Heteródino

Em eletrônica, um método de detecção ou processamento de um sinal baseado na multiplicação de várias frequências é denominado heteródino . Este método torna possível transpor um sinal de uma determinada frequência média ou em uma determinada frequência portadora para uma frequência superior ou inferior e realizar a detecção ou demodulação .

As duas frequências são combinadas por um elemento geralmente chamado de misturador , geralmente construído em torno de um componente não linear que pode ser um diodo .

História

O engenheiro canadense Reginald Fessenden propôs a heterodinação em 1901 como técnica de processamento de sinais de rádio , sem, entretanto, possuir os dispositivos para implementá-la.

Em 1901, Reginald Fessenden introduziu um receptor de conversão direta ou receptor de batida como um método de tornar audível uma onda contínua de radiotelégrafo. O receptor Fessenden não pôde ser usado para uma aplicação real devido ao problema de estabilidade de seu oscilador local. Os osciladores eletromecânicos isócronos complexos já existiam, mas nenhum oscilador local estável e barato estava disponível antes da invenção do oscilador triodo por Lee de Forest . Em uma patente de 1905, Fessenden afirmou que a estabilidade de frequência de seu oscilador local era de uma em mil.

A primeira centelha de transmissores de rádio enviava informações apenas por telegrafia sem fio . Na radiotelegrafia, as letras da mensagem são transformadas em uma sequência de pontos e traços do alfabeto Morse transmitidos como trens de ondas de rádio. O detector heteródino não é necessário para ouvir esses sinais. A centelha modula em amplitude em uma frequência audível os sinais transmitidos na forma de ondas amortecidas. Um detector simples produzia um zumbido audível no fone de ouvido do operador de radiotelégrafo, e o operador podia transcrever os pontos e linhas em caracteres alfanuméricos.

Com o advento do transmissor de arco , os transmissores CW surgiram. Como os sinais de Morse não eram mais modulados em amplitude, um detector diferente foi necessário. O detector de conversão direta foi inventado para tornar audíveis as ondas de rádio contínuas.

O receptor "heteródino" ou "beat" possui um oscilador local (BFO) que produz um sinal de rádio ajustado em freqüência para ficar próximo ao sinal recebido como entrada. Quando os dois sinais são misturados, uma “batida” de frequência igual à diferença das duas frequências é criada. Ajustando adequadamente a frequência do oscilador local, a frequência de batida fica dentro da zona audível e é ouvida como um tom nos fones de ouvido quando o sinal de transmissão está presente. Em seguida, os pontos e travessões do alfabeto Morse são audíveis na forma de bipes . Essa técnica ainda é usada em radiotelegrafia, o oscilador local é chamado de oscilador de batida . Fessenden criou a palavra heterodyne das raízes gregas hetero- "diferente" e dyn- "força" (cf. δύναμις ou dunamis ).

Receptor superheteródino

A aplicação mais importante e comum da mudança de frequência de mistura é o receptor super - heteródino , inventado pelo engenheiro francês Lucien Lévy em 1917. Neste circuito, a frequência de rádio de entrada da antena é misturada com o sinal do oscilador local e então convertido via heterodinâmica em sinal de frequência inferior denominado frequência intermediária (IF). Este sinal de FI é amplificado e filtrado antes de ser enviado para o detector que dele extrai o sinal acústico, que é enviado para os alto-falantes.

A vantagem desta técnica é que as diferentes frequências provenientes das diferentes estações transmissoras são todas convertidas para a mesma frequência intermediária antes da amplificação e filtragem. Os estágios de amplificação e filtragem são, portanto, mais simples de produzir porque operam em uma frequência intermediária fixa: eles não precisam mais ser ajustáveis como antes para se adaptar às diferentes frequências das estações transmissoras. Outra vantagem é que a frequência intermediária está em uma frequência consideravelmente mais baixa do que o sinal original.

O sistema super-heteródino suplantou os primeiros receptores de amplificação direta e feedback e, na década de 1930, quase todos os receptores de rádio do mercado eram do tipo super-heteródino.

