Zrozumienie mikserów RF w nowoczesnych systemach komunikacyjnych

Miksery częstotliwości są ważnymi komponentami w systemach częstotliwości radiowej (RF), znalezionych w urządzeniach takich jak radiotelefony, telefony komórkowe i satelity.Ich głównym zadaniem jest połączenie dwóch sygnałów do tworzenia nowych przy różnych częstotliwościach, znanych jako mieszanie częstotliwości.Miksery audio i miksery RF pełnią odrębne funkcje w przetwarzaniu dźwięku i sygnałach.W tym artykule wyjaśniono, jak działają miksery RF, łącząc sygnały i używanie różnych obwodów do tworzenia nowych częstotliwości poprzez dodanie i odejmowanie oryginałów.Koncentruje się na tym, jak komponenty takie jak diody i tranzystory zachowują się nieliniowo, zmieniając amplitudę i fazę sygnałów.Artykuł obejmuje różne rodzaje mikserów, od prostych projektów pojedynczych diod po bardziej zaawansowane potrójne zrównoważone.Wyjaśnia także, w jaki sposób miksery są używane w projektowaniu obwodów RF i przetwarzaniu sygnałów, podkreślając ich znaczenie we współczesnej technologii.

Katalog

Rysunek 1: Mikser częstotliwości RF

Nieliniowe miksowanie sygnału

Esencja mieszania sygnałów pochodzi z nieliniowego zachowania niektórych składników obwodu, takich jak diody lub tranzystory.W przeciwieństwie do komponentów liniowych, które po prostu wzmacniają lub zmniejszają wytrzymałość sygnałów, elementy nieliniowe powodują interakcję sygnałów wejściowych w sposób, który tworzy zupełnie nowe częstotliwości.Ta nieliniowa interakcja, często określana jako „mieszanie”, jest mechanizmem, który wytwarza częstotliwości, które nie są obecne w oryginalnych sygnałach.

Gdy dwa sygnały są przekazywane do miksera, przechodzą przez nieliniowe urządzenie, które skutecznie zwielokrotnia te sygnały.Tak więc urządzenie łączy sygnały w sposób, w jaki pojawiają się nowe częstotliwości.Matematycznie można to reprezentować jako pomnożenie dwóch napięć wejściowych:

Gdzie I Reprezentuj dwa sygnały wejściowe w postaci fal sinusoidalnych:

Tutaj a i b są amplitudami, a I są częstotliwościami dwóch sygnałów.Interakcję między tymi falami sinusoidalnymi można dalej uprościć przy użyciu tożsamości trygonometrycznej.Po pomnożeniu wynik rozkłada się na dwa elementy:

To pokazuje, że sygnał wyjściowy zawiera teraz dwie nowe częstotliwości: jeden przy sumie F1+F2, a drugi przy różnicy F1-F2.Są one znane jako „suma” i „różnica”, które powstają z powodu nieliniowych właściwości miksera.

Aby uczynić to bardziej konkretnym, rozważmy przykład, w którym dwa sygnały o częstotliwościach 1 MHz i 0,75 MHz są podawane do miksera.Zgodnie z tą samą zasadą, co powyżej, możemy obliczyć nowe częstotliwości.

Po pierwsze, częstotliwość sumy:

Następnie częstotliwość różnicy:

Tak więc po zmieszaniu sygnał wyjściowy będzie zawierać dwie nowe częstotliwości: 1,75 MHz i 0,25 MHz.Te nowe sygnały są bezpośrednimi wynikami procesu mieszania, pokazujące, w jaki sposób obwód nieliniowy przesuwa i rozprzestrzenia częstotliwości sygnału wejściowego.Ta zdolność do tworzenia nowych komponentów częstotliwości sprawia, że ​​miksowanie sygnału jest ważnym narzędziem w aplikacjach RF, umożliwiając zadania, takie jak konwersja częstotliwości, modulacja i przetwarzanie sygnału.

Rysunek 2: Procesy mieszania częstotliwości nieliniowych

Jak działa mieszanie i mnożenie RF

Mieszanie RF, zwane również mnożeniem, jest procesem technologii częstotliwości radiowej (RF), która obejmuje połączenie dwóch sygnałów w celu wygenerowania nowych częstotliwości, sumę i różnicę oryginalnych częstotliwości sygnału.

