Il mixer è uno stadio chiave della catena del segnale RF nell'architettura del ricevitore supereterodina (super). Consente al ricevitore di essere sintonizzato su un'ampia banda di frequenza di interesse e quindi di convertire qualsiasi frequenza del segnale ricevuto desiderato in una frequenza fissa nota. Ciò consente di elaborare, filtrare e demodulare in modo efficiente il segnale di interesse. La struttura della sovrastruttura è elegante e semplice, ma le prestazioni effettive dipendono dalle prestazioni dei suoi blocchi funzionali costituenti.
Si noti che l'onnipresente Superman è stato sviluppato dal genio dell'ingegneria Major EH Armstrong negli anni '1930 e ha ampiamente sostituito il suo precedente design del ricevitore, il design super-rigenerativo (sebbene sia ancora utilizzato oggi nelle applicazioni professionali). Successivamente, Armstrong ha anche inventato la modulazione di frequenza, che è ancora ampiamente utilizzata. Ognuno di loro renderebbe Armstrong una categoria "pioniere e inventore", ma è davvero importante avere queste tre invenzioni relative alla radio. Per ulteriori informazioni sulle basi del mixer, vedere l'articolo TechZone "Nozioni di base sul mixer". In un ricevitore di base super "a conversione singola", il segnale RF della portante di ingresso viene amplificato da uno o più stadi di amplificazione a basso rumore (LNA) e quindi entra nel mixer (Figura 1). Il mixer ha due ingressi: segnale RF e oscillatore locale (LO). Il LO è ad un offset fisso dal segnale che si desidera sintonizzare e può essere impostato sopra o sotto la frequenza portante; ci sono ragioni tecniche in alcuni progetti, perché uno ha la precedenza sull'altro.
Figura 1: L'architettura di base della supereterodina mescola il segnale RF con l'oscillatore locale e mantiene un offset fisso con il segnale RF amplificato da sintonizzare per generare un segnale IF a frequenza fissa con conversione verso il basso, che può quindi essere amplificato e demodulato in banda base.
Il mixer è uno stadio non lineare che combina due segnali. Questa miscelazione non lineare produce due uscite: una alla somma delle due frequenze del segnale e l'altra alla loro differenza (altre e/armoniche sono prodotte anche dal processo di miscelazione non lineare, ma non sono interessanti e facili da filtrare). Esiste una frequenza di battimento così fissa, chiamata frequenza intermedia (IF), che rende il super design così efficace. Questo perché non importa quale sia la frequenza specifica sintonizzata, l'IF è sempre alla stessa frequenza. Poiché la frequenza IF è sempre la stessa, l'amplificatore dello stadio IF e il successivo demodulatore possono essere ottimizzati per l'esecuzione di una singola frequenza nota.
Quindi, filtrare l'uscita IF del mixer per eliminare eventuali artefatti (per quanto possibile), quindi procedere alla fase successiva per un'ulteriore amplificazione e demodulazione. Storicamente, la radio AM tradizionale utilizzava IF a 455 kHz, la radio FM tradizionale utilizzava 10.7 MHz, ma altre applicazioni professionali utilizzavano IF diversi.
Oltre alla base a singola conversione super, esistono anche topologie a doppia conversione. Viene utilizzato per frequenze portanti più elevate, come 500 MHz o superiori a 1 GHz, per alleviare i problemi di filtraggio del segnale e di rumore ottimizzando le prestazioni ottenibili di ogni stadio; la portante passa attraverso il mixer/LO del primo stadio per ridurlo a circa. Il primo IF di 50-100MHz viene poi ulteriormente convertito al secondo IF dal secondo mixer/LO. Ciò fornisce ai progettisti una maggiore flessibilità complessiva e riduce alcuni dei requisiti per le specifiche dei singoli componenti. (Ci sono anche ricevitori a tripla conversione in uso commerciale.) Figura 2: In un progetto a doppia conversione, il super metodo di base estende il primo stadio di conversione verso il basso per la sintonizzazione a una frequenza più alta; l'uscita IF diventa equivalente ad una RF a Frequenza fissa, che viene miscelata con il LO del secondo stadio per produrre una seconda uscita IF.
1. Progettazione Zero-IF
Sebbene il metodo di ultra-precisione LO/IF sia di gran lunga l'architettura del ricevitore progettata con maggior successo, ora sta guadagnando la concorrenza di un altro metodo: un ricevitore a zero IF, noto anche come ricevitore a conversione diretta del ricevitore (DCR), il ricevitore omodina o ricevitore sincrono (Figura 3). Qui, la frequenza LO è molto vicina alla frequenza portante RF del segnale desiderato. L'uscita mista è immediatamente in banda base e non richiede uno stadio IF.
Figura 3: Il metodo zero-IF utilizza un LO che è molto vicino al segnale RF e converte direttamente in banda base senza uno stadio IF intermedio.
Sebbene questo metodo riduca teoricamente la complessità del circuito di base, impone requisiti rigorosi a tutti gli stadi, inclusi gamma dinamica, stabilità, distorsione, gamma di sintonizzazione e rumore. Per alcune applicazioni accuratamente selezionate e progettate, IC può rendere i ricevitori zero-IF competitivi o superiori ai super ricevitori con livelli IF.
