilador local adicional y una etapa de filtrado y amplificación adicionales? Simplemente parece más trabajo y circuitos. ¿Seguramente la conversión directa a banda base y la conversión intermedia a banda base van a pasar por el mismo filtro de banda de paso al final que aísla el rango de frecuencia original?

Veo respuestas como 'permite que se usen circuitos comunes en lugar de circuitos separados para cada frecuencia', básicamente:

Sin usar un IF, todos los filtros y detectores complicados en una radio o televisión tendrían que sintonizarse al unísono cada vez que se cambiara la frecuencia, como era necesario en los receptores de radio sintonización tempranos

Pero no entiendo porque todos podrían sintonizarse con la señal de banda base, por ejemplo, en lugar del IF, eliminando el problema descrito.

También veo:

Por lo tanto, se puede lograr un ancho de banda más estrecho y más selectividad al convertir la señal a un IF más bajo y realizar el filtrado a esa frecuencia

Pero, ¿por qué no realizar el filtrado solo a la frecuencia de banda base IF = 0? Ese es un IF menor, correcto. ¿La adición de la etapa de banda de paso IF mejora la nitidez de la banda de paso final en lugar de hacerlo directamente?

La única desventaja que puedo entender es la pérdida del oscilador local y ¿esto no sucede más a frecuencias más altas? Un IF podría permitir que el primer LO oscile mucho más lentamente.

Hay bastantes ventajas.

Echando un vistazo a un superhet típico (hasta el IF):

La señal de entrada en la entrada de RF es pequeña (tan baja como -122dBm en algunos sistemas de voz de banda estrecha en los que he trabajado, es decir, aproximadamente 6.3fW)

Amplificar una señal a una RF alta (digamos unos GHz) es costoso en comparación con hacer esa amplificación a una frecuencia más baja. Unos pocos dB de ganancia de RF suelen ser suficientes para procesar la señal hasta la etapa IF.

El ancho de banda del filtro de entrada debe ser tal que sea menor que el espacio entre canales (generalmente menor que el ancho de banda de salida) para que sea más fácil de implementar.

El ancho de banda del filtro de rechazo de imagen se establece mediante la frecuencia del oscilador local (a RF +/- IF), por lo que elegir un IF relativamente bajo significa que el rechazo de imagen también es relativamente fácil de hacer.

El amplificador IF generalmente es donde la mayor parte de la ganancia de señal se realiza a un costo relativamente bajo y baja complejidad (en comparación con tratar de hacerlo a frecuencias más altas). El filtro evita el sangrado y establece el ancho de banda de la señal al ancho de banda de la información.

Otra ventaja importante es que todo después de que el mezclador es fijo, no es necesario realizar ningún ajuste durante el funcionamiento normal, por lo que el rango de la señal dinámica puede ser alto. No he mostrado el AGC (casi siempre presente), pero eso también es una pieza fija de circuito (dinámico).

Una mejora es el doble superhet (2 etapas IF) con el que trabajé hace décadas y todavía son muy populares.

Hay receptores de conversión directa, pero sufren varios problemas, en particular el rango dinámico de la señal.

[Actualizar]

En respuesta a la observación, no son de amplio rango dinámico de conversión directa receptores (una fuente posible en la lista); estos han existido por algún tiempo y a menudo se encuentran en las configuraciones SDR .

Un enfoque puramente de hardware favorece al superhet.

Tenga en cuenta que esta respuesta está sesgada hacia la recepción de radio analógica. Las reglas son diferentes para radios definidas por software y para servicios digitales.

El mayor inconveniente de la conversión directa es la supresión de banda lateral. Si usa un solo mezclador, una señal en$f_c + f_s$ es indistinguible de una señal en $f_c - f_s$, dónde $f_c$ es el transportista y $f_s$es la frecuencia de la señal Puede mitigar mucho este problema con la conversión descendente en cuadratura, pero si bien es suficiente para la recepción de datos digitales, no es lo suficientemente bueno para analógico (es decir, SSB o AM).

El segundo mayor inconveniente es la cantidad de ganancia que necesita en una frecuencia. Los receptores necesitan mucha ganancia, y los mezcladores suelen ser el factor limitante en el rango dinámico alto. Por lo tanto, le gustaría poner toda su ganancia después del primer mezclador, que tiende a ser el que ve las señales más interferentes. Para un receptor SSB sensible, esta ganancia puede ser superior a 120dB. Es difícil o imposible obtener tanta ganancia sin oscilar. De hecho, si observa la literatura de radioaficionados, verá que la mayoría de los receptores de conversión directa tienen auriculares; hay una razón para esto.

Otros problemas son el sangrado LO y la dificultad de lograr un amplificador de bajo ruido y baja impedancia en las frecuencias de audio.

