De mixer is een belangrijk stadium van de RF-signaalketen in de architectuur van de superheterodyne (super)ontvanger. Hiermee kan de ontvanger worden afgestemd op een brede frequentieband en vervolgens elke gewenste ontvangen signaalfrequentie omzetten in een bekende vaste frequentie. Hierdoor kan het relevante signaal efficiënt worden verwerkt, gefilterd en gedemoduleerd. De structuur van de superstructuur is elegant en eenvoudig, maar de daadwerkelijke prestaties hangen af van de prestaties van de samenstellende functionele blokken.
Merk op dat de alomtegenwoordige Superman werd ontwikkeld door het ingenieursgenie majoor EH Armstrong in de jaren dertig en grotendeels zijn vorige ontvangerontwerp, het superregeneratieve ontwerp, verving (hoewel het tegenwoordig nog steeds wordt gebruikt in professionele toepassingen). Vervolgens vond Armstrong ook frequentiemodulatie uit, die nog steeds veel wordt gebruikt. Elk van hen zou van Armstrong een categorie "pionier en uitvinder" maken, maar het is echt belangrijk om deze drie radio-gerelateerde uitvindingen te hebben. Voor meer informatie over de basisprincipes van de mixer, zie het TechZone-artikel "Basisprincipes van de mixer". In een eenvoudige superontvanger met "enkele conversie" wordt het RF-signaal van de ingangsdraaggolf versterkt door een of meer LNA-trappen (low noise amplifier) en gaat vervolgens de mixer binnen (Afbeelding 1930). De mixer heeft twee ingangen: RF-signaal en lokale oscillator (LO). De LO bevindt zich op een vaste offset van het gewenste af te stemmen signaal en kan boven of onder de draaggolffrequentie worden ingesteld; er zijn technische redenen in sommige ontwerpen, waarom het ene voorrang heeft op het andere.
Afbeelding 1: De basisarchitectuur van superheterodyne mengt het RF-signaal met de lokale oscillator en handhaaft een vaste offset met het versterkte RF-signaal om af te stemmen om een neerwaarts geconverteerd IF-signaal met vaste frequentie te genereren, dat vervolgens kan worden versterkt en gedemoduleerd in de basisband.
De mixer is een niet-lineaire trap die twee signalen combineert. Deze niet-lineaire menging levert twee uitgangen op: één op de som van de twee signaalfrequenties en de andere op hun verschil (andere en/of harmonischen worden ook geproduceerd door het niet-lineaire mengproces, maar ze zijn niet interessant en gemakkelijk te filteren). Er is zo'n uitvoer met een vaste slagfrequentie, een tussenliggende frequentie (IF) genoemd, die het superontwerp zo effectief maakt. Dit komt omdat het niet uitmaakt op welke specifieke frequentie is afgestemd, de IF is altijd op dezelfde frequentie. Aangezien de IF-frequentie altijd hetzelfde is, kunnen de IF-trapversterker en daaropvolgende demodulator worden geoptimaliseerd voor de prestaties van een enkele bekende frequentie.
Filter vervolgens de IF-uitvoer van de mixer om eventuele artefacten (zoveel mogelijk) te elimineren en ga dan verder naar de volgende fase voor verdere versterking en demodulatie. Historisch gezien gebruikte traditionele AM-radio-uitzendingen 455 kHz IF, traditionele FM-radio-uitzendingen gebruikten 10.7 MHz, maar andere professionele toepassingen gebruikten verschillende IF's.
Naast de basis enkelvoudige conversie super zijn er ook dubbele conversie topologieën. Dit wordt gebruikt voor hogere draaggolffrequenties, zoals 500 MHz of boven 1 GHz, om problemen met signaalfiltering en ruis te verlichten door de haalbare prestaties van elke trap te optimaliseren; de draaggolf gaat door de mixer/LO van de eerste trap om deze te reduceren tot ongeveer. De eerste IF van 50-100 MHz wordt vervolgens verder omlaag geconverteerd naar de tweede IF door de tweede mixer/LO. Dit biedt ontwerpers meer algehele flexibiliteit en versoepelt enkele vereisten voor individuele componentspecificaties. (Er zijn zelfs ontvangers met drievoudige conversie die commercieel worden gebruikt.) Afbeelding 2: In een ontwerp met dubbele conversie breidt de basis-supermethode de eerste neerwaartse conversie uit voor afstemming op een hogere frequentie; de IF-output wordt equivalent aan een vaste Frequentie RF, die wordt gemengd met de LO van de tweede trap om een tweede IF-output te produceren.
1. Zero-IF-ontwerp
Hoewel de LO/IF-ultraprecisiemethode verreweg de meest succesvol ontworpen ontvangerarchitectuur is, krijgt deze nu concurrentie van een andere methode: een nul-IF-ontvanger, ook wel bekend als een directe ontvanger-conversie-ontvanger (DCR), de homodyne-ontvanger of synchrone ontvanger (Afbeelding 3). Hier wordt de LO-frequentie heel dicht bij de RF-draaggolffrequentie van het gewenste signaal ingesteld. De gemengde uitvoer bevindt zich direct op de basisband en vereist geen IF-trap.
Afbeelding 3: De nul-IF-methode gebruikt een LO die zeer dicht bij het RF-signaal ligt en direct omlaag converteert naar basisband zonder een tussenliggende IF-trap.
Hoewel deze methode in theorie de complexiteit van het basiscircuit vermindert, stelt het strenge eisen aan alle trappen, waaronder dynamisch bereik, stabiliteit, vervorming, afstemmingsbereik en ruis. Voor sommige zorgvuldig geselecteerde en ontworpen toepassingen kan IC zero-IF-ontvangers concurrerend of superieur maken aan superontvangers met IF-niveaus.
