Bộ trộn đóng vai trò gì trong thiết kế của máy thu RF?
Bộ trộn là một khâu quan trọng của chuỗi tín hiệu RF trong kiến trúc bộ thu superheterodyne (siêu). Nó cho phép máy thu được điều chỉnh trên một dải tần số rộng quan tâm và sau đó chuyển đổi bất kỳ tần số tín hiệu nhận được mong muốn nào thành một tần số cố định đã biết. Điều này cho phép tín hiệu quan tâm được xử lý, lọc và giải điều chế một cách hiệu quả. Cấu trúc của siêu cấu trúc là thanh lịch và đơn giản, nhưng hiệu suất thực tế phụ thuộc vào hiệu suất của các khối chức năng cấu thành của nó.
Lưu ý rằng Siêu nhân phổ biến được phát triển bởi thiên tài kỹ thuật Thiếu tá EH Armstrong vào những năm 1930 và thay thế phần lớn thiết kế bộ thu trước đó của ông, thiết kế siêu tái tạo (mặc dù ngày nay nó vẫn được sử dụng trong các ứng dụng chuyên nghiệp). Sau đó, Armstrong cũng phát minh ra phương pháp điều tần, hiện vẫn được sử dụng rộng rãi. Bất kỳ một trong số chúng đều có thể khiến Armstrong trở thành "nhà tiên phong và nhà phát minh", nhưng điều thực sự quan trọng là phải có ba phát minh liên quan đến vô tuyến điện này. Để biết thêm thông tin về kiến thức cơ bản của máy trộn, hãy xem bài viết "Khái niệm cơ bản về máy trộn" của TechZone. Trong một máy thu siêu "chuyển đổi đơn" cơ bản, tín hiệu RF sóng mang đầu vào được khuếch đại bởi một hoặc nhiều tầng khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và sau đó đi vào bộ trộn (Hình 1). Bộ trộn có hai đầu vào: tín hiệu RF và bộ dao động cục bộ (LO). LO nằm ở độ lệch cố định so với tín hiệu mong muốn được điều chỉnh và có thể được đặt trên hoặc dưới tần số sóng mang; có những lý do kỹ thuật trong một số thiết kế, tại sao thiết kế này được ưu tiên hơn thiết kế kia.
Hình 1: Kiến trúc superheterodyne cơ bản trộn tín hiệu RF với bộ dao động cục bộ và duy trì độ lệch cố định với tín hiệu RF khuếch đại được điều chỉnh để tạo ra tín hiệu IF tần số cố định chuyển đổi xuống, tín hiệu này sau đó có thể được khuếch đại và giải điều chế Băng tần cơ sở.
Bộ trộn là một giai đoạn phi tuyến tính kết hợp hai tín hiệu. Sự trộn phi tuyến này tạo ra hai đầu ra: một ở tổng của hai tần số tín hiệu và một ở sự khác biệt của chúng (các sóng hài và / khác cũng được tạo ra bởi quá trình trộn phi tuyến, nhưng chúng không thú vị và dễ lọc). Có một đầu ra tần số nhịp cố định như vậy, được gọi là tần số trung gian (IF), làm cho thiết kế siêu hiệu quả như vậy. Điều này là do bất kể tần số cụ thể được điều chỉnh là bao nhiêu, IF luôn ở cùng một tần số. Vì tần số IF luôn giống nhau, nên bộ khuếch đại sân khấu IF và bộ giải điều chế tiếp theo có thể được tối ưu hóa cho hiệu suất của một tần số đã biết duy nhất.
Tiếp theo, lọc đầu ra IF của bộ trộn để loại bỏ bất kỳ hiện vật nào (càng nhiều càng tốt), rồi chuyển sang giai đoạn tiếp theo để khuếch đại và giải điều chế tiếp theo. Trong lịch sử, đài AM phát sóng truyền thống sử dụng IF 455 kHz, đài FM quảng bá truyền thống sử dụng 10.7 MHz, nhưng các ứng dụng chuyên nghiệp khác sử dụng IF khác nhau.
Ngoài siêu chuyển đổi đơn cơ bản, còn có các cấu trúc liên kết chuyển đổi kép. Điều này được sử dụng cho các tần số sóng mang cao hơn, chẳng hạn như 500 MHz hoặc trên 1 GHz, để giảm bớt các vấn đề về lọc tín hiệu và các vấn đề nhiễu bằng cách tối ưu hóa hiệu suất có thể đạt được của từng giai đoạn; sóng mang đi qua bộ trộn / LO giai đoạn đầu tiên để giảm nó xuống còn xấp xỉ IF đầu tiên của 50-100MHz sau đó tiếp tục được chuyển đổi xuống IF thứ hai bởi bộ trộn / LO thứ hai. Điều này cung cấp cho các nhà thiết kế tính linh hoạt tổng thể cao hơn và giảm bớt một số yêu cầu đối với các thông số kỹ thuật thành phần riêng lẻ. (Thậm chí còn có bộ thu chuyển đổi ba trong sử dụng thương mại.) Hình 2: Trong thiết kế chuyển đổi kép, phương pháp siêu cơ bản mở rộng giai đoạn chuyển đổi xuống đầu tiên để điều chỉnh ở tần số cao hơn; đầu ra IF trở nên tương đương với tần số RF cố định, được trộn với LO của giai đoạn thứ hai để tạo ra đầu ra IF thứ hai.
1. Thiết kế Zero-IF
Mặc dù phương pháp siêu chính xác LO / IF cho đến nay là kiến trúc bộ thu được thiết kế thành công nhất, nhưng hiện tại nó đang bị cạnh tranh từ một phương pháp khác: bộ thu zero-IF, còn được gọi là bộ thu chuyển đổi bộ thu trực tiếp (DCR), bộ thu homodyne hoặc máy thu đồng bộ (Hình 3). Ở đây, tần số LO được đặt rất gần với tần số sóng mang RF của tín hiệu mong muốn. Đầu ra hỗn hợp ngay lập tức ở băng tần cơ sở và không yêu cầu giai đoạn IF.
Hình 3: Phương pháp zero-IF sử dụng LO rất gần với tín hiệu RF và chuyển đổi trực tiếp xuống băng tần cơ sở mà không có giai đoạn IF trung gian.
Mặc dù về mặt lý thuyết, phương pháp này làm giảm độ phức tạp của mạch cơ bản, nhưng nó đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với tất cả các khâu, bao gồm dải động, độ ổn định, độ méo, dải điều chỉnh và tiếng ồn. Đối với một số ứng dụng được lựa chọn và thiết kế cẩn thận, IC có thể làm cho các máy thu zero-IF trở nên cạnh tranh hoặc vượt trội so với các máy thu siêu tốc có mức IF.
2. Các thông số máy trộn chính
Bộ trộn có thể là thiết bị thụ động (thường được chế tạo với điốt) hoặc thiết bị tích cực sử dụng độ lợi của bóng bán dẫn. Là một mô-đun chức năng thu thập tín hiệu trong dải tần RF rộng và chuyển đổi nó thành tần số IF cố định, bộ trộn có nhiều yêu cầu đối với nó. Mỗi bộ trộn chủ động và thụ động cung cấp các kết hợp khác nhau của các thông số chính, tất cả đều được đo bằng dB, trừ khi có quy định khác:
Điểm chặn bậc ba hoặc điểm chéo đầu vào (IIP3 hoặc IP3) liên quan đến ảnh hưởng của bộ trộn sản phẩm phi tuyến đối với tín hiệu được khuếch đại tuyến tính do thuật ngữ sản phẩm phi tuyến bậc ba gây ra. Hai tần số thử nghiệm trong băng tần của bộ trộn được sử dụng để đánh giá điểm đánh chặn bậc ba; thông thường, các tần số thử nghiệm này cách nhau khoảng 20 đến 30 kHz. Giá trị IP3 cao hơn (tính bằng dBm) cho thấy bộ trộn tốt hơn.
Mất / tăng chuyển đổi là tỷ số giữa công suất đầu ra IF với công suất đầu vào RF. Đối với bộ trộn thụ động, đây luôn là mức suy hao (dB âm), thường nằm trong khoảng -5 đến -10 dB. Mặc dù nó là thước đo hiệu quả của bộ trộn, vấn đề ở đây không phải là hiệu quả của nguồn điện một chiều, mà là mức công suất RF tương đối thấp mà bộ trộn nhìn thấy bởi nó.
Con số tiếng ồn (NF) rất quan trọng vì nó đặc trưng cho tiếng ồn do bộ trộn thêm vào và xuất hiện ở đầu ra IF. Đây là một mối quan tâm, bởi vì một khi nhiễu trong băng được thêm vào tín hiệu quan tâm, thì hầu như không thể loại bỏ, phá hủy tín hiệu, làm cho việc giải điều chế trở nên khó khăn hơn và giảm tỷ lệ lỗi bit (BER). Con số tiếng ồn điển hình là từ 0.5 đến 3 dB.
