Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 18 ноября
 
 

Это интересно!

Ранее

Проектирование снабберных схем

В статье рассматриваются эффективные методы повышения надежности MOSFET в обратноходовых преобразователях.

Современные методы передачи данных

В статье рассматривается концепция передачи мультимедийных данных с высокой скоростью с помощью трансиверов SerDes. Эти устройства имеют ряд преимуществ при передаче больших объемов данных, обеспечивая приемлемое энергопотребление, производительность и стоимость системы. Кроме того, обсуждаются аналогово-цифровые методы коррекции сигнала при его распространении по кабелям длиной более 300 м.

Основы проектирования с помощью силовых ключей MOSFET

Многим разработчикам, особенно не специалистам в области управления электропитанием, использование силовых ключей может показаться сложной задачей. Однако в таких приложениях как портативные электронные приборы, потребительская электроника, промышленные или телекоммуникационные системы все чаще используются силовые ключи. В статье описываются важные характеристики силовых ключей и концепции их применения, а также возможные оптимальные решения.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

13 мая

Смесители и модуляторы в высокоскоростных системах связи

В статье рассматриваются основные характеристики и принципы построения смесителей и модуляторов для приемных и передающих каналов коммуникационной системы. Рассмотрены факторы, влияющие на работу смесителей – уровень шума, развязка, паразитные компоненты сигнала. Описаны возможные варианты топологий смесителей — однополосные, двухполосные, балансные и кольцевые балансные смесители, смесители с подавлением зеркального канала, а также особенности их применения в системе. Статья представляет собой перевод [1].



В

высокоскоростных беспроводных системах связи необходимо выполнять преобразование сигналов с повышением или понижением частоты, чтобы обеспечить их передачу и обработку. Преобразование частоты, известное как смешивание сигналов, является основой работы как приемного, так и передающего тракта коммуникационной системы. Поэтому смесители и модуляторы являются основными блоками для построения радиочастотных (РЧ) систем. Стандарты по беспроводным системами связи продолжают развиваться, поэтому имеет смысл рассмотреть характеристики этих устройств и изучить, каким образом параметры смесителей влияют на работу всей системы.
В любой радиосхеме смесители и модуляторы обеспечивают преобразование частоты и обеспечивают возможность передачи сигнала. Они определяют базовые характеристики всей сигнальной цепи коммуникационной системы. Кроме того, они отслеживают максимальный уровень мощности в цепи приемника, преобразуют сигналы от ЦАП с повышением частоты в тракте передатчика и обеспечивают работу систем цифровых предыскажений (Digital Rre-Distortion – DPD), которые влияют на работу всей коммуникационной системы.

Основы работы смесителя

В простейшем виде смеситель представляет собой умножитель. В то время как смесители аудиосигналов лишь складывают сигналы, радиочастотные смесители фактически перемножают входные сигналы и формируют новую частоту выходных сигналов. РЧ-модуляторы и демодуляторы, по существу, являются смесителями. Эти устройства принимают входной сигнал основной частоты и генерируют модулированный РЧ-сигнал или наоборот.
Обычно в приемнике используется преобразование с понижением частоты, чтобы обеспечить возможность обработки высокочастотных РЧ-сигналов, а передатчик преобразует сигнал более низкой основной частоты в высокочастотный РЧ-сигнал. Все порты смесителя способны работать как в нагрузочном режиме, так и в режиме отдачи тока.
В первом примере используется преобразование с понижением частоты. Входами являются радиочастота (RF) и частота гетеродина (LO). На выходе формируется промежуточная частота (IF). Выходной сигнал содержит как суммарные, так и разностные компоненты входных сигналов (см. рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение смесителя показывает, что у него есть два входа: РЧ-сигнал от антенны или малошумящего усилителя (RF) и сигнал гетеродина (LO). Смеситель перемножает оба сигнала, формируя суммарную и разностную частоты

Математически выходной сигнал мож­но описать с помощью уравнений (1)—(3):

 

RF = A1sin(ω1t + φ1);                 (1)

 

LO = A2sin(ω2t + φ2);               (2)