Princípio

A maioria das aplicações mistura o sinal, com uma frequência evoluindo em torno de f p , uma frequência f o o mais estável possível, gerada por um oscilador . Essa mistura se divide em dois novos sinais de frequência ( f p + f o ) e ( f p - f o ). Normalmente, apenas uma dessas novas frequências, denominadas heteródinas , é desejada. O outro é removido por filtragem na saída do mixer.

Quando a frequência do oscilador é igual à frequência central do sinal, falamos de detecção homódina .

Exemplo de montagem heteródina:

O receptor de rádio beat permite ouvir o código Morse de um telégrafo sem fio de transmissão em onda contínua (CW). Nesse sistema, agora abandonado, quando o operador abaixa seu manipulador durante uma "linha" ou um "ponto" do código Morse , o transmissor emite uma onda na frequência f , por exemplo 500 kHz ; durante o resto do tempo, não emite nada.

O receptor mistura a portadora de rádio com uma frequência local a algumas centenas de hertz de distância daquela que deve ser ouvida, por exemplo 500,2 kHz . A mistura causa, quando o portador está presente, uma batida . Quando os dois componentes têm a mesma amplitude , sua soma é um sinal de frequência média multiplicado por um sinal de frequência igual à diferença entre a portadora e o oscilador local:

{\ displaystyle (f_ {local} -f) \ times {\ frac {f_ {local} + f} {2}}}

ou um sinal em 500,1 kHz multiplicado por uma modulação em 200 Hz .

O envelope deste sinal é detectado em um diodo retificador eliminando o componente de alta frequência por simples filtragem com um único capacitor , e uma modulação audível a 400 Hz é obtida .

Em eletrônica, pode-se conceber a intermodulação como um heteródino indesejável.

Formulação matemática

A transformação heteródina é baseada na identidade trigonométrica :

{\ displaystyle \ sin \ theta \ cdot \ sin \ varphi = {\ frac {1} {2}} \ cos (\ theta - \ varphi) - {\ frac {1} {2}} \ cos (\ theta + \ varphi)}

Ao aplicar essa identidade a dois sinais sinusoidais, e , temos ${\ displaystyle \ sin (2 \ pi f_ {1} t) \,}$ ${\ displaystyle \ sin (2 \ pi f_ {2} t) \,}$

{\ displaystyle \ sin (2 \ pi f_ {1} t) \ sin (2 \ pi f_ {2} t) = {\ frac {1} {2}} \ cos [2 \ pi (f_ {1} - f_ {2}) t] - {\ frac {1} {2}} \ cos [2 \ pi (f_ {1} + f_ {2}) t] \,}

O produto na parte esquerda representa a modulação de uma onda senoidal com outra por uma multiplicação das funções senoidais. A parte direita mostra que o sinal resultante é a diferença entre dois termos senoidais, um dos quais é a soma das duas frequências, f 1 + f 2 , e o outro é a diferença, f 1 - f 2 , que pode ser considerada como sinais separados.

Uma das duas frequências é fixa, é a frequência portadora f p , a outra é variável dentro de certos limites, é o sinal .

A detecção heteródina visa separar as duas frequências. Para isso, multiplicaremos o sinal modulado por uma frequência fixa f h , chamada de frequência heteródina.

A identidade acima se aplica novamente e resulta em dois componentes, soma e diferença de frequências entre a portadora modulada e a frequência heteródina. Uma boa escolha de frequência heteródina fornece frequências de soma e diferenças suficientemente diferentes para que possamos filtrar a frequência de soma, e apenas a frequência f - f h permanece . Como f é modulado pelo sinal, ele é variável e uma mudança na frequência foi feita . Se f h = f p , apenas o sinal permanece e uma detecção foi realizada.

O dispositivo para combinar a frequência modulada com a frequência heteródina é um mixer . Um misturador perfeito seria um multiplicador; mas esses dispositivos são limitados a frequências muito baixas.