2. Parametri chiave del mixer
I mixer possono essere dispositivi passivi (generalmente costruiti con diodi) o attivi che utilizzano il guadagno del transistor. Come modulo funzionale che raccoglie segnali in un'ampia banda di frequenza RF e la converte in una frequenza IF fissa, i mixer hanno molti requisiti per questo. I mixer attivi e passivi forniscono ciascuno diverse combinazioni di parametri chiave, tutti misurati in dB, se non diversamente indicato:
Il punto di intercettazione di terzo ordine o punto di incrocio di ingresso (IIP3 o IP3) si riferisce all'effetto del mixer di prodotto non lineare sul segnale amplificato linearmente causato dal termine di prodotto non lineare di terzo ordine. Due frequenze di test all'interno della banda passante del mixer vengono utilizzate per valutare il punto di intercetta del terzo ordine; in genere, queste frequenze di prova sono distanziate di circa 20-30 kHz. Un valore IP3 più alto (in dBm) indica un mixer migliore.
La perdita/guadagno di conversione è il rapporto tra la potenza in uscita IF e la potenza in ingresso RF. Per i mixer passivi, questa è sempre la perdita (dB negativo), solitamente tra -5 e -10 dB. Sebbene sia una misura dell'efficienza di un mixer, il problema qui non è l'efficienza dell'alimentatore CC, ma il livello di potenza RF relativamente basso che il mixer vede da esso.
La figura di rumore (NF) è molto importante perché caratterizza il rumore aggiunto dal mixer e compare all'uscita IF. Questo è un problema, perché una volta aggiunto il rumore in banda al segnale di interesse, è quasi impossibile eliminare, distruggere il segnale, rendere la demodulazione più impegnativa e ridurre il tasso di errore di bit (BER). La tipica figura di rumore è compresa tra 0.5 e 3 dB.
L'isolamento definisce il grado in cui il mixer impedisce all'energia del segnale di ingresso RF o LO di raggiungere l'uscita IF, il che può distruggere e distorcere l'IF e causare problemi ed errori di demodulazione. È il rapporto tra l'ingresso RF o LO e l'uscita IF di dispersione.
La gamma dinamica misura il rapporto tra il livello di segnale massimo e il livello di segnale minimo che il mixer può gestire e fornisce comunque un segnale IF che soddisfa le specifiche. A seconda dell'ingresso RF previsto, il sistema potrebbe richiedere una gamma dinamica media (50 dB) o ampia (100 dB).
Questi sono solo i parametri di performance relativi al top mixer. Altri includono il rifiuto dell'immagine, la compressione del guadagno, l'offset DC e il punto di compressione di 1 dB.
3. Ampia gamma di mixer disponibili
I fornitori di mixer includono fornitori di circuiti integrati analogici tradizionali con esperienza RF, nonché fornitori incentrati sulla RF che sviluppano circuiti integrati e mixer discreti. Poiché questi due gruppi esaminano le prestazioni del mixer da direzioni diverse, hanno diverse aree di interesse in termini di priorità e compromessi, nonché aspetti comuni.
Il fornitore di circuiti integrati ADI ha introdotto l'ADL5350, un miscelatore passivo GaAs pHEMT single-ended con amplificatore buffer LO integrato (Figura 4).
Figura 4: Il mixer passivo ADL5350 include un amplificatore LO attivo per semplificare il funzionamento e i requisiti della generazione del segnale LO.
Questo dispositivo a banda larga può gestire frequenze da 750 MHz a 4 GHz ed è progettato per stazioni base cellulari con diversi tipi e standard di modulazione. Il buffer consente all'utente di fornire un LO di basso livello, che semplifica la progettazione. La perdita di conversione è di 6.8 dB, la cifra di rumore è di 6.5 dB e l'IP3 è di 25 dB. A causa delle frequenze coinvolte, l'ADL5350 utilizza un pad esposto a 8 VFDFN, un pacchetto chip-scale. (Può essere utilizzato anche per il processo supplementare di up-conversion, ma questa è un'altra storia.)
CEL (precedentemente California Eastern Laboratory) fornisce chip di silicio UPC2757 MMIC (IC a microonde monolitico) per input RF da 0.1 a 2.0 GHz e IF da 20 a 300 MHz (Figura 6).
Figura 6: La serie UPC2757 di CEL include mixer attivi di base per ingressi RF tra 0.1 e 2.0 GHz.
UPC2757TB è ottimizzato per un basso consumo energetico, mentre UPC2758TB è ottimizzato per una bassa distorsione. Per ogni IC, il guadagno di conversione è una funzione della frequenza LO (Figura 7).
Figura 7: Il guadagno di conversione dell'MMIC UPC2757 di CEL varia con la frequenza LO; due membri principali della famiglia forniscono scelte di base per il consumo energetico e la distorsione.
Questi sono solo due esempi. I miscelatori sono disponibili da molti fornitori; l'apparecchiatura può essere utilizzata per varie frequenze RF e LO, oltre a diversi livelli di potenza e parametri di prestazione. Il processo decisionale del progettista elenca innanzitutto i requisiti di frequenza di base e i valori richiesti per altre proprietà del mixer, nonché eventuali flessibilità o compromessi che possono esistere in uno qualsiasi di questi fattori.
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