믹서는 수퍼헤테로다인(슈퍼) 수신기 아키텍처에서 RF 신호 체인의 핵심 단계입니다. 이를 통해 수신기는 관심 있는 넓은 주파수 대역에 걸쳐 조정된 다음 원하는 수신 신호 주파수를 알려진 고정 주파수로 변환할 수 있습니다. 이를 통해 관심 있는 신호를 효율적으로 처리, 필터링 및 복조할 수 있습니다. 상부 구조의 구조는 우아하고 단순하지만 실제 성능은 구성 기능 블록의 성능에 따라 달라집니다.
유비쿼터스 슈퍼맨은 1930년대에 공학 천재 EH 암스트롱 소령이 개발했으며 그의 이전 수신기 설계인 초재생 설계를 대체했습니다(오늘날에도 여전히 전문적인 응용 프로그램에 사용됨). 그 후 암스트롱은 여전히 널리 사용되는 주파수 변조도 발명했습니다. 그들 중 누구라도 암스트롱을 "선구자이자 발명가" 범주로 만들겠지만, 이 세 가지 무선 관련 발명품을 갖는 것이 정말 중요합니다. 믹서의 기본 사항에 대한 자세한 내용은 TechZone 문서 "믹서의 기본 사항"을 참조하십시오. 기본 수퍼 "단일 변환" 수신기에서 입력 캐리어 RF 신호는 하나 이상의 저잡음 증폭기(LNA) 단계에서 증폭된 다음 믹서로 들어갑니다(그림 1). 믹서에는 RF 신호와 로컬 발진기(LO)의 두 가지 입력이 있습니다. LO는 조정하려는 신호에서 고정된 오프셋에 있으며 반송파 주파수 위 또는 아래로 설정할 수 있습니다. 일부 디자인에는 기술적인 이유가 있으며, 왜 하나가 다른 것보다 우선합니다.
그림 1: 기본 수퍼헤테로다인 아키텍처는 RF 신호를 로컬 발진기와 혼합하고 증폭된 RF 신호와 고정 오프셋을 유지하여 하향 변환 고정 주파수 IF 신호를 생성합니다.
믹서는 두 신호를 결합하는 비선형 스테이지입니다. 이 비선형 믹싱은 XNUMX개의 출력을 생성합니다. 하나는 두 신호 주파수의 합에서, 다른 하나는 그 차이에서 생성됩니다(다른 및/고조파도 비선형 믹싱 프로세스에 의해 생성되지만 흥미롭지 않고 필터링하기 쉽지 않음). IF(Intermediate Frequency)라고 하는 고정된 비트 주파수 출력이 있어 수퍼 디자인이 매우 효과적입니다. 특정 주파수를 튜닝하더라도 IF는 항상 동일한 주파수에 있기 때문입니다. IF 주파수는 항상 동일하므로 IF 스테이지 증폭기와 후속 복조기는 알려진 단일 주파수의 성능에 맞게 최적화될 수 있습니다.
다음으로 믹서의 IF 출력을 필터링하여 아티팩트를 최대한 제거한 다음 추가 증폭 및 복조를 위해 다음 단계로 진행합니다. 역사적으로 기존 방송 AM 라디오는 455kHz IF를 사용했고 기존 방송 FM 라디오는 10.7MHz를 사용했지만 다른 전문 애플리케이션은 다른 IF를 사용했습니다.
기본 단일 변환 슈퍼 외에도 이중 변환 토폴로지가 있습니다. 이것은 500MHz 또는 1GHz 이상과 같은 더 높은 반송파 주파수에 사용되어 각 단계의 달성 가능한 성능을 최적화하여 신호 필터링 문제 및 노이즈 문제를 완화합니다. 반송파는 첫 번째 단계 믹서/LO를 통과하여 약 50-100MHz의 첫 번째 IF가 두 번째 믹서/LO에 의해 두 번째 IF로 더 하향 변환됩니다. 이는 설계자에게 더 큰 전체 유연성을 제공하고 개별 구성 요소 사양에 대한 일부 요구 사항을 완화합니다. (심지어 상용화된 삼중 변환 수신기도 있습니다.) 그림 2: 이중 변환 설계에서 기본 수퍼 방법은 더 높은 주파수에서 동조하기 위해 첫 번째 다운 변환 단계를 확장합니다. IF 출력은 두 번째 IF 출력을 생성하기 위해 두 번째 단계의 LO와 혼합되는 고정 주파수 RF와 동등해집니다.
1. 제로 IF 설계
LO/IF 초정밀 방법이 지금까지 가장 성공적으로 설계된 수신기 아키텍처이지만 현재 다른 방법인 DCR(직접 수신기 변환 수신기)라고도 하는 제로 IF 수신기, 호모다인 수신기와 경쟁하고 있습니다. 또는 동기 수신기(그림 3). 여기서 LO 주파수는 원하는 신호의 RF 반송파 주파수에 매우 가깝게 설정됩니다. 혼합 출력은 즉시 베이스밴드에 있으며 IF 단계가 필요하지 않습니다.
그림 3: 제로 IF 방법은 RF 신호에 매우 가까운 LO를 사용하고 중간 IF 단계 없이 베이스밴드로 직접 하향 변환합니다.
이 방법은 이론적으로 기본 회로의 복잡성을 줄여주지만 동적 범위, 안정성, 왜곡, 튜닝 범위 및 노이즈를 포함한 모든 단계에서 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 신중하게 선택되고 설계된 일부 응용 제품의 경우 IC는 제로 IF 수신기를 IF 수준의 수퍼 수신기보다 경쟁력 있거나 우수하게 만들 수 있습니다.