 

IF = A1A2sin(ω1t + φ1) sin(ω2t + φ2).   (3)

 

Используя тригонометрические уравнения, можно преобразовать уравнение (3) к виду, содержащему сумму и разность частот:

 

IF = (A1A2/2) {cos/[(ω1 + ω2)t + (φ1 + φ2)] + cos/[(ω1 – ω2)t – (φ1 – φ2)]}.                       (4)

 

В зависимости от необходимой промежуточной частоты (ПЧ), могут потребоваться несколько каскадов преобразования с понижением частоты и фильтрации для того, чтобы обеспечить то качество сигнала, которое нужно для его последующей обработки.
Смеситель при преобразовании с повышением частоты обычно включается в цепь после формирования сигнала основной частоты. В такой конфигурации ПЧ-сигнал теперь является входным сигналом, а РЧ-сигнал — выходным. И снова выход содержит суммарные и разностные компоненты входных сигналов. Дополнительная фильтрация на входе и выходе необходима для ослабления нежелательных компонентов сигнала, чтобы получить требуемые характеристики, аналогично цепи приемника.

Усиление при преобразовании

Коэффициент усиления при преобразовании является основным показателем смесителей, на основе которого проверяются их функциональные свойства. Он представляет собой отношение уровня выходного сигнала к входному уровню и обычно выражается в дБ. Потери на преобразование для пассивных смесителей отражают, как правило, вносимые потери.
Минимальные потери рассчитываются с помощью отношения РЧ-тока на выходе (g1vrf/2 = gonvrf/π) к ПЧ-току на выходе(g1vrf = gonvrf/2). Это отношение равно 2/π и, таким образом, коэффициент усиления при преобразовании равен (2/π)2 или –3,92 дБ, при условии, что импедансы всех цепей равны, и на вход гетеродина подается прямоугольный сигнал.
Если мы примем, что на вход гетеродина подается непрерывный синусоидальный сигнал, то компонент промежуточной частоты в выходном токе становится равным gonvrf/4. Это, в свою очередь, изменяет отношение мощностей с –3,92 на –6 дБ из-за меньшей мощности на входе гетеродина. Такое уменьшение мощности гетеродина влияет на способность смесителя управлять проводимостью включенного и выключенного состояний, что уменьшает выходную мощность и уровень шума.
Большинство смесителей имеют потери на преобразование в диапазоне 4,5…9 дБ. Эта величина зависит от типа смесителя и любых дополнительных потерь, в том числе вызванных дисбалансом смесителя, рассогласованием импедансов и влиянием последовательного сопротивления диода. Смесители с более широкой полосой пропускания склонны к более высоким потерям на преобразование, т.к. им труднее поддерживать баланс во всей входной полосе частот. Усиление при преобразовании влияет на выбор коэффициента усиления системы автоматической регулировки усиления (АРУ), используемых алгоритмов системы цифровых предыскажений и чувствительность системы.

Шум

Поскольку смеситель выполняет преобразование частоты, он добавляет шум к сигналу. Отношение сигнал-шум (SNR) на входе по сравнению с SNR на выходе в рабочем режиме известно как коэффициент шума. Уровень шума измеряется на устройстве во включенном состоянии. Затем полученный показатель сравнивается с мощностью шума в выключенном состоянии. Для расчета коэффициента и уровня шума пользуются следующими уравнениями:

 

Коэффициент шума F = (SNR)IN/(SNR)OUT.               (5)

 

Уровень шума NF = 10log(F).    (6)

 

Из уравнения (7) для расчета общего уровня шума при каскадном построении приемного тракта видно, что первый каскад наиболее сильно влияет на суммарный уровень шума:

 

 (7)

 

где G — коэффициент усиления каскада. Поэтому в базовых схемах приемного тракта ключ, фильтр и малошумящий усилитель, которые включены до смесителя, вносят свой вклад в общий коэффициент шума всей системы. Тщательно подбирая эти компоненты и параметры смесителя, можно минимизировать общий уровень шума и улучшить чувствительность.
Вспомним, что уровень сигнала гетеродина влияет как на коэффициент усиления преобразования, так и на уровень шума. Поскольку энергия гетеродина уменьшается, уменьшается и уровень шума. Имеется небольшая разница в том, как шум определяется для двухполосного (double sideband) и однополосного (single sideband) смесителей. Двойная боковая полоса означает, что как необходимая ПЧ, так и частота зеркального канала присутствует на выходе (для смесителей, которые были рассмотрены до данного момента). Одиночная боковая полоса означает, что зеркальная боковая полоса частот ослаблена насколько это возможно.
Двухполосный смеситель содержит часть шума как от радиочастоты, так и от частоты зеркального канала. Для однополосного смесителя сигнал частоты зеркального канала теоретически отсутствует, хотя и содержит шум зеркального канала. Идеальный однополосный смеситель имеет уровень шума, в два раза меньший, чем аналогичный двухполосный смеситель.

Развязка

Развязка в смесителе определяется между портами RF и IF; LO и IF; IF и RF и LO и RF. Величина развязки определяется как уровень мощности, которая проникает из одного порта в другой. Например, для того, чтобы определить развязку между портами LO и RF, нужно подать сигнал на порт LO и измерить мощность этого сигнала на порте RF.
Развязка имеет весьма важное значение, т.к. уровень входных сигналов, в особенности LO, может быть достаточно высоким, что вызывает ухудшение характеристик системы. Сигнал LO может наводить помехи на входной сигнал путем взаимодействия с РЧ-усилителем или путем излучения РЧ-энергии на порте антенны. Утечка мощности LO на выход IF может сжимать динамический диапазон остальных ПЧ-блоков приемного тракта, вызывая ошибки обработки данных.
Утечка RF на IF и наоборот показывает, насколько хорошо сбалансирована схема, что влияет на потери преобразования. Чем лучше сбалансирован смеситель, тем меньше потери на преобразование. Уровень развязки должен быть как можно более высокий, и его необходимо учитывать при использовании экранировки и в разработке оптимальной топологии печатной платы.

Точка сжатия динамического диапазона на 1 дБ

В приемнике смеситель отслеживает максимальную энергию в системе, поэтому большое значение имеет линейность: она определяет общие параметры приемника и передатчика. В нормальном или линейном режимах работы потери преобразования в смесителе постоянны, вне зависимости от РЧ-мощности. Это означает, что при увеличении входной мощности с шагом 1 дБ, выходная мощность также увеличивается на 1 дБ. В точке сжатия динамического диапазона на 1 дБ (точка P1дБ на рис. 2) при дальнейшем увеличении входной мощности выходная мощность перестает возрастать линейно. В этой точке потери преобразования смесителя увеличиваются на 1 дБ от идеальной величины.

Рис. 2. На графике зависимости выходной мощности от входной мощности смесителя показаны две характеристики смесителя: точка сжатия динамического диапазона на 1 дБ (P1дБ) и точка пересечения интермодуляционных составляющих третьего порядка (IP3)

Работа смесителя в режиме, превышающем точку P1дБ, приводит к искажению полезного ПЧ- или РЧ-сигнала, а также увеличивает содержимое паразитных составляющих в спектре. Точка сжатия динамического диапазона на 1 дБ всей цепи влияет на динамический диапазон системы. Обычно точка P1дБ для смесителей устанавливается в диапазоне 0…15 дБ. Чем выше точка P1дБ, тем лучше характеристики и потенциально шире динамический диапазон системы.

Точка пересечения интермодуляционных составляющих третьего порядка (IP3)
Точка пересечения интермодуляционных составляющих третьего порядка (IP3) оказывает влияние на характеристики системы подобно точке P1дБ. Высокие интермодуляционные искажения третьего порядка непосредственно связаны с точкой IP3 и могут увеличить уровень шума в реальных рабочих условиях. Это может снизить чувствительность радиоприемника, что, в свою очередь, ухудшает характеристики всей коммуникационной системы. Таким образом, чем выше точка IP3, тем лучше.
Для определения точки IP3 подают два входных сигнала одинаковой мощности F1 и F2 на вход RF (полагая, что это процесс преобразования с понижением частоты). Для вычисления точки IP3 нам нужны величины интермодуляционных искажений составляющих третьего порядка (IMD3) на частотах (2F2 – F1) – FLO и (2F1 – F2) – FLO (где FLO — частота гетеродина) из-за того, что эта частота близка к необходимой ПЧ:

 

 (8)

 

 

 (9)
                                  

Точка IP3 — это теоретическое понятие, которое получено из определения IMD3, реально точку IP3 достичь нельзя. Выходной каскад смесителя входит в насыщение до достижения точки IP3. Обычно для пассивных смесителей IP3, по крайней мере, на 15 дБ выше точки P1дБ для высокочастотных сигналов и на 10 дБ выше точки сжатия для низкочастотных сигналов.

Паразитные составляющие сигналов
В процессе работы смесителя генерируются выходные компоненты сигналов, представляющие собой сумму и разность входных сигналов, а также огромное число дополнительных нежелательных паразитных сигналов (см. рис. 3). В число таких сигналов входят основные частоты на входе и выходе смесителя, их гармоники (nRF, mLO или kIF) и интермодуляционные составляющие nRF ± mLO (преобразование с понижением частоты) и nLO ± mIF (преобразование с повышением частоты).

Рис. 3. Частотный спектр на выходе смесителя, на котором показаны различные составляющие выходного сигнала, в том числе суммарный и разностный сигналы, а также нежелательные составляющие зеркального канала и гармоник 2-го и 3-го порядка

Мы определяем такие паразитные составляющие как нежелательные составляющие сигналов при смешивании. Эти паразитные сигналы обусловлены преобразованием частоты на гармониках входного сигнала и гетеродина. Уровни таких паразитных сигналов зависят от ряда факторов, а именно от уровней входного сигнала, импеданса нагрузки, температуры и частоты.
Гармонические составляющие сигнала (nRF, mLO, kIF) экспоненциально возрастают с ростом мощности выходного сигнала. Математически эти нежелательные составляющие сигнала могут быть выражены в виде следующих уравнений:

 

основная гармоника: VOut = Acos(ωt);                                           (10)

вторая гармоника: A2cos(2ωt);                                                     (11)

 

третья гармоника: A3cos(3ωt).                                                     (12)


Компоненты сигналов с нелинейными искажениями существенно влияют на широкополосные системы из-за сложности их фильтрации и воздействия паразитных составляющих в широком диапазоне частот. На узкополосные приложения влияют только те паразитные составляющие, которые попадают в полосу пропускания. С помощью полосовых фильтров большую часть нежелательных составляющих можно эффективно ослабить. Однако, как было сказано ранее, частота составляющих третьего порядка IMD3 близка к частоте полезного сигнала, поэтому такой сигнал весьма трудно отфильтровать.

Сигнал с частотой зеркального канала (подавление боковой полосы)
Cигналом, который воздействует как на приемный, так и на передающий тракты смесителя, является сигнал с частотой зеркального канала. Сигнал на входе RF, который отличается по частоте на 2IF от входного сигнала, будет преобразован прямо в промежуточную частоту, как и нужный входной сигнал при понижении частоты. Такие методы как фильтрация и использование нескольких ПЧ-каскадов, а также смесители с подавлением зеркального канала могут минимизировать влияние этого нежелательного сигнала.
Сигнал с частотой зеркального канала — это просто «еще один» выходной сигнал, кроме полезного сигнала, т.к. выход любого простого смесителя содержит суммарные и разностные компоненты сигналов по определению. Более сложный смеситель, в котором предусмотрено подавление зеркального канала на выходе, называется однополосным смесителем или синфазным/квадратурным (in-phase/quadrature) модулятором (I/Q-модулятором). На-
пример, TRF372017 от компании Texas Instruments — это высокоинтегрированный I/Q-модулятор с ФАПЧ и генератором, управляемым напряжением.

