Erläuterungen zu Up- und Down-Converting-Mischern

I) Was ist die Entsprechung zwischen Aufwärts- und Abwärtswandlerschaltungen und Schaltungen, die Summen und Differenzen von Frequenzen durchführen?

Um das Konzept eines „Mischers“ zu verdeutlichen;

Was ein Mixer idealerweise ist, ist nur ein analoger Multiplikator, der zwei Eingangssignale nimmt und sie miteinander multipliziert, um den Ausgang zu erhalten, deshalb wird das Multiplikationssymbol verwendet, um einen idealen Mixer darzustellen.

Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie mit Sinusfunktionen mit unterschiedlichen Frequenzen multiplizieren, nennen wir die Frequenzen fa und fb, das Ergebnis zwei neue Sinusfunktionen sind, eine mit der Frequenz fa+fb und eine mit der Frequenz fa-fb (Sie erhalten auch fb -fa, aber eines der letzteren wird zu einer negativen Frequenz führen, die außerhalb des Rahmens dieser Antwort liegt)

Um entweder einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler zu erhalten, filtern Sie einfach das Signal heraus, das Sie nach dem Mischer nicht wollen. Nehmen wir an, Sie möchten nicht herunterkonvertieren, fügen Sie einfach einen Tiefpassfilter nach Ihrem Mischer hinzu, und Sie erhalten nur die Differenz der Frequenzen. Sie möchten hochkonvertieren? Fügen Sie nach dem Mischer einen Hochpassfilter hinzu.

Was ich bisher beschrieben habe, ist, wie man sich ideale Mischer vorstellt, was sie tun und wie man sich den Unterschied zwischen einem aufwärtskonvertierenden Mischer und einem abwärtskonvertierenden Mischer vorstellen kann, es hat alles nur mit dem Filter zu tun Sie nutzen. Die Art und Weise, wie Aufwärts- und Abwärtskonvertierungsmischer in Wirklichkeit hergestellt werden, hängt jedoch vollständig von der Anwendung ab, typischerweise kann in HF-Anwendungen jede Art von nichtlinearem Verstärker mit dem Filter in seinem Rückkopplungspfad verwendet werden, und die Signale können addiert werden am Eingang. Dies ergibt ein ähnliches Ergebnis wie ein echter analoger Multiplikator, und nach dem Filter erhalten Sie immer noch nur das gewünschte Signal.

II) Was genau repräsentiert IF? Betrachten wir zum Beispiel einen Empfänger. Das an der Antenne ankommende Signal ist das Ergebnis einer Amplituden- oder Frequenzmodulation, durch die ein Signal, das einige Informationen enthält (z. B. ein Audiosignal), in der Frequenz verschoben und von einem hochfrequenten Trägersignal getragen wird. Dann muss der Empfänger das ursprüngliche Informationssignal rekonstruieren. Repräsentiert IF also dieses Signal? Oder ist die Down-Wandlung auf ZF eine Zwischenstufe?

„ZF“ steht für „Zwischenfrequenz“, und in den meisten Fällen ist dies nicht die endgültige Ausgabe, die Sie suchen.

Das ZF-Signal ist tatsächlich eine Zwischenstufe, wie der Name schon sagt. Nehmen wir den Fall eines AM-modulierten Signals, nach der Abwärtswandlung haben Sie immer noch einen AM-modulierten Träger, es liegt nur auf einer niedrigeren Frequenz. Dasselbe gilt für FM, Sie erhalten nur eine FM-modulierte ZF, die eine niedrigere Frequenz als Ihr ursprüngliches HF-Signal hat.

Es ist kompliziert. Und sich ständig ändern (zumindest, wenn Sie eine Sammlung von RF-Büchern haben, die bis in die Zeit zurückreichen, als eine Pentode "diese neumodische Röhre" war).

Was ist die Entsprechung zwischen Aufwärts- und Abwärtswandlerschaltungen und Schaltungen, die Summen und Differenzen von Frequenzen durchführen?

• Jede Schaltung, die zwei Sinuskurven multipliziert, gibt ein Signal bei der Summe und der Differenz dieser beiden Frequenzen aus.
• In der Praxis geben die meisten Mischerschaltungen Signale an der Summe und Differenz des eingehenden „Signal“-Ports und fast jeder möglichen Harmonischen des „LO“-Ports aus. Dies liegt daran, dass Multiplikatoren von Natur aus nichtlinear sind und eine gute Möglichkeit, diese Nichtlinearität zu handhaben, darin besteht, ihre Auswirkungen auf das LO-Signal zu konzentrieren.
• Wenn es überhaupt einen Unterschied gibt, liegt es daran, dass auf einen "Up-Converter" oder einen "Down-Converter" Filter folgen, die die unerwünschten Mischprodukte herausfiltern und nur das gewünschte behalten - also ist es genauso der Filter, der den " up" oder "down" Teil wie alles andere*.