Misturador de componente não linear

Na maioria dos casos, usaremos, em vez disso, uma propriedade de componentes não lineares . Normalmente, esses componentes são um incômodo devido à distorção que eles introduzem. Buscamos linearidade nos circuitos para que obedeçam ao princípio da superposição ; se F (v) é a saída de um elemento linear cuja entrada é v :

{\ displaystyle F (v_ {1} + v_ {2}) = F (v_ {1}) + F (v_ {2}) \,}

Isso implica que uma função da forma (a x + b) descreve F. Dessa forma, podemos separar por filtros, separar e encontrar os sinais.

Se, por outro lado, o circuito não é linear, a função que o descreve pode ser decomposta, como qualquer função contínua, em uma série inteira ( série de Taylor ):

{\ displaystyle F (v) = \ alpha _ {1} v + \ alpha _ {2} v ^ {2} + \ alpha _ {3} v ^ {3} + \ ldots \,}

Para simplificar a apresentação, ordens maiores que α 2 serão indicadas por pequenos pontos ("..."). Vamos aplicar as duas ondas senoidais pulsantes ω 1 = 2π f 1 e ω 2 = 2π f 2 a este componente:

{\ displaystyle v _ {\ text {out}} = F (A_ {1} \ sin 2 \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) \,}

{\ displaystyle v _ {\ text {out}} = \ alpha _ {1} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) + \ alpha _ {2} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) ^ {2} + \ ldots \,}

{\ displaystyle v _ {\ text {out}} = \ alpha _ {1} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) + \ alpha _ {2} (A_ {1} ^ {2} \ sin ^ {2} \ omega _ {1} t + 2A_ {1} A_ {2} \ sin \ omega _ {1} t \ sin \ omega _ {2} t + A_ {2} ^ {2} \ sin ^ {2} \ omega _ {2} t) + \ ldots \,}

Pode-se ver que o segundo termo acima contém um produto de dois senos. Vamos simplificar o uso da identidade trigonométrica:

{\ displaystyle v _ {\ text {out}} = \ alpha _ {1} (A_ {1} \ sin \ omega _ {1} t + A_ {2} \ sin \ omega _ {2} t) + \ alpha _ {2} \ left ({\ frac {A_ {1} ^ {2}} {2}} [1- \ cos 2 \ omega _ {1} t] + A_ {1} A_ {2} [\ cos (\ omega _ {1} t- \ omega _ {2} t) - \ cos (\ omega _ {1} t + \ omega _ {2} t)] + {\ frac {A_ {2} ^ { 2}} {2}} [1- \ cos 2 \ omega _ {2} t] \ right) + \ ldots \,}

{\ displaystyle v _ {\ text {out}} = \ alpha _ {2} A_ {1} A_ {2} \ cos (\ omega _ {1} - \ omega _ {2}) t- \ alpha _ { 2} A_ {1} A_ {2} \ cos (\ omega _ {1} + \ omega _ {2}) t + \ ldots \,}

Portanto, a saída contém termos senoidais de frequência ω 1 + ω 2 e ω 1 - ω 2 . Ele também contém termos na frequência original e em múltiplos das frequências originais 2 ω 1 , 2 ω 2 , 3 ω 1 , 3 ω 2 , etc. , chamados de harmônicos, e termos mais complicados de frequência M ω 1 + N ω 2 , chamados produtos de intermodulação . Um filtro eletrônico na saída do mixer deve eliminar essas frequências indesejadas, bem como as frequências heteródinas indesejadas, para manter apenas a frequência heteródina desejada.

Alguns tipos de misturadores, como misturadores de equilíbrio duplo, removem certos produtos indesejados de ordem superior; outros, como os mixers harmônicos (in), exploram as diferenças de ordem superior.

Os componentes não lineares usados como misturadores são geralmente diodos ; eles também podem ser tubos de vácuo ou transistores operando próximo ao corte ( classe C ). Núcleos ferromagnéticos indutivos acionados em saturação também podem ser usados em baixa frequência . Na óptica não linear , os cristais que possuem características não lineares também são usados para misturar feixes de laser para criar heteródinos em frequências ópticas.

Formulários

Heterodyning é amplamente utilizado na engenharia de telecomunicações para gerar novas frequências e mover informações de um canal de frequência para outro. Além de ser utilizado no circuito super-heteródino que equipa quase todos os receptores de rádio e televisão, é utilizado em rádios transmissores , modems , comunicações por satélite , radares , radiotelescópios , sistemas de telemetria, telefones celulares , detectores de metais , relógios atômicos e eletrônicos militares. sistemas de contramedidas (bloqueio).

Conversores ascendentes e descendentes

Em redes de telecomunicações em grande escala, como a rede de telefonia, relés de microondas, televisão a cabo e feixes de comunicação por satélite, os links com alta largura de banda são compartilhados por muitos canais de comunicação individuais usando heterodyning para mover a frequência dos sinais individuais para as diferentes frequências que compartilham o canal. Esta é a multiplexação por divisão de frequência (FRM).

Por exemplo, um cabo coaxial usado para televisão a cabo pode transmitir 500 canais de televisão ao mesmo tempo porque cada um usa uma freqüência diferente e, portanto, sem interferência. Na fonte do cabo ou headend, os conversores ascendentes eletrônicos convertem cada canal de televisão em uma freqüência nova e mais alta. Eles fazem isso misturando o sinal de TV, f CH com um oscilador local em uma frequência muito mais alta f LO , criando uma soma heteródina f CH + f LO , que é sobreposta ao cabo. Na casa do assinante, o demodulador tem um conversor descendente que mistura o sinal de entrada na frequência f CH + f LO com a mesma frequência do oscilador local f LO criando a diferença heteródina, convertendo assim o canal de TV em sua frequência original: ( f CH + f LO ) - f LO = f CH . Cada canal é movido para uma frequência superior diferente. A frequência original do sinal é chamada de banda base, enquanto o canal superior é chamado de banda de transmissão.

Gravação de vídeo analógico

Muitos sistemas de gravação de vídeo analógico convertem uma subportadora para registrar informações de cores em sua largura de banda limitada. Esses sistemas são chamados de “sistema heteródino” ou “sistemas de cores”. Por exemplo, para NTSC sistemas de vídeo , VHS (e de S-VHS ) sistemas de gravação de converter a subportadora de cor a partir do 3,58 MHz padrão NTSC para 629 kHz . O sistema PAL VHS funciona de maneira semelhante, mas a partir de 4,43 MHz . O sistema desatualizado 3/4 " U-matic usa uma subportadora heteródina a 688 kHz para gravação NTSC (assim como o Betamax da Sony , que é basicamente uma versão de consumidor do U-matic, mas com meia polegada) gravadores PAL U-matic vêm em duas variantes incompatíveis, com diferentes frequências de subportadora conhecidas como “Hi-Band” e “Low-Band”. Os formatos de fita de vídeo Video 8 e Hi8 também incluem sistemas de cores heteródinos.

O sistema heteródino é, nesses casos, usado para converter ondas senoidais em quadratura de fase modulada em amplitude de frequências de transmissão em frequências graváveis na banda inferior a 1 MHz . Na reprodução, as informações de cor gravadas são restauradas à sua frequência original para exibição na televisão.

Alguns gravadores U-matic (3/4 ″) têm um conector DIN de 7 pinos para permitir a duplicação de fitas sem realizar uma conversão heteródina. Este também é o caso dos gravadores profissionais VHS, S-VHS e Hi8.

Música eletrônica

O theremin é um instrumento musical eletrônico que usa o princípio heteródino para produzir uma frequência acústica variável em resposta ao movimento das mãos do músico nas proximidades de uma ou mais antenas que atuam como placas capacitivas. A saída de um oscilador de rádio de frequência fixa é misturada com a de um oscilador cuja frequência é perturbada pela variação da capacitância entre a antena e o theremine quando as mãos do músico se movem perto da antena de controle do tom da nota. A diferença entre a frequência dos dois osciladores produz um som na faixa audível.

O modulador de anel é um tipo de heteródino incorporado em alguns sintetizadores ou usado como um efeito de áudio independente.