Por lo tanto, todos estos inconvenientes le brindan una clara ventaja al colocar al menos parte de su filtrado y ganancia antes de la conversión final a audio; una vez que asume que tal paso es necesario, creo que las razones que lo confunden de repente tendrán sentido .

Sí, existen receptores de conversión directa, pero requieren un cuidado especial, especialmente con ciertos tipos de modulación.

Por ejemplo, con la modulación SSB, para rechazar la banda lateral no deseada, su demodulador de banda base debe poder distinguir entre "frecuencia positiva" y "frecuencia negativa". Esto no es trivial, y solo es realmente práctico con DSP.

De manera similar, si traduce la frecuencia central de una señal FM o PM a 0 Hz, nuevamente necesita distinguir entre frecuencias positivas y negativas para demodularla adecuadamente.

Incluso con señales AM o DSB, donde las bandas laterales contienen información idéntica, a menos que su conversión sea perfecta (su LO coincide con precisión con la frecuencia de la portadora recibida), obtiene distorsión, o un tono constante de la portadora AM.

El superheterodino se inventó en los días en que la demodulación se realizaba mediante detectores de envoltura simples, que no tenían ninguna discriminación de frecuencia en absoluto, y mucho menos distinguían entre frecuencias positivas y negativas. Se debe aplicar toda la selectividad antes de la demodulación, lo que vuelve a las razones que encontró: necesita filtros que puedan rastrear la frecuencia de la portadora con un ancho de banda constante, o puede convertir a una frecuencia intermedia fija donde puede usar filtros fijos.

La conversión directa es conceptualmente simple, pero requiere una ingeniería considerable para hacerlo bien. Además de las respuestas de Dave y Tim, hay un sutil problema potencial pernicioso con la conversión directa ...

La mayoría de los mezcladores (incluso los doblemente balanceados) pierden energía del oscilador local al puerto RF y al puerto IF. La energía que se escapa hacia atrás a través del puerto de RF a la antena puede causar problemas. Incluso con un excelente balance de mezclador, la energía del oscilador local re-radiada es a menudo mucho más grande que las señales entrantes.
El LO re-irradiado se puede modificar (fase, amplitud) y volver a ingresar a la antena receptora, nuevamente dentro del mezclador. El balance del mezclador puede verse afectado negativamente. Además, se genera una señal de banda base en el puerto de salida del mezclador que puede dañar la señal de banda base deseada.

Algunos sensores de movimiento, detectores de "error" se aprovechan de este proceso, donde la señal de banda base "espuria" es el resultado deseado, que indica movimiento, por ejemplo.

Con frecuencia se desea un receptor lineal, en cuyo caso no desea que la energía del oscilador local regrese a la fuente de señal. Tener un excelente balance de mezclador es un comienzo, agregar un preamplificador de RF fuerte con un buen aislamiento de salida a entrada también ayuda. Todo difícil a medida que aumenta la frecuencia.

Nadie más ha mencionado el problema del desplazamiento de frecuencia en las etapas del mezclador. El mezclador de RF hace todo lo posible para que coincida con la frecuencia de la portadora, pero seguirá habiendo una diferencia que dará como resultado que el IF tenga un desplazamiento de la frecuencia deseada. Una etapa IF con una frecuencia central distinta de cero permite utilizar un PLL para rastrear la señal IF y eliminar la mayor parte del desplazamiento de frecuencia.

Por lo general, es más fácil y económico hacer el mejor PLL en frecuencias IF en lugar de frecuencias RF.

Puede usar dos mezcladores para convertir la señal recibida a I y Q, pero eso requeriría dos costosos PLL de frecuencia de RF que también deben tener una diferencia de fase fija de 90 grados. Esto también es algo que es mucho más fácil y más barato de hacer en las frecuencias IF.

El problema es el rechazo LO del mezclador, y cerca del ruido de fase LO de la portadora. 20dB es trivial fuera de la caja. 40dB es sencillo con cuidado. 60dB es posible con heroica y ajuste dinámico. Se pueden hacer 80dB en el laboratorio, por un corto tiempo, a frecuencias puntuales, si tienes suerte, y la temperatura no cambia. Necesita> 120dB para que un receptor de conversión directa funcione tan bien como un superhet.

A menos que esté utilizando OFDM. Allí tiene docenas de operadores, y no todos se utilizan para datos. Hay algunos para pilotos, algunos para bandas de protección, y en algunos sistemas avanzados hay algunos que solo se usan para reducir el voltaje de RF máximo del conjunto para aliviar los problemas de linealidad del transmisor. Por lo tanto, dejar algunas portadoras sin datos sobre ellas en y alrededor del centro del canal (DC si estamos hablando de bandas base IQ, el LO para un receptor de conversión directa) no es una gran ineficiencia.