Metodo per la stabilizzazione della frequenza in un sistema Eterodina



In un sistema eterodina composto da un mescolatore, un oscillatore locale e dalla frequenza intermedia è la stabilità dell’oscillatore che determina la presenza del segnale d’ingresso (dando per scontato che quest’ultimo sia stabile in partenza) traslato nella frequenza intermedia. Ogni variazione in frequenza dell’oscillatore si rispecchia nella frequenza intermedia. Se la larghezza di banda della FI è sufficientemente larga il segnale d’ingresso sarà ancora presente sino a quando la deriva del nostro OL non sarà così ampia da farlo sparire dalla “finestra” della FI. Diversi sistemi sono stati ideati per stabilizzare la frequenza degli oscillatori. Per esempio nei ricevitori supereterodina professionali per HF l’oscillatore locale ha subìto, nel corso degli anni, diverse trasformazioni; prima conversione con oscillatore a quarzo e con la seconda controllata da VFO, sistema loop Wadley (Racal, Barlow-Wadley, Drake, Yaesu, ecc.), PLL con valvole (vedi Siemens E 311), PLL a transistor (HRO 500 ecc.), sintetizzatori digitali, ecc. ecc. Il principio del metodo qui presentato è molto semplice ed è con recupero della deriva in frequenza dell’oscillatore ma senza alcun comparatore di fase, segnale di riferimento e oscillatore controllato in tensione, ricorda in parte il loop Wadley.
Come si può notare dallo schema a blocchi della Fig.1 esso si basa nello utilizzo di due mixer e di un unico oscillatore locale. Il segnale RF inviato nel primo mixer viene addizionato con quello dell’oscillatore per avere una conversione in salita, il segnale FI ottenuto è filtrato dal filtro FL1 e quindi come valore avremo fIN+fLO= fFI, ad fFI va aggiunta l’eventuale deriva in frequenza dell’OL, di conseguenza fFI +/- deriva di fLO. Il segnale dello stesso oscillatore va inviato al secondo mixer al quale viene sottratta la frequenza della FI ottenuta all’uscita del primo mixer (e quindi da FL1), ne risulta in uscita una fIN (o seconda FI, fFI2) stabile perché la deriva in frequenza che è stata addizionata nella prima conversione viene sottratta nella seconda e pertanto si annulla, questo fin quando la deviazione dell’OL non supera la larghezza di banda del filtro FL1. Non solo avremo all’uscita la frequenza d’ingresso originale stabile ma sopratutto filtrata da FL1 ed eventualmente amplificata.
Un esempio pratico:
Frequenze d’ingresso (o di ricezione) fIN= 0--30MHz, fFI= 70 MHz come frequenza centrale fC, pertanto il nostro OL dovrà oscillatore da 70 a 40 MHz. Stabiliamo la larghezza di banda di FL1 in 30kHz, quindi il segnale d’ingresso interessato convertito dovrà trovarsi in una finestra che va da 69,985 a 70,015MHz. Supponiamo di voler ricevere la frequenza di 15 MHz, il nostro oscillatore va portato sulla frequenza di 55 MHz (70-15= 55). Ipotizziamo una deriva dell’oscillatore di +5kHz  (55,00+0,005=55,005MHz) di conseguenza avremmo 55,005+15= 70,005 MHz, questa frequenza intermedia (filtrata da FL1) viene riconvertita nel secondo mixer, 70,005-55,005= 15,000 MHz che è la nostra frequenza d’ingresso o seconda frequenza intermedia. In realtà questa seconda FI andrà da 14,980 a 15,010 MHz, dove troviamo il segnale da 15MHz desiderato. Nel caso la deriva fosse di -5kHz avremmo 54,995+15= 69,995MHz come prima FI che verrà riconvertita nel secondo mixer in: 69,995-54,995= 15MHz (che si trova tra 14,99—15,02 MHz, essendo la banda larga 30kHz). L’importante è che la deriva non superi la larghezza di FL1. Essendo una conversione in alto la frequenza immagine RF (nel caso ipotizzato: 70+70= 140 MHz, 70+40=110 MHz) è facilmente eliminabile con un filtro Passa Basso. E’ consigliabile inserire un identico filtro all’uscita del secondo mixer per eliminare o attenuare una “immagine della seconda frequenza intermedia” che si verrebbe a creare. Nel caso specifico;
70+70=140MHz e 70+40=110MHz.
A cosa può servire un sistema del genere?
Il suo impiego più ovvio è come:
-Filtro RF o preselettore a banda stretta (uguale a FL1)
un'altra utilizzazione logica:
-Voltmetro Selettivo (magari sfruttando un voltmetro RF a larga banda)
Altri utilizzi potrebbero essere:
-Misuratore di campo
-Ricevitore a copertura continua
-Monitoraggio video dello spettro di frequenza (panoramico o analizzatore di spettro)
E’evidente che utilizzandolo in uno degli impieghi suddetti va completato con altri circuiti, tipo; amplificatore FI (o RF), rivelatore (diodo) a larga banda, filtro variabile in BF, oscillatore locale sweeppato, ecc. Dato l’ampia escursione dell’oscillatore è opportuno dotare la sintonia principale di un allargatore di banda, o band spread, meccanico e/o elettrico. Nulla vieta l’utilizzo di un oscillatore suddiviso in più bande. Il sistema qui descritto è piuttosto semplice ed è a basso rumore di fase grazie all’assenza di VCO, segnali di correzione e divisori vari.

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

Method for frequency stabilization in a Heterodyne system

 

In a heterodyne system composed of a mixer, a local oscillator and the intermediate frequency it’s the oscillator stability which determines the presence of the input signal (assuming that the latter is stable at the start) shifted in the intermediate frequency. Any change in the oscillator frequency is reflected in the intermediate frequency. If the bandwidth of the IF is large enough the input signal will still be present until the drift of our LO will not be so wide as to make it disappear from the "window" of the IF. Several systems have been designed to stabilize the frequency of oscillators. For example in professional HF superheterodyne receivers the local oscillator has experienced over the years, several transformations; first conversion with quartz oscillator and with the second controlled by VFO, Wadley loop system (Racal, Barlow-Wadley, Drake, Yaesu, etc.), PLL with tubes (see Siemens E 311), transistor PLL (HRO 500 etc. ), digital synthesizers, etc.. etc. The principle of the method presented here is very simple and it is with recovery of the drift of the oscillator frequency but with no phase comparator, reference signal and voltage controlled oscillator, recalls in part the Wadley loop. As can be seen from the block diagram of Fig.1 it is based in the use of two mixers and a single local oscillator. The RF signal is sent to the first mixer and is added to that of the oscillator to have an up conversion, the IF signal obtained is filtered by the filter FL1 and then we will have fIN + fLO = fIF, to fIF it must be added the possible drift of the LO frequency, consequently fIF +/- drift fLO. The signal of the same oscillator is sent to the second mixer to which it is subtracted the frequency of the IF obtained at the output of the first mixer (and hence from FL1), resulting in the output a fIN (or second IF, fIF2) stable because the drift in frequency that was added in the first conversion it is subtracted in the second one and therefore it is canceled, this until the LO deviation does not exceeds the bandwidth of the FL1 filter. Not only we will have a stable original input frequency but also filtered by FL1 and possibly amplified.  A practical example: input frequencies (or receiving frequencies) fIN = 0--30MHz, fIF= 70 MHz as a central frequency fC, therefore our LO must oscillates from 70 to 40 MHz. We establish the bandwidth of FL1 in 30kHz, then our converted input frequency should be in a window that goes from 69.985 to 70,015MHz. Suppose you want to receive the 15 MHz frequency, our oscillator must be tuned to 55 MHz (70-15 = 55). Assume a drift of the oscillator of + 5kHz (55.00 + 0.005 = 55,005MHz) accordingly we will have 55.005 + 15 = 70.005 MHz, this intermediate frequency (filtered by FL1) is reconverted in the second mixer, from 70.005 - 55.005 = 15,000 MHz which is our input frequency or second intermediate frequency. Actually this second IF will go from 14.980 to 15.010 MHz, where we find our 15MHz desired signal. If the drift was -5kHz we would have 54,995 + 15 = 69,995MHz as a first IF that will be reconverted in the second mixer in: 69.995 to 54.995 = 15MHz (which is located between 14.99 to 15.02 MHz, being the bandwidth of FL1, 30kHz ).The important thing is that the frequency drift does not exceeds the width of FL1. Being an up conversion the RF image (In this hypothetical case: 70 + 70 = 140 MHz, 70 + 40 = 110 MHz) is easily removed by using a Low Pass filter. It is advisable to insert an identical filter at the output of the second mixer to eliminate or mitigate an "image of the second intermediate frequency" that would be created. In the specific case; 70+70=140MHz and 70+40=110MHz. What can be the use of such a system? The most obvious is as a:
-RF Filter or preselector of narrowband (equal to FL1)
another logic utilization:
-Selective Voltmeter (perhaps in front of a broadband RF voltmeter)
Other uses could include:
-RF Field measuring receiver
-Full coverage receiver
-Video frequency spectrum monitor (panoramic or spectrum analyzer)
It is evident that by using this system in one of these employments it must be completed with other circuits, i.e.; IF (or RF) amplifier, broadband detector (diode), variable AF filter, local sweep oscillator, etc. Given the wide excursion of the oscillator it is appropriate to equip the main tuning with a mechanical and / or electrical band spread. Nothing prevents the use of an oscillator divided into multiple bands. The system described here is quite simple and is of low phase noise thanks to the absence of a VCO, correction signal and various dividers.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Maggio May
2017