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Titolo: rx 5: ricevitori supereterodina

Ciao a tutti,
dopo aver visto un po' in generale le caratteristiche dei ricevitori,
cominciamo ora un breve excursus dei vari tipi di struttura utilizzati.
La prima puntata č dedicata al tipo oggi pių diffuso, vale a dire la
supereterodina, che fin dalle sue origini, negli ormai remoti anni '30,
ha praticamente soppiantato gli altri tipi di ricevitori, con
l'eccezione di qualche applicazione particolare.
In un ricevitore supereterodina di tipo base, il segnale d'ingresso
viene convertito dalla sua frequenza originale ad un'altra, frequenza
pių o meno fissa, per essere quindi amplificato e filtrato a questa
frequenza; il motivo di questa conversione č essenzialmente pratico: č
molto pių facile ed economico realizzare buoni amplificatori e buoni
filtri ad una frequenza fissa, piuttosto che ad una variabile. Le
ragioni di ciō sono molteplici, e vale la pena di esaminare brevemente
le principali:
1. la banda passante di un circuito risonante č con buona
approssimazione pari al rapporto tra la frequenza di risonanza ed il
fattore di merito; perciō, al variare della frequenza di risonanza,
cambia anche la selettivitā del circuito risonante. Se le frequenze di
lavoro sono alte, risulta piuttosto difficile realizzare buone
selettivitā;
2. perciō, č necessario usare vari circuiti risonanti accoppiati tra
loro in modo opportuno; ma la regolazione contemporanea delle frequenze
di risonanza di vari circuiti richiede la disponibilitā di condensatori
variabili a molte sezioni, tutte sufficientemente uguali tra loro. Oggi,
questa limitazione potrebbe essere superata con relativa facilitā,
utilizzando diodi varicap (che comunque costano poco!) nel numero che
serve, ma negli anni trenta i diodi varicap non c'erano... 
3. ma una fregatura non facile da eliminare č dovuta alle reattanze
parassite dei circuiti (specialmente dei componenti), che hanno
ovviamente peso ed effetti diversi alle varie frequenze, causando sia
una non linearitā delle scale (e questo sarebbe il meno) sia la
possibilitā di autooscillazioni su certe posizioni di sintonia (e questo
č grave!).
Se invece i circuiti risonanti sono tutti a frequenza fissa, questi
problemi sono tutti facilmente superabili ed oltretutto, visto che non
servono pių condensatori variabili, si riducono notevolmente i costi.
Per spostare di frequenza il segnale d'ingresso si usa la tecnica,
ampiamente consolidata, di mescolare due segnali per ricavarne un
segnale avente la frequenza somma (o differenza), che costituirā il
nostro segnale a frequenza fissa, che d'ora in poi chiameremo FI
(frequenza intermedia). E qui, cominciano i guai...
*L'oscillatore locale*
Per ottenere la FI, prendiamo un oscillatore ("oscillatore locale"), la
cui frequenza viene tenuta costantemente pari a quella da ricevere pių
(o meno) quella intermedia. Detto cosė, č tutto facile, ma tenere
costante la differenza ('passo') dell'oscillatore rispetto al segnale
d'ingresso non č poi cosė banale, e per riuscirci č necessaria una
grande precisione nei circuiti risonanti. Se la banda č stretta, le cose
non sono troppo difficili, ma se la banda č larga, sono necessarie
correzioni qua e lā, e a questo scopo intorno al variabile ci sono
sempre un certo numero di compensatori (condensatori semifissi) che
servono ad ottenere un accettabile compromesso tra linearitā e costanza
del passo. Ma se la selettivitā del canale FI č spinta, tenere il passo
diventa praticamente impossibile, motivo per cui si ricorre ad una tra
queste due strategie:
1. quella 'pių seria' consiste nel separare il controllo di sintonia
d'ingresso ("preselettore") da quello di frequenza dell'oscillatore
locale; il difetto di questo sistema č che sono necessarie due distinte
regolazioni (sintonia di ricezione e sintonia d'ingresso); se a queste
aggiungiamo anche la regolazione di adattamento dell'impedenza
d'ingresso, diventano tre o pių regolazioni, da fare ogni volta che si
vuole sintonizzare al meglio una stazione, ed č una rottura di scatole.
Ma un dx'er lo fa... (musica: Tarzan!)
2. quella 'pių semplice' consiste nel sostituire la sintonia d'ingresso
con un filtro passa-banda che lasci transitare tutta la banda di
ricezione, eliminando il controllo di preselezione; l'inconveniente, non
trascurabile, di questo metodo č che i segnali che arrivano nel
ricevitore sono tanti, le tensioni d'ingresso diventano alte e, in
conclusione, le prestazioni rispetto alle intermodulazioni peggirano
sensibilmente. Nonostante questo, molte case tendono a farlo... cosė
risparmiano un variabile e vari tra circuiti risonanti e sezioni nel
commutatore di banda, che co$tano $alati e stanno antipatici agli
schiacciabottoni.
Ma questi non sono gli unici problemi dell'oscillatore locale; ce ne
sono almeno altri due che vale la pena di prendere in considerazione:
1. nessun oscillatore č perfettamente stabile, nel senso che la sua
frequenza cambia nel tempo, con la temperatura, la tensione di
alimentazione, ed anche con l'anzianitā dei componenti; risultato di ciō
č che anche nel miglior ricevitore č necessario ogni tanto rimettere a
punto la sintonia (ad esempio, in un buon ricevitore, dopo un'oretta di
funzionamento, la frequenza dell'oscillatore puō variare di circa 50-100
Hz all'ora). Questo inconveniente puō essere ovviato sostituendo gli
oscillatori regolabili ("liberi") con oscillatori al quarzo, che sono
stabilissimi (specialmente se sono termostatati) ma in cambio non
possono essere regolati, per cui le frequenze di ricezione sono fisse.
Un'altra soluzione, attualmente *molto* di moda, al problema della
stabilitā č offerta dagli oscillatori a PLL i quali, pur avendo la
stabilitā di un quarzo, sono regolabili (ma anche loro hanno i loro
difetti).
2. nessun oscillatore č esente da un certo rumore di fondo (provare per
credere: quando sintonizzate un ricevitore su un oscillatore, ne sentite
il fruscio), che a volte č molto forte (come ad esempio nei PLL, tanto
per dire... ma ne parleremo in un'altra puntata). Il fruscio di un
oscillatore libero, in linea di massima, č tanto minore quanto maggiore
č la stabilitā; in effetti, gli oscillatori pių silenziosi sono quelli a
quarzo, se sono fatti bene.
Direte voi: e a me, cosa importa del fruscio dell'oscillatore? Mica lo
ascolto! La risposta č semplice: il segnale prodotto dal mescolamento
contiene la modulazione di entrambi i segnali mescolati, quindi il
rumore dell'oscillatore locale viene sommato pari pari a quello del
segnale d'ingresso, che ne viene quindi parzialmente coperto. Se
l'oscillatore č molto rumoroso, difficilmente il ricevitore sarā
sensibile...
Per chi se lo stesse domandando, il rumore dell'oscillatore locale č il
motivo che spinge a mettere un amplificatore (il cosiddetto "front-end"
di cui abbiamo giā diffusamente parlato) *prima* della conversione, cioč
in un posto dove, a guardare bene, non fa che creare intermodulazioni e
casini vari.
*La frequenza immagine*
Supponiamo di avere un ricevitore con frequenza dell'oscillatore locale
di 7455 kHz, cosė che un segnale a 7000 kHz venga convertito ad una
frequenza intermedia di 7455-7000=455 kHz (che supponiamo sia quella
giusta!). Perō, nello stesso modo, un segnale a 7910 kHz viene
convertito a 7910-7455=455 kHz, ed č ancora quella giusta! Questa
seconda frequenza, che viene detta "immagine", dista dalla frequenza di
ricezione sempre il doppio della FI, ed č inevitabilmente ricevuta
assieme alla prima. L'unico rimedio per questa ingombrante e sgradita
presenza č quello di avere in ingresso un preselettore abbastanza
selettivo da "eliminare" l'immagine filtrandola via, e questo compito č
tanto pių facile quanto pių alto č il valore della FI. Si potrebbe
allora pensare di eliminare il problema semplicemente adottando una FI
abbastanza alta, ma non č cosė semplice. Infatti, con una FI alta č
effettivamente facile eliminare l'immagine, ma la selettivitā degli
stadi diventa bassa, perché, lo ricordiamo ancora, la banda passante di
un circuito risonante č pari alla sua frequenza di risonanza divisa per
il suo fattore di merito Qo; per questo motivo, con un Q=50, intorno ai
500 kHz si ha una banda passante di circa 10 kHz (adatta alla AM),
mentre a 50 MHz si avrebbe una banda di 1 MHz (adatta a ricevere tutta
la banda AM, contemporaneamente...).
Alla fine, basta mettersi d'accordo: si fa una prima conversione a
frequenza elevata (suppergių, ognuno sceglie la frequenza che pių gli
piace...), che permette una eliminazione ("reiezione") dell'immagine
molto buona, seguita da una seconda conversione ad una FI pių bassa, che
dā la selettivitā necessaria. Il prezzo di questo metodo č ovviamente
una maggiore complessitā circuitale, ma c'č anche un certo peggioramento
della qualitā globale, dovuto all'aumento della distorsione (e quindi
delle intermodulazioni) e del rumore (e quindi una riduzione della
sensibilitā, che obbliga a spingere di pių il front-end, aumentandone il
costo). in pratica, le conversioni possono essere anche pių di due (tre,
quattro, anche cinque!), specialmente nei casi di ricevitori che coprano
molte bande e/o bande molto ampie. 
I ricevitori si dividono quindi in singola, doppia, tripla,...
conversione. Si noti bene perō che in generale un ricevitore a pių
conversioni, benché certamente pių complesso e quindi probabilmente pių
costoso, non č detto che sia migliore di uno a conversione singola.
*Il convertitore* 
Il convertitore gioca un ruolo essenziale nel ricevitore supereterodina,
e in esso si gioca buona parte della qualitā del risultato. Esistono
molti modi per fare un convertitore; il pių semplice č uno stadio non
lineare (un diodo, un transistor, una valvola), nel quale entrino
contemporaneamente il segnale da ricevere e quello dell'oscillatore
locale. Un convertitore di questo genere, che č tipico dei ricevitori
consumer (ad esempio, quelli domestici), ha per definizione una
distorsione elevata, per cui le sue prestazioni in termini di
intermodulazione sono necessariamente molto modeste; per contro, č
semplice ed economico. Ma a parte questi convertitori "rudimentali",
esistono varie categorie di circuiti impiegabili in ricevitori di
qualitā:
1. i modulatori bilanciati: si tratta di circuiti in cui la distorsione
č mantenuta bassa grazie ad una configurazione circuitale del tipo
push-pull, o comunque simmetrica; sono spesso realizzati con coppie di
transistor (bjt o fet), ma nel caso dei ricevitori il tipo pių impiegato
č il cosiddetto "modulatore ad anello". Questo č formato da quattro
diodi, usati come interruttori che vengono aperti e chiusi dal segnale
dell'oscillatore locale, usati in una configurazione che sostanzialmente
č la stessa di un invertitore di quelli usati per i punti luce
(lampadari...) comandati da tre o pių interruttori, che inverte
continuamente la connessione tra i capi di un trasformatore d'ingresso
ed uno d'uscita. Il trucco per far funzionare bene un modulatore ad
anello č avere un segnale che pilota i diodi sia abbastanza forte da
aprirli e chiuderli senza incertezze (+5-10 dBm, che equivale suppergių
a mezzo volt, vale a dire la tensione di gradino dei diodi), mentre il
segnale da convertire deve essere abbastanza piccolo da attraversare i
diodi senza modificarne apprezzabilmente la conduzione; in queste
condizioni, si ottiene una conversione pulita e senza troppa
distorsione. perché il convertitore ad anello risulti veramente buono č
necessario che i diodi siano uguali e quanto pių veloci possibile (vanno
benone le quaterne selezionate di diodi Schottky barrier, che perō
costicchiano...) e che il modulatore bilanciato sia terminato sulla
propria impedenza caratteristica
2. i modulatori a prodotto: si tratta di dispositivi o di circuiti nei
quali viene realizzata una vera e propria moltiplicazione tra i due
segnali, (virtualmente!) senza distorsione, a causa delle
caratteristiche proprie dei componenti (ad esempio, mosfet dual-gate,
valvole multigriglia o beam deflection), oppure del circuito impiegato
(ad esempio, amplificatori differenziali modulati in trasconduttanza).
Questo tipo di modulatori, ampiamente usato sia negli stadi di
trasmissione che di ricezione, viene realizzato sia con componenti
discreti (specialmente mosfet dual gate) sia con circuiti integrati (lo
storico S042P, il pių recente NE602, l'immarcescibile MC1496, etc). Nel
caso di circuiti a componenti discreti, spesso si ricorre a
configurazioni push-pull per ridurre ulteriormente le distorsioni e
migliorare la qualitā.
Chiaramente, il primo convertitore č il pių critico, in quanto al suo
ingresso si trova non solo il segnale desiderato, ma la somma di tutti i
segnali presenti nella banda permessa dal preselettore. Il totale, in
presenza di forti segnali, puō assommare a tensioni anche elevate;
perciō la distorsione del convertitore, ai fini dell'intermodulazione, č
importante praticamente quanto quella del front-end. I circuiti
integrati convertitori consentono risultato che vanno dal discreto al
molto buono, ma per ottenere l'ottimo di solito č necessario ricorrere a
circuiti a componenti discreti ben progettati e ben realizzati
(comunque, non č facile fare meglio di National, Motorola, Philips e
compagnia bella).
*Il canale FI* 
Il canale FI comprende l'amplificazione principale del ricevitore, e
pratiacmente tutta la sua selettivitā; nel caso di ricevitori a
conversioni multiple, il guadagno č distribuito tra i vari blocchi a
freqeunze intermedie, ma la selettivitā č praticamente concentrata
sull'ultima conversione (che č quella a frequenza pių bassa), mentre gli
stadi precedenti sono selettivi quel tanto che basta ad assicurare la
reiezione dell'immagine.
La scelta della frequenza intermedia dipende essenzialmente dalla
larghezza di banda del segnale da ricevere; ad esempio, nei ricevitori
TV, che hanno banda pari a circa 7 MHz, la media di solito č intorno
alla quarantina di MHz; nei ricevitori FM a larga banda (200 kHz), la
frequenza intermedia di solito č standardizzata a 10.7 MHz (Q~50),
mentre per la AM di solito si sceglie 455 kHz (standard
americano-giapponense) oppure 470 kHz (standard europeo), e le ampiezze
di banda sono circa 9 kHz (ancora Q~50). Nel caso dei ricevitori per
telecomunicazioni ("communication receiver"), la selettivitā di solito
non č demandata a semplici circuiti risonanti ma a filtri
elettro-meccanici di vario genere; ne esistono sostanzialmente di tre
tipi:
1. a quarzo: sono i migliori, ma anche i pių costosi;
2. meccanici: danno prestazioni e costo intermedi;
3. ceramici: chi si contenta gode...
I filtri ceramici si comportano abbastanza bene in banda ed al taglio;
il loro difetto principale consiste nella loro scarsa attenuazione in
banda lontana (cioč molto fuori banda); per questo motivo molti
radioamatori li considerano una scelta scadente e tendono ad escluderli.
Ma questo inconveniente puō essere ridotto associandoli a filtri a
circuiti risonanti, che si comportano bene in banda lontana ma sono
scarsini al taglio, ottenendo prestazioni globali pių che decorose a
prezzi modesti (perō negli apparati commerciali i filtri ceramici si
usano per tagliare i costi di taratura, che su scala industriale sono
enormi, quindi non aspettatevi che i produttori adottino troppo spesso
questa soluzione...).
Nel canale FI di solito sono collocati i sistemi ANL, e talvolta anche
filtri speciali (in particolare i notch) o sistemi DSP.
Una prestazione che si trova frequentemente nei ricevitori
multiconversione di categoria non bassa č la possibilitā di spostare
(leggermente, di qualche kHz o al pių decina di kHz) la finestra della
catena FI; di solito questo si ottiene mediante una regolazione fine
della frequenza dell'oscillatore locale  nell'ultima conversione; in
associazione con la regolazione del BFO, questo consente di usare al
meglio il fronte (ripido) di selettivitā della media per discriminare
segnali adiacenti o eliminare segnali interferenti.
*Il rivelatore o demodulatore*
Il demodulatore determina la risposta audio alla modulazione; puō andare
da un banale convertitore di frequenza a non linearitā intrinseca
(sarebbe un semplice rivelatore a diodo... ma detto da un uomo
marketing!) a sistemi pių complessi. Il rivelatore semplice puō essere
usato anche per la ricezione della SSB e del CW, a condizione di
iniettare nel rivelatore, insieme al segnale, una opportuna portante
rigenerata in loco da un apposito oscillatore (BFO: beat frequency
oscillator, ovvero oscillatore di frequenza di battimento, secondo una
terminologia arcaica ma pittoresca), il cui livello deve risultare
abbastanza alto da fornire tutta la portante necessaria, ma abbastanza
basso da non disturbare troppo il rivelatore.
Nei ricevitori moderni decenti il rivelatore č quasi sempre un
modulatore a prodotto per SSB e CW e un demodulatore in quadratura per
la FM. Dato che a questo stadio il segnale č giā stato standardizzato di
livello dall'AGC (o dalla manopola di RF gain!), la dinamica richiesta
non č eccezionale e non servono grandi precauzioni.
*Lo stadio di bassa frequenza*
Direi che su questo non c'č molto da dire; č un amplificatore di BF,
corredato se necessario di accessori quali filtri attivi, notch e
simili. Deve essere decente, e abbastanza potente da fornire un livello
di ascolto confortevole; va comunque detto che la qualitā audio č
determinata essenzialmente dalla catena FI e dal demodulatore.
---
Ci sarebbe da parlare ancora, e a lungo; ma mi pare ora di fermarsi. Se
a qualcuno interessa approfondire qualche aspetto, sono qui. :-)
Ciao a tutti.
-- 
73 es 51 de i3hev, op. mario
http://digilander.iol.it/hamweb
http://digilander.iol.it/esperantovenezia

cominciamo ora un breve excursus dei vari tipi di struttura utilizzati.
ahhhhh... finalmente una bella boccata di ossigeno sul NG... :-)
Art, IK7JWY
www.qsl.net/ik7jwy
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