Oscillatore a frequenza variabile - Variable-frequency oscillator
Un oscillatore a frequenza variabile ( VFO ) in elettronica è un oscillatore la cui frequenza può essere sintonizzata (cioè variata) su una certa gamma. È un componente necessario in qualsiasi trasmettitore o ricevitore radio sintonizzabile che funziona secondo il principio della supereterodina e controlla la frequenza su cui è sintonizzato l'apparato.
Scopo
In un semplice ricevitore supereterodina , il segnale in radiofrequenza in ingresso (a frequenza ) dall'antenna viene miscelato con il segnale in uscita VFO sintonizzato , producendo un segnale a frequenza intermedia (IF) che può essere elaborato a valle per estrarre le informazioni modulate . A seconda del disegno del ricevitore, la frequenza del segnale IF viene scelto per essere o la somma delle due frequenze agli ingressi mixer ( up-conversione ), o più comunemente, la frequenza differenza (down-conversione), .
Oltre alla desiderata IF del segnale e la sua immagine indesiderato (il prodotto miscelazione di segno opposto sopra), l'uscita del mixer conterranno anche le due frequenze originali, ed e varie armoniche combinazioni dei segnali di ingresso. Questi segnali indesiderati vengono rifiutati dal filtro IF . Se si utilizza un mixer doppio bilanciato, i segnali di ingresso che appaiono alle uscite del mixer vengono notevolmente attenuati, riducendo la complessità richiesta del filtro IF.
Il vantaggio di utilizzare un VFO come oscillatore eterodina è che solo una piccola porzione del ricevitore radio (le sezioni prima del mixer come il preamplificatore) deve avere un'ampia larghezza di banda. Il resto del ricevitore può essere sintonizzato finemente sulla frequenza IF.
In un ricevitore a conversione diretta , il VFO è sintonizzato sulla stessa frequenza della frequenza radio in ingresso e Hz. La demodulazione avviene in banda base utilizzando filtri passa-basso e amplificatori .
In un trasmettitore a radiofrequenza (RF) , i VFO vengono spesso utilizzati per sintonizzare la frequenza del segnale di uscita, spesso indirettamente attraverso un processo di eterodinatura simile a quello descritto sopra. Altri usi includono generatori chirp per sistemi radar in cui il VFO viene spostato rapidamente attraverso una gamma di frequenze, generazione di segnali di temporizzazione per oscilloscopi e riflettometri nel dominio del tempo e generatori audio a frequenza variabile utilizzati in strumenti musicali e apparecchiature di test audio.
Tipi
Esistono due tipi principali di VFO in uso: analogico e digitale .
VFO analogici
Un VFO analogico è un oscillatore elettronico in cui il valore di almeno uno dei componenti passivi è regolabile sotto il controllo dell'utente in modo da alterarne la frequenza di uscita. Il componente passivo il cui valore è regolabile è solitamente un condensatore , ma potrebbe essere un induttore variabile .
Condensatore di sintonia
Il condensatore variabile è un dispositivo meccanico in cui la separazione di una serie di piastre metalliche interfogliate viene fisicamente alterata per variare la sua capacità . La regolazione di questo condensatore è talvolta facilitata da un riduttore meccanico step-down per ottenere una regolazione fine.
Varactor
Un diodo semiconduttore a polarizzazione inversa mostra capacità. Poiché la larghezza della sua regione di svuotamento non conduttivo dipende dall'ampiezza della tensione di polarizzazione inversa, questa tensione può essere utilizzata per controllare la capacità di giunzione. La tensione di polarizzazione del varactor può essere generata in diversi modi e potrebbe non essere necessario che vi siano parti mobili significative nel progetto finale. I varactor presentano una serie di svantaggi tra cui deriva della temperatura e invecchiamento, rumore elettronico, fattore Q basso e non linearità.
VFO digitali
I moderni ricevitori e trasmettitori radio di solito utilizzano una qualche forma di sintesi di frequenza digitale per generare il loro segnale VFO. I vantaggi includono design più piccoli, mancanza di parti mobili, maggiore stabilità degli oscillatori di riferimento della frequenza impostata e la facilità con cui le frequenze preimpostate possono essere memorizzate e manipolate nel computer digitale che di solito è incorporato nel progetto in ogni caso.
È anche possibile che la radio diventi estremamente agile in termini di frequenza in quanto il computer di controllo potrebbe alterare la frequenza sintonizzata della radio molte decine, migliaia o addirittura milioni di volte al secondo. Questa capacità consente ai ricevitori di comunicazioni di monitorare efficacemente molti canali contemporaneamente, magari utilizzando tecniche di chiamata selettiva digitale ( DSC ) per decidere quando aprire un canale di uscita audio e avvisare gli utenti delle comunicazioni in entrata. L'agilità di frequenza preprogrammata costituisce anche la base di alcune tecniche di crittografia radio militare e stealth. L'estrema agilità di frequenza è alla base delle tecniche di spettro diffuso che hanno ottenuto l'accettazione mainstream nelle reti wireless di computer come il Wi-Fi .
Ci sono degli svantaggi nella sintesi digitale come l'incapacità di un sintetizzatore digitale di sintonizzarsi uniformemente su tutte le frequenze, ma con la canalizzazione di molte bande radio, questo può anche essere visto come un vantaggio in quanto impedisce alle radio di operare tra due canali riconosciuti .
La sintesi di frequenza digitale si basa su sorgenti di frequenza di riferimento controllate da cristalli stabili . Gli oscillatori controllati a cristallo sono più stabili degli oscillatori controllati induttivamente e capacitivamente. Il loro svantaggio è che cambiare la frequenza (più di una piccola quantità) richiede il cambio del cristallo, ma le tecniche di sintetizzazione di frequenza lo hanno reso superfluo nei progetti moderni.
Sintesi di frequenza digitale
Le tecniche elettroniche e digitali coinvolte in questo includono:
- Sintesi digitale diretta (DDS)
- Un numero sufficiente di punti dati per una funzione seno matematica viene memorizzato nella memoria digitale. Questi vengono richiamati alla giusta velocità e inviati a un convertitore da digitale ad analogico dove viene costruita l'onda sinusoidale richiesta.
- Sintesi diretta della frequenza
- Le prime radio di comunicazione canalizzate avevano più cristalli, uno per ogni canale su cui potevano operare. Dopo un po 'questo pensiero è stato combinato con le idee di base dell'eterodina e della miscelazione descritte nello scopo sopra. Più cristalli possono essere miscelati in varie combinazioni per produrre varie frequenze di uscita.
- Anello ad aggancio di fase (PLL)
- Utilizzando un oscillatore controllato da varactor o controllato in tensione (VCO) (descritto sopra in varactor con tecniche VFO analogiche ) e un rilevatore di fase, è possibile impostare un loop di controllo in modo che l'uscita del VCO sia agganciata in frequenza a un controllo a cristallo oscillatore di riferimento. Il confronto del rilevatore di fase viene effettuato tra le uscite dei due oscillatori dopo la divisione della frequenza per diversi divisori. Quindi alterando il / i divisore / i di divisione di frequenza sotto il controllo del computer, è possibile generare una varietà di frequenze di uscita VCO effettive (indivise). La tecnica PLL domina oggi la maggior parte dei progetti radio VFO.
Prestazione
Le metriche di qualità per un VFO includono stabilità di frequenza, rumore di fase e purezza spettrale. Tutti questi fattori tendono ad essere inversamente proporzionali al fattore Q del circuito di sintonizzazione . Poiché in generale anche la gamma di sintonizzazione è inversamente proporzionale a Q, questi fattori di prestazione generalmente si degradano all'aumentare della gamma di frequenza del VFO.
Stabilità
La stabilità è la misura di quanto la frequenza di uscita di un VFO si sposta con il tempo e la temperatura. Per mitigare questo problema, i VFO sono generalmente "agganciati in fase" a un oscillatore di riferimento stabile. I PLL utilizzano un feedback negativo per correggere la deriva di frequenza del VFO consentendo sia un'ampia gamma di sintonizzazione che una buona stabilità della frequenza.