Смещение постоянной составляющей

Другим ключевым компонентом выходного спектра является утечка гетеродина или постоянное смещение и подавление несущей частоты. На эти параметры смесителя влияет развязка, а постоянное смещение – это показатель дисбаланса в смесителе. Этот параметр имеет особое значение для I/Q-модуляторов и демодуляторов. Поскольку они содержат два смесителя, то могут иметь дисбаланс из-за разницы в коэффициенте усиления или смещении двух встроенных смесителей.
Для систем с нулевой промежуточной частотой, в частности, использующих такие модуляторы и демодуляторы, постоянное смещение (подавление несущей частоты) ухудшает характеристики из-за потерь в полосе частот сигнала. Смещение постоянной составляющей на выходе смесителя будет на частоте гетеродина, и, в зависимости от постоянного смещения, подавление несущей будет определяться выражением:

 

Подавление несущей, дБс =

=   (13).

 

Следовательно, если 1-ВRMS сигнал имеет смещение 10 мВ, то подавление несущей = –40 дБс.

Уровень сигнала возбуждения гетеродина

Уровень сигнала возбуждения гетеродина — важная характеристика для разработчиков, которую следует учитывать при построении системы. Доступная выходная мощность гетеродина в системе может ограничивать его возможности. Недостаточные уровни возбуждения гетеродина могут ухудшать характеристики смесителя. Слишком высокий уровень возбуждения может ухудшить характеристики, а также вывести устройство из строя. Для активных смесителей нужно меньше мощности гетеродина, чем для пассивных, и они характеризуются большей гибкостью в диапазоне мощностей гетеродина.

Топологии смесителей

Смесители могут быть пассивными и активными. В пассивных смесителях используются диоды и пассивные компоненты для фильтрации. Как правило, пассивные смесители имеют лучшую линейность, но более высокие потери на преобразование или шум. Кроме того, имеются балансный (single-balanced) смеситель и кольцевой (double-balanced) балансный смеситель. Балансные смесители имеют ограничение по развязке, в то время как кольцевые балансные смесители имеют намного лучшую развязку между портами и улучшенную линейность.
Большинство специалистов знакомо с кольцевым балансным смесителем на базе диодов Шоттки. Это одна из самых высококачественных схем смесителей, которые требуют согласующее устройство с малыми потерями на входе и 4-диодный мост. Для лучшей развязки выход смесителя отведен от порта входного сигнала. Низкая величина сопротивления в открытом состоянии и высокочастотные характеристики диодов Шоттки делают такой смеситель идеальным выбором с одним недостатком: он требует высокой мощности гетеродина.
Имеется широкий выбор типов активных смесителей, например, существуют смесители на биполярных плоскостных транзисторах (BJT) и полевых транзисторах, топологии смесителей на ячейках Гилберта, которые позволяют создать настоящий умножитель, что улучшает развязку и уменьшает гармоники четного порядка.
Топология на ячейках Гилберта — наиболее популярная схема активного смесителя. Хотя такие смесители могут обеспечить весьма высокие характеристики, все же нужна фильтрация и применение нескольких ПЧ-каскадов для того, чтобы подавить зеркальный канал на выходе. Частота зеркального канала всегда отличается на 2IF от частоты нужного ПЧ-сигнала, так что при низкой ПЧ фильтрация более затруднительна. В системах с перестройкой частоты фильтр должен отслеживать частоту гетеродина, чтобы обеспечить необходимые характеристики. В таких системах могут понадобиться несколько каскадов и фильтров, чтобы надежно подавить зеркальный канал при более высоких значениях ПЧ.
Смесители с подавлением зеркального канала обеспечивают ослаб­ление зеркального канала путем аннулирования фазы, а не с помощью фильтрации или за счет использования нескольких каскадов ПЧ. Такая схема включает квадратурный ПЧ-смеситель. Этот смеситель включает, в свою очередь, два кольцевых балансных смесителя, разветвитель со сдвигом по фазе на 90° и 0°-разветвитель. В смесителе с подавлением зеркального канала используется гибридный ответвитель со сдвигом по фазе на 90°, включенный после портов ПЧ, для разделения зеркального и реального каналов, что позволяет либо аннулировать сигнал зеркального канала, либо передать его на дальнейшую обработку (см. рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема смесителя с подавлением зеркального канала, который часто используется в цепи приемника. В этой схеме вместо суммарных и разностных составляющих сигнала используется сдвиг фазы, чтобы получить одиночный выход без использования фильтров. На выходе LO сигнал сдвинут по фазе на 90°, в результате чего формируются синфазная и квадратурная составляющие сигнала, которые смешиваются с входным РЧ-сигналом. Выходные сигналы смесителя сдвигаются по фазе на 90° относительно друг друга, и одна из составляющих аннулируется