2. Belangrijkste mixerparameters
Mixers kunnen passief zijn (meestal gebouwd met diodes) of actieve apparaten die transistorversterking gebruiken. Als een functionele module die signalen verzamelt in een brede HF-frequentieband en deze omzet naar een vaste IF-frequentie, stellen mixers er veel eisen aan. Actieve en passieve mixers bieden elk verschillende combinaties van belangrijke parameters, die allemaal worden gemeten in dB, tenzij anders vermeld:
Het derde-orde onderscheppingspunt of invoerkruispunt (IIP3 of IP3) heeft betrekking op het effect van de niet-lineaire productmenger op het lineair versterkte signaal veroorzaakt door de derde-orde niet-lineaire productterm. Twee testfrequenties binnen de doorlaatband van de mixer worden gebruikt om het onderscheppingspunt van de derde orde te evalueren; typisch liggen deze testfrequenties ongeveer 20 tot 30 kHz uit elkaar. Een hogere IP3-waarde (in dBm) duidt op een betere mixer.
Conversieverlies/-winst is de verhouding tussen IF-uitgangsvermogen en RF-ingangsvermogen. Voor passieve mixers is dit altijd het verlies (negatieve dB), meestal tussen -5 en -10 dB. Hoewel het een maatstaf is voor de efficiëntie van een mixer, is het probleem hier niet de efficiëntie van de DC-voeding, maar het relatief lage RF-vermogensniveau dat de mixer erdoor ziet.
Het ruisgetal (NF) is erg belangrijk omdat het de door de mixer toegevoegde ruis karakteriseert en aan de IF-uitgang verschijnt. Dit is zorgwekkend, want zodra de in-band ruis is toegevoegd aan het signaal van belang, is het bijna onmogelijk om het signaal te elimineren, te vernietigen, demodulatie uitdagender te maken en de bit error rate (BER) te verminderen. Het typische geluidscijfer ligt tussen 0.5 en 3 dB.
Isolatie definieert de mate waarin de mixer voorkomt dat de RF- of LO-ingangssignaalenergie de IF-uitgang bereikt, wat de IF kan vernietigen en vervormen en demodulatieproblemen en fouten kan veroorzaken. Het is de verhouding tussen RF- of LO-invoer en lek-IF-uitvoer.
Het dynamisch bereik meet de verhouding van het maximale signaalniveau tot het minimale signaalniveau dat de mixer aankan, en levert toch een middenfrequent signaal dat voldoet aan de specificaties. Afhankelijk van de verwachte RF-invoer, heeft het systeem mogelijk een gemiddeld (50 dB) of breed dynamisch bereik (100 dB) nodig.
Dit zijn slechts de prestatieparameters die betrekking hebben op de topmixer. Andere omvatten beeldonderdrukking, versterkingscompressie, DC-offset en 1 dB compressiepunt.
3. Breed scala aan beschikbare mixers
Verkopers van mixers zijn onder meer traditionele analoge IC-leveranciers met RF-expertise, evenals RF-centrische leveranciers die IC's en discrete mixers ontwikkelen. Omdat deze twee groepen vanuit verschillende richtingen naar mixerprestaties kijken, hebben ze verschillende aandachtsgebieden in termen van prioriteiten en compromissen, evenals gemeenschappelijke aspecten.
IC-leverancier ADI introduceerde de ADL5350, een GaAs pHEMT single-ended passieve mixer met geïntegreerde LO-bufferversterker (Afbeelding 4).
Afbeelding 4: De passieve mixer ADL5350 bevat een actieve LO-versterker om de bediening en vereisten voor het genereren van LO-signalen te vereenvoudigen.
Dit breedbandapparaat kan frequenties van 750 MHz tot 4 GHz aan en is ontworpen voor mobiele basisstations met verschillende modulatietypes en standaarden. De buffer stelt de gebruiker in staat om een LO op laag niveau te leveren, wat het ontwerp vereenvoudigt. Het conversieverlies is 6.8 dB, het ruisgetal is 6.5 dB en de IP3 is 25 dB. Vanwege de betrokken frequenties gebruikt de ADL5350 een 8 VFDFN blootgesteld pad, chipschaalpakket. (Het kan ook worden gebruikt voor het aanvullende proces van opwaartse conversie, maar dit is een ander verhaal.)
CEL (voorheen California Eastern Laboratory) levert UPC2757 siliciumchip MMIC (monolithische microgolf-IC) voor RF-invoer van 0.1 tot 2.0 GHz en IF van 20 tot 300 MHz (Afbeelding 6).
Afbeelding 6: De UPC2757-serie van CEL omvat actieve basismixers voor RF-ingangen tussen 0.1 en 2.0 GHz.
UPC2757TB is geoptimaliseerd voor laag stroomverbruik, terwijl UPC2758TB is geoptimaliseerd voor lage vervorming. Voor elk IC is de conversieversterking een functie van de LO-frequentie (Afbeelding 7).
Afbeelding 7: De conversieversterking van CEL's UPC2757 MMIC varieert met de LO-frequentie; twee hoofdfamilieleden bieden basiskeuzes voor stroomverbruik en vervorming.
Dit zijn slechts twee voorbeelden. Mixers zijn verkrijgbaar bij vele leveranciers; de apparatuur kan worden gebruikt voor verschillende RF- en LO-frequenties, evenals verschillende vermogensniveaus en prestatieparameters. Het besluitvormingsproces van de ontwerper somt eerst de basisfrequentievereisten op en de vereiste waarden voor andere mixereigenschappen, evenals eventuele flexibiliteit of compromissen die in een van deze factoren kunnen bestaan.
Onze andere producten:
