So multiplizieren Sie HF-Signale ohne Multiplikator: Der Switching Mixer

Geniales system: so multiplizieren sie - ganz ohne rechnen (November 2018).

Anonim

So multiplizieren Sie HF-Signale ohne Multiplikator: Der Switching Mixer


Dieser Artikel stellt eine wichtige Technik vor, die zum Durchführen von Frequenzmischen in modernen HF-Schaltungen verwendet wird.

Der Mischer ist eine grundlegende Komponente im HF-Schaltungsentwurf. Ein HF-Mischer (im Gegensatz zu einem Audiomischer) führt eine mathematische Multiplikation durch, deren Wirkung eine Frequenzumsetzung ist. Ein "Downconversion" -Mischer bezieht sich auf einen Mischer, der in einen RF-Empfänger eingebaut ist und verwendet wird, um empfangene Signale auf Basisband- oder Zwischenfrequenzen zu verschieben.

Das ist alles vollkommen klar, solange wir im mathematischen Bereich bleiben. Sehen Sie sich die trigonometrischen Identitäten an und Sie werden genau sehen, was passiert, wenn Sie zwei Sinusoide multiplizieren. Die Elektronik wird jedoch im Allgemeinen über Schaltkreise statt Formeln implementiert, und das bedeutet, dass wir eine Multiplizierschaltung benötigen. Genauer gesagt benötigen wir eine Schaltung, die eine Multiplikation bei hohen (vielleicht extrem hohen) Frequenzen durchführt.

Der analoge Mixer

Es ist möglich, eine Schaltung zu entwerfen, die zwei analoge Eingänge akzeptiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Produkt der Eingänge entspricht. Diese sind um Dioden oder Transistoren herum aufgebaut und nutzen die multiplikativen Beziehungen aus, die diesen Geräten eigen sind. Ich bezeichne diese Geräte als "analoge" Mischer, um die Tatsache zu betonen, dass die Multiplikation keine digitale Schaltoperation beinhaltet.

Dieser analoge Ansatz zum Mischen ist angenehm intuitiv. Leider verwenden moderne RF-Empfänger häufig den weit weniger intuitiven Digital / Switching-Ansatz, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Analoge Mischer sind keineswegs unbrauchbar, und die diodenbasierten Versionen sind in sehr hochfrequenten Systemen wertvoll, wo die Leistung durch die unvermeidlichen Bandbreitenbeschränkungen, die BJTs und FETs aufweisen, beeinträchtigt würde. Nichtsdestoweniger sind "digitale" Downconversion-Mischer - oder "Switching" -Mischer oder (in bestimmten Implementierungen) "stromkommutierende" Mischer - in heutigen RF-Systemen weit verbreitet, und folglich ist es eine gute Idee zu verstehen, was sie sind und wie sie funktionieren .

Der Schaltmischer

Die erste konzeptionelle Hürde, die der Schaltmischer darstellt, ist das Lokaloszillator (LO) -Signal. Es ist eine Rechteckwelle (oder, wenn es eine Sinuswelle ist, behandelt der Mischer es als wäre es eine Rechteckwelle). Soweit es mich betrifft, ist das unverzeihlich. In meiner Vision der Welt ist RF das Apogäum der analogen Elektronik - Sinusoiden überall, wo man hinschaut, gute altmodische mathematische Beziehungen … selbst digitale Daten werden mit analogen Wellenformen übertragen. Sobald Sie die Tatsache akzeptieren, dass dieses Switching-Mixer-Geschäft ein klobiges digitales Signal in die sich reibungslos verändernde RF-Welt zulässt, müssen Sie sich der Tatsache stellen, dass das Ein- / Ausschalten eine Form der Multiplikation ist.

Das folgende Diagramm zeigt die grundlegendste Manifestation eines Downconversion-Switching-Mixers.

Dies ist tatsächlich nichts anderes als ein spannungsgesteuerter Schalter. Das empfangene RF-Signal wird als die Eingangsspannung angelegt, und der LO steuert den Schalter. Alles, was wir hier tun, ist das Ein- und Ausschalten des Eingangssignals entsprechend der Frequenz des LO.

Die erste Frage, von der ich weiß, dass du fragst: "Wie kann das Mischen sein?" Nun, erinnere dich zuerst daran, dass Mischen Multiplikation ist. Wenn Sie sich den LO als eine Rechteckwelle vorstellen, die zwischen 0 V und 1 V wechselt, multipliziert der Schalter das Eingangssignal effektiv mit dem LO: Wenn der Schalter geschlossen ist, ist der Ausgang gleich dem Eingang multipliziert mit eins. Wenn der Schalter offen ist, ist der Ausgang gleich dem Eingang multipliziert mit Null.

Nächste Frage: "Wie kann dies möglicherweise der Multiplikation mit einer Sinuskurve entsprechen? Sicher, die Frequenzen könnten die gleichen sein, aber die mathematischen Beziehungen, die darauf hinweisen, dass Multiplikation Frequenzumsetzung erzeugt, basieren auf zwei Sinuskurven, nicht einer Sinuswelle und einer Rechteckwelle." Ausgezeichneter Punkt, aber Sie vergessen eines: Die Sinuswelle ist innerhalb dieser Rechteckwelle. Fourier hat es uns gesagt und wir dürfen ihn nicht zweifeln. Wir können es nicht sehen, weil es hoffnungslos mit allen harmonischen Komponenten vermischt ist, aber es ist irgendwo da, und das bedeutet folgendes: Wenn diese Schalteranordnung das Eingangssignal mit der LO-Rechteckwelle multipliziert, multipliziert es auch den Eingang Signal durch eine Sinuskurve mit einer Frequenz gleich der LO-Frequenz.

An diesem Punkt wundern Sie sich wahrscheinlich, warum wir die Multiplikation mit all diesen harmonischen Komponenten verderben wollen, aber harmonische Energie kann durch Filtern unterdrückt werden, und es stellt sich heraus, dass in vielen Fällen die Harmonischen weniger problematisch sind als die Nachteile von eine auf Analogmischern basierende Lösung.

Funktioniert das wirklich?

Schauen wir uns ein Beispiel an. Hier ist die LTspice-Schaltung:

Stellen wir uns vor, dass dieser Mischer das empfangene HF-Signal auf die Zwischenfrequenz (IF) herunter verschiebt. Das empfangene Signal ist bei 11 MHz und das LO ist eine 10 MHz Rechteckwelle. Die Multiplikation wird mittels eines spannungsgesteuerten Schalters durchgeführt, der mit dem LO-Signal verbunden ist. Die Frequenz des Ausgangssignals sollte gleich der Eingangsfrequenz minus der LO-Frequenz sein, dh 1 MHz.

Sehen wir uns einige Wellenformen an. Dieses erste Diagramm zeigt das Eingangssignal und den LO.

Hier ist das gleiche Diagramm, aber mit der Ausgabe in einem separaten Bereich.

Sie können die Multiplikationsbeziehung hier sehen, aber bisher sieht es so aus, als ob wir nur eine vollkommen gute Sinuswelle hacken. Das Bild beginnt zu erscheinen, wenn Sie jedoch herauszoomen:

Sie können sehen, dass all dieses Hacking irgendwie zu etwas geführt hat, das vage sinusförmig aussieht, und dieses vage sinusförmige Ding hat zufällig eine Frequenz von 1 MHz. Unsere endgültige Bestätigung kommt von der FFT, die eine dominante Spitze bei 1 MHz zeigt (zusammen mit viel Obertongehalt):

Fazit

Die Mixer-Schaltung ist ein umfangreiches Thema, und dieser Artikel ist lediglich eine Einführung in die grundlegenden Konzepte des Switch-basierten Mischens. Nichtsdestoweniger müssen wir irgendwo anfangen, und Sie können tatsächlich einen echten Mischer erzeugen, indem Sie die obige Schaltung unter Verwendung eines CMOS-Übertragungsgates anstelle des idealisierten spannungsgesteuerten Schalters implementieren.

Wenn Interesse besteht, könnten wir dieses Thema in zukünftigen Artikeln weiter untersuchen. Wenn Sie mehr Informationen zum Mischerwechsel sehen möchten, hinterlassen Sie bitte einen Kommentar und lassen Sie es mich wissen.