Frecuencia intermedia

En comunicaciones e ingeniería electrónica , una frecuencia intermedia ( FI ) es una frecuencia a la que se desplaza una onda portadora como paso intermedio en la transmisión o recepción. ^[1] La frecuencia intermedia se crea mezclando la señal portadora con una señal de oscilador local en un proceso llamado heterodinación , lo que da como resultado una señal en la frecuencia de diferencia o de batido . Las frecuencias intermedias se utilizan en receptores de radio superheterodinos , en los que una señal entrante se desplaza a una FI para su amplificación antes de que se realice la detección final .

La conversión a una frecuencia intermedia es útil por varias razones. Cuando se utilizan varias etapas de filtros, todos ellos se pueden configurar a una frecuencia fija, lo que hace que sean más fáciles de construir y ajustar. Los transistores de frecuencia más baja generalmente tienen mayores ganancias, por lo que se requieren menos etapas. Es más fácil hacer filtros muy selectivos a frecuencias fijas más bajas.

Puede haber varias etapas de este tipo de frecuencia intermedia en un receptor superheterodino; dos o tres etapas se denominan conversión doble (alternativamente, dual ) o triple , respectivamente.

Las frecuencias intermedias se utilizan por tres razones generales. ^{[2] [3]} A frecuencias muy altas ( gigahercios ), los circuitos de procesamiento de señales funcionan mal. Los dispositivos activos como los transistores no pueden proporcionar mucha amplificación ( ganancia ). ^[1] Los circuitos ordinarios que utilizan condensadores e inductores deben reemplazarse con técnicas engorrosas de alta frecuencia como líneas de banda y guías de onda . Por lo tanto, una señal de alta frecuencia se convierte a una FI más baja para un procesamiento más conveniente. Por ejemplo, en antenas parabólicas , la señal de enlace descendente de microondas recibida por la antena se convierte a una FI mucho más baja en la antena parabólica, de modo que un cable coaxial relativamente económico puede llevar la señal al receptor dentro del edificio. Llevar la señal a la frecuencia de microondas original requeriría una guía de onda costosa .

En los receptores que se pueden sintonizar a diferentes frecuencias, una segunda razón es convertir las distintas frecuencias de las estaciones a una frecuencia común para su procesamiento. Es difícil construir amplificadores , filtros y detectores multietapa que puedan hacer que todas las etapas rastreen la sintonización de diferentes frecuencias, pero es comparativamente fácil construir osciladores sintonizables . Los receptores superheterodinos sintonizan diferentes frecuencias ajustando la frecuencia del oscilador local en la etapa de entrada, y todo el procesamiento posterior se realiza en la misma frecuencia fija: la FI. Sin utilizar una FI, todos los filtros y detectores complicados de una radio o televisión tendrían que sintonizarse al unísono cada vez que se cambiara la frecuencia, como era necesario en los primeros receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF). Una ventaja más importante es que proporciona al receptor un ancho de banda constante en su rango de sintonización. El ancho de banda de un filtro es proporcional a su frecuencia central. En receptores como el TRF en el que el filtrado se realiza en la frecuencia de RF entrante, a medida que el receptor se sintoniza a frecuencias más altas, su ancho de banda aumenta.

La razón principal para utilizar una frecuencia intermedia es mejorar la selectividad de frecuencia . ^[1] En los circuitos de comunicación, una tarea muy común es separar o extraer señales o componentes de una señal que están cerca entre sí en frecuencia. Esto se llama filtrado . Algunos ejemplos son: captar una estación de radio entre varias que están cerca en frecuencia, o extraer la subportadora de crominancia de una señal de TV. Con todas las técnicas de filtrado conocidas, el ancho de banda del filtro aumenta proporcionalmente con la frecuencia. Por lo tanto, se puede lograr un ancho de banda más estrecho y más selectividad convirtiendo la señal a una FI más baja y realizando el filtrado en esa frecuencia. La transmisión de FM y televisión con sus anchos de canal estrechos, así como los servicios de telecomunicaciones más modernos, como los teléfonos celulares y la televisión por cable , serían imposibles sin el uso de la conversión de frecuencia. ^[4]