Как уже было сказано, между двумя смесителями, которые используются в такой схеме может произойти рассогласование, поскольку зеркальные каналы с понижением частоты присутствуют на выходе полезной ПЧ. Степень подавления зеркального канала определяется отношением полезного ПЧ-сигнала к сигналу зеркального канала на выходе того же порта. Для улучшения характеристик смесителя с подавлением зеркального канала критичное значение имеет хорошее согласование подавления зеркального канала.
Для преобразования с повышением частоты используется однополосный смеситель (I/Q-модулятор). В однополосном смесителе с подавлением зеркального канала зеркальный и реальный выходы теперь становятся входами, и входной сигнал RFIN становится выходным сигналом RFOUT. На рисунке 5 показана упрощенная блок-схема такой топологии, в которой входная частота обозначена как BB (сигнал основной полосы частот) или ПЧ-сигнал в тракте передатчика. Уравнения (14) — (20) описывают подавление или ослабление зеркального канала в однополосном смесителе или I/Q-модуляторе.

Рис. 5. В цепи передатчика используется однополосный преобразователь с повышением частоты или модулятор. Процесс обработки сигнала подобен работе смесителя с подавлением зеркального канала в цепи приемника (см. рис. 4). Сигналы основной полосы частот BB (I – синфазный и Q – сдвинутый по фазе на 90°) подаются на смесители и смешиваются с сигналом гетеродина (LO), который разделен на компоненты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°

 

BB I = Asin(ωmt);                (14)

 

BB Q = Acos(ωmt).              (15)

 

Сигналы гетеродина (LO) после разделения фазы равны:

 

синфазный сигнал LO = sin(ωct);          (16)

 

квадратурный сигнал LO = cos(ωct);   (17)


Таким образом, используя тригонометрические равенства для синфазной и квадратурной составляющих выходного сигнала, получим:

 

     (18)

 

   (19)


Из этих уравнений видно, что компоненты верхней боковой полосы (ωc + ωm) аннулируются, и остаются только младшие члены равенства. Поэтому выходной сигнал будет равен:

 

RFout = RFin-phase + RFquad-phase = Acos((ωc – ωm)t).                (20)

 

Ясно, что это случай идеального однополосного смесителя, где нет дисбаланса в схеме. В реальном мире, однако, биполярные и полевые транзисторы, а также диоды никогда не бывают идеально сбалансированы. В реальных схемах будет иметь место рассогласование коэффициента усиления и фазы, а развязка никогда не будет бесконечной, поэтому сигнал гетеродина всегда будет просачиваться на порт RFOUT. Сигналы основной полосы или ПЧ-сигналы никогда не сбалансированы идеально, так же как и вход гетеродина LO.
При выборе I/Q-модулятора ключевое значение имеют две характеристики — подавление боковой полосы и просачивание несущей. Смещение постоянной составляющей или подавление боковой полосы — это нежелательная выходная компонента сигнала гетеродина и результат развязки между портами LO и RF и дисбаланса постоянной составляющей сигнала основной частоты или ПЧ-сигнала. Подавление боковой полосы измеряется в дБc. Это — компонента зеркального канала, и она вычисляется относительно выходного сигнала. Эта характеристика отражает рассогласование усиления и фазы в смесителе.

Литература

1. Carissa Sipp. Mixology 101: Mixers And Modulators In High-Speed Communications//http://electronicdesign.com.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Карисса Сипп (Carissa Sipp), инженер по применению радиочастотных систем, Texas Instruments



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты