Aplicações dos Misturadores - Receptoresgil/circom/Aplicacoes dos Misturadores.pdf · Filtro...

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Aplicações dos

Misturadores - Receptores

Prof. Gil Pinheiro MSc.

UERJ-FEN-DETEL

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Misturador

Entrada do

oscilador local

(LO)

Frequência f2

Entrada de

radiofrequência

(RF)

Frequência f1

Saída de frequência intermediária (IF)

Frequência (f2 - f1)

Parâmetros de um misturador Relacionados ao uso de um misturador num receptor heteródino

Perdas de conversão:

L[dB] = -10log(PIF/PRF)

Isolamento RF-IF :

IRF-IF[dB] = 10log(PRF/PRF-IF) (sendo PRF-IF a potência de RF

na saída de IF)

Isolamento LO-IF:

ILO-IF[dB] = 10log(PLO/PLO-IF)

Isolamento LO-RF:

ILO-RF[dB] = 10log(PLO/PLO-RF)

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Exemplo de uso de parâmetros de um misturador

Perda de conversão: L[dB] = 5,6 dB

Isolamento LO-IF:

ILO-IF[dB] = 45 dB

Isolamento LO-RF (maior isolamento):

ILO-IF[dB] = 60 dB

-50 dBm

15 MHz

7 dBm

6 MHz

9 MHz

Componente de 9 MHz: -50 dBm - 5,6 dB = -55,6 dBm

Componente de 6 MHz: 7 dBm - 45 dB = -38 dBm

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Aplicação de Misturadores

Balanceados a Diodos

Menor isolação

entre portas IF e RF Porta IF permite usar

sinais CC e CA

Porta mais

isolada das

outras

• No caso do misturador a diodos, sendo um circuito passivo, todas as portas podem ser usadas como entradas e/ou saídas

• A designação das portas vem do uso do misturador em receptores: – LO = Local oscillator (apenas sinal CA)

– RF = Radio frequency (apenas sinal CA)

– IF = Intermediary frequency (sinal CA ou CC)

• Pode haver acoplamento capacitivo entre portas próximas (RF e IF na figura abaixo)

• Porta IF admite sinais com componentes contínua e alternada (CC e CA)

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• Aplicações que requerem alta isolação entre portas – Usar as portas LO e RF

• Medição de fase ou que requeiram entrada / saída CC, a porta IF é a única que permite sinal CC – IF: saída DC

– RF e LO: entradas de sinal

• Receptor: – O objetivo é isolar a entrada de RF e o oscilador local,

para minimizar emissão espúria, então: • RF: sinal de entrada, da antena

• LO: sinal do oscilador local

• IF: saída de frequência intermediária


Balanceados

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Balanceados - Modulação AM

• Modulador AM-DSB-SC (portadora suprimida)

• Modulador AM-DSB-WC (portadora presente)

Sinal Modulante

(IF)

Portadora

(RF)

Saída Modulada (LO) Filtro Passa

Faixa

Sinal Modulante +

Tensão CC - Offset

(IF)

Portadora

(RF)

Saída Modulada (LO) Filtro Passa

Faixa

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Balanceados • Demodulador AM-DSB-SC

• Detector de Fase

Sinal demodulante – portadora

em fase com a portadora

modulada (LO)

Portadora

modulada

(RF)

Sinal

modulante (IF)

Filtro Passa

Baixa

Sinal 2

(LO)

Sinal 1

(RF)

Sinal CC

Proporcional ao

Coseno do Ângulo

de Defasagem (IF)

Filtro Passa

Baixa

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Problemas dos

Misturadores

• Frequência Imagem

• Sinais espúrios

• Faixa dinâmica

• Figura de ruído

• Terminação adequada (principalmente

nos misturadores passivos a diodos)

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• Um misturador ideal gera as componentes soma e diferença de frequência a partir dos sinais LO e RF

• Os receptores podem ser dos tipos – Heteródinos: quando fLO ≠ fRF

– De Conversão Direta: quando fLO = fRF

• Os misturadores dos receptores heteródinos se subdividem nos tipos – Up-converter - quando a frequência de saída for

superior à de entrada

– Down-converter - quando a frequência de saída for inferior à de entrada

Misturadores num Receptor

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Antena

fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

Misturador ideal

(sem espúrios)

fLO f 0

Receptor Heteródino

fRF fLO- fRF fLO+ fRF

Saída do Misturador Heteródino

fRF = Frequência de entrada

fLO = Frequência do oscilador local

O misturador ideal gera duas

frequências, acima ou abaixo de fRF.

