Tecnica di conversione di frequenza

Le seguenti note sono destinate a quanti vogliano cimentarsi nell'analisi o nella costruzione di convertitori di frequenza, sia per ricezione che per trasmissione. La trattazione matematica è stata volutamente ridotta al minimo, per fornire sia le linee guida utili allo sviluppo dell'argomento sia alcune tabelle di uso pratico che danno una visione d'insieme del problema esaminato. L'argomento trattato è di carattere generale e gli esempi potranno essere facilmente traslati sulle frequenze interessate modificando opportunamente i parametri.

Supponiamo di voler convertire la banda dei 70 centimetri (430 MHz) in quella dei 2 metri (144 MHZ) per poter usare come stadio a frequenza intermedia un ricevitore per i 2 metri (fig. 1).

A questo punto dobbiamo lavorare con un oscillatore locale in modo che la differenza con la frequenza ricevuta sia pari alla frequenza intermedia, IF, che nel nostro caso è quella di 144 MHz del nostro ricevitore.

Abbiamo due possibilità:

1) Fr-Fol = Fif

2) Fol-Fr = Fif

Nel nostro caso conviene lavorare con un oscillatore locale a frequenza più bassa di quella da ricevere; infatti, dalla 1) risulta che, dimensionando opportunamente l'oscillatore locale, è possibile leggere la frequenza ricevuta sfruttando il display del ricevitore a frequenza intermedia; diversamente (formula 2), si avrebbe l'inversione della banda ricevuta e bisognerebbe effettuare continui calcoli ad ogni cambio di frequenza o preparare una tabella di corrispondenza.

In ogni caso bisogna considerare il problema della frequenza immagine, che è bene sia eliminata sempre prima della conversione. In questo caso la frequenza immagine ha il valore

+ Fol - Fif = Fim

che nel nostro caso è pari a 144 MHz.

Scegliamo la banda da convertire e facciamo qualche calcolo. La banda da ricevere sia 432.000 - 436.000 MHz che convertiremo in 144.000 - 148.000 MHz. L'oscillatore locale avrà allora una frequenza

Fol = Fr - Fif = 432.000 - 144.000 = 288 MHz

La frequenza originaria sarà convertita nella nuova banda 144.000 - 148.000 MHz e potrà essere ricevuta con un ricevitore per tale gamma; la frequenza sarà letta direttamente, sottraendo soltanto due MHz dalla frequenza visualizzata sul display e tralasciando le due cifre più significative.

432.000 ---> 144.000 --- 436.000 ---> 148.000              (v. tab. 1, righe 1 e 2).

Supponendo di lavorare con un moltiplicatore di frequenza per dodici (v. tab.1, riga 2), occorrerà un oscillatore con quarzo a 24 MHz (24 MHz x 12 = 288 MHz). In questo caso la sesta armonica dell'oscillatore locale sarà presente (e udibile) esattamente ad inizio gamma sulla frequenza di 144.000 MHz (Fol x 6 = 144 MHz).

A qualcuno non piace avere questo segnale ad inizio gamma; per altri esso rappresenta, invece, un utile "marker" che ci assicura della perfetta sintonia del convertitore e quindi della frequenza ricevuta.

Analizziamo le tabelle per renderci conto praticamente, con qualche esempio, di quello che succede scegliendo una modalità o l'altra.

Nella tabella 1) sono riportati i valori di O.L. e di quarzo per ottenere la conversione delle gamme 430, 1296, 144 MHz con valori diversi di I.F. Dalla posizione 2 risulta che per convertire da 432 a 144 si può usare un O.L. con quarzo a 12 MHz e, moltiplicando per 24, ottenere una frequenza di mescolatore di 288 MHz; gli stadi moltiplicatori potranno avere, ad esempio, la sequenza 2x2x3x2=24 oppure, per diminuire il numero degli stadi moltiplicatori a tre, si potrà lavorare con quarzo a 24 MHz e moltiplicare per 12 con la sequenza 2x3x2; in questo caso si estraggono soltanto le seconde e terze armoniche sull'oscillatore, che sono quelle a maggior contenuto energetico. In pratica l'oscillatore deve essere dimensionato per ottenere e sintonizzare le frequenze TP1, TP2, TP3, di figura 1) che nel caso specifico sono 48, 144 e 288 Mhz.

Illustrazione 1: schema a blocchi dell'oscillatore/convertitore

Le righe 4) e 5) di tabella si riferiscono a convertitori con inversione di banda: un aumento della frequenza OL si traduce in una diminuzione della Fr.