Was genau repräsentiert IF? Betrachten wir zum Beispiel einen Empfänger. Das an der Antenne ankommende Signal ist das Ergebnis einer Amplituden- oder Frequenzmodulation, durch die ein Signal, das Informationen enthält (z. B. ein Audiosignal), in der Frequenz verschoben und von einem hochfrequenten Trägersignal getragen wird. Dann muss der Empfänger das ursprüngliche Informationssignal rekonstruieren. Repräsentiert IF also dieses Signal? Oder ist die Down-Wandlung auf ZF eine Zwischenstufe?

„IF“ bedeutet wörtlich „Zwischenfrequenz**“. Sie können sich einen Überlagerungsempfänger als einen wirklich gut optimierten Festfrequenzempfänger vorstellen, der hinter einem abstimmbaren Frequenzwandler sitzt – und dieser Frequenzwandler ist die Mischstufe (oder der Aufwärts- oder Abwärtswandler).

Im Allgemeinen prägen alle Hochfrequenz-Kommunikationsmodi ein Signal auf einen Träger ein (oder sie erzeugen ein Signal, das auf einen möglicherweise unterdrückten Träger verweist). Ein Frequenzumwandlungsschritt bewahrt die Struktur des Signals, verschiebt es aber nur in der Frequenz. Das Signal muss noch demoduliert und für den Verbrauch verarbeitet werden (d. h. ein AM-Signal muss durch einen Spitzendetektor laufen, ein FM-Signal muss durch einen Diskriminator laufen usw.)

* Einige Mixer haben von Natur aus einen "Niederfrequenz"-Port und einen "Hochfrequenz"-Port - das ist jedoch zu kompliziert für diese Antwort.

** Und wieder zu kompliziert für diese Antwort - der IF ist nicht immer niedriger als der RF. Es gibt viele "HF" -Empfänger, die von 1 MHz bis 30 MHz oder so arbeiten, die die HF in eine ZF im Bereich von 45 bis 70 MHz umwandeln und dann den Rest ihrer Verarbeitung erledigen.

Der Begriff „lokaler Oszillator“ (=LO) ist historisch. Funkgeräte hatten zunächst einen Oszillator als Sender. Einen Oszillator auch im Empfänger zu haben (um das Signal im Mischer auf ZF zu verschieben) erforderte einen neuen Begriff und daraus wurde LO.

Lassen Sie uns ein Signal namens A haben. Lassen Sie uns A in einen Mischer eingeben und gleichzeitig von einem Oszillator (= vom LO) eine Sinuswelle mit der Frequenz Fo eingeben. Wenn der Mischer optimal arbeitet, kann man mit Spektrumanalyse zwei gleichzeitige Ausgangssignale trennen. In jedem Moment ist die Spannung am Ausgang die Summe dieser Mischprodukte:

1) Frequenzsumme: Jede Spektralkomponente von A wird in der Frequenzskala um den Betrag +Fo nach oben verschoben

2) Frequenzdifferenz: jede Spektralkomponente von A wird um den Betrag +Fo nach unten in der Frequenzskala verschoben. Wenn die resultierende Häufigkeit negativ ist, kann das Minuszeichen weggelassen werden.

Ein idealer Mischer ist eigentlich ein spannungsgesteuerter Verstärker oder Dämpfer, bei dem das Signal des lokalen Oszillators proportional steuert, wie viel A verstärkt oder gedämpft wird.

Die Aufwärtskonvertierung von Begriffen ist nicht so klar, wie es zunächst scheinen mag. Das amplitudenmodulierte Funksignal enthält gleichzeitig beide idealen Mischergebnisse. Wenn das übertragene Audiosignal einen Frequenzbereich von beispielsweise 100 Hz bis 5 kHz abdeckt und das „LO“-Signal bei 1 MHz liegt, gibt der Mischer gleichzeitig das Audiosignal in den Bändern 1000100 Hz bis 1005000 Hz und 995000 Hz bis 999900 Hz aus.

Genauer gesagt wird dem Audiosignal eine zusätzliche DC-Komponente (= 0 Hz) hinzugefügt, die ein zusätzliches Mischprodukt erzeugt, den Träger bei 1 MHz, der benötigt wird, um die Umwandlung zurück in Audio (= die Erkennung) in AM-Empfängern einfach zu machen. Wir sagen, dass das AM-Funksignal eine Frequenz von 1 MHz hat, obwohl es zwischen 0,995 MHz und 1,005 MHz verteilt ist.

Der Träger und eine der Kopien des Signals über oder unter dem Träger ist theoretisch unnötig. Sie verschwenden sowohl Signalleistung als auch Frequenzraum. Wir haben SSB (=Single Side Band)-Funksysteme, bei denen die unnötigen Teile mit Filtern oder cleveren Phasenschaltkreisen unterdrückt werden, aber sie machen den Empfänger komplex und verschlechtern die Audioqualität, sodass das einfache AM-Funksignal immer noch verwendet wird. Für das analoge Fernsehen wurde eine Version von AM verwendet, die unnötige Teile radikal reduziert, aber bandbegrenzt überträgt.