Rozważmy dwie fale sinusoidalne, I , Gdzie:

Gdy te dwa sygnały są wprowadzane do elementu nieliniowego (takiego jak dioda lub tranzystor), wynik nie jest prostą sumą sygnałów, ale produkt.Komponenty nieliniowe zmieniają sygnały wejściowe, wytwarzając wiele częstotliwości wyjściowych.Elementy te nie są zgodne z zasadą superpozycji, co oznacza, że ​​wyjście nie jest już bezpośrednio proporcjonalne do wejść.

Rysunek 3: Mieszanie lub pomnożenie dwóch sygnałów razem

Na przykład dioda ma nieliniowy związek prądu napięcia, który jest dobry dla procesu mieszania.Zależność tę można modelować za pomocą funkcji wykładniczej, która jest czasem przybliżona przez serię wielomianową w praktycznych zastosowaniach.Podobnie tranzystory i FET mogą być ustawione na działanie w regionie nieliniowym, aby osiągnąć ten sam efekt mieszania.

Mnożenie A (T) i B (T) w elemencie nieliniowym można opisać matematycznie w następujący sposób:

Uproszczony:

To równanie pokazuje, że wyjście, , zawiera dwie nowe częstotliwości: jedna przy sumie częstotliwości wejściowych i jeden na różnicy .Te częstotliwości sum i różnicy są wynikiem procesu mieszania.

Jeśli spojrzysz na ten przebieg wyjściowy, wydawałoby się to znacznie bardziej skomplikowane niż oryginalne fale sinusoidalne.Rozmiar i prędkość nowego przebiegu zmieniają się z powodu mieszania, tworząc sygnał o wielu różnych częstotliwościach.Oprócz częstotliwości sum i różnicy mogą się również pojawiać inne harmoniczne wyższego poziomu, w zależności od tego, jak nieliniowy jest system i jak silne są sygnały wejściowe.

Analiza Fouriera lub symulacja oparta na czasach może pomóc w wykazaniu tej złożoności.Narzędzia te rozkładają kształt fali, aby pokazać, jak proste fale sinusoidalne zamieniają się w sygnał z wieloma częstotliwościami.Te elementy wizualne pomagają wyjaśnić, w jaki sposób części nieliniowe zmieniają sygnały RF i dlaczego ten proces ma znaczenie w inżynierii RF.

Rysunek 4: Mieszanie dwóch sygnałów RF

Symbol obwodu miksera RF

W konstrukcji obwodu RF symbol miksera RF jest czymś więcej niż zwykłym markerem na schemacie.Ten symbol, okrąg przecinany przez „x”, reprezentuje punkt, w którym dwa sygnały łączą się i oddziałują w systemie.Wizualnie prowadzi inżynierów, wskazując lokalizację, w której odbywa się konwersja częstotliwości.Symbol jest oznaczony trzema ważnymi portem: RF (częstotliwość radiowa), LO (lokalny oscylator) i if (częstotliwość pośrednia).Te etykiety nie dotyczą tylko formalności, dostarczają informacji o tym, jak sygnały poruszają się przez obwód, pomagając każdemu czytając schemat w szybkim i dokładnym zrozumieniu, jak funkcjonuje system.Właściwe etykietowanie zapewnia jasne przekazanie celu projektu, ułatwiając inżynierom analizę i wdrażanie schematu.

Rysunek 5: symbol obwodu miksera RF

Obwody miksera RF

Pojedynczy mikser diody jest jednym z najprostszych wzorów, przy użyciu jednej diody do wykonywania mieszania częstotliwości.To minimalistyczne podejście sprawia, że ​​jest to atrakcyjna opcja dla projektów o ścisłych budżetach lub ograniczeniach przestrzeni.Jego kompaktowy rozmiar i niski koszt są atrakcyjnymi cechami, ale ta prostota wprowadza wyzwania.Miksery pojedynczych diod walczą z izolowaniem sygnałów wejściowych od siebie i z wyjścia, które często prowadzą do zniekształcenia sygnału.W rezultacie mogą nie być najlepszym wyborem dla aplikacji wymagających czystego, precyzyjnego przetwarzania sygnału.

Bardziej zaawansowane miksery używają dodatkowych części, takich jak wiele diod, tranzystorów lub obwodów zintegrowanych.Poprawiają one wydajność poprzez zmniejszenie zakłóceń i zachowanie sygnału.Chociaż działają lepiej, kosztują również więcej i są bardziej skomplikowane.Decyzja o mikserze wyższej klasy oznacza rozważenie lepszej wydajności w stosunku do dodatkowych kosztów i złożoności.

Rysunek 6: Pojedynczy mikser diody

Rodzaje mikserów RF

Miksery pasywne

Miksery pasywne polegają na prostych komponentach, takich jak diody, bez użycia aktywnych elementów, które wzmacniają sygnały.Mimo że miksery te nie zwiększają siły sygnału, mogą nadal dobrze działać w określonych warunkach.Diody Schottky są powszechnie stosowane w mikserach pasywnych, ponieważ mają niskie napięcie włączania, co czyni je wydajnymi do przełączania sygnałów.Jednak miksery te wymagają dodatkowych komponentów, takich jak baluns (rodzaj transformatora RF), aby zrównoważyć obwód.Ta równowaga jest ważna, szczególnie w przypadku projektów takich jak miksery zrównoważone lub zrównoważone.Jednak użycie balun może zmniejszyć zakres częstotliwości miksera, ograniczając jego elastyczność w niektórych przypadkach.

Rysunek 7: Mikser pasywny

Aktywne miksery

Aktywne miksery zawierają elementy amplifikujące, takie jak tranzystory dwubiegunowe, FET (tranzystory w terenie), a nawet rurki próżniowe.Elementy te nie tylko pozwalają mikserowi łączyć częstotliwości, ale także zwiększyć siłę sygnału.Ta wzmocnienie jest przydatne w bardziej złożonych systemach RF, w których utrzymanie silnych poziomów sygnału jest wymagane do ogólnej wydajności.

Rysunek 8: Aktywny mikser

Niezrównoważone miksery

Niezrównoważone miksery łączą dwa sygnały wejściowe w prosty sposób, co powoduje wyjście, które zawiera zarówno sumę, jak i różnicę oryginalnych częstotliwości wejściowych, wraz z niektórymi pozostałościami tych oryginalnych sygnałów.Chociaż są proste i mogą być opłacalne, niezrównoważone miksery zwykle wprowadzają dużo hałasu i zakłóceń.To sprawia, że ​​są mniej odpowiednie do zastosowań, w których wymagane są czyste, wysokiej jakości sygnały.

Rysunek 9: Niezrównoważony mikser

Miksery z pojedynczym zrównoważonym

Miksery z pojedynczym zrównoważonym ulepszeniem w porównaniu z niezrównoważonymi projektami za pomocą balun lub podobnego obwodu równoważącego do odfiltrowania niechcianych składników sygnału.Ten typ miksera wykorzystuje dwa diody i hybrydę o 180 stopni, aby osiągnąć lepsze oddzielenie lokalnego oscylatora od sygnału wejściowego RF.W ten sposób zmniejsza problemy takie jak zniekształcenie intermodulacji i minimalizuje wyciek z lokalnego oscylatora, co powoduje czystsze sygnały wyjściowe.

Rysunek 10: Mikser z pojedynczym zrównoważonym

Miksery podwójnie zrównoważone

Podwójnie zrównoważone miksery poprawiają podejście równoważące przy użyciu czterech diod Schottky w pierścieniu i dodając balunów do wejść RF i lokalnych oscylatorów.Ta konstrukcja oferuje znacznie lepszą izolację między sygnałami wejściowymi a wyjściem częstotliwości pośredniej, zmniejszając niechciane sygnały nawet o 75% w porównaniu do prostszych projektów.Choć nieco bardziej złożone i kosztowne, jest preferowanym wyborem dla wysokowydajnych systemów RF ze względu na jego niezawodność i lepszą wydajność.

Rysunek 11: Mikser z podwójnym zrównoważonym

Miksery potrójne

Triple zrównoważony mikser, często nazywany podwójnie zrównoważonym mikserem, reprezentuje szczyt konstrukcji miksera.Łączy dwa podwójnie zrównoważone miksery, przy użyciu podwójnej liczby diod i połączeń.Ten projekt zapewnia wyjątkową izolację i znacznie tłumi fałszywe sygnały i zniekształcenie intermodulacji.Jednak ta lepsza wydajność ma pewną cenę, wymaga wyższego lokalnego napędu oscylatora i obejmuje więcej komponentów, co czyni go bardziej złożonym i drogim niż prostsze miksery.

Rysunek 12: Mikser potrójnego zrównoważonego

Rodzaje metod miksowania RF

Mieszanie nieliniowe

W tej metodzie do mieszania sygnałów stosuje się naturalne nieliniowe zachowanie składników elektronicznych, takich jak diody lub tranzystory.Gdy sygnały RF przechodzą przez te urządzenia, tworzą nowe częstotliwości, w tym sumę i różnicę oryginalnych sygnałów, wraz z niektórymi niechcianymi dodatkowymi częstotliwościami.

Ta metoda jest prosta i może wytwarzać różne częstotliwości, ale minus jest to, że tworzy również niechciane sygnały, które mogą zakłócać wydajność.Inżynierowie rozwiązują to poprzez projektowanie obwodów w celu zmniejszenia tych dodatkowych sygnałów lub za pomocą filtrów do czyszczenia wyjścia.Mieszanie nieliniowe jest często stosowane, gdy wymagana jest mniej złożona konstrukcja, ale dobra wydajność jest nadal ważna.

Przełączanie lub pobieranie próbek

Przełączanie lub pobieranie próbek jest dokładniejszym sposobem mieszania sygnałów RF w porównaniu z metodami nieliniowymi.Obejmuje szybkie włączanie komponentów takich jak tranzystory lub FET, zsynchronizowane z sygnałem lokalnym.Proces ten skutecznie próbuje sygnał wejściowy i tworzy pożądane częstotliwości wyjściowe z lepszą dokładnością.

Główną zaletą jest to, że zmniejsza niechciane sygnały, co powoduje czystsze wyjście.To sprawia, że ​​jest to świetny wybór dla systemów, które wymagają wysokiej jakości sygnałów, takich jak zaawansowana technologie komunikacji.Dokładna kontrola procesu przełączania umożliwia lepsze translację częstotliwości, dzięki czemu przetwarzanie sygnału bardziej wydajne.

Rodzaje portów mikserowych i konwersja częstotliwości w systemach RF

Oto główne rodzaje portów mikserowych i sposób, w jaki działają:

Port RF (port częstotliwości radiowej): Ten port odbiera sygnał przychodzący, zwykle z systemów komunikacyjnych lub radarowych, które wymagają zmiany częstotliwości.Zwykle obsługuje sygnały o wysokiej częstotliwości.

LO Port (lokalny port oscylatora): Port LO ma stały, silny sygnał o znanej częstotliwości.Sygnał ten jest używany jako odniesienie do połączenia z sygnałem RF, utrzymując stabilny proces mieszania i przewidywalny.

Jeśli port (port częstotliwości pośredniej): Po połączeniu sygnałów RF i LO, wynikowy sygnał przechodzi do portu IF.Ten nowy sygnał, suma lub różnica częstotliwości RF i LO, jest gotowy do dalszego przetwarzania.

Rysunek 13: Porty miksera

Procesy konwersji częstotliwości

Konwersja w dół: Proces ten obniża częstotliwość przychodzącego sygnału RF, co ułatwia przetwarzanie.Jest używany głównie w odbiornikach.Port IF wyświetla sygnał, który zwykle jest różnicą między częstotliwościami RF i LO.

Konwersja w górę: Proces ten zwiększa częstotliwość sygnału do transmisji.Wyższe częstotliwości są lepsze do wysyłania sygnałów na duże odległości.Sygnał LO kontroluje czas, zapewniając, że mikser działa poprawnie i wysyła czysty sygnał o wysokiej częstotliwości do transmisji.

Rysunek 14: Procesy konwersji częstotliwości

Zastosowania mikserów RF

• Odbiorniki superheterodyne

U odbiorników Superheterodyne miksery RF zmieniają przychodzące sygnały o wysokiej częstotliwości na częstotliwości pośrednie (IF), z którymi są łatwiejsze do pracy.Jest to dobre w przypadku radiotelefonów, telewizorów i odbiorników satelitarnych.Przekształcając sygnały na częstotliwość pośrednią, system może lepiej oddzielić przydatne sygnały od szumu lub niechcianych sygnałów.Poprawia to zarówno selektywność (zdolność skupienia się na określonych częstotliwościach), jak i czułość (zdolność do wykrywania słabych sygnałów) odbiornika.

Rysunek 15: Odbiornik superheterodyny

• Tłumaczenie częstotliwości

Główną funkcją miksera RF jest przesunięcie częstotliwości sygnału, w górę lub w dół, w zależności od potrzeby.U odbiorników obniża sygnały o wysokiej częstotliwości do niższego zakresu.W nadajnikach podnosi sygnały o niskiej częstotliwości, takie jak te, od częstotliwości pasma podstawowego lub pośredniego po wyższe częstotliwości radiowe do transmisji.Niezależnie od tego, czy w telefonach komórkowych, transmisji lub systemach danych tłumaczenie częstotliwości pomaga zapewnić, że sygnały są odpowiednio częstotliwości.

• Systemy radarowe

Miksery RF są przydatne w systemach radarowych, ponieważ dostosowują zwrócone sygnały do ​​częstotliwości, które są łatwiejsze do analizy.Gdy radar wysyła sygnał, zwrócona częstotliwość sygnału zmienia się w zależności od tego, jak daleko i jak szybko się porusza cel.Miksery pomagają przenieść te sygnały do ​​użytecznego zakresu częstotliwości, umożliwiając dokładne obliczenia prędkości i pozycji, idealne do kontroli ruchu lotniczego, nawigacji statków i monitorowania pogody.

• Komunikacja satelitarna

W komunikacji satelitarnej miksery RF pomagają przesyłać i odbierać sygnały przy najlepszych częstotliwościach.Podczas łącza w górę (wysyłanie sygnałów do satelity) przekształcają sygnały na częstotliwości, które mogą łatwo przechodzić przez atmosferę.Podczas łącza w dół (odbieranie sygnałów z satelity) przekształcają sygnały z powrotem w formę, którą mogą przetwarzać stacje gruntowe.To zarządzanie częstotliwościami nadaje się do niezawodnej komunikacji, czy to w przypadku prognoz pogodowych, transmisji telewizyjnych, czy GPS.

• Wykrywanie i pomiar fazowy

Miksery RF są również używane do wykrywania fazy do śledzenia różnicy fazy między dwoma sygnałami.Jest to przydatne w pętlach blokowanych fazowych (PLLS), które utrzymują częstotliwość jednego sygnału zablokowaną na częstotliwości odniesienia.Porównując fazę sygnałów wejściowych i wyjściowych, system może dostosować wyjście, aby pozostać zsynchronizowane z odniesieniem, co zapewnia stabilne sygnały, szczególnie w systemach wymagających precyzyjnej kontroli częstotliwości, takich jak synteza częstotliwości, modulacja i demodulacja.

• Modulacja częstotliwości i demodulacja

Miksery RF są dobre w systemach, które wykorzystują modulację częstotliwości (FM) do wysyłania informacji.Podczas modulowania przesuwają sygnał na częstotliwość transmisji.Podczas demodułowania konwertują odbierany sygnał z powrotem na jego oryginalny formularz, aby informacje (takie jak głos lub muzyka) można było zrozumieć.Ten dwuetapowy proces jest dobry do jasnej komunikacji w radiotelefonach, telewizji i innych systemach nadawczych.

• Uwarunkowanie i przetwarzanie sygnału

W zaawansowanych dziedzinach, takich jak elektroniczna wojna i analiza sygnału, miksery RF pomagają udoskonalić i przetwarzać sygnały przychodzące.System może ułatwić wyodrębnienie wzorów lub informacji poprzez mieszanie sygnałów z częstotliwościami referencyjnymi.Ten proces jest idealny do wykrywania zagrożeń, dekodowania wiadomości i analizy sygnałów.Miksery RF pomagają poprawić zarówno analizę obrony, jak i sygnału.

Wniosek

Badanie mikserów RF uważnie przygląda się, jak działają, ich różne typy i ich zastosowania, pokazujące, jak ważne są w nowoczesnej technologii RF.Od podstawowej idei mieszania sygnałów po bardziej zaawansowane projekty potrójnych mikserów.Różne rodzaje mikserów są przeznaczone do określonych potrzeb, pokazujące, jak przystosowalna i precyzyjna inżynieria RF musi być inżynieria RF.Niezależnie od tego, czy chodzi o odbiorniki Superheterodyne, czy komunikację satelitarną, miksery RF są dobre do obsługi i przetwarzania częstotliwości.Artykuł wskazuje również czynniki projektowe, takie jak konfiguracja portu i symbole obwodów miksera, które pomagają tym urządzeniom działać dobrze w systemach RF.Dzięki ciągłym ulepszeniom technologii RF projekty miksera stają się lepsze, poprawia jakość sygnału i wydajność systemu.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Jaka jest różnica między mikserem RF a modulatorem?

Mikser RF łączy dwa sygnały wejściowe, sygnał częstotliwości radiowej i lokalny sygnał oscylatora, aby wytwarzać nowe częstotliwości poprzez proces o nazwie Mieszanie częstotliwości.Proces ten generuje zarówno częstotliwości sumy, jak i różnice oryginalnych wejść, do konwersji częstotliwości w odbiornikach radiowych i nadajnikach.Z drugiej strony modulator manipuluje sygnał nośnika do kodowania informacji z sygnału danych.Ta modulacja może obejmować zmianę amplitudy, częstotliwości lub fazy sygnału nośnego do reprezentowania danych, ułatwiając jej transmisję na medium.

2. Jakie są przykłady urządzeń mikserowych RF?

Miksery podwójnie zrównoważone: Urządzenia te oferują dobrą izolację między portami i są używane zarówno w aplikacjach konwersji w górę, jak i w dół konwersji w systemach komunikacyjnych i radarowych.

Miksery z pojedynczym zrównoważonym: miksery te zapewniają kompromis między wydajnością a kosztami, stosowany w aplikacjach, w których wystarczająca jest umiarkowana izolacja.

Miksery potrójne: Zastosowane w aplikacjach o wysokiej wydajności, miksery te oferują doskonałą izolację portu i wydajność intermodulacji, idealne dla złożonych środowisk sygnałowych.

3. Jak wykryć częstotliwość radiową?

Wykrywanie częstotliwości radiowych obejmuje użycie urządzenia o nazwie Analizator Spectrum.To narzędzie skanuje szereg częstotliwości i identyfikuje obecność sygnałów RF, wykazując ich siłę i charakterystykę.Inna powszechna metoda obejmuje stosowanie detektorów RF, które przekształcają sygnały o wysokiej częstotliwości na mierzalne wyjścia DC, które wskazują obecność i wytrzymałość sygnałów RF.

4. Jaka jest główna zaleta RF?

Główną zaletą technologii RF (częstotliwości radiowej) jest jej zdolność do przesyłania danych na duże odległości bez fizycznych połączeń.Komunikacja RF może przenikać różne materiały i przemierzają szerokie obszary geograficzne, dzięki czemu najlepiej jest do komunikacji mobilnej, nadawania i systemów zdalnego sterowania.Technologia RF obsługuje szeroki zakres częstotliwości, umożliwiając wiele kanałów i aplikacji komunikacyjnych.

5. Czy Wi-Fi jest sygnałem RF?

Tak, Wi-Fi działa przy użyciu sygnałów RF.Technologia Wi-Fi przesyła dane przy użyciu częstotliwości radiowych w pasmach 2,4 GHz i 5 GHz.Częstotliwości te pozwalają na bezprzewodową transmisję danych między urządzeniami, na przykład między routerem bezprzewodowym a komputerem, za pomocą fal elektromagnetycznych.Umożliwia to urządzeniom łączenie się z Internetem i komunikowanie się ze sobą bez potrzeby połączeń przewodowych.