Les avantages d'une fréquence intermédiaire dans les systèmes RF

En savoir plus sur «IF» - une technique répandue et avantageuse utilisée dans de nombreux systèmes sans fil.

Jusqu'à présent, nous avons discuté des signaux RF en termes de deux bandes de fréquences: la bande de base et la bande RF. Cette approche fournit un cadre conceptuel simple dans lequel les circuits RF sont fondamentalement un moyen de transformer un signal d'information à basse fréquence en un signal transmis à haute fréquence, ou un signal reçu à haute fréquence en un signal d'information à basse fréquence. 

Ce modèle n'est pas incorrect, et les enseignements tirés jusqu'à présent sont tout à fait pertinents pour les systèmes qui ont un signal de «fréquence intermédiaire» en plus des signaux en bande de base et RF.

Qu'est-ce que IF?
L'abréviation «IF» fait référence à une fréquence intermédiaire elle-même ou, plus généralement, à des techniques basées sur des fréquences intermédiaires. Comme son nom l'indique, une fréquence intermédiaire se situe quelque part entre la fréquence de bande de base et la fréquence porteuse. 

Les circuits IF peuvent être incorporés à la fois aux émetteurs et aux récepteurs, bien que les avantages des techniques IF soient plus pertinents pour les récepteurs. Nous discuterons de l'IF dans le contexte de la conception du récepteur RF, mais pendant que vous lisez, gardez à l'esprit que ces caractéristiques bénéfiques pourraient également s'appliquer aux émetteurs.

Vous avez peut-être entendu le mot «hétérodyne» ou «superhétérodyne». Ces termes se réfèrent à un récepteur RF qui incorpore une fréquence intermédiaire. Les techniques IF ont été développées au cours de la première moitié du XXe siècle, et de nos jours les systèmes basés sur IF sont très courants.

De nombreux transporteurs, un IF
L'un des avantages les plus intuitifs d'un IF est la capacité de concevoir un récepteur dans lequel davantage de circuits peuvent être conçus pour une bande de fréquence immuable. Jusqu'à présent, nous avons supposé que le récepteur peut être conçu pour une fréquence d'émission immuable, mais quiconque a utilisé un autoradio doit comprendre que cela est loin d'être réaliste. 

En fait, l'une des caractéristiques les plus connues d'un récepteur RF est qu'il peut transmettre à l'utilisateur des informations provenant d'une seule station (pour la radio) ou d'un seul canal (pour la télévision) - en d'autres termes, il peut être réglé pour différentes porteuses fréquences, et ce processus de réglage lui permet de sélectionner l'un des signaux transmis et d'ignorer tous les autres.

Si un récepteur accordable n'utilise pas de fréquence intermédiaire, tous les circuits haute fréquence doivent être compatibles avec la gamme complète des fréquences porteuses possibles; cela n'est pas souhaitable, car il est plus facile de concevoir des composants et des circuits RF optimisés pour une petite plage de fréquences de signal. 

De plus, l'accord nécessiterait plusieurs boutons, car plusieurs sous-circuits devraient être ajustés en fonction de la fréquence sélectionnée. Un récepteur hétérodyne décale d'abord le spectre reçu vers une bande centrée sur la fréquence intermédiaire, puis les circuits restants sont optimisés pour cette gamme de fréquences.

Minimiser le traitement haute fréquence
Un autre avantage intuitif d'une architecture de récepteur basée sur IF est le nombre réduit de composants qui doivent fonctionner à la fréquence élevée, parfois très élevée, du signal reçu. 

Tout devient plus difficile à mesure que les fréquences montent dans la gamme des gigahertz: les transistors ont moins de gain, les composants passifs deviennent de plus en plus différents de leurs modèles basse fréquence idéalisés, les effets de ligne de transmission deviennent plus importants.

Bien sûr, nous aurons toujours au moins quelques composants compatibles avec la fréquence porteuse reçue: nous avons besoin d'un mélangeur qui effectue la conversion de RF en IF, et le mélangeur pourrait être précédé d'un amplificateur à faible bruit et d'une image- rejeter le filtre (le problème de rejet d'image est abordé dans la page suivante). Mais l'approche IF nous permet d'effectuer uniquement le traitement le plus nécessaire dans la bande RF.      

Q inférieur
Le filtrage est une exigence courante dans tous les types de systèmes RF, mais certaines situations imposent des exigences particulièrement élevées aux circuits de filtrage. Considérez le scénario suivant: Un récepteur doit extraire les informations d'un signal RF à bande étroite qui est accompagné de signaux parasites puissants avec une fréquence proche des bords du spectre du signal souhaité.
 

 

Un filtre passe-bande est utilisé pour supprimer ces signaux parasites afin qu'ils ne corrompent pas les données démodulées; cependant, la conception d'un filtre passe-bande efficace dans ces circonstances n'est pas facile.

Le problème est le facteur Q, qui correspond à la sélectivité du filtre passe-bande. Par exemple:

Une combinaison de fonctionnement à haute fréquence et de bande passante étroite nécessite un Q très élevé, et finalement nous atteignons un point où il n'est tout simplement pas possible de concevoir un filtre passe-bande avec une sélectivité suffisante. Le facteur Q d'un filtre passe-bande est défini comme suit:

 

Ainsi, nous pouvons voir qu'une façon simple de diminuer le Q requis est de baisser la fréquence centrale, et les techniques IF nous permettent de faire exactement cela. La largeur du spectre du signal ne change pas, mais la fréquence centrale est réduite à la fréquence intermédiaire.

Démodulation en quadrature plus simple
Nous savons du chapitre précédent que la démodulation en quadrature est une technique importante dans les systèmes RF modernes. Les relations mathématiques qui régissent la démodulation en quadrature et le traitement du signal I / Q supposent toujours un déphasage parfait de 90 °. 

Mais la perfection n'est pas si facile à atteindre dans la vie réelle, et les circuits en quadrature ne font pas exception. Des écarts par rapport à la différence de phase idéalisée de 90 °, ainsi que des décalages d'amplitude entre les canaux I et Q, entraînent des erreurs dans les données démodulées.

Cela peut sembler être un problème avec la modulation en quadrature en général; quelle est la connexion aux récepteurs IF? Il s'avère que ces sources d'erreur sont plus importantes dans les architectures non IF, car la séparation I / Q se produit à des fréquences plus élevées et parce que davantage de composants d'amplification et de filtrage post-séparation sont nécessaires.

Pourquoi ne pas convertir directement en bande de base?
Si un récepteur IF doit inclure des circuits haute fréquence pour effectuer la traduction de fréquence de RF en IF, pourquoi ne pas simplement utiliser la fréquence de bande de base au lieu d'une fréquence intermédiaire?

Un récepteur qui décale le signal vers la bande de base au lieu du FI est appelé architecture à conversion directe (ou homodyne ou zéro-IF). Les avantages traditionnels d'une fréquence intermédiaire sont-ils toujours - c'est-à-dire dans le contexte des systèmes RF modernes - une raison suffisante pour choisir IF plutôt qu'une approche à conversion directe? 

La réponse à cette question est quelque peu complexe et va au-delà des sujets présentés dans cette page. Dans la page suivante, nous explorerons plus de détails concernant les récepteurs IF, et nous discuterons également du problème de conversion hétérodyne vs conversion directe.

Résumé
* De nombreux systèmes RF intègrent une fréquence intermédiaire (IF) inférieure à la fréquence porteuse et supérieure à la fréquence de bande de base. Un récepteur basé sur IF est appelé récepteur hétérodyne.

* L'utilisation d'un IF simplifie la conception de récepteurs accordables et réduit le nombre de composants qui doivent être compatibles avec les hautes fréquences.

* Les architectures IF simplifient la conception des filtres passe-bande car la fréquence centrale réduite se traduit par une exigence de facteur Q inférieure.

* Un système basé sur IF permet une implémentation plus robuste de la démodulation en quadrature.

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