Der Mischer ist eine Schlüsselstufe der HF-Signalkette in der Superheterodyn-(Super-)Empfängerarchitektur. Es ermöglicht die Abstimmung des Empfängers über ein breites interessierendes Frequenzband und die anschließende Umwandlung jeder gewünschten empfangenen Signalfrequenz in eine bekannte Festfrequenz. Dadurch kann das interessierende Signal effizient verarbeitet, gefiltert und demoduliert werden. Der Aufbau der Superstruktur ist elegant und einfach, die tatsächliche Leistung hängt jedoch von der Leistung der einzelnen Funktionsblöcke ab.
Beachten Sie, dass der allgegenwärtige Superman in den 1930er Jahren vom Ingenieursgenie Major EH Armstrong entwickelt wurde und sein früheres Empfängerdesign, das superregenerative Design, weitgehend ersetzte (obwohl es auch heute noch in professionellen Anwendungen verwendet wird). Anschließend erfand Armstrong auch die Frequenzmodulation, die noch immer weit verbreitet ist. Jeder von ihnen würde Armstrong in die Kategorie „Pionier und Erfinder“ einordnen, aber es ist wirklich wichtig, diese drei Erfindungen im Zusammenhang mit dem Radio zu haben. Weitere Informationen zu den Grundlagen des Mixers finden Sie im TechZone-Artikel „Grundlagen des Mixers“. In einem einfachen Super-„Single-Conversion“-Empfänger wird das Eingangsträger-HF-Signal durch eine oder mehrere rauscharme Verstärkerstufen (LNA) verstärkt und gelangt dann in den Mischer (Abbildung 1). Der Mischer verfügt über zwei Eingänge: HF-Signal und Lokaloszillator (LO). Der LO hat einen festen Versatz zum gewünschten abzustimmenden Signal und kann über oder unter der Trägerfrequenz eingestellt werden; Bei manchen Designs gibt es technische Gründe, weshalb das eine dem anderen vorrangig ist.
Abbildung 1: Die grundlegende Superheterodyn-Architektur mischt das HF-Signal mit dem lokalen Oszillator und hält einen festen Offset mit dem verstärkten HF-Signal aufrecht, der so abgestimmt werden muss, dass ein abwärtskonvertiertes ZF-Signal mit fester Frequenz erzeugt wird, das dann verstärkt und im Basisband demoduliert werden kann.
Der Mischer ist eine nichtlineare Stufe, die zwei Signale kombiniert. Dieses nichtlineare Mischen erzeugt zwei Ausgänge: einen als Summe der beiden Signalfrequenzen und den anderen als Differenz (andere und/oder Harmonische werden ebenfalls durch den nichtlinearen Mischprozess erzeugt, sind aber nicht interessant und leicht zu filtern). Es gibt einen solchen festen Schwebungsfrequenzausgang, der als Zwischenfrequenz (IF) bezeichnet wird und das Superdesign so effektiv macht. Dies liegt daran, dass die ZF immer auf der gleichen Frequenz liegt, unabhängig davon, welche spezifische Frequenz eingestellt ist. Da die ZF-Frequenz immer gleich ist, können der ZF-Stufenverstärker und der nachfolgende Demodulator für die Leistung einer einzigen bekannten Frequenz optimiert werden.
Als nächstes filtern Sie den ZF-Ausgang des Mischers, um etwaige Artefakte (so weit wie möglich) zu eliminieren, und fahren dann mit der nächsten Stufe zur weiteren Verstärkung und Demodulation fort. Historisch gesehen verwendete herkömmlicher AM-Rundfunk eine 455-kHz-ZF, traditioneller UKW-Rundfunk 10.7 MHz, andere professionelle Anwendungen verwendeten jedoch andere ZF.
Neben der einfachen Einfachkonvertierungs-Super gibt es auch Doppelkonvertierungstopologien. Dies wird für höhere Trägerfrequenzen wie 500 MHz oder über 1 GHz verwendet, um Signalfilterungsprobleme und Rauschprobleme zu lindern, indem die erreichbare Leistung jeder Stufe optimiert wird; Der Träger durchläuft den Mischer/LO der ersten Stufe, um ihn auf ungefähr die erste ZF von 50–100 MHz zu reduzieren, und wird dann vom zweiten Mischer/LO weiter auf die zweite ZF herunterkonvertiert. Dies bietet Designern insgesamt eine größere Flexibilität und lockert einige der Anforderungen für einzelne Komponentenspezifikationen. (Es gibt sogar Empfänger mit Dreifachkonvertierung im kommerziellen Einsatz.) Abbildung 2: Bei einem Doppelkonvertierungsdesign erweitert die grundlegende Supermethode die erste Abwärtskonvertierungsstufe für die Abstimmung auf eine höhere Frequenz; Der ZF-Ausgang entspricht einer Festfrequenz-HF, die mit dem LO der zweiten Stufe gemischt wird, um einen zweiten ZF-Ausgang zu erzeugen.
1. Zero-IF-Design
Obwohl die LO/IF-Ultrapräzisionsmethode bei weitem die am erfolgreichsten entwickelte Empfängerarchitektur ist, erhält sie jetzt Konkurrenz durch eine andere Methode: einen Zero-IF-Empfänger, auch bekannt als Direct Receiver-Conversion Receiver (DCR), den Homodyne-Empfänger oder Synchronempfänger (Abbildung 3). Dabei wird die LO-Frequenz sehr nahe an der HF-Trägerfrequenz des gewünschten Signals eingestellt. Der gemischte Ausgang liegt direkt im Basisband und erfordert keine ZF-Stufe.
Abbildung 3: Die Null-ZF-Methode verwendet einen LO, der sehr nahe am HF-Signal liegt und ohne Zwischen-ZF-Stufe direkt ins Basisband herunterkonvertiert.
Obwohl diese Methode theoretisch die Komplexität der Grundschaltung reduziert, stellt sie strenge Anforderungen an alle Stufen, einschließlich Dynamikbereich, Stabilität, Verzerrung, Abstimmbereich und Rauschen. Bei einigen sorgfältig ausgewählten und konzipierten Anwendungen kann IC Null-ZF-Empfänger konkurrenzfähig machen oder Superempfängern mit ZF-Pegeln überlegen sein.
2. Wichtige Mixer-Parameter
Mischer können passive (normalerweise mit Dioden aufgebaute) oder aktive Geräte sein, die eine Transistorverstärkung nutzen. Als Funktionsmodul, das Signale in einem breiten HF-Frequenzband sammelt und auf eine feste ZF-Frequenz herunterkonvertiert, werden an Mischer viele Anforderungen gestellt. Aktive und passive Mischer bieten jeweils unterschiedliche Kombinationen wichtiger Parameter, die alle in dB gemessen werden, sofern nicht anders angegeben:
Der Schnittpunkt dritter Ordnung oder Eingangskreuzungspunkt (IIP3 oder IP3) bezieht sich auf die Wirkung des nichtlinearen Produktmischers auf das linear verstärkte Signal, die durch den nichtlinearen Produktterm dritter Ordnung verursacht wird. Zwei Testfrequenzen innerhalb des Durchlassbereichs des Mischers werden zur Bewertung des Intercept-Punkts dritter Ordnung verwendet. Typischerweise liegen diese Testfrequenzen etwa 20 bis 30 kHz auseinander. Ein höherer IP3-Wert (in dBm) weist auf einen besseren Mixer hin.
Der Umwandlungsverlust/-gewinn ist das Verhältnis der ZF-Ausgangsleistung zur HF-Eingangsleistung. Bei passiven Mischern ist dies immer der Verlust (negative dB), normalerweise zwischen -5 und -10 dB. Obwohl es sich um ein Maß für die Effizienz eines Mischers handelt, liegt das Problem hier nicht in der Effizienz der Gleichstromversorgung, sondern in dem relativ niedrigen HF-Leistungspegel, den der Mischer daran erkennt.
Die Rauschzahl (NF) ist sehr wichtig, da sie das vom Mischer hinzugefügte Rauschen charakterisiert und am ZF-Ausgang erscheint. Dies ist besorgniserregend, denn sobald das Inband-Rauschen dem interessierenden Signal hinzugefügt wird, ist es nahezu unmöglich, das Signal zu eliminieren, zu zerstören, die Demodulation schwieriger zu gestalten und die Bitfehlerrate (BER) zu reduzieren. Die typische Geräuschzahl liegt zwischen 0.5 und 3 dB.
Die Isolation definiert den Grad, in dem der Mischer verhindert, dass die HF- oder LO-Eingangssignalenergie den ZF-Ausgang erreicht, was die ZF zerstören und verzerren und Demodulationsprobleme und -fehler verursachen kann. Es ist das Verhältnis des HF- oder LO-Eingangs zum Leck-ZF-Ausgang.
Der Dynamikbereich misst das Verhältnis des maximalen Signalpegels zum minimalen Signalpegel, den das Mischpult verarbeiten kann, und liefert dennoch ein ZF-Signal, das den Spezifikationen entspricht. Abhängig vom erwarteten HF-Eingang benötigt das System möglicherweise einen mittleren (50 dB) oder großen Dynamikbereich (100 dB).
Dies sind nur die Leistungsparameter des Top-Mischers. Andere umfassen Spiegelfrequenzunterdrückung, Verstärkungskomprimierung, DC-Offset und 1-dB-Komprimierungspunkt.
3. Große Auswahl an verfügbaren Mischern
Zu den Mixer-Anbietern zählen traditionelle analoge IC-Anbieter mit HF-Expertise sowie RF-zentrierte Anbieter, die IC- und diskrete Mischer entwickeln. Da diese beiden Gruppen die Mischerleistung aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachten, haben sie unterschiedliche Schwerpunkte im Hinblick auf Prioritäten und Kompromisse sowie gemeinsame Aspekte.
Der IC-Anbieter ADI stellte den ADL5350 vor, einen GaAs-pHEMT-Single-Ended-Passivmischer mit integriertem LO-Pufferverstärker (Abbildung 4).
Abbildung 4: Der passive Mischer ADL5350 enthält einen aktiven LO-Verstärker, um den Betrieb und die Anforderungen der LO-Signalerzeugung zu vereinfachen.
Dieses Breitbandgerät kann Frequenzen von 750 MHz bis 4 GHz verarbeiten und ist für Mobilfunkbasisstationen mit unterschiedlichen Modulationsarten und Standards konzipiert. Der Puffer ermöglicht es dem Benutzer, einen LO mit niedrigem Pegel bereitzustellen, was das Design vereinfacht. Der Umwandlungsverlust beträgt 6.8 dB, die Rauschzahl 6.5 dB und der IP3 25 dB. Aufgrund der beteiligten Frequenzen verwendet der ADL5350 ein Chip-Scale-Gehäuse mit 8 VFDFN-freiliegenden Pads. (Es kann auch für den zusätzlichen Prozess der Aufwärtskonvertierung verwendet werden, aber das ist eine andere Geschichte.)
CEL (ehemals California Eastern Laboratory) bietet UPC2757-Siliziumchip-MMIC (monolithischer Mikrowellen-IC) für HF-Eingänge von 0.1 bis 2.0 GHz und ZF von 20 bis 300 MHz (Abbildung 6).
Abbildung 6: Die UPC2757-Serie von CEL umfasst grundlegende aktive Mischer für HF-Eingänge zwischen 0.1 und 2.0 GHz.
Der UPC2757TB ist für einen geringen Stromverbrauch optimiert, während der UPC2758TB für eine geringe Verzerrung optimiert ist. Für jeden IC ist die Umwandlungsverstärkung eine Funktion der LO-Frequenz (Abbildung 7).
Abbildung 7: Die Umwandlungsverstärkung des UPC2757 MMIC von CEL variiert mit der LO-Frequenz; Zwei Hauptmitglieder der Familie bieten grundlegende Optionen für Stromverbrauch und Verzerrung.
Dies sind nur zwei Beispiele. Mixer sind bei vielen Anbietern erhältlich; Die Geräte können für verschiedene HF- und LO-Frequenzen sowie unterschiedliche Leistungspegel und Leistungsparameter verwendet werden. Im Entscheidungsprozess des Designers werden zunächst die grundlegenden Frequenzanforderungen und die erforderlichen Werte für andere Mischereigenschaften sowie etwaige Flexibilitäten oder Kompromisse aufgeführt, die bei diesen Faktoren bestehen können.
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