Aclaraciones sobre mezcladores de conversión ascendente y descendente

I) ¿Cuál es la correspondencia entre los circuitos convertidores ascendentes y descendentes y los circuitos que realizan suma y diferencia de frecuencias?

Para aclarar el concepto de "mezclador";

Lo que idealmente es un mezclador, es solo un multiplicador analógico, que toma dos señales de entrada y las multiplica para obtener la salida, es por eso que el símbolo de multiplicación se usa para representar un mezclador ideal.

Resulta que si multiplicas funciones sinusoidales con diferentes frecuencias, llamemos a las frecuencias fa y fb, entonces el resultado son dos nuevas funciones sinusoidales, una con frecuencia fa+fb y otra con frecuencia fa-fb (también obtienes fb -fa, pero uno de estos últimos dará como resultado una frecuencia negativa, que está fuera del alcance de esta respuesta)

Para obtener un convertidor ascendente o descendente, simplemente filtre la señal que no desea después del mezclador. Digamos que no desea realizar una conversión descendente, bueno, simplemente agregue un filtro de paso bajo después de su mezclador, y solo obtendrá la diferencia de las frecuencias. ¿Quieres aumentar la conversión? agregue un filtro de paso alto después del mezclador.

Lo que he descrito hasta ahora es cómo pensar en los mezcladores ideales, qué hacen y cómo puede pensar en la diferencia entre un mezclador de conversión ascendente y un mezclador de conversión descendente, todo tiene que ver con el filtro. tu usas. Sin embargo, las formas en que los mezcladores de conversión ascendente y descendente se fabrican en realidad dependen completamente de la aplicación; por lo general, en las aplicaciones de RF se puede usar cualquier tipo de amplificador no lineal, con el filtro en su ruta de retroalimentación, y las señales se pueden sumar. en la entrada Esto dará un resultado similar a un multiplicador analógico real y, después del filtro, solo obtendrá la señal que desea.

II) ¿Qué representa exactamente SI? Consideremos, por ejemplo, un receptor. La señal que llega a la antena es el resultado de una modulación de amplitud o frecuencia a través de la cual una señal que contiene algunas informaciones (por ejemplo, una señal de audio) se desplaza en frecuencia y es transportada por una señal portadora de alta frecuencia. Entonces el receptor tendrá que reconstruir la señal de información original. Entonces, ¿IF representa esta señal? ¿O es la conversión descendente a IF una etapa intermedia?

"IF" significa "frecuencia intermedia" y, en la mayoría de los casos, esta no es la salida final que está buscando.

La señal de IF es de hecho una etapa intermedia, como sugiere su nombre. Tomemos el caso de una señal modulada en AM, después de la conversión descendente aún tiene una portadora modulada en AM, solo que en una frecuencia más baja. Lo mismo es cierto para FM, solo obtiene una FI modulada en FM que tiene una frecuencia más baja que su señal de RF original.

Es complicado. Y en constante cambio (al menos, si tiene una colección de libros de RF que se remontan a los días en que un pentodo era "ese tubo novedoso").

¿Cuál es la correspondencia entre circuitos convertidores ascendentes y descendentes y circuitos que realizan suma y diferencia de frecuencias?

• Cualquier circuito que multiplica dos sinusoides emite una señal en la suma y diferencia de esas dos frecuencias.
• En la práctica, la mayoría de los circuitos mezcladores emiten señales en la suma y la diferencia del puerto de "señal" entrante, y casi todos los armónicos posibles del puerto "LO". Esto se debe a que los multiplicadores son inherentemente no lineales y una buena manera de manejar esa no linealidad es concentrar sus efectos en la señal LO.
• Cuando hay alguna diferencia, es porque un "convertidor ascendente" o un "convertidor descendente" son seguidos por filtros que filtran los productos de mezcla no deseados y solo conservan el deseado, por lo que es el filtro el que determina el " arriba" o "abajo" como cualquier otra cosa*.

¿Qué representa exactamente SI? Consideremos, por ejemplo, un receptor. La señal que llega a la antena es el resultado de una modulación de amplitud o frecuencia a través de la cual una señal que contiene alguna información (por ejemplo, una señal de audio) se desplaza en frecuencia y es transportada por una señal portadora de alta frecuencia. Entonces el receptor tendrá que reconstruir la señal de información original. Entonces, ¿IF representa esta señal? ¿O es la conversión descendente a IF una etapa intermedia?