Dependendo da saída escolhida, o

Misturador é chamado de

down-converter ou up-converter fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

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Antena

fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

= fLO f

Receptor de Conversão Direta

fRF fLO- fRF = 0 fLO+ fRF = 2.fRF

Saída do Misturador de Conversão Direta



fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

fLO = fRF

Misturador ideal

(sem espúrios)

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Receptores Heteródinos

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Antena

fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

fLO f 0

Conversor Up-Converter - 1

fRF


fLO = Frequência do oscilador local Filtro de FI em fFI= fLO+ fRF

fFI = Frequência intermediária

fFI

fFI = fLO+ fRF

fLO+ fRF

fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

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fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

fRF fLO

fFI

Filtro de FI em fFI= fLO- fRF

f 0

Conversor Up-Converter - 2 Antena




fFI =

fLO- fRF

fLO- fRF

fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

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fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

fRF fLO

fFI

Filtro de FI em fFI= fLO- fRF

f 0

Conversor Down-Converter Antena




fFI = fLO- fRF

fLO- fRF

fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

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• A frequência imagem é um sinal espúrio (ruído) captado por um receptor heteródino, em razão do canal de FI receber os sinais soma e diferença de frequência, em relação a fLO

• O sinal de frequência imagem contribui como ruído num receptor, piorando a relação S/N

• O sinal de frequência imagem é eliminado (atenuado) através do uso de filtro na entrada de RF do misturador

• No misturador tipo down-converter, se for necessário sintonizar várias frequências de RF, a sintonia do filtro deve ser sincronizada, uma solução é o uso de capacitor variável de duas seções (duplo). Uma seção do capacitor ajusta fRF e a outra ajusta fLO

Receptores Heteródinos -

Frequência Imagem

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fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF

fIM- fLO fLO

fRF fLO

fFI

Filtro de FI em fFI=|fLO- fRF|

fIM f 0

Misturadores Down-converter –

Frequência Imagem Antena

fFI = fLO- fRF

fIM = Frequência imagem




fIM = fLO+ fFI

fIM = fRF+ 2.fFI

Onde:

fIM fIM

fLO- fRF

fIM- fLO Ruído!!

Sinal

Ruído

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Exemplo 1:

• Num receptor com o filtro de FI

centrado em fIF = 455 KHz, o sinal de

entrada é de fRF = 1 MHz. Então:

fRF fLO fIM

f 0 fFI = fLO- fRF

fLO = fRF+ fFI = 1.000 + 455 = 1.455 KHz

fIM = fRF+ 2.fFI = 1.000 + 2 x 455 = 1.910 KHz

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Exemplo 2: • Num receptor de AM a faixa de

recepção (fRF) vai de 530 a 1.600 KHz.

O filtro de FI está centrado em fIF = 455

KHz. Então:

fRF

fLO

fIM

f 0 fFI = fLO- fRF

fLO = fRF+ fFI = 985 a 2.055 KHz

fIM = fRF+ 2.fFI = 1.440 a 2.510 KHz

fRF = 530 a 1.600 KHz

fFI = 455 KHz

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fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

fRF fLO

fFI

f 0

Cancelando (atenuando) a

Frequência Imagem Antena

fFI = fLO- fRF




fIM

Filtro Passa

Faixa (pré-seletor) –

atenua a fIM

fLO- fRF

DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada

através de um filtro pré-seletor, ajustado em fRF

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fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

fFI

Cancelando (atenuando) a Frequência

Imagem em várias frequências de recepção Antena

fIM

Filtro Passa

Faixa (pré-seletor)

Sincronizar sintonia

do filtro e do

oscilador local

fRF fLO

f 0 fFI = fLO- fRF fRF1 fRF2 fRF3 fLO1 fLO2 fLO3

fLO- fRF



Para operar ao longo de uma faixa

de frequências de recepção, a

frequência do oscilador local (fLO)

deve ser ajustada conforme a

frequência de interesse (fRF). O

filtro de entrada também deve ser

ajustado, em sincronia com o

oscilador local, para atenuar o

ruído de frequência imagem.

