Le mélangeur est une étape clé de la chaîne du signal RF dans l'architecture du (super) récepteur superhétérodyne. Il permet au récepteur d'être réglé sur une large bande de fréquences d'intérêt, puis de convertir toute fréquence de signal reçu souhaitée en une fréquence fixe connue. Cela permet au signal d'intérêt d'être efficacement traité, filtré et démodulé. La structure de la super structure est élégante et simple, mais les performances réelles dépendent des performances de ses blocs fonctionnels constitutifs.
Notez que l'omniprésent Superman a été développé par le génie de l'ingénierie, le major EH Armstrong, dans les années 1930 et a largement remplacé sa conception de récepteur précédente, la conception super-régénérative (bien qu'elle soit encore utilisée dans les applications professionnelles aujourd'hui). Par la suite, Armstrong a également inventé la modulation de fréquence, qui est encore largement utilisée. N'importe lequel d'entre eux ferait d'Armstrong une catégorie « pionnier et inventeur », mais il est vraiment important d'avoir ces trois inventions liées à la radio. Pour plus d'informations sur les bases du mixeur, consultez l'article TechZone "Bases du mixeur". Dans un récepteur de base super « simple conversion », le signal RF de la porteuse d'entrée est amplifié par un ou plusieurs étages d'amplificateurs à faible bruit (LNA) puis entre dans le mélangeur (Figure 1). Le mélangeur a deux entrées : signal RF et oscillateur local (LO). Le LO est à un décalage fixe par rapport au signal souhaité à régler et peut être réglé au-dessus ou au-dessous de la fréquence porteuse ; il y a des raisons techniques dans certaines conceptions, pourquoi l'une prend le pas sur l'autre.
Figure 1 : L'architecture superhétérodyne de base mélange le signal RF avec l'oscillateur local et maintient un décalage fixe avec le signal RF amplifié à régler pour générer un signal FI à fréquence fixe et à conversion descendante, qui peut ensuite être amplifié et démodulé en bande de base.
Le mélangeur est un étage non linéaire qui combine deux signaux. Ce mixage non linéaire produit deux sorties : une à la somme des deux fréquences du signal, et l'autre à leur différence (d'autres et/ou harmoniques sont également produits par le processus de mixage non linéaire, mais ils ne sont pas intéressants et faciles à filtrer). Il existe une telle sortie à fréquence de battement fixe, appelée fréquence intermédiaire (IF), qui rend la super conception si efficace. En effet, quelle que soit la fréquence spécifique réglée, la FI est toujours à la même fréquence. Étant donné que la fréquence FI est toujours la même, l'amplificateur de l'étage FI et le démodulateur ultérieur peuvent être optimisés pour les performances d'une seule fréquence connue.
Ensuite, filtrez la sortie FI du mélangeur pour éliminer tous les artefacts (autant que possible), puis passez à l'étape suivante pour une amplification et une démodulation supplémentaires. Historiquement, la radio AM de diffusion traditionnelle utilisait un FI de 455 kHz, la radio FM de diffusion traditionnelle utilisait 10.7 MHz, mais d'autres applications professionnelles utilisaient des FI différents.
En plus de la super conversion simple de base, il existe également des topologies à double conversion. Ceci est utilisé pour des fréquences porteuses plus élevées, telles que 500 MHz ou au-dessus de 1 GHz, pour atténuer les problèmes de filtrage du signal et les problèmes de bruit en optimisant les performances réalisables de chaque étage ; la porteuse passe à travers le mélangeur/LO du premier étage pour la réduire à approximativement. Cela offre aux concepteurs une plus grande flexibilité globale et assouplit certaines des exigences relatives aux spécifications des composants individuels. (Il existe même des récepteurs à triple conversion dans le commerce.) Figure 50 : Dans une conception à double conversion, la super méthode de base étend le premier étage de conversion descendante pour un réglage à une fréquence plus élevée ; la sortie FI devient équivalente à une fréquence RF fixe, qui est mélangée avec le LO du deuxième étage pour produire une deuxième sortie FI.
1. Conception Zéro-IF
Bien que la méthode d'ultra-précision LO/IF soit de loin l'architecture de récepteur la plus aboutie, elle est maintenant concurrencée par une autre méthode : un récepteur zéro-IF, également connu sous le nom de récepteur-convertisseur direct (DCR), le récepteur homodyne ou récepteur synchrone (Figure 3). Ici, la fréquence LO est réglée très près de la fréquence porteuse RF du signal souhaité. La sortie mixée est immédiatement en bande de base et ne nécessite pas d'étage FI.
Figure 3 : La méthode zéro-IF utilise un LO qui est très proche du signal RF et se convertit directement en bande de base sans étage IF intermédiaire.
Bien que cette méthode réduise théoriquement la complexité du circuit de base, elle impose des exigences strictes à toutes les étapes, y compris la plage dynamique, la stabilité, la distorsion, la plage d'accord et le bruit. Pour certaines applications soigneusement sélectionnées et conçues, IC peut rendre les récepteurs à FI zéro compétitifs ou supérieurs aux super récepteurs avec des niveaux FI.