2. 주요 믹서 매개변수
믹서는 패시브(일반적으로 다이오드로 제작됨) 또는 트랜지스터 게인을 사용하는 액티브 장치일 수 있습니다. 넓은 RF 주파수 대역에서 신호를 수집하여 고정 IF 주파수로 하향 변환하는 기능 모듈로서 믹서에는 많은 요구 사항이 있습니다. 능동 및 수동 믹서는 각각 다른 주요 매개변수 조합을 제공하며 달리 명시되지 않는 한 모두 dB로 측정됩니다.
3차 인터셉트 포인트 또는 입력 교차점(IIP3 또는 IP20)은 30차 비선형 곱 항으로 인해 발생하는 선형 증폭 신호에 대한 비선형 곱 믹서의 효과와 관련됩니다. 믹서 통과 대역 내의 두 테스트 주파수는 3차 인터셉트 포인트를 평가하는 데 사용됩니다. 일반적으로 이러한 테스트 주파수는 약 XNUMX~XNUMXkHz 떨어져 있습니다. 더 높은 IPXNUMX 값(dBm 단위)은 더 나은 믹서를 나타냅니다.
변환 손실/이득은 IF 출력 전력과 RF 입력 전력의 비율입니다. 패시브 믹서의 경우 이는 항상 손실(음수 dB)이며 일반적으로 -5 ~ -10dB 사이입니다. 믹서의 효율성을 측정하는 것이지만 여기서 문제는 DC 전원 공급 장치의 효율성이 아니라 믹서가 보는 상대적으로 낮은 RF 전력 수준입니다.
잡음 지수(NF)는 믹서에 의해 추가된 잡음을 특성화하고 IF 출력에 나타나기 때문에 매우 중요합니다. 관심 있는 신호에 대역 내 잡음이 추가되면 신호를 제거, 파괴하고 복조를 더욱 어렵게 만들고 BER(비트 오류율)을 줄이는 것이 거의 불가능하기 때문에 이는 우려 사항입니다. 일반적인 노이즈 수치는 0.5~3dB입니다.
절연은 믹서가 RF 또는 LO 입력 신호 에너지가 IF 출력에 도달하는 것을 방지하는 정도를 정의합니다. 이로 인해 IF가 파괴 및 왜곡되고 복조 문제 및 오류가 발생할 수 있습니다. 누설 IF 출력에 대한 RF 또는 LO 입력의 비율입니다.
동적 범위는 믹서가 처리할 수 있는 최소 신호 수준에 대한 최대 신호 수준의 비율을 측정하며 여전히 사양을 충족하는 IF 신호를 제공합니다. 예상되는 RF 입력에 따라 시스템에 중간(50dB) 또는 넓은 동적 범위(100dB)가 필요할 수 있습니다.
이들은 탑 믹서와 관련된 성능 매개변수일 뿐입니다. 기타에는 이미지 거부, 이득 압축, DC 오프셋 및 1dB 압축 포인트가 포함됩니다.
3. 사용 가능한 다양한 믹서
믹서 벤더에는 RF 전문 지식을 갖춘 전통적인 아날로그 IC 벤더와 IC 및 개별 믹서를 개발하는 RF 중심 벤더가 포함됩니다. 이 두 그룹은 서로 다른 방향에서 믹서 성능을 바라보기 때문에 공통적인 측면뿐만 아니라 우선순위와 트레이드 오프 측면에서 서로 다른 초점 영역을 가지고 있습니다.
IC 공급업체 ADI는 LO 버퍼 증폭기가 통합된 GaAs pHEMT 단일 종단 패시브 믹서인 ADL5350을 출시했습니다(그림 4).
그림 4: ADL5350 수동 믹서에는 LO 신호 생성의 작동 및 요구 사항을 간소화하는 능동 LO 증폭기가 포함되어 있습니다.
이 광대역 장치는 750MHz ~ 4GHz의 주파수를 처리할 수 있으며 다양한 변조 유형 및 표준을 사용하는 셀룰러 기지국용으로 설계되었습니다. 버퍼는 사용자가 낮은 수준의 LO를 제공할 수 있도록 하여 설계를 단순화합니다. 변환 손실은 6.8dB, 잡음 지수는 6.5dB, IP3은 25dB입니다. 관련된 주파수로 인해 ADL5350은 8 VFDFN 노출 패드, 칩 규모 패키지를 사용합니다. (업컨버전의 보조적인 과정으로도 쓰일 수 있지만 이건 또 다른 이야기입니다.)
CEL(이전 California Eastern Laboratory)은 2757~0.1GHz의 RF 입력과 2.0~20MHz의 IF를 위한 UPC300 실리콘 칩 MMIC(모놀리식 마이크로파 IC)를 제공합니다(그림 6).
그림 6: CEL의 UPC2757 계열에는 0.1~2.0GHz 사이의 RF 입력을 위한 기본 능동 믹서가 포함되어 있습니다.
UPC2757TB는 낮은 전력 소비에 최적화되어 있고 UPC2758TB는 낮은 왜곡에 최적화되어 있습니다. 각 IC에서 변환 이득은 LO 주파수의 함수입니다(그림 7).
그림 7: CEL의 UPC2757 MMIC의 변환 이득은 LO 주파수에 따라 다릅니다. 두 가지 주요 제품군은 전력 소비 및 왜곡에 대한 기본 선택을 제공합니다.
이것은 단지 두 가지 예일 뿐입니다. 믹서는 많은 공급업체에서 구할 수 있습니다. 이 장비는 다양한 RF 및 LO 주파수와 다양한 전력 수준 및 성능 매개변수에 사용할 수 있습니다. 설계자의 의사 결정 프로세스는 먼저 기본 주파수 요구 사항과 다른 믹서 속성에 필요한 값뿐만 아니라 이러한 요소에 존재할 수 있는 유연성 또는 절충 사항을 나열합니다.
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