Como um rádio AM filtra apenas a frequência desejada?

Entendo que as ondas eletromagnéticas no ar induzem uma corrente alternada na antena. Também entendo como, depois de filtrar o sinal para obter a frequência desejada, você pode obter o envelope do sinal e acionar um alto-falante.

O que eu não entendo é a parte do meio, onde o rádio pega o sinal da antena e filtra apenas a frequência desejada. Digamos que é um rádio muito simples que se preocupa apenas com uma única frequência. Você pode explicar como isso funciona na eletrônica e como isso funcionaria se você estivesse tentando escrever um rádio em um software com base em dados discretamente amostrados?

Ele usa algo chamado filtro. Você pode criar filtros de todos os tipos de coisas diferentes.

Os filtros RC feitos de resistores e capacitores são provavelmente os mais simples de entender. Basicamente, o capacitor atua como um resistor, mas com uma resistência diferente em diferentes frequências. Ao adicionar um resistor, você pode construir um divisor de tensão que depende da frequência. Isso é chamado de filtro RC. Você pode criar filtros passa-alto e passa-baixo com um resistor e um capacitor. Um filtro passa-baixo é projetado para passar baixas frequências e bloquear altas frequências, enquanto um filtro passa-alto faz o contrário. Um passe baixo em série com um passe alto forma um passe de banda, que passa frequências dentro de um intervalo e bloqueia outras frequências. Observe que a operação de um filtro RC (e a maioria dos filtros) dependerá da fonte e da impedância de carga.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Os filtros também podem ser feitos com outros componentes, como indutores. Os indutores também atuam como resistores, mas mudam na direção oposta como capacitores. Em baixas frequências, um indutor parece curto, enquanto um capacitor parece aberto. Em altas frequências, um indutor parece aberto, enquanto um capacitor parece curto. Os filtros LC são um tipo de filtro construído com indutores e capacitores. É possível criar um filtro LC bastante preciso que corta rapidamente e é fácil de ajustar com um capacitor variável. É o que normalmente é feito para rádios simples, como rádios de cristal.

^{simule este circuito}

Você pode criar filtros passa-banda a partir de qualquer coisa que tenha uma frequência ressonante. Um capacitor e um indutor em série ou em paralelo formam um circuito de tanque ressonante que pode ser usado como filtro passa-banda ou batente de banda, dependendo de como você o conecta. Uma antena também é um filtro passa-banda - ela receberá apenas freqüências bem que tenham comprimentos de onda em torno do tamanho da antena. Muito grande ou muito pequeno e não funcionará. As cavidades também podem ser usadas como filtros - uma caixa de metal selada possui vários modos de onda estacionária, e eles podem ser explorados para serem usados ​​como filtros. As ondas eletrônicas também podem ser convertidas em outras ondas, como ondas acústicas e filtradas. Os filtros SAW (onda acústica da superfície) e os filtros de cristal funcionam por ressonância mecânica e usam o efeito piezoelétrico para interagir com o circuito. Também é possível construir filtros a partir das linhas de transmissão, explorando sua indutância e capacitância inerentes, bem como explorando interferências construtivas e destrutivas resultantes de reflexões. Eu já vi vários filtros de banda de microondas que são feitos de um pedaço de cobre de forma louca impressa em uma placa de circuito impresso. Estes são chamadosfiltros de elementos distribuídos . Aliás, a maioria desses outros filtros pode ser modelada como circuitos LC ou RLC.

Agora, um rádio definido por software é um animal completamente diferente. Como você está trabalhando com dados digitais, não pode simplesmente jogar alguns resistores e capacitores no problema. Em vez disso, você pode usar algumas topologias de filtro padrão como FIR ou IIR. Estes são construídos a partir de uma cascata de multiplicadores e somadores. A ideia básica é criar uma representação no domínio do tempo do filtro necessário e, em seguida, envolvê-lo nos dados. O resultado são dados filtrados. É possível criar filtros FIR passa-baixo e passa-banda.