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fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

fFI

Cancelando (atenuando) a Frequência

Imagem em várias frequências de recepção Antena

fIM

Filtro Passa

Faixa (pré-seletor)



Sincronizando a sintonia

do filtro e do oscilador local

através de capacitor

variável duplo

Exemplos de capacitor variável duplo,

é um dispositivo eletromecânico. Sujeito a

vibrações, impactos, tamanho, umidade,

poeira, oxidação, não opera em GHz, etc.

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Cancelando (atenuando) a Frequência Imagem em

Várias Frequências de Recepção

• Receptor super-heteródino com conversor (mixer + oscilador), sincronismo de sintonia no pré-seletor de entrada e do oscilador local, para obter rejeição da frequência imagem

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Rádio AM Comercial

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Antena interna de ferrite Sensível a componente magnética de uma onda de rádio

Ba

stã

o

de

Fe

rrit

e

Espaço Livre - Linhas de Campo

Magnético (ondas de rádio)

μo

μf

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Antena interna de ferrite Sensível a componente magnética de uma onda de rádio

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Receptores de Conversão

Direta

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• Crescente demanda por rádios de projeto compacto,

de baixo custo e desenho simples.

• De um conceito simples e antigo, foi deixado de lado

em favor dos receptores super-heteródinos, de

melhor desempenho (banda passante mais estreita,

maior ganho, alta sensibilidade).

• Posteriormente, o conceito foi ressuscitado utilizando

semicondutores e processos de fabricação mais

atualizados.

• Possui extensa aplicação em comunicação móvel.

Receptores de Conversão Direta

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Antena

fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

= fLO f


fRF fLO- fRF = 0 fLO+ fRF = 2.fRF

Saída do Misturador de Conversão Direta



fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

fLO = fRF

Misturador ideal

(sem espúrios)

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Antena

fRF fRF fRF+ fLO

fLO- fRF fLO

= fLO f fRF fLO- fRF = 0

Saída do Filtro Passa Baixa



fRF = Freq.

central

f

BW

Sinal

fLO = fRF

fLO- fRF

Filtro Passa

Baixa


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• Dentre os mecanismos de eliminação ou atenuação da frequência imagem estão:

– Uso de filtro pré-seletor de entrada

– Uso de up-converter com fLO > fFI

– Uso de misturador com rejeição de frequência imagem (arranjo específico)

Nota: Os dois primeiros já foram apresentados

Como Eliminar ou Atenuar a

Frequência Imagem

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Misturador com Rejeição de

Frequência Imagem

Filtro

de RF

Antena

Amplificador

de RF (LNA)

Oscilador Local

0

90

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• Em conversores desse tipo não há frequência imagem

• É um receptor de eletrônica mais simples, não há canal de FI (ou seja: FI=0)

• Após o misturador, utiliza-se um filtro passa baixa, com frequência de corte logo acima de BW (banda passante) do canal, é um filtro mais simples e barato

• Um problema desse tipo de receptor é a sincronização de fase entre o sinal recebido e o oscilador local, na recepção de sinais do tipo SSB, modulação digital (PSK, QPSK), etc. Quando esse sincronismo ocorre, o receptor é chamado homodino

• Para superar o problema da sincronização entre fRF e fLO, utilizam-se dois misturadores, obtendo-se as componentes em quadratura

Receptor de Conversão

Direta (Sem FI)

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Receptor Homodino (Receptor

Coerente ou Síncrono)

• É um tipo de receptor de conversão direta, onde, o oscilador local está na mesma frequência e fase da portadora.

