O mixer é um estágio chave da cadeia de sinal de RF na arquitetura super-heteródina (super) do receptor. Ele permite que o receptor seja sintonizado em uma ampla banda de frequência de interesse e, em seguida, converta qualquer frequência de sinal recebida desejada em uma frequência fixa conhecida. Isso permite que o sinal de interesse seja processado, filtrado e demodulado com eficiência. A estrutura da superestrutura é elegante e simples, mas o desempenho real depende do desempenho de seus blocos funcionais constituintes.
Observe que o onipresente Superman foi desenvolvido pelo gênio da engenharia, Major EH Armstrong, na década de 1930, e substituiu em grande parte o design de seu receptor anterior, o design super-regenerativo (embora ainda seja usado em aplicações profissionais hoje). Posteriormente, Armstrong também inventou a modulação de frequência, que ainda é amplamente utilizada. Qualquer um deles faria de Armstrong uma categoria de "pioneiro e inventor", mas é realmente importante ter essas três invenções relacionadas ao rádio. Para obter mais informações sobre os fundamentos do mixer, consulte o artigo da TechZone "Noções básicas do mixer". Em um receptor básico de super "conversão única", o sinal de RF da portadora de entrada é amplificado por um ou mais estágios de amplificador de baixo ruído (LNA) e, em seguida, entra no mixer (Figura 1). O mixer tem duas entradas: sinal de RF e oscilador local (LO). O LO está em um deslocamento fixo do sinal desejado a ser sintonizado e pode ser definido acima ou abaixo da frequência da portadora; existem razões técnicas em alguns designs, pelas quais um tem precedência sobre o outro.
Figura 1: A arquitetura super-heteródina básica mistura o sinal de RF com o oscilador local e mantém um deslocamento fixo com o sinal de RF amplificado a ser sintonizado para gerar um sinal IF de frequência fixa de conversão descendente, que pode então ser amplificado e demodulado em banda base.
O mixer é um estágio não linear que combina dois sinais. Essa mixagem não linear produz duas saídas: uma na soma das duas frequências de sinal e a outra em suas diferenças (outras harmônicas e / também são produzidas pelo processo de mixagem não linear, mas não são interessantes e fáceis de filtrar). Existe uma saída de frequência de batimento fixa, chamada de frequência intermediária (IF), que torna o super design tão eficaz. Isso ocorre porque não importa a frequência específica sintonizada, o IF está sempre na mesma frequência. Visto que a frequência IF é sempre a mesma, o amplificador de estágio IF e o demodulador subsequente podem ser otimizados para o desempenho de uma única frequência conhecida.
Em seguida, filtre a saída IF do mixer para eliminar quaisquer artefatos (tanto quanto possível) e, em seguida, prossiga para o próximo estágio para amplificação e demodulação adicionais. Historicamente, o rádio AM de transmissão tradicional usava IF de 455 kHz, o rádio FM de transmissão tradicional usava 10.7 MHz, mas outras aplicações profissionais usavam IFs diferentes.
Além do super de conversão simples básico, também existem topologias de dupla conversão. Isso é usado para frequências portadoras mais altas, como 500 MHz ou acima de 1 GHz, para aliviar problemas de filtragem de sinal e problemas de ruído, otimizando o desempenho alcançável de cada estágio; a portadora passa pelo primeiro estágio do mixer / LO para reduzi-lo para aproximadamente O primeiro IF de 50-100 MHz é então convertido para o segundo IF pelo segundo misturador / LO. Isso fornece aos projetistas maior flexibilidade geral e relaxa alguns dos requisitos para especificações de componentes individuais. (Existem até receptores de conversão tripla em uso comercial.) Figura 2: Em um projeto de dupla conversão, o método super básico estende o primeiro estágio de conversão descendente para sintonizar em uma frequência mais alta; a saída IF torna-se equivalente a uma frequência RF fixa, que é misturada com o LO do segundo estágio para produzir uma segunda saída IF.
1. Design Zero-IF
Embora o método de ultra-precisão LO / IF seja de longe a arquitetura de receptor projetada com mais sucesso, agora está ganhando concorrência de outro método: um receptor de IF zero, também conhecido como receptor de conversão de receptor direto (DCR), o receptor homódino ou receptor síncrono (Figura 3). Aqui, a frequência LO é definida muito próxima da frequência portadora RF do sinal desejado. A saída mista está imediatamente na banda base e não requer um estágio IF.
Figura 3: O método zero-IF usa um LO que está muito próximo ao sinal de RF e converte diretamente para a banda base sem um estágio IF intermediário.
Embora este método reduza teoricamente a complexidade do circuito básico, ele impõe requisitos estritos em todos os estágios, incluindo faixa dinâmica, estabilidade, distorção, faixa de sintonia e ruído. Para algumas aplicações cuidadosamente selecionadas e projetadas, o IC pode tornar os receptores de IF zero competitivos ou superiores aos super receptores com níveis de IF.
