Смеситель для кв приемника. Высокоинтегрированные ИС смесителей для приемников базовых станций сотовой связи

alexxlabРазное
Как современные ИС смесителей объединяют функции гетеродина, синтезатора и усилителя ПЧ. Какие преимущества дает высокая интеграция для базовых станций. Как решаются проблемы фазового шума и работы в широком диапазоне частот. Какие технологии применяются для стабильной работы в экстремальных условиях.

Эволюция архитектуры приемников базовых станций

Современные базовые станции сотовой связи значительно отличаются от своих предшественников начала 2010-х годов. Если раньше они располагались в больших помещениях с контролируемым климатом, то теперь их можно установить практически где угодно. Это стало возможным благодаря высокой степени интеграции компонентов.

Рассмотрим, как выглядел типичный приемник базовой станции около 2010 года:

  • Архитектура с двумя смесителями для покрытия полосы около 1 ГГц
  • Отдельные модули ГУН и ФАПЧ для синтеза частоты
  • Специальные ГУН для каждого диапазона частот
  • Соединения компонентов низкоимпедансными линиями передачи
  • Высокое энергопотребление из-за потерь в линиях передачи

Такая архитектура требовала значительных площадей на печатной плате и потребляла много энергии. Современные высокоинтегрированные ИС смесителей позволяют кардинально изменить ситуацию.


Преимущества высокоинтегрированных ИС смесителей

Новые ИС смесителей, такие как ADRF6612 и ADRF6614 от Analog Devices, объединяют в одном корпусе несколько ключевых компонентов приемника:

  • Собственно смеситель
  • Встроенные ГУН
  • Синтезатор частоты на основе ФАПЧ
  • Усилитель промежуточной частоты

Это дает ряд существенных преимуществ:

  • Значительное уменьшение размеров базовой станции
  • Снижение энергопотребления
  • Повышение надежности за счет уменьшения числа компонентов
  • Упрощение проектирования и снижение стоимости
  • Возможность работы с разными стандартами связи (SDR)

Такие ИС позволяют создавать компактные базовые станции для установки практически в любых условиях.

Решение проблемы фазового шума

Одной из ключевых проблем при создании высокоинтегрированных ИС смесителей является обеспечение низкого уровня фазового шума. Это особенно важно для систем GSM с их жесткими требованиями к шумовым характеристикам.

В ADRF6612 и ADRF6614 применяется ряд технологий для минимизации фазового шума:


  • Использование нескольких ГУН с перекрывающимися диапазонами
  • Деление частоты для снижения шума на 6 дБ/октава
  • 8-разрядный емкостной ЦАП для точной настройки частоты
  • Автоматическая калибровка и подстройка параметров ГУН

Это позволяет обеспечить низкий уровень фазового шума во всем рабочем диапазоне частот и температур.

Обеспечение работы в широком диапазоне частот

Современные системы сотовой связи работают в широком диапазоне частот — от 700 МГц до 3 ГГц и выше. Обеспечить стабильную работу ГУН в таком диапазоне — непростая задача.

В ADRF6612 и ADRF6614 она решается следующим образом:

  • Использование 4 ядер ГУН с перекрывающимися диапазонами
  • Основной диапазон ГУН 2,7-5,6 ГГц
  • Получение более низких частот делением до 32 раз
  • Автоматический выбор оптимального диапазона ГУН
  • Подстройка амплитуды колебаний ГУН

Это обеспечивает стабильную работу во всем требуемом диапазоне частот.

Технологии для работы в экстремальных условиях

Современные базовые станции часто устанавливаются в неблагоприятных условиях окружающей среды. Поэтому ИС должны обеспечивать стабильную работу в широком температурном диапазоне.


В ADRF6612 и ADRF6614 для этого применяются следующие технологии:

  • Автоматическая калибровка при каждой смене частоты
  • Непрерывный мониторинг температуры кристалла
  • Подстройка смещения ГУН при изменении температуры
  • Широкий диапазон перестройки ГУН

Это обеспечивает стабильную работу в диапазоне температур до 145°C.