Transformação óptica heteródina

A óptica de detecção heteródina (uma área de pesquisa de atividade aberta) é uma extensão da arte heteródina para frequências mais altas ( luz ), a fim de melhorar os moduladores ópticos, aumentando a densidade da informação transportada pelas fibras ópticas . Também é aplicável para construir relógios atômicos mais precisos, com base na medição direta da frequência do feixe de laser .

Como as frequências ópticas estão, em torno de 500 THz , bem além das capacidades de processamento de qualquer circuito eletrônico, todos os detectores de fótons são detectores de potência média e não detectores de oscilações do campo eletromagnético. O sinal é codificado em uma modulação dessa potência, e não em uma modulação da própria onda de luz eletromagnética.

A detecção de uma frequência óptica específica requer detecção heteródina óptica; uma luz de comprimento de onda muito próximo ao que se busca ilumina o detector de forma que a oscilação elétrica corresponda a um batimento com o dobro da diferença entre suas frequências. Isso permite uma detecção de banda muito mais estreita do que qualquer filtro de cor, bem como medições precisas da fase e da frequência de um sinal de luz contra a fonte de luz de referência, como em um vibrômetro .

Esta detecção de fase foi aplicada para medições de velocidade do vento por efeito Doppler e geração de imagens por meio de mídia densa. Esta alta sensibilidade, apesar da luz ambiente, é particularmente útil para sensoriamento remoto a laser .

Na espectroscopia ótica do efeito Kerr (OKE), a transformação heteródina ótica do sinal OKE e uma pequena parte do sinal da sonda produz um sinal misto que consiste no sinal da sonda, o heteródino da sonda OKE e o sinal homódino OKE. A sonda e o sinal homódino OKE podem ser filtrados, deixando o sinal heteródino para detecção.

Veja também

Origens

Patente de Fessenden, Reginald A .: Sinalização sem fio ; arquivado em28 de setembro de 1901, concedido em 12 de agosto de 1902.
Patente de Fessenden, Reginald A .: Aparelho de sinalização elétrica ; arquivado em27 de julho de 1905, concedido em 14 de janeiro de 1913.
Patente Fessenden, Reginald A .: Método de Sinalização ; arquivado em21 de agosto de 1906, concedido em 14 de janeiro de 1913.
(pt) Albert Glinsky , Theremin: Ether Music and Espionage , Urbana, IL, University of Illinois Press ,2000, 403 p. ( ISBN 0-252-02582-2 , leia online )
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links externos

(In) John VL Hogan , " The Heterodyne Receiver " , Electric Journal , vol. 18,Abril de 1921, p. 116 ( ler online )

Notas e referências

Richard Taillet , Loïc Villain e Pascal Febvre , Dicionário de Física , Bruxelas, De Boeck ,2013, p. 335-336 ; Comissão Eletrotécnica Internacional , Eletropédia 713-10-04 ; (pt) Winfield Hill e Paul Horowitz , The Art of Electronics , London, Cambridge University Press,1989, 2 nd ed. , 885.897 p. ( ISBN 0-521-37095-7 , leia online ).
1902
(en) Rudolf F. Graf , Dicionário moderno de eletrônica, 7ª edição , EUA, Newnes,1999, 869 p. ( ISBN 0-7506-9866-7 , ler online ) , p. 344-345
Nahin 2001 , p. 91
Veja a patente de Fessenden de 1905 p. 4 .
Charles Grinnell Ashley e Charles Brian Heyward , Wireless Telegraphy and Wireless Telephony , Chicago, American School of Correspondence,1912( leia online ) , p. 103 / 15–104 / 16
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Taillet, Villain e Febvre 2013 , p. 336. Pouco depois de uma pesquisa independente do americano Edwin Howard Armstrong e do alemão Walter Schottky, chegou ao mesmo resultado.
Taillet, Villain e Febvre 2013 , p. 336; Graf 1999 , p. 350
Formatos de fita de vídeo usando fita de meia polegada ; consultado em 01-01-2007
Poynton, Charles. Vídeo digital e HDTV: Algoritmos e interfaces São Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 2003 PP 582, 583 ( ISBN 1-55860-792-7 )