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Recuperação da portadora

Demodulação de AM com detector coerente

vpAM(wmt, wpt) Misturador

vo

vf vm

V = k(DF)

PLL

vfca

Filtro

Passa-

baixa

Filtro

Passa-alta

Remoção de

componente CC

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Receptor Homodino (Receptor

Coerente ou Síncrono)

• Não há frequência imagem a ser rejeitada

• O receptor requer um oscilador local sincronizado com a portadora

• O circuito extrator de portadora pode ser um filtro de banda estreita, um PLL ou um oscilador sincronizado

• A portadora deve estar presente, mesmo nos modos SSB ou DSB (ex.: modulação com portadora vestigial), isto torna o receptor incompatível com sinais sem nenhuma portadora

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com Misturadores em Quadratura

Filtro

de RF

Antena

Amplificador

de RF (LNA)

Oscilador Local

0

90

I

Q

Os sinais de saída em quadratura (I/Q), permitem recuperar o

sinal modulante – m(t). Tornando-se desnecessária a sincronização

entre fLO e fRF

m(t) = i(t) + j.q(t)

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• Pode haver off-set de sinal CC, o que ocasiona a saturação após os misturadores (amplificadores)

• A filtragem é feita por software (DSP)

• A rejeição de imagem é feita digitalmente (DSP)

• As etapas de filtragem, amplificação, conversão A/D e DSP operam em baixa freqüência, podendo ser integrados num único CI

• Como utiliza DSP, pode operar com vários tipos de modulação (analógica e digital)

• Este tipo de receptor será analisado no capítulo de rádios digitais

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Rádio Transceptor de Conversão

Direta para Rede WiFi (IEEE-802.11)

Rádio transceptor digital de conversão direta

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Controle Automático de Ganho

+13

Pb

(dBm)

+3

-7

-17

Pr

(dBm)

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

Ganho do

Receptor

Alto Ganho

Baixo Ganho

Faixa

Dinâmica

na

Entrada

do

Receptor

Processamento em

Banda Base ou

Demodulação

Faixa

Dinâmica

de Saída

O ganho variável (adaptativo) num receptor, visa compatibilizar a

intensidade de sinal disponível na antena com a intensidade necessária

para a operação confiável do conversor A/D ou do circuito

demodulador, com boa relação S/N na entrada do demodulador e

respeitando a faixa dinâmica do conversor A/D.

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• Faixa Dinâmica

– Para operar com uma ampla faixa de valores de intensidade de

sinal de entrada, um rádio receptor deve possuir algum artifício de

controle automático de ganho. Por exemplo, um celular operando

muito próximo um muito longe de uma ERB (Estação Rádio Base)

deve operar em todas as situações possíveis sem perder o sinal e

sem saturar o receptor.

– Conforme já foi comentado, ganhos típicos da ordem de 100 dB

são utilizados em receptores, porém todo esse ganho deve ser

controlado para que o receptor não sature (devido a um sinal

elevado na antena) ou não consiga detectar os sinais recebidos com

baixíssima potência na antena do receptor.

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• Nos receptores analógicos de voz, a saída do detector é

enviada a um amplificador de áudio e ao alto falante.

• Nos receptores digitais trabalhando com voz, a saída do

detector é enviada a um circuito processador digital de sinal

(DSP), ou ao conversor digital/analógico (DAC). A tensão na

entrada de um DSP ou de um DAC está normalmente

compreendida entre 1 mV e 1000 mV.

• Exemplo: Um telefone digital TDMA, o sinal demodulado é

enviado ao conversor D/A (DAC), onde é convertido ao sinal

analógico de voz. Utilizando um conversor D/A de 10 bits, onde

uma tensão de 1V fornece uma resolução de (1/1024)*1mV,

resulta numa faixa dinâmica de 20 log (1024) = 60 dB.

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• Assim, a faixa dinâmica do sinal de saída do conversor D/A é

muito menor que a faixa dinâmica de 80 a 100 dB, na entrada

do receptor, o que demonstra a necessidade do controle

automático de ganho.