Las frecuencias intermedias más utilizadas para los receptores de radiodifusión son probablemente las de alrededor de 455 kHz para los receptores de AM y 10,7 MHz para los receptores de FM. En los receptores de uso especial se pueden utilizar otras frecuencias. Un receptor de doble conversión puede tener dos frecuencias intermedias, una más alta para mejorar el rechazo de la imagen y una segunda, más baja, para la selectividad deseada. Una primera frecuencia intermedia puede incluso ser más alta que la señal de entrada, de modo que todas las respuestas no deseadas se puedan filtrar fácilmente mediante una etapa de RF de sintonización fija. ^[5]

En un receptor digital, el convertidor analógico a digital (ADC) opera a bajas frecuencias de muestreo, por lo que la RF de entrada debe mezclarse hasta llegar a la frecuencia intermedia para ser procesada. La frecuencia intermedia tiende a ser un rango de frecuencia más bajo en comparación con la frecuencia de RF transmitida. Sin embargo, las opciones para la frecuencia intermedia dependen principalmente de los componentes disponibles, como mezcladores , filtros, amplificadores y otros que puedan operar a una frecuencia más baja. Hay otros factores involucrados en la decisión de la frecuencia intermedia, porque una frecuencia intermedia más baja es susceptible al ruido y una frecuencia intermedia más alta puede causar fluctuaciones de reloj.

Los receptores de televisión por satélite modernos utilizan varias frecuencias intermedias. ^[6] Los 500 canales de televisión de un sistema típico se transmiten desde el satélite a los abonados en la banda de microondas Ku , en dos subbandas de 10,7-11,7 y 11,7-12,75 GHz. La señal de enlace descendente se recibe mediante una antena parabólica . En la caja situada en el foco de la antena, denominada convertidor descendente de bloques de bajo ruido (LNB), cada bloque de frecuencias se convierte al rango de FI de 950-2150 MHz mediante dos osciladores locales de frecuencia fija a 9,75 y 10,6 GHz. Uno de los dos bloques se selecciona mediante una señal de control procedente del decodificador situado en el interior, que enciende uno de los osciladores locales. Esta FI se lleva al interior del edificio hasta el receptor de televisión a través de un cable coaxial. En el decodificador de la compañía de cable , la señal se convierte a una FI inferior de 480 MHz para su filtrado, mediante un oscilador de frecuencia variable. ^[6] Esta se envía a través de un filtro de paso de banda de 30 MHz, que selecciona la señal de uno de los transpondedores del satélite, que transporta varios canales. Un procesamiento posterior selecciona el canal deseado, lo demodula y envía la señal al televisor.

Una frecuencia intermedia se utilizó por primera vez en el receptor de radio superheterodino, inventado por el científico estadounidense Major Edwin Armstrong en 1918, durante la Primera Guerra Mundial . ^{[7] [8]} Miembro del Cuerpo de Señales , Armstrong estaba construyendo equipos de radiogoniometría para rastrear señales militares alemanas en las frecuencias entonces muy altas de 500 a 3500 kHz. Los amplificadores de tubo de vacío de triodo de la época no amplificaban de manera estable por encima de los 500 kHz; sin embargo, era fácil hacer que oscilaran por encima de esa frecuencia. La solución de Armstrong fue configurar un tubo oscilador que creara una frecuencia cercana a la señal entrante y la mezclara con la señal entrante en un tubo mezclador, creando un heterodino o señal en la frecuencia de diferencia más baja donde podría amplificarse fácilmente. Por ejemplo, para captar una señal a 1500 kHz, el oscilador local se sintonizaría a 1450 kHz. La mezcla de ambos creó una frecuencia intermedia de 50 kHz, que se encontraba dentro de la capacidad de los tubos. El nombre superheterodino era una contracción de heterodino supersónico , para distinguirlo de los receptores en los que la frecuencia heterodina era lo suficientemente baja como para ser directamente audible, y que se usaban para recibir transmisiones de código Morse de onda continua (CW) (no voz ni música).

Después de la guerra, en 1920, Armstrong vendió la patente del superheterodino a Westinghouse , que posteriormente la vendió a RCA . La mayor complejidad del circuito superheterodino en comparación con los diseños anteriores de receptores de radiofrecuencia regenerativos o sintonizados ralentizó su uso, pero las ventajas de la frecuencia intermedia para la selectividad y el rechazo estático finalmente triunfaron; en 1930, la mayoría de las radios vendidas eran "superheterodinos". Durante el desarrollo del radar en la Segunda Guerra Mundial , el principio superheterodino fue esencial para la conversión descendente de las frecuencias de radar muy altas a frecuencias intermedias. Desde entonces, el circuito superheterodino, con su frecuencia intermedia, se ha utilizado en prácticamente todos los receptores de radio.

• hasta c. 20 kHz ^{[ cita requerida ]} , 30 kHz (ALM Sowerby y HB Dent), ^[10] 45 kHz (primer receptor superheterodino comercial: RCA Radiola AR-812 de 1923/1924), ^[9] c. 50 kHz, ^[10] c. 100 kHz, ^[10] c. 120 kHz ^[10]
• Los 110 kHz se utilizaban en los receptores de transmisión de onda larga AM europeos . ^{[1] [11]}
• 175 kHz (primeros receptores de banda ancha y comunicaciones antes de la introducción de núcleos de hierro en polvo) ^{[1] [11] [10]}
• 260 kHz (primeros receptores de transmisión estándar), ^[11] 250–270 kHz ^[1]
• Asignaciones de frecuencias de Copenhague: 415–490 kHz, 510–525 kHz ^[11]
• Receptores de radio AM : 450 kHz, 455 kHz (más común), ^[11] 460 kHz, 465 kHz, ^[10] 467 kHz, 470 kHz, 475 kHz y 480 kHz. ^[12]
• Receptores de radio FM : 262 kHz (radios de coche antiguos), ^[8] 455 kHz, 1,6 MHz, 5,5 MHz, 10,7 MHz (más común), ^[11] 10,8 MHz, ^[13] 11,2 MHz, 11,7 MHz, 11,8 MHz, 13,45 MHz, ^[14] 21,4 MHz, 75 MHz y 98 MHz. En los receptores superheterodinos de doble conversión, a menudo se utiliza una primera frecuencia intermedia de 10,7 MHz, seguida de una segunda frecuencia intermedia de 470 kHz (o 700 kHz con DYNAS ^[15] ). Hay diseños de triple conversión que se utilizan en receptores de escáner de policía, receptores de comunicaciones de alta gama y muchos sistemas de microondas punto a punto. Las radios de consumo con chip DSP modernas a menudo utilizan una " FI baja " de 128 kHz para FM.
• Receptores FM de banda estrecha : 455 kHz (más común), ^{[11] [16]} 470 kHz ^[16]
• Receptores de onda corta: 1,6 MHz, ^[11] 1,6–3,0 MHz, ^[1] 4,3 MHz (para receptores de solo 40–50 MHz). ^[11] En los receptores superheterodinos de doble conversión, a veces se combina una primera frecuencia intermedia de 3,0 MHz con una segunda FI de 465 kHz. ^[1]
• Receptores de televisión analógica que utilizan el sistema M: 41,25 MHz (audio) y 45,75 MHz (vídeo). Nótese que, en un sistema interportadora , el canal se invierte en el proceso de conversión , por lo que la frecuencia intermedia de audio es inferior a la frecuencia intermedia de vídeo. Además, no hay oscilador local de audio; la portadora de vídeo inyectada cumple esa función.
• Receptores de televisión analógica que utilizan el sistema B y sistemas similares: 33,4 MHz para la señal auditiva y 38,9 MHz para la señal visual. (La discusión sobre la conversión de frecuencia es la misma que en el sistema M.)
• Equipo de enlace ascendente y descendente de satélite : primera FI de enlace descendente de 70 MHz, 950–1450 MHz (banda L).
• Equipos de microondas terrestres : 250 MHz, 70 MHz o 75 MHz.
• Radar : 30 MHz.
• Equipo de prueba de RF : 310,7 MHz, 160 MHz y 21,4 MHz.

• Filtro mecánico
• Receptor de baja frecuencia intermedia
• Receptor de FI cero