Sự cô lập xác định mức độ mà bộ trộn ngăn năng lượng tín hiệu đầu vào RF hoặc LO tiếp cận với đầu ra IF, điều này có thể phá hủy và làm sai lệch IF, đồng thời gây ra các vấn đề và lỗi giải điều chế. Nó là tỷ lệ giữa đầu vào RF hoặc LO với đầu ra IF rò rỉ.
Dải động đo tỷ lệ giữa mức tín hiệu tối đa với mức tín hiệu tối thiểu mà bộ trộn có thể xử lý và vẫn cung cấp tín hiệu IF đáp ứng các thông số kỹ thuật. Tùy thuộc vào đầu vào RF mong đợi, hệ thống có thể yêu cầu dải động trung bình (50 dB) hoặc rộng (100 dB).
Đây chỉ là các thông số hiệu suất liên quan đến máy trộn hàng đầu. Một số khác bao gồm loại bỏ hình ảnh, nén tăng ích, bù DC và điểm nén 1 dB.
3. Nhiều loại máy trộn có sẵn
Các nhà cung cấp bộ trộn bao gồm các nhà cung cấp vi mạch tương tự truyền thống có chuyên môn về RF, cũng như các nhà cung cấp tập trung vào RF phát triển các bộ trộn IC và bộ trộn rời. Vì hai nhóm này xem xét hiệu suất của máy trộn từ các hướng khác nhau, họ có các lĩnh vực trọng tâm khác nhau về mức độ ưu tiên và đánh đổi, cũng như các khía cạnh chung.
Nhà cung cấp vi mạch ADI đã giới thiệu ADL5350, là bộ trộn thụ động một đầu GaAs pHEMT với bộ khuếch đại đệm LO tích hợp (Hình 4).
Hình 4: Bộ trộn thụ động ADL5350 bao gồm một bộ khuếch đại LO tích cực để đơn giản hóa hoạt động và các yêu cầu của việc tạo tín hiệu LO.
Thiết bị băng thông rộng này có thể xử lý các tần số từ 750 MHz đến 4 GHz và được thiết kế cho các trạm gốc di động với các loại và tiêu chuẩn điều chế khác nhau. Bộ đệm cho phép người dùng cung cấp LO ở mức thấp, giúp đơn giản hóa thiết kế. Suy hao chuyển đổi là 6.8 dB, con số tiếng ồn là 6.5 dB và IP3 là 25 dB. Do các tần số liên quan, ADL5350 sử dụng miếng đệm tiếp xúc 8 VFDFN, gói quy mô chip. (Nó cũng có thể được sử dụng cho quá trình chuyển đổi bổ sung, nhưng đây là một câu chuyện khác.)
CEL (trước đây là Phòng thí nghiệm phía Đông California) cung cấp chip silicon UPC2757 MMIC (IC vi sóng nguyên khối) cho đầu vào RF từ 0.1 đến 2.0 GHz và IF từ 20 đến 300 MHz (Hình 6).
Hình 6: Dòng UPC2757 của CEL bao gồm các bộ trộn hoạt động cơ bản cho đầu vào RF giữa 0.1 và 2.0 GHz.
UPC2757TB được tối ưu hóa để tiêu thụ điện năng thấp, trong khi UPC2758TB được tối ưu hóa cho độ méo thấp. Đối với mỗi IC, độ lợi chuyển đổi là một hàm của tần số LO (Hình 7).
Hình 7: Độ lợi chuyển đổi của CEL's UPC2757 MMIC thay đổi theo tần số LO; hai thành viên chính trong gia đình cung cấp các lựa chọn cơ bản về tiêu thụ điện năng và độ méo.
Đây chỉ là hai ví dụ. Máy trộn có sẵn từ nhiều nhà cung cấp; thiết bị có thể được sử dụng cho các tần số RF và LO khác nhau, cũng như các mức công suất và thông số hiệu suất khác nhau. Quá trình ra quyết định của nhà thiết kế trước tiên liệt kê các yêu cầu tần số cơ bản và các giá trị cần thiết cho các đặc tính khác của bộ trộn, cũng như bất kỳ tính linh hoạt hoặc sự đánh đổi nào có thể tồn tại trong bất kỳ yếu tố nào trong số này.