"IF" significa literalmente "frecuencia intermedia**". Puede pensar en un receptor superheterodino como un receptor de frecuencia fija muy bien optimizado que se encuentra detrás de un convertidor de frecuencia sintonizable, y ese convertidor de frecuencia es la etapa del mezclador (o el convertidor ascendente o descendente).

En general, todos los modos de comunicación de radiofrecuencia imprimen una señal en una portadora (o generan una señal que hace referencia a alguna portadora, posiblemente suprimida). Un paso de conversión de frecuencia conserva la estructura de la señal, pero solo la mueve en frecuencia. La señal aún debe demodularse y procesarse según sea necesario para el consumo (es decir, una señal de AM debe pasar por un detector de picos, una señal de FM debe pasar por un discriminador, etc.)

* Algunos mezcladores tienen inherentemente un puerto de "baja frecuencia" y un puerto de "alta frecuencia"; sin embargo, eso es demasiado complicado para esta respuesta.

** Y nuevamente demasiado complicado para esta respuesta: el IF no siempre es más bajo que el RF. Hay muchos receptores "HF" que funcionan desde 1 MHz a 30 MHz más o menos que convierten la RF en una IF en el rango de 45 a 70 MHz y luego hacen el resto de su procesamiento.

El término "oscilador local" (=LO) es histórico. Los equipos de radio tenían inicialmente un oscilador como transmisor. Tener un oscilador también en el receptor (para cambiar la señal a IF en el mezclador) necesitaba un nuevo término y se convirtió en LO.

Tengamos una señal llamada A. Ingresemos A a un mezclador e ingresemos simultáneamente desde un oscilador (= desde el LO) una onda sinusoidal que tiene una frecuencia Fo. Si el mezclador funciona de manera ideal, se pueden separar con análisis de espectro dos señales de salida simultáneas. Cada momento el voltaje en la salida es la suma de estos productos de mezcla:

1) suma de frecuencias: cada componente espectral de A se desplaza en una cantidad +Fo hacia arriba en la escala de frecuencias

2) diferencia de frecuencia: cada componente espectral de A se desplaza en una cantidad +Fo hacia abajo en la escala de frecuencia. Si la frecuencia resultante es negativa, se puede omitir el signo menos.

El mezclador ideal es en realidad un amplificador o atenuador controlador de voltaje, donde la señal del oscilador local controla proporcionalmente cuánto A se amplifica o atenúa.

La conversión ascendente de términos no es tan clara como puede parecer a primera vista. La señal de radio modulada en amplitud contiene simultáneamente ambos resultados de mezcla ideales. Si la señal de audio transmitida cubre un rango de frecuencia, digamos 100 Hz... 5 kHz y la señal "LO" está en 1 MHz, el mezclador emite simultáneamente la señal de audio en las bandas 1000100 Hz... 1005000 Hz y 995000 Hz... 999900 Hz.

Para ser exactos, se agrega un componente de CC adicional (= 0 Hz) a la señal de audio y eso genera un producto de mezcla adicional, la portadora a 1 Mhz, que se necesita para hacer que la conversión de nuevo a audio (= la detección) sea fácil en los receptores de AM. Decimos que la señal de radio AM tiene una frecuencia de 1MHz aunque se distribuye entre 0,995MHz y 1,005Mhz.

La portadora y una de las copias de la señal por encima o por debajo de la portadora son teóricamente innecesarias. Desperdician tanto la potencia de la señal como el espacio de frecuencia. Tenemos sistemas de radio SSB (=banda lateral única) donde las partes innecesarias se suprimen con filtros o circuitos de fase inteligentes, pero hacen que el receptor sea complejo y degradan la calidad del audio, por lo que la señal de radio AM simple todavía está en uso. Para la televisión analógica se utilizó una versión de AM que redujo radicalmente las partes innecesarias pero las transmitió como banda limitada.

