Mikser jest kluczowym etapem łańcucha sygnału RF w architekturze superheterodynowej (super) odbiornika. Pozwala to na dostrojenie odbiornika w szerokim paśmie częstotliwości, a następnie konwersję dowolnej pożądanej częstotliwości odbieranego sygnału na znaną stałą częstotliwość. Pozwala to na wydajne przetwarzanie, filtrowanie i demodulowanie sygnału będącego przedmiotem zainteresowania. Struktura super struktury jest elegancka i prosta, ale rzeczywista wydajność zależy od wydajności jej składowych bloków funkcjonalnych.
Należy zauważyć, że wszechobecny Superman został opracowany przez geniusza inżynierii, majora EH Armstronga, w latach 1930. XX wieku i w dużej mierze zastąpił jego poprzednią konstrukcję odbiornika, konstrukcję superregeneracyjną (chociaż nadal jest używana w profesjonalnych zastosowaniach). Następnie Armstrong wynalazł również modulację częstotliwości, która jest nadal szeroko stosowana. Każdy z nich uczyniłby Armstronga kategorią „pionierów i wynalazców”, ale naprawdę ważne jest posiadanie tych trzech wynalazków związanych z radiem. Więcej informacji na temat podstaw miksera można znaleźć w artykule TechZone „Podstawy miksera”. W podstawowym odbiorniku z super „pojedynczą konwersją” wejściowy sygnał RF nośnej jest wzmacniany przez jeden lub więcej stopni wzmacniacza niskoszumowego (LNA), a następnie wchodzi do miksera (rysunek 1). Mikser posiada dwa wejścia: sygnał RF oraz lokalny oscylator (LO). LO jest na stałym przesunięciu od pożądanego sygnału, który ma być dostrojony i może być ustawiony powyżej lub poniżej częstotliwości nośnej; w niektórych projektach istnieją powody techniczne, dla których jeden ma pierwszeństwo przed drugim.
Rysunek 1: Podstawowa architektura superheterodynowa łączy sygnał RF z lokalnym oscylatorem i utrzymuje stałe przesunięcie ze wzmocnionym sygnałem RF, który ma być dostrojony w celu wygenerowania sygnału IF o stałej częstotliwości konwersji w dół, który może być następnie wzmacniany i demodulowany w paśmie podstawowym.
Mikser to nieliniowy stopień, który łączy dwa sygnały. To nieliniowe miksowanie daje dwa wyjścia: jedno na sumę dwóch częstotliwości sygnału, a drugie na ich różnicę (inne i/harmoniczne są również wytwarzane w nieliniowym procesie miksowania, ale nie są interesujące i łatwe do filtrowania). Istnieje taka stała częstotliwość dudnienia, zwana częstotliwością pośrednią (IF), co sprawia, że super konstrukcja jest tak efektywna. Dzieje się tak, ponieważ bez względu na to, jaka konkretna częstotliwość jest dostrojona, IF jest zawsze na tej samej częstotliwości. Ponieważ częstotliwość IF jest zawsze taka sama, wzmacniacz stopnia IF i następujący po nim demodulator można zoptymalizować pod kątem wydajności pojedynczej znanej częstotliwości.
Następnie przefiltruj wyjście IF miksera, aby wyeliminować wszelkie artefakty (w miarę możliwości), a następnie przejdź do następnego etapu w celu dalszego wzmocnienia i demodulacji. Historycznie, tradycyjne radiostacje AM wykorzystywały 455 kHz IF, tradycyjne radio FM transmisyjne używało 10.7 MHz, ale inne profesjonalne aplikacje wykorzystywały różne IF.
Oprócz podstawowej wersji super z pojedynczą konwersją istnieją również topologie z podwójną konwersją. Jest to używane dla wyższych częstotliwości nośnych, takich jak 500 MHz lub powyżej 1 GHz, aby złagodzić problemy z filtrowaniem sygnału i problemy z szumem poprzez optymalizację osiągalnej wydajności każdego etapu; nośna przechodzi przez mikser/LO pierwszego stopnia, aby zredukować ją do w przybliżeniu. Pierwsza IF 50-100 MHz jest następnie konwertowana w dół do drugiej IF przez drugi mikser/LO. Zapewnia to projektantom większą ogólną elastyczność i rozluźnia niektóre wymagania dotyczące specyfikacji poszczególnych komponentów. (W zastosowaniach komercyjnych są nawet odbiorniki z potrójną konwersją.) Rysunek 2: W konstrukcji z podwójną konwersją, podstawowa super metoda rozszerza pierwszy etap konwersji w dół w celu dostrojenia do wyższej częstotliwości; wyjście IF staje się równoważne ze stałą częstotliwością RF, która jest mieszana z LO drugiego stopnia w celu wytworzenia drugiego wyjścia IF.
1. Konstrukcja zero-IF
Chociaż ultraprecyzyjna metoda LO/IF jest zdecydowanie najskuteczniej zaprojektowaną architekturą odbiornika, teraz zyskuje konkurencję ze strony innej metody: odbiornika zerowego IF, znanego również jako odbiornik z bezpośrednią konwersją odbiornika (DCR), odbiornik homodynowy lub odbiornik synchroniczny (rysunek 3). Tutaj częstotliwość LO jest ustawiona bardzo blisko częstotliwości nośnej RF pożądanego sygnału. Zmiksowane wyjście jest natychmiast w paśmie podstawowym i nie wymaga stopnia IF.
Rysunek 3: Metoda zero-IF wykorzystuje LO, który jest bardzo zbliżony do sygnału RF i bezpośrednio konwertuje w dół do pasma podstawowego bez pośredniego stopnia IF.
Chociaż ta metoda teoretycznie zmniejsza złożoność podstawowego obwodu, nakłada surowe wymagania na wszystkie etapy, w tym zakres dynamiki, stabilność, zniekształcenia, zakres strojenia i szum. W przypadku niektórych starannie wybranych i zaprojektowanych aplikacji, IC może sprawić, że odbiorniki z zerową częstotliwością IF będą konkurencyjne lub lepsze od superodbiorników z poziomami IF.
2. Kluczowe parametry miksera
Miksery mogą być pasywne (najczęściej zbudowane z diod) lub aktywne, wykorzystujące wzmocnienie tranzystorowe. Jako funkcjonalny moduł, który zbiera sygnały w szerokim paśmie częstotliwości RF i konwertuje je w dół do stałej częstotliwości IF, miksery mają wiele wymagań w tym zakresie. Miksery aktywne i pasywne zapewniają różne kombinacje kluczowych parametrów, z których wszystkie są mierzone w dB, chyba że zaznaczono inaczej:
Punkt przecięcia trzeciego rzędu lub wejściowy punkt przecięcia (IIP3 lub IP3) odnosi się do wpływu nieliniowego miksera iloczynu na liniowo wzmocniony sygnał spowodowany przez nieliniowy składnik iloczynu trzeciego rzędu. Do oceny punktu przecięcia trzeciego rzędu wykorzystywane są dwie częstotliwości testowe w paśmie przepuszczania miksera; zazwyczaj te częstotliwości testowe są oddalone od siebie o około 20 do 30 kHz. Wyższa wartość IP3 (w dBm) wskazuje na lepszy mikser.
Strata/wzmocnienie konwersji to stosunek mocy wyjściowej IF do mocy wejściowej RF. W przypadku mikserów pasywnych jest to zawsze strata (ujemny dB), zwykle między -5 a -10 dB. Chociaż jest to miara wydajności miksera, problemem nie jest tutaj wydajność zasilacza DC, ale stosunkowo niski poziom mocy RF, który widzi mikser.
Współczynnik szumów (NF) jest bardzo ważny, ponieważ charakteryzuje szum dodawany przez mikser i pojawia się na wyjściu IF. Jest to problem, ponieważ po dodaniu szumu w paśmie do sygnału będącego przedmiotem zainteresowania jest prawie niemożliwe wyeliminowanie, zniszczenie sygnału, utrudnienie demodulacji i zmniejszenie bitowej stopy błędów (BER). Typowy poziom hałasu wynosi od 0.5 do 3 dB.
Izolacja określa stopień, w jakim mikser uniemożliwia dotarcie energii sygnału wejściowego RF lub LO do wyjścia IF, co może zniszczyć i zniekształcić IF oraz spowodować problemy i błędy demodulacji. Jest to stosunek wejścia RF lub LO do wyjścia IF upływu.
Zakres dynamiczny mierzy stosunek maksymalnego poziomu sygnału do minimalnego poziomu sygnału, jaki może obsłużyć mikser, i nadal zapewnia sygnał IF zgodny ze specyfikacją. W zależności od oczekiwanego wejścia RF, system może wymagać średniego (50 dB) lub szerokiego zakresu dynamiki (100 dB).
To tylko parametry wydajności związane z topowym mikserem. Inne obejmują odrzucanie obrazu, kompresję wzmocnienia, przesunięcie DC i punkt kompresji 1 dB.
3. Szeroka gama dostępnych mikserów
Dostawcy mikserów obejmują tradycyjnych dostawców analogowych układów scalonych z doświadczeniem w zakresie RF, a także dostawców zorientowanych na częstotliwości radiowe, którzy opracowują miksery IC i dyskretne. Ponieważ te dwie grupy patrzą na wydajność mikserów z różnych kierunków, mają różne obszary zainteresowania pod względem priorytetów i kompromisów, a także wspólnych aspektów.
Dostawca układów scalonych ADI wprowadził ADL5350, który jest jednokierunkowym pasywnym mikserem GaAs pHEMT ze zintegrowanym wzmacniaczem buforowym LO (rysunek 4).
Rysunek 4: Mikser pasywny ADL5350 zawiera aktywny wzmacniacz LO, aby uprościć działanie i wymagania dotyczące generowania sygnału LO.
To urządzenie szerokopasmowe może obsługiwać częstotliwości od 750 MHz do 4 GHz i jest przeznaczone dla komórkowych stacji bazowych o różnych typach i standardach modulacji. Bufor umożliwia użytkownikowi zapewnienie niskiego poziomu LO, co upraszcza projekt. Strata konwersji wynosi 6.8 dB, poziom szumów 6.5 dB, a IP3 25 dB. Ze względu na zaangażowane częstotliwości, ADL5350 wykorzystuje 8 odsłoniętych VFDFN padów, pakiet w skali chipa. (Może być również używany do dodatkowego procesu konwersji w górę, ale to już inna historia).
CEL (dawniej California Eastern Laboratory) dostarcza chip krzemowy UPC2757 MMIC (monolityczny mikrofalowy układ scalony) dla wejścia RF od 0.1 do 2.0 GHz i IF od 20 do 300 MHz (Rysunek 6).
Rysunek 6: Seria UPC2757 firmy CEL zawiera podstawowe aktywne miksery dla wejść RF od 0.1 do 2.0 GHz.
UPC2757TB jest zoptymalizowany pod kątem niskiego zużycia energii, a UPC2758TB jest zoptymalizowany pod kątem niskich zniekształceń. Dla każdego układu scalonego wzmocnienie konwersji jest funkcją częstotliwości LO (rysunek 7).
Rysunek 7: Wzmocnienie konwersji MMIC UPC2757 CEL zmienia się wraz z częstotliwością LO; Dwóch głównych członków rodziny zapewnia podstawowe wybory dotyczące zużycia energii i zniekształceń.
To tylko dwa przykłady. Miksery są dostępne u wielu dostawców; sprzęt może być używany dla różnych częstotliwości RF i LO, a także różnych poziomów mocy i parametrów wydajności. Proces decyzyjny projektanta najpierw wymienia podstawowe wymagania dotyczące częstotliwości i wymagane wartości dla innych właściwości mieszadła, a także wszelką elastyczność lub kompromisy, które mogą istnieć w każdym z tych czynników.
Nasze inne produkty:
