El mezclador es una etapa clave de la cadena de señales de RF en la arquitectura del (super) receptor superheterodino. Permite que el receptor se sintonice en una amplia banda de frecuencia de interés y luego convierta cualquier frecuencia de señal recibida deseada a una frecuencia fija conocida. Esto permite que la señal de interés sea procesada, filtrada y demodulada de manera eficiente. La estructura de la superestructura es elegante y simple, pero el desempeño real depende del desempeño de sus bloques funcionales constituyentes.
Tenga en cuenta que el omnipresente Superman fue desarrollado por el genio de la ingeniería Major EH Armstrong en la década de 1930 y reemplazó en gran medida su diseño de receptor anterior, el diseño superregenerativo (aunque todavía se usa en aplicaciones profesionales en la actualidad). Posteriormente, Armstrong también inventó la modulación de frecuencia, que todavía se usa ampliamente. Cualquiera de ellos convertiría a Armstrong en una categoría de "pionero e inventor", pero es realmente importante tener estos tres inventos relacionados con la radio. Para obtener más información sobre los conceptos básicos del mezclador, consulte el artículo de TechZone "Conceptos básicos del mezclador". En un receptor básico de súper "conversión simple", la señal de RF de la portadora de entrada es amplificada por una o más etapas de amplificador de bajo ruido (LNA) y luego ingresa al mezclador (Figura 1). El mezclador tiene dos entradas: señal de RF y oscilador local (LO). El LO está en un desplazamiento fijo de la señal deseada a sintonizar y se puede configurar por encima o por debajo de la frecuencia portadora; hay razones técnicas en algunos diseños, por las que uno tiene prioridad sobre el otro.
Figura 1: La arquitectura superheterodina básica mezcla la señal de RF con el oscilador local y mantiene un desplazamiento fijo con la señal de RF amplificada que se va a sintonizar para generar una señal de IF de frecuencia fija y conversión descendente, que luego puede amplificarse y demodularse en la banda base.
El mezclador es una etapa no lineal que combina dos señales. Esta mezcla no lineal produce dos salidas: una en la suma de las dos frecuencias de señal y la otra en su diferencia (otros y / armónicos también se producen mediante el proceso de mezcla no lineal, pero no son interesantes y fáciles de filtrar). Existe una salida de frecuencia de batido fija, llamada frecuencia intermedia (IF), que hace que el súper diseño sea tan efectivo. Esto se debe a que no importa cuál sea la frecuencia específica sintonizada, la FI siempre está en la misma frecuencia. Dado que la frecuencia de FI es siempre la misma, el amplificador de etapa de FI y el demodulador posterior se pueden optimizar para el rendimiento de una sola frecuencia conocida.
A continuación, filtre la salida de FI del mezclador para eliminar cualquier artefacto (tanto como sea posible) y luego pase a la siguiente etapa para una mayor amplificación y demodulación. Históricamente, la radio AM de transmisión tradicional usaba IF de 455 kHz, la radio FM de transmisión tradicional usaba 10.7 MHz, pero otras aplicaciones profesionales usaban IF diferentes.
Además del súper básico de conversión simple, también hay topologías de doble conversión. Esto se utiliza para frecuencias portadoras más altas, como 500 MHz o por encima de 1 GHz, para aliviar los problemas de filtrado de señales y los problemas de ruido optimizando el rendimiento alcanzable de cada etapa; el portador pasa a través del mezclador / LO de la primera etapa para reducirlo a aproximadamente. El primer IF de 50-100MHz se convierte luego en el segundo IF mediante el segundo mezclador / LO. Esto proporciona a los diseñadores una mayor flexibilidad general y relaja algunos de los requisitos para las especificaciones de componentes individuales. (Hay incluso receptores de triple conversión en uso comercial). Figura 2: En un diseño de doble conversión, el súper método básico extiende la primera etapa de conversión descendente para sintonizar a una frecuencia más alta; la salida de FI se vuelve equivalente a una RF de frecuencia fija, que se mezcla con el LO de la segunda etapa para producir una segunda salida de FI.
1. Diseño de FI cero
Aunque el método de ultraprecisión LO / IF es, con mucho, la arquitectura de receptor diseñada con más éxito, ahora está ganando competencia con otro método: un receptor de IF cero, también conocido como receptor de conversión de receptor directo (DCR), el receptor homodyne o receptor síncrono (Figura 3). Aquí, la frecuencia LO se establece muy cerca de la frecuencia portadora de RF de la señal deseada. La salida mixta está inmediatamente en la banda base y no requiere una etapa de FI.
Figura 3: El método de FI cero utiliza un LO que está muy cerca de la señal de RF y realiza una conversión descendente directa a banda base sin una etapa de FI intermedia.
Aunque este método reduce teóricamente la complejidad del circuito básico, impone requisitos estrictos en todas las etapas, incluido el rango dinámico, la estabilidad, la distorsión, el rango de sintonización y el ruido. Para algunas aplicaciones cuidadosamente seleccionadas y diseñadas, IC puede hacer que los receptores de FI cero sean competitivos o superiores a los superreceptores con niveles de FI.
2. Parámetros clave del mezclador
Los mezcladores pueden ser pasivos (generalmente construidos con diodos) o dispositivos activos que usan ganancia de transistor. Como módulo funcional que recopila señales en una amplia banda de frecuencia de RF y las convierte a una frecuencia de FI fija, los mezcladores tienen muchos requisitos. Los mezcladores activos y pasivos proporcionan diferentes combinaciones de parámetros clave, todos los cuales se miden en dB, a menos que se indique lo contrario:
El punto de intercepción de tercer orden o el punto de cruce de entrada (IIP3 o IP3) se relaciona con el efecto del mezclador de producto no lineal sobre la señal amplificada linealmente causada por el término de producto no lineal de tercer orden. Se utilizan dos frecuencias de prueba dentro de la banda de paso del mezclador para evaluar el punto de intercepción de tercer orden; normalmente, estas frecuencias de prueba tienen una separación de 20 a 30 kHz. Un valor de IP3 más alto (en dBm) indica un mejor mezclador.
La pérdida / ganancia de conversión es la relación entre la potencia de salida de FI y la potencia de entrada de RF. Para mezcladores pasivos, esta es siempre la pérdida (dB negativos), generalmente entre -5 y -10 dB. Aunque es una medida de la eficiencia de un mezclador, el problema aquí no es la eficiencia de la fuente de alimentación de CC, sino el nivel de potencia de RF relativamente bajo que ve el mezclador.
La figura de ruido (NF) es muy importante porque caracteriza el ruido agregado por el mezclador y aparece en la salida de FI. Esto es motivo de preocupación, porque una vez que se agrega el ruido en banda a la señal de interés, es casi imposible eliminar, destruir la señal, hacer que la demodulación sea más desafiante y reducir la tasa de error de bits (BER). La figura de ruido típica está entre 0.5 y 3 dB.
El aislamiento define el grado en que el mezclador evita que la energía de la señal de entrada de RF o LO llegue a la salida de FI, lo que puede destruir y distorsionar la FI y causar problemas y errores de demodulación. Es la relación entre la entrada de RF o LO y la salida de FI de fuga.
El rango dinámico mide la relación entre el nivel máximo de señal y el nivel mínimo de señal que el mezclador puede manejar y aún proporciona una señal de FI que cumple con las especificaciones. Dependiendo de la entrada de RF esperada, el sistema puede requerir un rango dinámico medio (50 dB) o amplio (100 dB).
Estos son solo los parámetros de rendimiento relacionados con el mezclador superior. Otros incluyen rechazo de imagen, compresión de ganancia, compensación de CC y punto de compresión de 1 dB.
3. Amplia gama de mezcladores disponibles
Los proveedores de mezcladores incluyen proveedores tradicionales de CI analógicos con experiencia en RF, así como proveedores centrados en RF que desarrollan CI y mezcladores discretos. Dado que estos dos grupos miran el desempeño del mezclador desde diferentes direcciones, tienen diferentes áreas de enfoque en términos de prioridades y compensaciones, así como aspectos comunes.
El proveedor de circuitos integrados ADI presentó el ADL5350, que es un mezclador pasivo de un solo extremo GaAs pHEMT con amplificador de búfer LO integrado (Figura 4).
Figura 4: El mezclador pasivo ADL5350 incluye un amplificador LO activo para simplificar el funcionamiento y los requisitos de generación de señales LO.
Este dispositivo de banda ancha puede manejar frecuencias de 750 MHz a 4 GHz y está diseñado para estaciones base celulares con diferentes tipos y estándares de modulación. El búfer permite al usuario proporcionar un LO de bajo nivel, lo que simplifica el diseño. La pérdida de conversión es de 6.8 dB, el factor de ruido es de 6.5 dB y el IP3 es de 25 dB. Debido a las frecuencias involucradas, el ADL5350 usa una almohadilla expuesta de 8 VFDFN, paquete a escala de chip. (También se puede usar para el proceso complementario de conversión ascendente, pero esta es otra historia).
CEL (anteriormente California Eastern Laboratory) proporciona UPC2757 chip de silicio MMIC (IC de microondas monolítico) para entrada de RF de 0.1 a 2.0 GHz e IF de 20 a 300 MHz (Figura 6).
Figura 6: La serie UPC2757 de CEL incluye mezcladores activos básicos para entradas de RF entre 0.1 y 2.0 GHz.
UPC2757TB está optimizado para un bajo consumo de energía, mientras que UPC2758TB está optimizado para una baja distorsión. Para cada IC, la ganancia de conversión es una función de la frecuencia LO (Figura 7).
Figura 7: La ganancia de conversión del MMIC UPC2757 de CEL varía con la frecuencia LO; dos miembros principales de la familia ofrecen opciones básicas para el consumo de energía y la distorsión.
Estos son solo dos ejemplos. Los mezcladores están disponibles en muchos proveedores; el equipo se puede utilizar para varias frecuencias de RF y LO, así como para diferentes niveles de potencia y parámetros de rendimiento. El proceso de toma de decisiones del diseñador primero enumera los requisitos de frecuencia básicos y los valores requeridos para otras propiedades del mezclador, así como cualquier flexibilidad o compensación que pueda existir en cualquiera de estos factores.
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