A filtragem anda de mãos dadas com a conversão de frequência. Há um parâmetro que você verá em todo o lugar chamado Q. Esse é o fator de qualidade. Para filtros passa-banda, isso está relacionado à largura de banda e à frequência central. Se você deseja criar um filtro de 100 Hz de largura a 1 GHz, precisará de um filtro com um Q astronomicamente alto. O que é inviável de construir. Portanto, o que você faz é filtrar com um filtro Q baixo (amplo), converter para uma frequência mais baixa e depois filtrar com outro filtro Q baixo. No entanto, se você converter 1 GHz para, digamos, 10 MHz, um filtro de 100 Hz terá um Q muito mais razoável. Isso geralmente é feito em rádios e possivelmente com mais de uma conversão de frequência. Além disso,

No caso de filtros digitais, quanto mais longo o filtro, maior o Q e mais seletivo o filtro se torna. Aqui está um exemplo de um filtro passa-banda FIR:

A curva superior é a resposta de frequência do filtro e a curva inferior é um gráfico dos coeficientes do filtro. Você pode pensar nesse tipo de filtro como uma maneira de procurar formas correspondentes. Os coeficientes do filtro contêm componentes de frequência específicos. Como você pode ver, a resposta oscila um pouco. A idéia é que essa oscilação corresponda à forma de onda de entrada. Os componentes de frequência que se aproximam aparecerão nos componentes de saída e frequência que não serão cancelados. Um sinal é filtrado deslizando os coeficientes do filtro ao longo do sinal de entrada, uma amostra de cada vez, e a cada deslocamento, as amostras de sinal correspondentes e os coeficientes do filtro são multiplicados e somados. Isso acaba basicamente fazendo a média dos componentes de sinal que não correspondem ao filtro.

A conversão de frequência também é realizada no software e no hardware. No hardware, isso é necessário para obter a banda na qual você está interessado dentro da largura de banda do ADC IF. Digamos, se você deseja observar um sinal em 100 MHz, mas o seu ADC pode receber apenas 5 MHz de largura de banda, você deverá convertê-lo em torno de 95 MHz. A conversão de frequência é realizada com um misturador e uma frequência de referência, geralmente chamada de oscilador local (LO). A mistura explora uma identidade trigonométrica, . A mixagem requer um componente que multiplique as amplitudes dos dois sinais de entrada juntos, e o resultado são componentes de frequência na soma e na diferença das frequências de entrada. Após a mixagem, você precisará usar um filtro para selecionar a saída do mixer que deseja.

Isso é feito usando um sistema de ajuste Heterodyne. Por exemplo, digamos que você queira sintonizar uma estação a 1200kHZ. Você configura o dial de sintonia para "1200", que define um oscilador local para gerar uma frequência de 745kHz. Quando você as mistura, uma das frequências resultantes é a diferença (a frequência que você deseja sintonizar - 745kHz).

O próximo estágio é um amplificador de banda estreita sintonizado em 455kHz. O que agora está em 455kHZ era 455 + 745 ou 1200kHZ, a estação que você queria receber. Isso (455kHz) é amplificado e detectado, resultando no áudio da estação sendo ouvida.
Outras frequências ainda são recebidas, é claro. Mas a frequência resultante será diferente de 455kHz, portanto eles não serão amplificados.

O uso da frequência intermediária de 455kHZ (nos EUA) foi decidido porque estava abaixo da banda AM padrão (535kHZ a 1610kHz), para que não houvesse interferência em nenhuma estação que você estivesse tentando receber.

Isto é para recepção de sinal de rádio analógico. Para detalhes adicionais, você pode verificar Heterodyne , Por que a conversão para Frequência Intermediária? e frequência intermediária .

A antena de um rádio receberá muitos sinais igualmente. o que queremos é filtrar as outras estações e permitir apenas o sinal da estação na qual estamos sintonizados. A maneira como isso foi feito inicialmente foi usar um indutor e um capacitor variável. Em alguma frequência, a reatância indutiva será igual à reatância capacitiva, Xl = Xc, dando a menor quantidade de impedância para esse sinal. esse sinal é então enviado para ser amplificado pelos demais circuitos no rádio, enquanto as outras frequências são suprimidas porque não estão nessa frequência ressonante. Contanto que o Q do filtro seja alto o suficiente, você poderá evitar que as outras estações sejam amplificadas. Também interessante, este circuito indutivo / capacitivo oscila, no verdadeiro sentido de osciladores ... o que significa que ele tem um ganho acima de 1 e é acionado por uma corrente.

na minha opinião, a onda AMPLITUDE MODULATED (contendo a onda portadora e os dados (voz)) é misturada com a freqüência intermediária que está fora de fase em 180 graus, produzindo assim a informação (voz). subtrair fase e ondas em fase adicionam a mesma idéia aqui.