In der digitalen Signalverarbeitung wird häufig ideales Mischen mit Multiplikation verwendet. In analogen Schaltungen ist eine perfekte Multiplikation nur mit niederfrequenten Operationsverstärkerschaltungen möglich. In Radios war schlechtes Mischen ein so ernstes Problem, dass einige Problemumgehungen erforderlich waren. Die häufigste Problemumgehung bestand darin, die Multiplikation durch Umschalten zu ersetzen.

Mit Spektralmathematik (= trigonometrische Gleichungen oder Fourier-Transformationen) kann man zeigen, dass das sinusförmige Lokaloszillatorsignal bei idealer Mischung durch ein Rechtecksignal ersetzt werden kann. Das Ergebnis ist so, als ob das Signal A entweder mit der Schaltfrequenz = der LO-Frequenz (=Fo) EIN-AUS geschaltet wird oder die Polarität von A mit der LO-Frequenz vertauscht wird. Wir überspringen die Mathematik, aber wenn wir an die Frequenzverschiebung im idealen Mischer glauben, sehen wir, dass das Umschalten die Mischergebnisse auch zwischen A und den Harmonischen der Rechteckwelle bei Freq Fo erzeugt.

In praktischen Mischern wird keine lineare Multiplikation versucht, die Mischer erledigen das Schalten mit Dioden oder Transistoren. Die Spannung des LO-Signals ist so hoch, dass das Schalten möglich ist. Signal A durchläuft die Hälfte der Zeit in symmetrischen Mischern oder die ganze Zeit in doppelt symmetrischen Mischern, aber die Hälfte der Zeit invertiert (=multipliziert mit minus 1)

Die unerwünschten Mischergebnisse mit den Oberwellen des LO-Signals werden herausgefiltert. Der Systemdesigner hat die verwendeten Frequenzen so ausgewählt, dass eine Filterung möglich ist.

Über ZF: Radioempfänger benötigen oft eine hohe Signalverstärkung, um schwache Signale empfangen zu können, und sie benötigen außerdem eine scharfe Filterung, um nur den interessanten Radiosender zu empfangen. Diese Dinge können mit Schaltungen mit variabler Frequenz zu teuer sein, außer wenn die interessierende Station ein überwältigendes starkes Signal erzeugt, das die anderen überdeckt, die einfache Empfänger gleichzeitig passieren würden.

Massenproduzierte "Super Heterodyne"-Empfänger verschoben bereits in den 1930er Jahren mit einem Mischer das interessierende Signal auf etwa 450 kHz Zwischenfrequenz, wo die endgültige Filterung, Verstärkung und Erkennung des Audios erfolgte. Die Verschiebung auf 450 kHz bedeutete tatsächlich eine Verschiebung nach oben, wenn sich das Signal im Langwellenband befand. MW- und HF-Bänder mussten nach unten verschoben werden.

Direktes Verschieben mit Mischen auf 0 Hz oder Empfangen mit direkter Umwandlung ist mit phasenstarren oder synchronisierenden analogen Oszillationsschaltungen möglich, wenn zumindest irgendwie eine Bandpassfilterung vor der Umwandlung hilft. Auch digitale Signalverarbeitung kann verwendet werden, wenn vor der AD-Wandlung etwas Verstärkung, Normalisierung des Signalpegels und Filterung verfügbar sind.

ZF wurde auch in Funksendern verwendet, um Modulationen zu erleichtern. Es ist besonders nützlich im Mikrowellenbereich, wo alles Komplexe bei der endgültigen Übertragungsfrequenz schwierig ist.

Die ZF ist, wie andere gesagt haben, nur eine Zwischenfrequenz zwischen der Quellen-HF und der endgültigen Frequenz, die Sie analysieren werden. Beachten Sie jedoch, dass es mehr als ein IF geben kann. Hier ist ein Beispiel.

Angenommen, Sie haben einen 8-GHz-Eingang (X-Band), den Sie irgendwie auf 500 MHz heruntermischen möchten, an welchem ​​​​Punkt er von einem Hochgeschwindigkeits-ADC abgetastet werden kann. Eine Möglichkeit wäre, den 8-GHz-Eingang mit einem 8,5-GHz-LO zu mischen und den 500-MHz-Differenzausgang zu verwenden.

Eine andere Möglichkeit wäre, den 8-GHz-Eingang mit demselben 8,5-Hz-LO zu mischen, nur verwenden Sie diesmal die Summenfrequenz aus dem Mischer, 16,5 GHz. Dies ist ein IF, aber nicht Ihr letztes IF. Dann mischen Sie die 16,5 GHz mit einem anderen LO bei beispielsweise 17 GHz und nehmen die Differenzfrequenz von 500 MHz und senden sie an Ihren ADC.

Welche Vorgehensweise die beste ist, hängt von vielen Dingen ab. Aber einer der Hauptgründe dafür, dass ein Ansatz dem anderen vorgezogen wird, hat mit der Verwaltung und Unterdrückung von Störsignalen zu tun, wobei ein Störsignal einfach eine unerwünschte Frequenz ist, die aus dem Mischer oder einem anderen nichtlinearen Teil in der Empfangskette kommt.

Receiver-Designer verbringen viel Zeit und Mühe damit, den richtigen Ansatz zu finden.