Минимизация паразитных составляющих

Паразитные составляющие могут существенно ухудшить чувствительность приемника. В ADRF6612 и ADRF6614 для их минимизации применяются следующие методы:

  • Работа синтезатора в целочисленном режиме с узкополосным фильтром
  • Уровень паразитных составляющих менее -100 дБн
  • Возможность работы в дробном режиме для точных шагов по частоте
  • 13-битный делитель в опорном тракте
  • 16-битные делители в целочисленном и дробном трактах

Это позволяет получить очень чистый спектр выходного сигнала.

Работа в условиях сильных блокирующих сигналов

В современных системах связи приемник базовой станции должен работать в присутствии сильных блокирующих сигналов. Это предъявляет особые требования к смесителю и тракту гетеродина.


В ADRF6612 и ADRF6614 для этого применяются следующие решения:

  • Цепь гетеродина с высоким усилением и жестким ограничением
  • Минимизация дополнительного фазового шума в тракте гетеродина
  • Сохранение низкого коэффициента шума при сильных блокирующих сигналах
  • Возможность работы при блокирующих сигналах до 0 дБм

Это обеспечивает устойчивую работу приемника даже в сложной помеховой обстановке.

Заключение

Высокоинтегрированные ИС смесителей, такие как ADRF6612 и ADRF6614, позволяют значительно уменьшить размеры, снизить энергопотребление и повысить надежность базовых станций сотовой связи. Применение передовых технологий обеспечивает их стабильную работу в широком диапазоне частот и температур, а также в сложной помеховой обстановке.

Это открывает новые возможности по размещению базовых станций и развертыванию сетей связи нового поколения. В будущем можно ожидать дальнейшего повышения степени интеграции компонентов и улучшения характеристик таких ИС.


Двойной балансный смеситель — SSB приёмник на 74НС4053


Продолжаем тему изучения SSB детекторов, выполненных на высокочастотных ключах, а конкретно на распространённом и недорогом мультиплексоре 74НС4053.
И опять обратимся к наследию замечательного радиолюбителя и автора различных модификаций трансиверов «YES» — Геннадия Брагина.

На этот раз он поделился схемой, сдобренной довольно подробным описанием, смесителя, который, по своей сути, является готовым приёмником прямого преобразования, который способен обеспечивать высокие характеристики без использования громоздких полосовых диапазонных фильтров.

Как такое возможно? Очень просто — построением двойного балансного смесителя, который сам по себе позволяет обеспечить фазовое подавление каналов приёма не только на чётных гармониках работы гетеродина, но также и на нечётных.

Вот что пишет Автор:


Главным и определяющим основные качественные показатели приёмника прямого преобразования (ППП) является динамический диапазон по перекрёстным помехам DD2, который равен коэффициенту подавления амплитудной модуляции с нижней границей, равной внутренним шумам приёмника, приведённым ко входу.

Перекрёстные помехи возникают из-за наличия квадратичных членов в вольтамперных характеристиках нелинейных элементов смесителя. Поэтому эти помехи пропорциональны квадрату входного напряжения и вызываются прямым детектированием входного сигнала смесителя на нелинейностях смесителя.

Применение балансной схемы смесителя с использованием быстродействующих ключей, управляемых меандром с малой длительностью фронтов сводит к минимуму время нахождения элементов смесителя в существенно нелинейном переходном состоянии. Для минимизации как перекрестных, так и других помех необходимо чтобы смеситель выполнял абсолютно точно операцию перемножения напряжений сигнала и гетеродина, т. е. идеального мультипликативного смесителя.

Этим требованиям в какой-то мере отвечает предлагаемый «недектирующий» смеситель, выполненный с применением популярного мультиплексора 74НС4053.


Входной сигнал проходит через симметрирующе согласующий Tr1 с трансформацией сопротивлений R : 9R.

С помощью ключей мультиплексора DA1 фаза входного сигнала изменяется на 180° с частотой гетеродина на запоминающих конденсаторах С11, С12, С13, С14 устройства выборки-хранения, чем собственно и является данное устройство. С запоминающих конденсаторов двухполосный сигнал со спектром звукового диапазона проходит через симметричный ФНЧ L1, L2, C15 c частотой среза около 3 кГц и далее на дифференциальный высокоомный вход операционного усилителя DA2, где усиливается около 20 дб.