2. Paramètres clés du mixeur
Les mélangeurs peuvent être passifs (généralement construits avec des diodes) ou actifs qui utilisent le gain du transistor. En tant que module fonctionnel qui collecte les signaux dans une large bande de fréquences RF et les convertit en une fréquence FI fixe, les mélangeurs ont de nombreuses exigences pour cela. Les mélangeurs actifs et passifs fournissent chacun différentes combinaisons de paramètres clés, tous mesurés en dB, sauf indication contraire :
Le point d'interception de troisième ordre ou le point de croisement d'entrée (IIP3 ou IP3) se rapporte à l'effet du mélangeur de produit non linéaire sur le signal amplifié linéairement causé par le terme de produit non linéaire de troisième ordre. Deux fréquences de test dans la bande passante du mélangeur sont utilisées pour évaluer le point d'interception de troisième ordre ; typiquement, ces fréquences de test sont distantes d'environ 20 à 30 kHz. Une valeur IP3 plus élevée (en dBm) indique un meilleur mélangeur.
La perte/le gain de conversion est le rapport entre la puissance de sortie FI et la puissance d'entrée RF. Pour les mélangeurs passifs, il s'agit toujours de la perte (dB négatif), généralement comprise entre -5 et -10 dB. Bien qu'il s'agisse d'une mesure de l'efficacité d'un mélangeur, le problème ici n'est pas l'efficacité de l'alimentation CC, mais le niveau de puissance RF relativement faible que le mélangeur perçoit.
Le facteur de bruit (NF) est très important car il caractérise le bruit ajouté par le mélangeur et apparaît à la sortie FI. C'est une préoccupation, car une fois que le bruit dans la bande est ajouté au signal d'intérêt, il est presque impossible d'éliminer, de détruire le signal, de rendre la démodulation plus difficile et de réduire le taux d'erreur sur les bits (BER). Le facteur de bruit typique est compris entre 0.5 et 3 dB.
L'isolement définit le degré auquel le mélangeur empêche l'énergie du signal d'entrée RF ou LO d'atteindre la sortie FI, ce qui peut détruire et déformer la FI et provoquer des problèmes et des erreurs de démodulation. C'est le rapport entre l'entrée RF ou LO et la sortie FI de fuite.
La plage dynamique mesure le rapport entre le niveau de signal maximum et le niveau de signal minimum que le mélangeur peut gérer, et fournit toujours un signal FI conforme aux spécifications. Selon l'entrée RF attendue, le système peut nécessiter une plage dynamique moyenne (50 dB) ou large (100 dB).
Ce ne sont que les paramètres de performance liés au mixeur supérieur. D'autres incluent le rejet d'image, la compression de gain, le décalage CC et le point de compression de 1 dB.
3. Large gamme de mélangeurs disponibles
Les fournisseurs de mélangeurs comprennent les fournisseurs de circuits intégrés analogiques traditionnels dotés d'une expertise RF, ainsi que les fournisseurs axés sur les RF qui développent des circuits intégrés et des mélangeurs discrets. Étant donné que ces deux groupes examinent les performances du mélangeur dans des directions différentes, ils ont des domaines d'intérêt différents en termes de priorités et de compromis, ainsi que des aspects communs.
Le fournisseur de circuits intégrés ADI a présenté l'ADL5350, qui est un mélangeur passif asymétrique GaAs pHEMT avec amplificateur tampon LO intégré (Figure 4).
Figure 4 : Le mélangeur passif ADL5350 comprend un amplificateur LO actif pour simplifier le fonctionnement et les exigences de la génération de signal LO.
Cet appareil à large bande peut gérer des fréquences de 750 MHz à 4 GHz et est conçu pour les stations de base cellulaires avec différents types et normes de modulation. Le tampon permet à l'utilisateur de fournir un LO de bas niveau, ce qui simplifie la conception. La perte de conversion est de 6.8 dB, le facteur de bruit est de 6.5 dB et l'IP3 est de 25 dB. En raison des fréquences impliquées, l'ADL5350 utilise un boîtier à puce à puce exposée 8 VFDFN. (Il peut également être utilisé pour le processus supplémentaire de conversion ascendante, mais ceci est une autre histoire.)
CEL (anciennement California Eastern Laboratory) fournit une puce de silicium UPC2757 MMIC (IC micro-onde monolithique) pour une entrée RF de 0.1 à 2.0 GHz et une FI de 20 à 300 MHz (Figure 6).
Figure 6 : La série UPC2757 de CEL comprend des mélangeurs actifs de base pour les entrées RF entre 0.1 et 2.0 GHz.
UPC2757TB est optimisé pour une faible consommation d'énergie, tandis que UPC2758TB est optimisé pour une faible distorsion. Pour chaque CI, le gain de conversion est fonction de la fréquence LO (figure 7).
Figure 7 : Le gain de conversion du MMIC UPC2757 de CEL varie avec la fréquence LO ; deux membres principaux de la famille offrent des choix de base pour la consommation d'énergie et la distorsion.
Ce ne sont que deux exemples. Les mélangeurs sont disponibles auprès de nombreux fournisseurs ; l'équipement peut être utilisé pour diverses fréquences RF et LO, ainsi que pour différents niveaux de puissance et paramètres de performance. Le processus de prise de décision du concepteur répertorie d'abord les exigences de fréquence de base et les valeurs requises pour les autres propriétés du mélangeur, ainsi que toute flexibilité ou compromis pouvant exister dans l'un de ces facteurs.
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