1. MEZCLADORES

2. ÍNDICE 1. El mezclador dentro del sistema de comunicaciones. 2. El multiplicador ideal. 3. Mezcladores reales. Mezcladores pasivos. Funcionamiento. Características.

3. EL MEZCLADOR DENTRO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES • Transmisor: Adecuar las señales al canal. • Receptor: Traducir la información para el usuario. • Canal: Medio transmisor.

4. 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.

5. 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]

6. 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.

7. 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.

8. MEZCLADORES REALES • La expresión general: I = a0 + a1 V + a2 V2+ a3 V3 + ... • Aparecen los armónicos de la forma mω1-nω2 y mω1+nω2, con m, n = 0, 1, 2, ...

9. 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.

10. MEZCLADORES PASIVOS • El DBM (Double Balanced Mixer) es la configuración más utilizada. • Para estudiar el funcionamiento, se emplea el modelo simplificado.

11. Funcionamiento del mezclador • Si iOL1= iOL2 yiRF1= 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.

12. Características • Pérdida de conversión Pc = PIF / PRF |Pc|dB = |PIF|dBm - |PRF|dBm

13. Características • Distorsión de intermodulación de orden 3 I = a0 + a1 V + a2 V2+ a3 V3 + ... 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 + A22 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 A22 cos(2ω2+ω1)t 3/4 a3 A12 A2 cos(2ω1 -ω2)t + 3/4 a3 A1 A22 cos(2ω2 -ω1)t

14. 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.

15. 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.

16. Mezclador con supresión de imagen

17. 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.

18. Mezcladores Activos. • Resultados: • Ganancia de conversión. (PIF > PRF). • Evitaremos distorsiones: • Saturación de la respuesta en potencia del mezclador. • 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.

19. Mezcladores activos con BJT. VDC= Voltaje depolarización. VL= Voltaje del O.L. Vi=Voltajede 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: • Vi = V1*cos(wi*t) • VL = VL*cos(wOL*t)

20. 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.

21. 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.

22. 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

23. 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.

24. Mezcladores activos con FET. • Bajo coste. • Simplicidad. • Permitirá ganancia de conversión (PIF > PRF). • Necesidad de otras configuraciones más eficientes.

25. 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 con FET.

26. 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 activos.

27. 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 Mezcladores simétricos equilibrados activos.

28. 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.

29. 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. Mezclador basado en célula de Gilbert.

30. 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. Conclusión.

31. APLICACIONES DE LOS MEZCLADORES

32. Aplicaciones de los mezcladores reales • Multiplicador de señales. • Cambiadores de frecuencia. • Moduladores. • Demoduladores • Otras aplicaciones: • Detectores de fase. • Recuperadores de portadora. • CAG. • (...)

33. 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.

34. 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

35. 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.

36. Mezcladores como cambiadores de frecuencia. Funcionamiento. • En la figura se ve la salida del multiplicador. • Quedaría filtrar adecuadamente para obtener el convertidor de frecuencia.

37. 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.

38. 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.

39. 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%.

40. 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.

41. 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.

42. 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.

43. 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.

44. 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.

45. Demodulador de frecuencia. Funcionamiento. • 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(2t + 2F/f + )]. • Hacemos el retardo una función lineal m(t), por ejemplo =π/2 - m(t). Filtramos la componente de frecuencia 2.

46. Demodulador de frecuencia. Funcionamiento. • Obtendremos (A2/2)cos[π/2 - m(t)] = (A2/2)sen(m(t)). • Si m(t) es pequeñosen(m(t)) es aproximadamente m(t). • La señal de salida será casi proporcional a m(t) , es decir, está demodulada

47. 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).

48. 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.

49. 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.

50. Detectores de fase. • Señales de entrada: • Efectuamos su producto: • Filtramos la componente a 2ω. • Obtenemos una señal a la salida proporcional a cos( - ).