En el procesamiento de señales digitales, la mezcla ideal con la multiplicación se usa ampliamente. En los circuitos analógicos, la multiplicación perfecta solo es posible con circuitos de amplificadores operacionales de baja frecuencia. En las radios, la mala mezcla era un problema tan grave que se necesitaban algunas soluciones. La solución más común fue reemplazar la multiplicación con el cambio.

Con matemáticas espectrales (= ecuaciones trigonométricas o transformadas de Fourier) se puede demostrar que la señal del oscilador local sinusoidal en una mezcla ideal se puede reemplazar por una onda cuadrada. El resultado es como si la señal A se encendiera y se apagara con frecuencia de conmutación = la frecuencia LO (= Fo) o la polaridad de A se intercambiara con la frecuencia LO. Nos saltamos las matemáticas, pero si creemos en el cambio de frecuencia en el mezclador ideal, vemos que la conmutación crea los resultados de mezcla también entre A y los armónicos de la onda cuadrada en freq Fo.

En mezcladores prácticos no se intenta la multiplicación lineal, los mezcladores hacen la conmutación con diodos o transistores. El voltaje de la señal LO es tan alto que es posible la conmutación. La señal A pasa la mitad del tiempo en mezcladores balanceados o todo el tiempo en mezcladores balanceados dobles, pero la mitad del tiempo invertido (= multiplicado por menos 1)

Los resultados de mezcla no deseados con los armónicos de la señal LO se filtran. El diseñador del sistema ha seleccionado las frecuencias utilizadas para que sea posible el filtrado.

Acerca de IF: Los receptores de radio a menudo necesitan una amplificación de señal alta para poder recibir señales débiles y también necesitan un filtrado preciso para recibir solo la estación de radio interesante. Estas cosas pueden ser demasiado costosas con circuitos de frecuencia variable, excepto si la estación interesante emite una señal fuerte abrumadora que cubre a las demás por las que pasarían receptores simples al mismo tiempo.

Los receptores "superheterodinos" producidos en masa ya en 1930 cambiaban con un mezclador la señal interesante a una frecuencia intermedia de aproximadamente 450 kHz, donde ocurría el filtrado final, la amplificación y la detección del audio. Cambiar a 450kHz en realidad estaba cambiando hacia arriba cuando la señal estaba en la banda de onda larga. Las bandas de microondas y ondas decamétricas necesitaban desplazarse hacia abajo.

El cambio directo con mezcla a 0 Hz o la recepción de conversión directa es posible con circuitos analógicos de oscilación de sincronización o bloqueo de fase si al menos hay alguna forma de ayudar al filtrado de paso de banda antes de la conversión. También se puede usar el procesamiento de señales digitales si hay algo de amplificación, normalización del nivel de señal y filtrado disponible antes de la conversión AD.

IF también se ha utilizado en transmisores de radio para facilitar las modulaciones. Es especialmente útil en el rango de microondas, donde todo lo complejo es difícil en la frecuencia de transmisión final.

El IF es, como han dicho otros, es solo una frecuencia intermedia entre la fuente RF y la frecuencia final que analizará. Pero tenga en cuenta que puede haber más de un IF. Aquí hay un ejemplo.

Digamos que tiene una entrada de 8 GHz (banda X) que desea, de alguna manera, mezclar hasta 500 MHz, momento en el cual puede ser muestreado por un ADC de alta velocidad. Una forma de hacer esto sería mezclar la entrada de 8 GHz con un LO de 8,5 GHz y utilizar la salida de diferencia de 500 MHz.

Otra forma sería mezclar la entrada de 8 GHz con ese mismo LO de 8,5 Hz, solo que esta vez usa la frecuencia de suma del mezclador, 16,5 GHz. Este es un IF, pero no es su IF final. Luego, mezcla los 16,5 GHz con otro LO a, digamos, 17 GHz y toma la frecuencia de diferencia, 500 MHz, y la envía a su ADC.

Cuál es el mejor enfoque depende de muchas cosas. Pero una de las razones principales para un enfoque sobre otro tiene que ver con la gestión y supresión de estímulos, siendo un estímulo una frecuencia no deseada que sale del mezclador o cualquier otra parte no lineal en la cadena de recepción.

Los diseñadores de receptores dedican mucho tiempo y esfuerzo a encontrar el enfoque correcto.