Récepteurs de rejet d'image et de conversion directe

Dans cette page, nous discuterons du problème «d'image» dans les récepteurs basés sur IF, et nous examinerons également une approche alternative qui élimine cette complication.

Dans la page précédente, nous avons exploré les avantages associés à l'utilisation d'une fréquence intermédiaire (IF). Cependant, les architectures IF impliquent un sérieux inconvénient, et en fait, cet inconvénient est un facteur de motivation important dans le développement d'alternatives basées sur la conversion directe.

Un récepteur basé sur IF utilise un signal d'oscillateur à fréquence variable (VFO) pour décaler un spectre reçu vers un spectre équivalent centré autour de la fréquence intermédiaire; le décalage se fait par multiplication. Cependant, cette opération de multiplication affecte non seulement le spectre reçu mais également tout spectre situé symétriquement par rapport à la fréquence VFO. En d'autres termes, la multiplication déplacera un spectre vers le bas vers le FI et un autre spectre jusqu'au FI.

Comme vous pouvez le voir, le spectre d'image et le spectre souhaité sont tous deux présents dans le signal IF qui sera démodulé. Dans ce diagramme, nous pouvons facilement distinguer l'un de l'autre, mais ce n'est pas le cas dans un circuit réel - les informations de fréquence dans le spectre souhaité sont corrompues par les informations de fréquence dans le spectre d'image.

Ce spectre d'image situé symétriquement est un sérieux obstacle à une réception fiable basée sur IF. Pourquoi? Parce que le spectre d'image n'est (vraisemblablement) pas sous le contrôle du système sans fil que vous concevez, et par conséquent, il pourrait être n'importe quoi, y compris un signal beaucoup plus fort que le signal souhaité. 

Ainsi, si nous ne faisons rien pour atténuer les effets de l'image, la qualité de la réception du système dépendra du comportement imprévisible des signaux près de la fréquence de l'image.

Rejet de l'image
Pour atténuer les effets du spectre d'image, les récepteurs hétérodynes utilisent des filtres de rejet d'image. Ceux-ci sont placés devant le mélangeur, de telle sorte que le spectre d'image est supprimé avant que le mélangeur ne le déplace vers la fréquence intermédiaire. C'est une solution efficace, mais il y a deux complications.

Le compromis
Le filtre de rejet d'image ne sera pas très utile s'il atténue le spectre souhaité et le spectre d'image. Ainsi, la réponse du filtre doit passer d'une faible atténuation à la bande souhaitée à une forte atténuation à la bande d'image. 

Comme avec tout filtre, les transitions rapides de la bande passante à la bande d'arrêt sont difficiles, et il sera donc plus facile de concevoir un filtre de rejet d'image s'il y a une grande séparation de fréquence entre la bande souhaitée et la bande d'image.

Cependant, la séparation entre la bande souhaitée et la bande d'image est proportionnelle à la fréquence intermédiaire (plus précisément, elle est le double de la fréquence intermédiaire). Cela signifie que plus de séparation correspond à un FI plus élevé. 

Ce n'est pas catastrophique, mais nous devons nous rappeler que nous voulons qu'une fréquence intermédiaire soit beaucoup plus pratique, du point de vue du traitement du signal, que la haute fréquence utilisée pour la transmission RF. 

Si nous augmentons trop la fréquence intermédiaire, les difficultés créées par le FI plus élevé peuvent l'emporter sur les avantages d'une meilleure réjection d'image. Ainsi, le filtrage de rejet d'image implique un compromis fondamental entre la suppression d'image et le désir de maintenir une fréquence intermédiaire inférieure.

L'intégration ou son absence
Le rejet d'image est généralement réalisé au moyen d'un filtre qui n'est pas incorporé dans un circuit intégré. En d'autres termes, les filtres de rejet d'image consomment de la surface de PCB et du temps de conception, et dans le contexte de l'électronique moderne, ces deux ressources sont précieuses et rares.

Les entreprises tentent souvent de minimiser le temps nécessaire pour mettre un nouveau produit en phase de production, et un moyen important de réduire le temps de développement est d'éviter la conception personnalisée chaque fois que cela est possible - en d'autres termes, d'utiliser des circuits intégrés testés, caractérisés et éprouvés au lieu de nouveaux circuits externes conçus. 

