MEZCLADORES

ÍNDICE

1. El mezclador dentro del sistema de comunicaciones.

2. El multiplicador ideal.

3. Mezcladores reales. Mezcladores pasivos.

Funcionamiento.

Características.

EL MEZCLADOR DENTRO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES

Transmisor: Adecuar las señales al canal. Receptor: Traducir la información para el usuario. Canal: Medio transmisor.

Figura 1. Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones en su forma más simple.

TRANSMISOR

CANAL

RECEPTOR

EL MEZCLADOR DENTRO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES

El mezclador forma parte de cualquier sistema de comunicaciones. Es un dispositivo no lineal que desplaza la señal recibida a fRF a la

frecuencia intermedia fIF.

CANAL

Figura 2. Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones moderno.

FUENTE DE

INFORMACIÓN

MODULADOR

AMPLIFICADOR DE

POTENCIA

SINTETIZADOR

DEMODULADOR

AMPLIFICADOR

DE F.I.

MEZCLADOR

AMPLIFICADOR

DE R.F.

SINCRONIZADOR

SINTETIZADOR

EL MEZCLADOR IDEAL

El multiplicador efectúa la siguiente operación:

s = Ke1e2 = K A1 sin ω1t A2 sin ω2t =

= K A1 A2 [cos (ω1-ω2)t - cos (ω1+ω2)t]

Figura 3. Multiplicador ideal.

Figura 4. Espectro de las señales de entrada y salida en un multiplicador ideal.

EL MEZCLADOR IDEAL

La portadora modulada se traspone hacia arriba y hacia abajo.

Se facilita la amplificación trasponiendo una señal de alta frecuencia hacia una frecuencia más baja.

Figura 5. Espectro de las señales de entrada y de salida para el multiplicador ideal y una señal a la frecuencia f1 modulada en amplitud.

MEZCLADORES REALES

Dos categorías:

- Pasivos: utilizan diodos.

- Activos: emplean transistores.

El espectro de salida se compone también de los armónicos de las señales incidentes.

La diferencia entre el mezclador ideal y el real se debe a la no linealidad del dispositivo.

MEZCLADORES REALES

La expresión general:

I = a0 + a1 V + a2 V2+ a3 V

3 + ...

Aparecen los armónicos de la forma mω1-nω2 y mω1+nω2,

con m, n = 0, 1, 2, ...

Si V = e1 + e2, la corriente de salida se expresa: I = a2 (A1 sin ω1 t + A2 sin ω2 t)

2 =

= a2 A12 sin2 ω1 t + a2 A2

2 sin2 ω2 t + 2 A1 A2 a2 sin ω1 t sin ω2 t = = a2 (A1

2 + A22) /2 – (a2 A1

2 /2) cos 2ω1 t - (a2 A22 /2) cos 2ω2 t +

+ A1 A2 a2 [cos (ω1-ω2)t - cos (ω1+ω2)t]

MEZCLADORES PASIVOS

Aprovechan la no linealidad de los diodos.

El uso más típico es trasponer la frecuencia RF que entra, a una intermedia IF mediante un oscilador local a frecuencia OL.

Las entradas son RF y OL y la salida IF.

MEZCLADORES PASIVOS

Figura 7. Configuración del mezclador doble equilibrado.

Figura 8. Esquema simplificado de un mezclador simple equilibrado.

El DBM (Double Balanced Mixer) es la configuración más utilizada.

Para estudiar el funcionamiento, se emplea el modelo simplificado.

Funcionamiento del mezclador

Si iOL1 = iOL2 y iRF1 = iRF2, el aislamiento entre puertas es

perfecto.

En la práctica, los diodos no son idénticos y el transformador no es ideal. El aislamiento es defectuoso.

Características Pérdida de conversión

Pc = PIF / PRF

 

|Pc|dB = |PIF|dBm - |PRF|dBm

Características

Distorsión de intermodulación de orden 3 

I = a0 + a1 V + a2 V2+ a3 V

3 + ...

 

V = e1 + e2 = A1 cos ω1 t + A2 cos ω2 t.

 

Las componentes de la salida serán:

 - Lineal: a1 V

- Segundo orden:

a2 /2 [A12 cos 2ω1 t + A2

2 cos 2ω2 t] + a2 A1 A2 [cos(ω1+ω2)t + cos(ω1-ω2)t]

- Tercer orden:

3/4 a3 A12 A2 cos(2ω1+ω2)t + 3/4 a3 A1 A2

2 cos(2ω2+ω1)t

3/4 a3 A12 A2 cos(2ω1 -ω2)t + 3/4 a3 A1 A2

2 cos(2ω2 -ω1)t

Características

Distorsión de intermodulación de orden 3

- Las componentes de tercer orden son más difíciles de filtrar.

- La amplitud de los productos de intermodulación de tercer orden aumentan con el cubo de la señal de entrada.

CONCLUSIONES

Ventajas de los mezcladores simétricos:

- Excelentes prestaciones

- Bajo precio Inconvenientes:

- Pérdida de conversión de unos 6 dB.

- Su factor de ruido es igual a su pérdida de conversión.

- El nivel POL será más elevado cuanto más

alto sea el punto de intersección de tercer orden.

Mezclador con supresión de imagen

1 1

2 2

1 1

2 2 2

1 1

2 2

Para RF : cos

Para RF : cos ( )2

Para OL : cos

Para OL2: cos2

1Para IF : cos cos cos( ) cos( )2

Para IF :

RFRF

RF RFRF

OL OL

OL OL OL

RF RF RFIF OL OL OL

RFIF O

e e ω tπe ω t sen ω t

e ω t

πe ω t sen ω t

e ω t ω t ω ω t ω ω t

e sen ω t sen ω

æ öç ÷è ø

é ùë û

= =

= + =

=

= + =

= = + + -

=

1 2

1 2

1 cos( ) cos( )2

cos( )

cos( )

SALIDAS:

RF RFL OL OL

RFIF IF OL

RFIF IF OL

t ω ω t ω ω t

e e ω ω t

e e ω ω t

é ùë û= - - +

+ = -- = +

Mezcladores Activos.

Objetivo: subsanar algunos inconvenientes de los mezcladores pasivos.

• Pérdida de conversión.• Nivel alto necesario en el O.L.• Presencia de transformadores.• Limitación de la posibilidad de integración.

Mezcladores Activos. Resultados:

• Ganancia de conversión. (PIF > PRF).• Evitaremos distorsiones:

o Saturación de la respuesta en potencia del mezclador.o Por productos de intermodulación.

• Nivel O.L. Bajo.• Sin transformador.

 

Todo esto:• Facilita la integración.• Reduce costes.• Reduce tamaño.

• Elemento fundamental:• Transistor FET y BJT.

 

Mezcladores activos con BJT.VDC= Voltaje de polarización.

VL= Voltaje del O.L.

Vi=Voltaje de radiofrecuencia

(RF).

Vbe = VDC + Vi - VL

Figura 1. Mezclador BJT básico

Corriente de colector: Ic = Is*exp (Vbe/Vt) Obtenemos:

Ic = Is*exp (VDC/VT)*exp (Vi/VT)*exp (-VL/VT) Señales a la entrada:

o Vi = V1*cos(wi*t)

o VL = VL*cos(wOL*t)

Mezcladores activos con BJT.

Expandimos en funciones de Bessel modificadas:

y = V1/VT

x = VL/VT

Se observa que:ic(t)= Componente continua (Io) + componentes a wi + componentes a wL +

componentes a |wo + wi| + componentes a |w0 - wi| + infinitas frecuencias altas.

Mezcladores activos con BJT.

Operando:

gm = Ic/VT es la transconductancia.

La respuesta será lineal: I gmV1.

La ganancia de conversión: G = gmRL.

RL= resistencia de carga equivalente a la frecuencia de interés.

Ventajas sobre el mezclador de diodos:– Cierta ganancia de conversión. (PIF > PRF).

– Nivel O.L. necesario mucho más bajo. – Reduce el tiempo de diseño del O..L.– Reduce requisitos de aislamiento del sistema.

Mezcladores activos con FET.

Corriente de drenador:

Se puede ver como:

Figura2. Mezclador FET básico.

Si tenemos como señales de entrada:Vi = VRF = VRF*sen (wRFt)VL = VOL = VOL*sen (wOLt)

Observamos:Vgs = VRF – VOL

Así, la corriente de drenador será una expresión de la forma:

ID= a + bvRF – bvOL + cvRF2 + cvOL2– 2cvRFvOL

Mezcladores activos con FET.

Comparación con mezcladores pasivos y con BJT.Mayor rango en voltaje de entrada. 10 veces superior para mismo nivel O.L. Mayor figura de ruido.

Características adicionales.Poco aislamiento entre puertas.Filtros paso banda para RF y OL.Filtro en salida IF.Uso en banda estrecha. Impedancia de carga elevada a frecuencia de interés. Impedancia de carga mínima para el resto.Carga = circuito sintonizado.

Mezcladores activos con FET.

Bajo coste.Simplicidad.

Permitirá ganancia de conversión (PIF > PRF).

Necesidad de otras configuraciones más eficientes.

Mezcladores con FET.

Señal RF en entrada inferior.– Evita reducción de la ganancia de salida.– Evita gran capacidad drenador-fuente.

Aislamiento RF-OL garantizado. Mayor rango de frecuencias de RF y OL Figura 3. Mezclador MOSFET de puerta doble.

Uso en aplicaciones de banda estrecha. Corriente de drenador:

– id = gm1Vg1 + gm2Vg2

– gm1 = a0 + a1Vg1 – a2Vg2

– gm2 = b0 + b1Vg1 + b2Vg2

Operando:

Mezcladores simétricos activos. 3 transistores bipolares multiplican OL y RF. TR1 y TR2 de banda ancha. Señal RF en T1 y T2 con 180º de desfase. Señales combinadas en fase en TR2. No existe aislamiento RF-IF. Uso con FET o BJT hasta VHF. Mayor rango para RF y OL. Búsqueda de otras soluciones por

falta de aislamiento RF-IF y OL-IF Figura 4. Mezclador simétrico activo.

Mezcladores simétricos equilibrados activos.

R1, R3, R4 y C polarizan los transistores. T1 y T2 relación 4:1 T3 relación 25:1 (alta impedancia de salida de transistores) Salida IF se carga a 50. Transistores de iguales características. Emparejados. Características:

– POL = 7 dBm

– PC = 1 dB– F = 5,5 dB – IP3 = 22 dBm.

Figura 5. Doble mezclador simétrico activo

Mezclador basado en célula de Gilbert.

Figura 6. Célula de Gilbert.

Multiplicador de 4 cuadrantes de OL y RF. VPB1 a VPB4 polarizan los transistores. Estructura integrable en un circuito. Filtros y transformadores exteriores. Aislamiento OL-IF y RF-IF perfecto.

Mezclador basado en célula de Gilbert.

Reducen potencia necesaria en O.L. Aislamiento constante niveles inferiores en RF e IF. Peor en P1 dB e IP3 respecto mezcladores doblemente

balanceados en anillo.

Figura 7. Diferentes configuraciones para las puertas

de entrada y salida de la célula de Gilbert.

Conclusión.

Mezcladores con características muy diferentes.

Uso según el tipo de aplicación. Solución de compromiso entre:

– Complejidad.– Coste.– Tamaño.– Consumo.– Características: P1dB, IP2, IP3 y aislamiento.

APLICACIONES DE LOS MEZCLADORES

Aplicaciones de los mezcladores reales Multiplicador de señales. Cambiadores de frecuencia. Moduladores. Demoduladores Otras aplicaciones:

– Detectores de fase.

– Recuperadores de portadora.

– CAG.

– (...)

Índice Cambiadores de frecuencia. Uso en modulaciones concretas:

– Ejemplo analógico: Modulación en amplitud.– Ejemplo digital: BPSK.

Uso en una demodulaciones digitales:– Ejemplo analógico: Demodulación en frecuencia y

amplitud.– Ejemplo digital: BPSK.

Detectores de fase. Atenuador programable por corriente.

Mezcladores como cambiadores de frecuencia. Introducción. Se usan mezcladores junto con un filtro paso

banda. Trasposición de frecuencias hacia arriba (UP

converter), o hacia abajo (DOWN converter). En emisores y receptores para poder operar en

frecuencia intermedia y transmitir en radio frecuencia.

Emisor -> UP Converter. Receptor -> DOWN converter

Mezcladores como cambiadores de frecuencia. Funcionamiento. Señal de RF a frecuencia F y BW Af. La multiplicamos por tono puro a frecuencia Fol. Obtenemos la misma señal RF, pero a frecuencias

F–Fol y F+Fol. Filtramos y dejamos parar las componentes a F-

Fol y conseguimos un DOWN converter. Respectivamente el UP-Converter. Con una ganancia de conversión igual para todas

las frecuencias las características de una modulación en fase, frecuencia o amplitud.

Mezcladores como cambiadores de frecuencia. Funcionamiento.

En la figura se ve la salida del multiplicador. Quedaría filtrar adecuadamente para obtener el convertidor

de frecuencia.

Modulación en amplitud. Introducción. Se basan en hacer pasar señales a través de

elementos no lineales. Se usan los mezcladores de diodos y un

filtrado adecuado. Podemos realizar modulaciones con y sin

transmisión de la portadora.

Modulación en amplitud con supresión de portadora.

En el primer caso tenemos aislada la entrada RF de la salida OL, y no transmitimos la portadora junto a la modulación.

En el segundo caso sí transmitimos la portadora, pero con un índice de modulación muy superior a uno, con lo que el esquema no es válido.

Modulación en amplitud. Modulación con portadora. El esquema muestra una modulación en amplitud de doble banda con

inserción de portadora. Se basa en insertar la portadora en el espectro de salida para que el

índice de modulación no supere el 100%. Para el esquema, y una Pif=1dBm se cumple que m=100%.

Modulación BPSK. Funcionamiento Aplicamos una señal cuadrada en una entrada. Aplicamos un tono a la frecuencia que deseemos

modular por la otra entrada. Cuando queramos transmitir un uno. Ponemos un

voltaje positivo en ese ciclo y el tono pasará multiplicado por uno.

Cuando queramos transmitir un cero. Ponemos un voltaje negativo y el tono será multiplicado por –1, es decir, toma una fase de pi.

Modulación BPSK. Funcionamiento. La figura muestra un posible esquema para realizar dicha modulación. Interesante ver qué diodos quedan bloqueados en función de IF.

Con IF controlamos la fase de RF, 0 o π radianes.

Modulación BPSK. Un caso más general. Problema de la configuración anterior: Las señales de entrada han de

tener misma frecuencia y fase. En el siguiente esquema partimos de señales IF y RF de frecuencias

distintas. Con ayuda de un basculador tipo D conseguimos a la entrada la misma

fase para las dos señales. Luego aplicamos el esquema anterior.

Mezclador como duplicador de frecuencia.

El primer esquema multiplica la señal por sí misma. Si tras este dispositivo filtrásemos la componente a 0Hz obtendríamos la señal al doble de frecuencia.

El segundo caso muestra como recuperar la portadora de una señal BPSK. Dividimos por dos la frecuencia previamente duplicada, obteniendo la portadora con fase 0 constante.

Demodulación BPSK. Funcionamiento.

Se basa en combinar el esquema previo de detección de portadora de BPSK y el esquema de detector de fase.

La idea es que al pasar por un detector de fase la señal BPSK se irá detectando una fase de cero o π, según se transmitiese un uno o un cero.

Consideramos para simplificar la portadora

La señal modulada será

con Asen( t) como portadora. Aplicaremos al mezclador la señal y ella misma con un retardo función de

m(t). A la salida obtendremos el producto de estas señales

s(t)=(A2/2) [cos - cos(2t + 2F/f + )]. Hacemos el retardo una función lineal m(t), por ejemplo

=π /2 - m(t). Filtramos la componente de frecuencia 2.

( )

Δ( ) Ω , 2

m t sen ωt

Fv t Asen t sen ωt donde ω πf

f

=

æ ö= + =ç ÷è ø

Demodulador de frecuencia. Funcionamiento.

Demodulador de frecuencia. Funcionamiento. Obtendremos (A2/2)cos[π /2 - m(t)] = (A2/2)sen(m(t)). Si m(t) es pequeño sen(m(t)) es aproximadamente

m(t). La señal de salida será casi proporcional a m(t) , es decir,

está demodulada

Demodulador de amplitud. Funcionamiento Podemos demodular banda lateral única, reducida,

doble, con o sin portadora con este esquema. Es muy similar a un cambio de frecuencias. Multiplicamos la señal recibida por una señal local

con la misma frecuencia que la portadora. Aparecen términos a 0, ω y 2ω Hz. Filtramos y eliminamos las componentes de altas

frecuencias. La señal ya es proporcional a la moduladora m(t).

Demodulación de amplitud.Estudio gráfico. Como se ve en la figura, esta modulación es un

caso particular de transposición de frecuencias. Cuando la demodulación se hace gracias a una

señal anexa generada localmente se denomina coherente.

Mezcladores como detectores de fase. Introducción. Componentes básicos de los PLL. A su entrada tienen: dos señales con la

misma frecuencia y distinta fase. A la salida tienen: una señal función de la

diferencia de fase de las dos señales de entrada.

También se basan en la multiplicación de señales y en la aplicación de filtros para seleccionar las componentes deseadas.

Detectores de fase.

Señales de entrada:

Efectuamos su producto:

Filtramos la componente a 2ω . Obtenemos una señal a la salida proporcional a cos( - ).

1

1 2

cos( Θ)

cos( Ψ)

rf

O

V V ωt

V V ωt

= +

= +

( )( )1 2 cos 2 Ψ Θ cos(Ψ Θ)2IF

VVV ω té ù= + + + -ë û

Atenuador programable por corriente. Fundamento: Respuesta de ciertos mezcladores con

atenuación distinta de una de las señales de entrada en función de la corriente introducida por la otra entrada.

En la siguiente figura vemos algunas respuestas reales. Atenuaciones de 6-40db para 20mA-10μ A.

Atenuador programable por corriente. Aplicaciones. Aplicación principal son los controladores automáticos de

ganancia. Un ejemplo se ve en la siguiente figura.

Conclusiones.

Los mezcladores son componentes esenciales en radiocomunicaciones.

Activos o pasivos se usan en todas las etapas de una cadena de emisión o recepción.

Las aplicaciones principales son cambiar de frecuencia la señal, modulaciones y demodulaciones.

No son las únicas aplicaciones.