2. Parâmetros principais do mixer
Os mixers podem ser passivos (geralmente construídos com diodos) ou dispositivos ativos que usam ganho de transistor. Como um módulo funcional que coleta sinais em uma ampla banda de frequência de RF e os converte para uma frequência IF fixa, os mixers têm muitos requisitos para isso. Cada um dos mixers ativos e passivos fornece combinações diferentes de parâmetros-chave, todos medidos em dB, a menos que indicado de outra forma:
O ponto de interceptação de terceira ordem ou ponto de cruzamento de entrada (IIP3 ou IP3) está relacionado ao efeito do misturador de produto não linear no sinal amplificado linearmente causado pelo termo de produto não linear de terceira ordem. Duas frequências de teste dentro da banda passante do mixer são usadas para avaliar o ponto de interceptação de terceira ordem; normalmente, essas frequências de teste estão separadas por cerca de 20 a 30 kHz. Um valor de IP3 mais alto (em dBm) indica um melhor mixer.
A perda / ganho de conversão é a relação entre a potência de saída de FI e a potência de entrada de RF. Para mixers passivos, é sempre a perda (dB negativo), geralmente entre -5 e -10 dB. Embora seja uma medida da eficiência de um mixer, o problema aqui não é a eficiência da fonte de alimentação DC, mas o nível de potência de RF relativamente baixo que o mixer vê por ela.
A figura de ruído (NF) é muito importante porque caracteriza o ruído adicionado pelo mixer e aparece na saída IF. Isso é uma preocupação, porque uma vez que o ruído dentro da banda é adicionado ao sinal de interesse, é quase impossível eliminar, destruir o sinal, tornar a demodulação mais desafiadora e reduzir a taxa de erro de bit (BER). O valor típico de ruído está entre 0.5 e 3 dB.
O isolamento define o grau em que o misturador evita que a energia do sinal de entrada RF ou LO alcance a saída IF, o que pode destruir e distorcer o IF e causar problemas e erros de demodulação. É a relação entre a entrada RF ou LO e a saída IF de fuga.
A faixa dinâmica mede a relação entre o nível de sinal máximo e o nível de sinal mínimo que o mixer pode manipular e ainda fornece um sinal IF que atende às especificações. Dependendo da entrada de RF esperada, o sistema pode exigir uma faixa dinâmica média (50 dB) ou ampla (100 dB).
Esses são apenas os parâmetros de desempenho relacionados ao mixer superior. Outros incluem rejeição de imagem, compressão de ganho, deslocamento DC e ponto de compressão de 1 dB.
3. Grande variedade de mixers disponíveis
Os fornecedores de mixers incluem fornecedores de IC analógicos tradicionais com experiência em RF, bem como fornecedores centrados em RF que desenvolvem IC e misturadores discretos. Como esses dois grupos olham para o desempenho do mixer de diferentes direções, eles têm diferentes áreas de foco em termos de prioridades e compensações, bem como aspectos comuns.
O fornecedor de IC ADI apresentou o ADL5350, que é um misturador passivo de terminação única GaAs pHEMT com amplificador de buffer LO integrado (Figura 4).
Figura 4: O mixer passivo ADL5350 inclui um amplificador LO ativo para simplificar a operação e os requisitos de geração de sinal LO.
Este dispositivo de banda larga pode lidar com frequências de 750 MHz a 4 GHz e é projetado para estações base de celular com diferentes tipos e padrões de modulação. O buffer permite que o usuário forneça um LO de baixo nível, o que simplifica o projeto. A perda de conversão é de 6.8 dB, a figura de ruído é de 6.5 dB e o IP3 é de 25 dB. Devido às frequências envolvidas, o ADL5350 usa uma almofada exposta de 8 VFDFN, pacote em escala de chip. (Também pode ser usado para o processo complementar de conversão, mas esta é outra história.)
CEL (anteriormente California Eastern Laboratory) fornece chip de silício UPC2757 MMIC (micro-ondas monolítico IC) para entrada de RF de 0.1 a 2.0 GHz e IF de 20 a 300 MHz (Figura 6).
Figura 6: A série UPC2757 da CEL inclui mixers ativos básicos para entradas de RF entre 0.1 e 2.0 GHz.
UPC2757TB é otimizado para baixo consumo de energia, enquanto UPC2758TB é otimizado para baixa distorção. Para cada IC, o ganho de conversão é uma função da frequência LO (Figura 7).
Figura 7: O ganho de conversão do CEL UPC2757 MMIC varia com a frequência LO; dois membros principais da família fornecem opções básicas para consumo de energia e distorção.
Esses são apenas dois exemplos. Os misturadores estão disponíveis em muitos fornecedores; o equipamento pode ser usado para várias frequências RF e LO, bem como diferentes níveis de potência e parâmetros de desempenho. O processo de tomada de decisão do projetista primeiro lista os requisitos básicos de frequência e os valores necessários para outras propriedades do misturador, bem como qualquer flexibilidade ou compensação que possa existir em qualquer um desses fatores.
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