Для управления ключами DA1 применён формирователь противофазных прямоугольных сигналов со скважностью 2 и длительностью фронтов около 2 nS/V (8,867 мГц) на микросхеме DD1. С помощью реле Р1 можно включать цепь кварцевого генератора, необходимого для определённых измерений с различными программами спектро-анализаторов ПК.

«Идеальных» характеристик смесителя достигают тщательной балансировкой с помощью подстроенных элементов R2, R13, C12, C14. В качестве L1 и L2 применена головка от кассетного магнитофона.

Чувствительность данного ППП при с/ш =10 дб оказалась равна ~0,35 мкВ, что соответствует мощности – 122 дбм на 50 Ом. Этот параметр можно улучшить, применив вместо 157 УД1 менее шумный ОУ. Уровень блокирования (забития) зафиксирован величиной ~3,16В (14,150 мГц), что соответствует мощности +23 дбм. Это так называемая точка компрессии – КР.

Динамический диапазон по блокированию DD1 составил 155 дб, а динамический диапазон по интермодуляции DD3 — 110 дб.
При измерении динамического диапазона по перекрёстным помехам (DD2) с помощью Г4-116 при 100%-ой АМ модуляции числовое значение получилось более 110 дб. Но ввиду больших боковых шумов Г4-116 данное измерение допускает большую погрешность.
Необходимо отметить, что подстроечные балансирующие элементы очень остро влияли на коэффициент подавления АМ. В вечерне-ночное время на диапазоне 40 м с антенной треугольник – 80 м без ПДФ прямого детектирования не наблюдалось.
На 20 м с той – же антенной без ПДФ на расстоянии около 500 м от RK4HWW с Рвых = 1 кВт и с расстройкой около 30 кГц наблюдались только небольшие сплэтторы, не затрудняющие приём слабых сигналов. В связи с применением дифференциального усилителя DA2 фон с частотой сети отсутствует.

В конечном итоге получился двухполосный супер – ППП (шутка!!?).

Г. Брагин, RZ4HK
г. Чапаевск
25.04.05 г.


Важно!

1. Вместо 15 вывода мультиплексора DA1 к выходу трансформатора следует подключать — 14.

2. Также как в устройстве, рассмотренном нами на предыдущей странице, работа балансного смесителя несколько разбалансируется различающимися нагрузочными сопротивлениями, коими являются сопротивления прямого и инверсного входов операционного усилителя DA2. По прямому — входное сопротивление составляет величину R6+R10, по инвертирующему — R7.
И опять же — я бы порекомендовал использовать следующие номиналы резисторов:
R6 = 91 Ом, R9 = 0,91 кОм, R7 = 1 кОм, R11 = 10 кОм.

3. В качестве готового ППП нормально работать данный смеситель будет только при условии подключения к входу полностью согласованной антенны с волновым сопротивлением, равным 50 Ом во всём диапазоне принимаемых частот!

А на этой странице мы с вами познакомимся с полной схемой всеволнового КВ приёмника прямого преобразования с использованием смесителя на мультиплексоре 74НС4053 —  Ссылка на страницу.

 

SSB детектор, балансный смеситель, приёмник прямого преобразования

Высокочастотные интегральные ключи и мультиплексоры давно уже стали неотъемлемым атрибутом высококачественных смесителей в приёмниках прямого преобразования и SDR-ах.
А мультиплексор 74НС4053 и вовсе прочно вошёл в касту классиков жанра, как один из образцов, обладающий достойными характеристиками, приличным быстродействием, невысокой ценой и широкой доступностью для отоваривания.
Геннадий Брагин одним из первых применил этот мультиплексор в схеме балансного смесителя в своём ставшим популярным трансивере «YЕS-2002». Схема проста, не содержит дефицитных деталей и по силам даже малоопытному радиолюбителю.

Когда я открывал эту тему, я «зуб давал», что у такого Уважаемого радиолюбителя с большой буквы «У», автора многих конструкций и различных модификаций трансиверов «YES», не выгорит найти какие-либо неточности и шероховатости — он сам у кого хочешь их найдёт, потом догонит и ещё раз найдёт, а потом подумает и опять… Ну, в общем, Вы понимаете.

Но нет, не боги горшки обжигают. По мере заполнения страницы и вникания в схему, пара моментов, всё-таки, вызвали у меня желание поделиться сомнениями.
Но сначала схема и кусок авторской статьи из журнала КВ и УКВ 2005 года.

«Сигнал с подчисточного кварцевого фильтра поступает на емкостной делитель входного контура ПЧ и далее на затвор истокового повторителя на КП302Б. Усиленный по мощности сигнал подается на общий вход двух противофазно управляемых МОП-ключей 74НС4053. Коммутация осуществляется с частотой опорного генератора. К выходам этих ключей подключен дифференциальный усилитель (половинка операционного усилителя К157УД2) и интегрирующие конденсаторы. Величины этих конденсаторов оказывают существенное влияние на качество выходного низкочастотного (продетектированного) сигнала.
Для снижения шумов и развязки от последующего каскада в УНЧ установлен ФНЧ третьего порядка, собранный на другой половине ОУ К157УД2. Крутизна спада АЧХ за частотой среза ЗкГц — примерно 18 дБ на октаву.

После необходимых в данном случае испытаний работа собранного детектора вызвала неподдельное удивление. Во-первых, (считаю это самым важным обстоятельством) выходной синусоидальный сигнал в полосе частот от единиц герц до самых высоких частот равномерен по амплитуде и обладает очень малыми нелинейными искажениями. На частоте 1кГц Кни

Кроме того, при подаче на вход детектора сигнала от ГСС с уровнем 0,5мкВ на выходе УНЧ хорошо слышен тональный сигнал при соотношении с/ш ~10дБ, что гарантирует присутствие в наушниках только шумов эфира, а не фоновое шипение каких-либо каскадов трансивера.
И самое последнее — высококачественный выходной сигнал получается без дополнительных регулировок, что и требуется при повторении. В целом получился SUPER-детектор (шутка).

Дополнительно на оставшейся неиспользованной паре ключей можно собрать хороший балансный SSB модулятор. «Опорник» уже имеется. В конечном итоге в схеме имеется задел для создания очень важного узла любого трансивера с отличными характеристиками».

На самом деле, при настройке входного контура на резонансную частоту, соответствующую середине диапазона принимаемых станций, и подаче на затворы полевого транзистора сигнала гетеродина, мы на выходе получаем готовый приёмник прямого преобразования с характеристиками, значительно превышающими популярные ППП на встречно-параллельных диодах.

Единственное, о чём надо позаботиться в суе — о согласовании входного контура с 50-омным сопротивлением антенны. Сделать это не сложно, увеличив соотношение значений емкостей С1 и C2 до 1/10.

Теперь о шероховатостях:
1. Верхний допустимый предел напряжения питания, подаваемого на 16 вывод микросхемы 74НС4053, по техническому описанию производителя составляет 10 В.
Вполне вероятно, что у автора она трудилась и при 12,5 В (судя по цифре, указанной на принципиальной схеме). И мало того, что трудилась, так ещё и обеспечивала более высокие показатели, как по быстродействию, так и по сопротивлению открытых каналов.
Но режим этот, скажу я Вам — не правильный, снижающий ресурс работы микросхемы, ставящий работоспособность устройства в зависимость от частоты опорного сигнала, окружающей температуры и разных других внешних факторов. Поэтому, вместо резистора R3, я бы посоветовал воткнуть маленький интегральный стабилизатор напряжения на 10 В.

2. Работа балансного выхода смесителя несколько разбалансируется различающимися нагрузочными сопротивлениями, коими являются сопротивления прямого и инверсного входов операционного усилителя. По прямому — входное сопротивление составляет величину R6+R9, по инвертирующему — R7.
Я бы рекомендовал использовать следующие номиналы резисторов: R6 = 91 Ом, R9 = 0,91 кОм, R7 = 1 кОм, R10 = 10 кОм.

 

Микросхемы-микшеры, синтезаторы и усилители промежуточной частоты

к Том Бозия , Рассел Мартин , Марк Гольдфарб , Драгослав Кулум , Бен Уокер , и Эд Бальбони