En ce qui concerne les PCB, il n'est pas surprenant que la miniaturisation soit un objectif majeur dans diverses industries électroniques, et le seul moyen d'obtenir des réductions de taille extrêmes est la technologie des circuits intégrés. 

Ainsi, les récepteurs hétérodynes qui reposent sur des filtres de rejet d'image sont fondamentalement problématiques en ce qui concerne les réalités incontournables de la conception électronique moderne.

Une solution possible: la conversion directe
Comme mentionné dans la page précédente, un récepteur à conversion directe décale le signal reçu sur toute la bande de base plutôt que sur une fréquence intermédiaire. En d'autres termes, la fréquence du VFO est toujours égale à la fréquence centrale du spectre souhaité:

Cette approche comporte un avantage très important: elle élimine le problème d'image. Dans le schéma de conversion directe, il n'y a pas de spectre d'image: le spectre souhaité est centré autour de la fréquence VFO, et aucun spectre ne peut être symétrique par rapport à la fréquence VFO lorsque la fréquence centrale souhaitée et la fréquence VFO sont égales.

Un autre avantage de la conversion directe est simplement une extension des avantages associés aux architectures basées sur IF. 

Une fréquence intermédiaire facilite le traitement du signal car elle est nettement inférieure à la fréquence de transmission, mais le traitement du signal peut être encore plus facile lorsque la fréquence «intermédiaire» est de 0 Hz, c'est-à-dire lorsque le spectre reçu est directement transféré en bande de base.

La conversion directe semble immédiatement être une alternative supérieure: elle est conceptuellement plus simple, il n'y a pas d'image pour corrompre le spectre reçu, le traitement du signal à basse fréquence remplace le traitement du signal à fréquence intermédiaire, et l'absence d'un filtre de rejet d'image permet une utilisation étendue de l'IC La technologie. Pourquoi, alors, quelqu'un envisage-t-il même une architecture basée sur IF? 

Eh bien, il s'avère qu'il existe plusieurs inconvénients importants associés à la conversion directe. Nous ne discuterons ici que du désavantage qui est peut-être le plus grave.

Décalage CC
Les récepteurs RF sont sensibles aux composantes du signal CC car l'amplitude des signaux reçus est souvent extrêmement faible. Ces signaux de faible amplitude créent le besoin d'une amplification à gain élevé, mais une amplification à gain élevé peut rapidement tomber en panne lorsqu'un signal présente un décalage CC non trivial, car la multiplication du décalage sature l'amplificateur.

Les mélangeurs créent facilement des décalages CC, car la multiplication d'une sinusoïde par une autre sinusoïde avec la même fréquence et la même phase crée une composante de signal non variable. De retour au chapitre 3, nous avons discuté des complications causées par le fait que les signaux RF ne restent pas dans leurs chemins de conduction prévus. Au contraire, leur fréquence élevée leur permet de «fuir» dans des parties du circuit où nous ne voulons pas d'eux. 

Le problème de la création de décalage DC est un exemple parfait de cette difficulté: le signal de l'oscillateur local s'infiltre dans d'autres parties du circuit de telle sorte qu'il est présent dans les deux entrées du mélangeur, et le résultat est un décalage DC dans la sortie signal.

Un récepteur à conversion directe doit implémenter une sorte d'annulation de décalage CC, et ce n'est pas une tâche particulièrement facile; le filtrage n'est généralement pas réalisable car le filtre supprimerait des parties du spectre souhaité, qui a été décalé vers le bas dans la bande autour de DC. Un récepteur hétérodyne, d'autre part, peut facilement supprimer les décalages DC via le filtrage car il y a beaucoup de séparation de fréquence entre DC et la bande IF.

Résumé
* SI la conversion descendante provoque un spectre d'image pour corrompre le spectre souhaité.

* Le spectre d'image peut être supprimé via le filtrage, mais l'approche de filtrage de la réjection d'image implique un important compromis de conception et empêche l'intégration monolithique.

* La conversion directe élimine le problème d'image, mais elle présente divers inconvénients.

* Une caractéristique particulièrement difficile de l'architecture à conversion directe est sa sensibilité aux décalages CC générés par le mélangeur.

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