• A Figura 3 mostra as faixas dinâmicas de entrada e saída do

receptor.

• Para compatibilizar a faixas dinâmicas do sinal e do

demodulador ou do conversor A/D, utiliza-se o controle

automático de ganho (CAG).

• O CAG consiste num amplificador de ganho controlado pela

tensão, associado a um detector de CAG para converter uma

amostra do sinal de FI, que é retificado para se obter o valor

CC.

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• O sinal retificado é então comparado com um nível de referência (no

amplificador DC) e passado por um filtro passa baixa (FPB), para evitar

que o ganho seja afetado pela modulação do sinal. A saída do filtro é

então aplicada aos amplificadores de ganho variável, de modo a

manter o valor do sinal da amostra do sinal próxima do valor de

referência.

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Receptor com Controle

Automático de Ganho (AGC)

Receptor com o MICRF-002

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Receptor OOK com o MICRF-002

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• A figura anterior apresenta o diagrama de blocos de um circuito

integrado de um receptor digital do fabricante Micrel. O receptor

opera na faixa de UHF (433 MHz) e utiliza modulação ASK

(amplitude switching keying) ou OOK (on-off keying), a

modulação sendo obtida ligando e desligando o oscilador do

transmissor. A taxa de transmissão pode ser de até 10 kbps.

Esse receptor gera um sinal digital que pode ser ligado

diretamente aos circuitos de processamento digital (UART,

microprocessadores ou microcontroladores) de um sistema de

comunicação.

• Conforme a figura, o sinal da antena é aplicado diretamente ao

pino ANT do CI, nesse pino também é ligado um filtro LC

(externo) em paralelo, para rejeitar frequências espúrias e

melhorar a relação S/N.


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• O sinal é amplificado pelo estágio RF AMP de ganho fixo e

passa pelo misturador, onde será convertido para a frequência

de FI de 500 kHz. Um sintetizador de frequência é responsável

pela geração do sinal do oscilador local, a partir de um oscilador

de referência acionado por um ressonador cerâmico conectado

ao pino REFOSC.

• Após o misturador, há duas etapas amplificadoras de FI (IF

AMP) que são intercaladas por um filtro passa faixa de 5ª

ordem centrado em 500 kHz (500 kHz BPF ORDER 5),

formando o canal de FI. O sinal amplificado e filtrado vai para

um detector de pico (PEAK DETECTOR) e a um filtro passa

baixa de 2ª ordem programável (LOW PASS FILTER).

• O detector de pico é um demodulador do tipo ASK e em sua

saída é recuperado o sinal modulante, que é em seguida filtrado

para eliminar vestígios de sinais de altas frequências.


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• Após ser filtrado, o sinal passa por um comparador (COMP),

que compara o sinal detectado com o valor da tensão do

circuito de AGC (controle automático de ganho). Como a tensão

de saída do detector varia com o sinal presente à entrada de

antena, pois se trata de um sinal analógico, o comparador é na

verdade um conversor A/D de 1 bit, gerando um sinal de saída

(pino DO) que assume apenas os valores binários (0 ou 1).

• Quando a tensão do detector é maior que VAGC é gerado o

nível lógico 1, caso contrário, o nível lógico é 0. A tensão de

AGC é gerada pelo circuito AGC CNTRL, que varia com a

intensidade média do sinal e é filtrada pelo capacitor conectado

ao pino CAGC. A tensão do circuito de AGC controla o ganho

das etapas amplificadoras de FI, obtendo-se uma faixa

dinâmica de 83 dB (o nível de sinal na antena do receptor, pino

ANT, pode variar entre -103 e -20 dBm).


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• O receptor possui ainda um circuito para economia de bateria

(WAKE UP FUNCTION) que mantém o consumo do receptor

baixo se não houver nenhum sinal detectável em sua saída. O

filtro de 500 kHz (FI) é implementado dentro do próprio chip, o

que só é viável devido à baixa frequência.


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