Ripetibilità
Idealmente, per lo stesso ingresso di controllo al VFO, l'oscillatore dovrebbe generare esattamente la stessa frequenza. Un cambiamento nella calibrazione del VFO può cambiare la calibrazione della sintonia del ricevitore; potrebbe essere necessario un periodico riallineamento di un ricevitore. I VFO utilizzati come parte di un sintetizzatore di frequenza ad anello ad aggancio di fase hanno requisiti meno rigorosi poiché il sistema è stabile quanto la frequenza di riferimento controllata dal cristallo.
Purezza
Un grafico dell'ampiezza di un VFO rispetto alla frequenza può mostrare diversi picchi, probabilmente correlati armonicamente . Ciascuno di questi picchi può potenzialmente mescolarsi con qualche altro segnale in ingresso e produrre una risposta spuria . Questi spurii (a volte scritti spuriae ) possono provocare un aumento del rumore o due segnali rilevati dove dovrebbe essercene solo uno. È possibile aggiungere componenti aggiuntivi a un VFO per sopprimere le oscillazioni parassite ad alta frequenza, se presenti.
In un trasmettitore, questi segnali spuri vengono generati insieme al segnale desiderato. Potrebbe essere necessario filtrare per garantire che il segnale trasmesso soddisfi le normative per la larghezza di banda e le emissioni spurie.
Rumore di fase
Se esaminato con apparecchiature molto sensibili, il picco dell'onda sinusoidale pura nel grafico della frequenza di un VFO molto probabilmente risulterà non essere seduto su un rumore di fondo piatto . Leggeri " tremolii " casuali nella temporizzazione del segnale significano che il picco si trova su "gonne" di rumore di fase a frequenze su entrambi i lati di quella desiderata.
Questi sono anche fastidiosi nelle bande affollate. Consentono il passaggio di segnali indesiderati che sono abbastanza vicini a quello atteso, ma a causa della qualità casuale di queste "gonne" di rumore di fase, i segnali sono generalmente incomprensibili, poiché appaiono come rumore extra nel segnale ricevuto. L'effetto è che quello che dovrebbe essere un segnale pulito in una banda affollata può sembrare un segnale molto rumoroso, a causa degli effetti di segnali forti nelle vicinanze.
L'effetto del rumore di fase VFO su un trasmettitore è che il rumore casuale viene effettivamente trasmesso su entrambi i lati del segnale richiesto. Ancora una volta, in molti casi questo deve essere evitato per motivi legali.
Riferimento di frequenza
Gli oscillatori digitali o controllati digitalmente si basano tipicamente su riferimenti a frequenza singola costanti, che possono essere realizzati secondo uno standard più elevato rispetto alle alternative basate su semiconduttori e circuiti LC . Più comunemente viene utilizzato un oscillatore basato su cristalli di quarzo, sebbene in applicazioni ad alta precisione come le reti cellulari TDMA , anche gli orologi atomici come lo standard Rubidium siano comuni dal 2018.
A causa della stabilità del riferimento utilizzato, gli oscillatori digitali stessi tendono ad essere più stabili e più ripetibili a lungo termine. Questo in parte spiega la loro enorme popolarità nei VFO a basso costo e controllati dal computer. A breve termine, le imperfezioni introdotte dalla divisione e moltiplicazione della frequenza digitale ( jitter ) e la suscettibilità del comune standard al quarzo a shock acustici, variazione di temperatura, invecchiamento e persino radiazioni limitano l'applicabilità di un oscillatore digitale ingenuo.
Questo è il motivo per cui i VFO di fascia alta come i trasmettitori RF bloccati sul tempo atomico tendono a combinare più riferimenti diversi e in modi complessi. Alcuni riferimenti come gli orologi al rubidio o al cesio forniscono una maggiore stabilità a lungo termine, mentre altri come i maser a idrogeno producono un rumore di fase a breve termine inferiore. Quindi gli oscillatori a frequenza inferiore (e quindi a costi inferiori) bloccati in fase su una versione divisa digitalmente del master clock forniscono l'eventuale uscita VFO, attenuando il rumore indotto dagli algoritmi di divisione. Una tale disposizione può quindi fornire tutta la stabilità e la ripetibilità a lungo termine di un riferimento esatto, i vantaggi di una selezione di frequenza digitale esatta e la stabilità a breve termine, impartita anche su una forma d'onda analogica a frequenza arbitraria, il migliore di tutti i mondi.