Le modalità 6), 7), 8), 13), 14), 15), 16), 18), 19), danno la possibilità di una lettura diretta sulle ultime cifre del display dell'apparato di IF.

Da tenere presente è il fatto che all'uscita dell'oscillatore locale lo scostamento di frequenza dal valore nominale dipende dal fattore di moltiplicazione usato, che moltiplica lo scostamento iniziale. In pratica, se la frequenza nominale fosse, come nell'esempio, di 24 MHz e lo scostamento fosse soltanto di 2 KHz, usando un moltiplicatore per 12 si otterrebbe un errore assoluto di frequenza, sull'uscita, di 24 KHz. 

Vista la diffusione in campo amatoriale di ricetrasmettitori digitali di nuova generazione, controllati a PLL, con controllori DSP e chi più ne ha più ne metta, l'uso di convertitori di frequenza è stato notevolmente ridotto ma può risultare ancora conveniente sulle gamme alte, come i 23 centimetri ed oltre. In questo caso è comodo sistemare il convertitore direttamente sotto l'antenna e scendere su cavo coassiale, a frequenza intermedia, minimizzando le perdite. Dalla tabella 1) è possibile vedere come sia possibile convertire la banda dei 1296 MHz in quella dei 144 MHz e, analogamente, per una frequenza intermedia di 30 MHz.

La tabella, comunque non esaustiva, è stata ricavata combinando alcuni valori di quarzi commerciali, facilmente reperibili, con gli usuali valori di frequenza degli apparati commerciali amatoriali. In questo modo è possibile scegliere la frequenza intermedia e combinarla opportunamente senza ricorrere a valori di frequenze particolari, per le quali sarebbe necessario far tagliare dei quarzi “ad hoc”.

Una soluzione alternativa all'uso dei moltiplicatori di frequenza è rappresentata, oggi, dall'uso di oscillatori locali controllati a PLL; è possibile, infatti, acquistarne uno già assemblato o costruirne uno "ex novo" usando gli integrati PLL che il mercato oggi offre a prezzi convenienti. La precisione di frequenza è pari a quella del quarzo di riferimento ed è possibile sintonizzare esattamente l'uscita del PLL sulla frequenza voluta. Uno dei vantaggi di questa soluzione è rappresentato dal tipo di quarzo di riferimento che può essere scelto fra quelli commerciali dimensionando opportunamente lo stadio divisore del PLL. Un altro vantaggio può essere la versatilità del circuito e la programmabilità della sua frequenza, che dipende dal quarzo ma anche dalla programmazione del divisore. Di contro, bisogna scegliere bene il PLL da utilizzare, in modo da avere un basso rumore dovuto ad errori di fase.

pos.	IF	OUT	O.L.	XTAL	Moltiplicatore	Segnale OL su inizio gamma
1	144000	432000	288000	16000	18	*
2	144000	432000	288000	24000	12	*
3	144000	432000	288000	36000	8	*
4	144000	432000	576000	16000	36	*
5	144000	432000	576000	32000	18
6	130000	430000	300000	10000	30	*
7	130000	430000	300000	30000	10
8	140000	430000	290000	29000	10
9	144000	1296000	1152000	24000	48	*
10	144000	1296000	1152000	12000	96	*
11	144000	1296000	1152000	16000	72	*
12	144000	1296000	1152000	36000	32	*
13	146000	1296000	1150000	23000	50
14	146000	1296000	1150000	46000	25	*
15	140000	1240000	1100000	11000	10x10
16	140000	1240000	1100000	22000	10x5
17	24000	1240000	1216000	38000	32
18	32000	432000	400000	20000	20
19	32000	432000	400000	40000	10
20	36000	432000	396000	22000	18

Tabella 1: valori di frequenza di O.L. e quarzo per vari valori di Fo.

Conclusioni

• L'oscillatore va scelto in base alla frequenza da estrarre ed agli stadi moltiplicatori voluti;
• Il quarzo va scelto in base alla frequenza pilota ed al suo modo di oscillazione (fondamentale o armonico, risonanza serie o parallelo) perché la frequenza ottenuta cambia leggermente;
• nei limiti del possibile, usare quarzi commerciali poiché risultano "ripetibili" e poco costosi;
• Nella maggior parte dei casi è possibile sostituire lo stadio oscillatore/moltiplicatore con un oscillatore VCO controllato a PLL.