Ce rol joacă mixerul în proiectarea receptoarelor RF?

Mixerul este o etapă cheie a lanțului de semnal RF în arhitectura superheterodină (super) a receptorului. Permite receptorului să fie reglat pe o bandă largă de frecvență de interes și apoi să convertească orice frecvență semnal primită dorită la o frecvență fixă cunoscută. Acest lucru permite procesarea, filtrarea și demodularea eficientă a semnalului de interes. Structura super-structurii este elegantă și simplă, dar performanța reală depinde de performanța blocurilor sale funcționale.

Rețineți că omniprezentul Superman a fost dezvoltat de geniul inginerului Major EH Armstrong era în anii 1930 și a înlocuit în mare măsură designul său anterior de receptor, designul super-regenerativ (deși este folosit și în aplicații profesionale astăzi). Ulterior, Armstrong a inventat și modulația de frecvență, care este încă utilizată pe scară largă. Oricare dintre ei ar face din Armstrong o categorie „pionier și inventator”, dar este foarte important să avem aceste trei invenții legate de radio. Pentru mai multe informații despre elementele de bază ale mixerului, consultați articolul TechZone „Noțiuni de bază ale mixerului”. Într-un receptor de bază super "conversie simplă", semnalul RF al purtătorului de intrare este amplificat de unul sau mai multe trepte de amplificator cu zgomot redus (LNA) și apoi intră în mixer (Figura 1). Mixerul are două intrări: semnal RF și oscilator local (LO). LO este la un offset fix față de semnalul dorit de acordat și poate fi setat deasupra sau sub frecvența purtătorului; există motive tehnice în unele modele, de ce una are prioritate față de cealaltă.

Figura 1: Arhitectura de bază superheterodină amestecă semnalul RF cu oscilatorul local și menține un offset fix cu semnalul RF amplificat pentru a fi acordat pentru a genera un semnal IF cu conversie descendentă, cu frecvență fixă, care poate fi apoi amplificat și demodulat în banda de bază.

Mixerul este o etapă neliniară care combină două semnale. Această amestecare neliniară produce două ieșiri: una la suma celor două frecvențe de semnal, iar cealaltă la diferența lor (alte și / armonicele sunt produse și de procesul de amestecare neliniar, dar nu sunt interesante și ușor de filtrat). Există o astfel de ieșire cu frecvență de bătăi fixă, numită frecvență intermediară (IF), care face super designul să fie atât de eficient. Acest lucru se datorează faptului că nu contează ce frecvență specifică este reglată, IF este întotdeauna la aceeași frecvență. Deoarece frecvența IF este întotdeauna aceeași, amplificatorul de scenă IF și demodulatorul ulterior pot fi optimizate pentru performanța unei singure frecvențe cunoscute.

Apoi, filtrați ieșirea IF a mixerului pentru a elimina orice artefact (cât mai mult posibil) și apoi treceți la etapa următoare pentru amplificare și demodulare ulterioară. Din punct de vedere istoric, radioul AM tradițional de difuzare folosea IF de 455 kHz, radioul tradițional FM de 10.7 MHz, dar alte aplicații profesionale foloseau IF diferite.

Pe lângă super conversia simplă de bază, există și topologii de conversie dublă. Acesta este utilizat pentru frecvențe purtătoare mai mari, cum ar fi 500 MHz sau peste 1 GHz, pentru a atenua problemele de filtrare a semnalului și problemele de zgomot, optimizând performanța realizabilă a fiecărei etape; purtătorul trece prin primul mixer de etapă / LO pentru al reduce la aproximativ Primul IF de 50-100MHz este apoi transformat în jos în al doilea IF de către al doilea mixer / LO. Acest lucru oferă proiectanților o flexibilitate generală mai mare și relaxează unele dintre cerințele pentru specificațiile individuale ale componentelor. (Există chiar și receptoare triple de conversie în uz comercial.) Figura 2: Într-un design de conversie dublă, metoda super de bază extinde prima etapă de conversie descendentă pentru reglarea la o frecvență mai mare; ieșirea IF devine echivalentă cu o frecvență RF fixă, care este amestecată cu LO din a doua etapă pentru a produce o a doua ieșire IF.

1. Design zero-IF

Deși metoda de ultra-precizie LO / IF este de departe cea mai reușită arhitectură a receptorului, acum câștigă concurență de la o altă metodă: un receptor zero-IF, cunoscut și sub numele de receptor de conversie directă a receptorului (DCR), receptorul homodin sau receptor sincron (Figura 3). Aici, frecvența LO este setată foarte aproape de frecvența purtătoarei RF a semnalului dorit. Ieșirea mixtă este imediat la banda de bază și nu necesită o etapă IF.

Figura 3: Metoda zero-IF utilizează un LO care este foarte aproape de semnalul RF și convertește direct în banda de bază fără un stadiu IF intermediar.

Deși această metodă reduce teoretic complexitatea circuitului de bază, ea impune cerințe stricte pe toate etapele, inclusiv intervalul dinamic, stabilitatea, distorsiunea, domeniul de reglare și zgomotul. Pentru unele aplicații atent selectate și proiectate, IC poate face receptoare zero-IF competitive sau superioare super-receptoare cu niveluri IF.

2. Parametrii cheie ai mixerului

Mixerele pot fi dispozitive pasive (de obicei construite cu diode) sau active care utilizează câștigul tranzistorului. Ca un modul funcțional care colectează semnale într-o bandă largă de frecvență RF și îl convertește într-o frecvență IF fixă, mixerele au multe cerințe pentru aceasta. Mixerele active și pasive oferă fiecare combinații diferite de parametri cheie, care sunt măsurați în dB, dacă nu se specifică altfel:

Punctul de interceptare de ordinul trei sau punctul de cruce de intrare (IIP3 sau IP3) se referă la efectul mixerului de produse neliniare asupra semnalului amplificat liniar cauzat de termenul de produs neliniar de ordinul III. Două frecvențe de testare în banda de trecere a mixerului sunt utilizate pentru a evalua punctul de interceptare de ordinul trei; în mod obișnuit, aceste frecvențe de testare sunt la o distanță de aproximativ 20-30 kHz. O valoare IP3 mai mare (în dBm) indică un mixer mai bun.

Pierderea / câștigul din conversie este raportul dintre puterea de ieșire IF și puterea de intrare RF. Pentru mixerele pasive, aceasta este întotdeauna pierderea (dB negativ), de obicei între -5 și -10 dB. Deși este o măsură a eficienței unui mixer, problema aici nu este eficiența alimentării cu curent continuu, ci nivelul relativ redus de putere RF pe care mixerul îl vede.

Cifra de zgomot (NF) este foarte importantă deoarece caracterizează zgomotul adăugat de mixer și apare la ieșirea IF. Aceasta este o preocupare, deoarece odată ce zgomotul în bandă este adăugat la semnalul de interes, este aproape imposibil să eliminați, să distrugeți semnalul, să faceți demodularea mai dificilă și să reduceți rata de eroare de biți (BER). Cifra tipică a zgomotului este cuprinsă între 0.5 și 3 dB.

Izolarea definește gradul în care mixerul împiedică energia semnalului de intrare RF sau LO să ajungă la ieșirea IF, care poate distruge și distorsiona IF și poate provoca probleme și erori de demodulare. Este raportul dintre intrarea RF sau LO la ieșirea IF de scurgere.

Gama dinamică măsoară raportul dintre nivelul maxim al semnalului și nivelul minim al semnalului pe care mixerul îl poate gestiona și oferă în continuare un semnal IF care îndeplinește specificațiile. În funcție de intrarea RF așteptată, sistemul poate necesita un interval dinamic mediu (50 dB) sau larg (100 dB).

Aceștia sunt doar parametrii de performanță legați de mixerul de top. Altele includ respingerea imaginii, compresia câștigului, offset DC și punct de compresie 1 dB.

3. O gamă largă de mixere disponibile

Furnizorii de mixere includ furnizori tradiționali de circuite integrate analogice cu expertiză în RF, precum și furnizori centrati pe RF care dezvoltă mixere IC și discrete. Întrucât aceste două grupuri analizează performanțele mixerului din direcții diferite, ele au domenii diferite de concentrare în ceea ce privește prioritățile și compromisurile, precum și aspecte comune.

Furnizorul IC ADI a introdus ADL5350, care este un mixer pasiv cu un singur capăt GaAs pHEMT cu amplificator tampon LO integrat (Figura 4).

Figura 4: Mixerul pasiv ADL5350 include un amplificator LO activ pentru a simplifica funcționarea și cerințele de generare a semnalului LO.

Acest dispozitiv în bandă largă poate gestiona frecvențe de la 750 MHz la 4 GHz și este conceput pentru stații de bază celulare cu diferite tipuri de modulație și standarde. Tamponul permite utilizatorului să ofere un LO de nivel scăzut, ceea ce simplifică proiectarea. Pierderea de conversie este de 6.8 dB, cifra de zgomot este de 6.5 dB, iar IP3 este de 25 dB. Datorită frecvențelor implicate, ADL5350 folosește un pachet de 8 VFDFN expus, pachet la scară cip. (Poate fi folosit și pentru procesul suplimentar de conversie în sus, dar aceasta este o altă poveste.)

CEL (fostul California Eastern Laboratory) furnizează cipul de siliciu UPC2757 MMIC (IC monolitic cu microunde) pentru intrarea RF de la 0.1 la 2.0 GHz și IF de la 20 la 300 MHz (Figura 6).

Figura 6: Seria CEL UPC2757 include mixere active de bază pentru intrări RF între 0.1 și 2.0 GHz.

UPC2757TB este optimizat pentru consum redus de energie, în timp ce UPC2758TB este optimizat pentru distorsiuni reduse. Pentru fiecare IC, câștigul de conversie este o funcție a frecvenței LO (Figura 7).

Figura 7: Câștigul de conversie al CIC lui UPC2757 MMIC variază în funcție de frecvența LO; doi membri principali ai familiei oferă alegeri de bază pentru consumul de energie și distorsiune.

Acestea sunt doar două exemple. Mixerele sunt disponibile de la mulți furnizori; echipamentul poate fi utilizat pentru diferite frecvențe RF și LO, precum și pentru diferite niveluri de putere și parametri de performanță. Procesul de luare a deciziilor proiectantului enumeră mai întâi cerințele de bază de frecvență și valorile necesare pentru alte proprietăți ale mixerului, precum și orice flexibilitate sau compromisuri care ar putea exista în oricare dintre acești factori.