Aplicações dos Misturadores - Receptores Prof. Gil Pinheiro MSc. UERJ-FEN-DETEL
Parâmetros de um misturador Relacionados ao uso de um misturador num receptor heteródino Misturador Saída de frequência intermediária (IF) Frequência (f 2 - f 1 ) Entrada de radiofrequência (RF) Frequência f 1 Entrada do oscilador local (LO) Frequência f 2 Perdas de conversão: L[dB] = -10log(P IF /P RF ) Isolamento RF-IF : I RF-IF [db] = 10log(P RF /P RF-IF ) (sendo P RF-IF a potência de RF na saída de IF) Isolamento LO-IF: I LO-IF [db] = 10log(P LO /P LO-IF ) Isolamento LO-RF: I LO-RF [db] = 10log(P LO /P LO-RF )
Exemplo de uso de parâmetros de um misturador 9 MHz -50 dbm 15 MHz 7 dbm 6 MHz Componente de 9 MHz: -50 dbm - 5,6 db = -55,6 dbm Componente de 6 MHz: 7 dbm - 45 db = -38 dbm Perda de conversão: L[dB] = 5,6 db Isolamento LO-IF: I LO-IF [db] = 45 db Isolamento LO-RF (maior isolamento): I LO-IF [db] = 60 db
Aplicação de Misturadores Balanceados a Diodos 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) Porta IF permite usar sinais CC e CA Menor isolação entre portas IF e RF Porta mais isolada das outras
Aplicação de Misturadores Balanceados 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
Aplicação de Misturadores Balanceados - Modulação AM Modulador AM-DSB-SC (portadora suprimida) Portadora (RF) Filtro Passa Faixa Sinal Modulante (IF) Saída Modulada (LO) Modulador AM-DSB-WC (portadora presente) Portadora (RF) Filtro Passa Faixa Sinal Modulante + Tensão CC - Offset (IF) Saída Modulada (LO)
Aplicação de Misturadores Balanceados Demodulador AM-DSB-SC Portadora modulada (RF) Filtro Passa Baixa Sinal modulante (IF) Sinal demodulante portadora em fase com a portadora modulada (LO) Detector de Fase Sinal 1 (RF) Sinal 2 (LO) Filtro Passa Baixa Sinal CC Proporcional ao Coseno do Ângulo de Defasagem (IF)
Problemas dos Misturadores Frequência Imagem Sinais espúrios Faixa dinâmica Figura de ruído Terminação adequada (principalmente nos misturadores passivos a diodos)
Misturadores num Receptor 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 f LO f RF De Conversão Direta: quando f LO = f RF 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
Receptor Heteródino Antena Misturador ideal (sem espúrios) Sinal BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Saída do Misturador Heteródino O misturador ideal gera duas frequências, acima ou abaixo de f RF. Dependendo da saída escolhida, o Misturador é chamado de down-converter ou up-converter f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local 0 f LO - f RF f RF f LO f LO + f RF f
Receptor de Conversão Direta Antena Misturador ideal (sem espúrios) Sinal BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Saída do Misturador de Conversão Direta f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f LO = f RF f LO - f RF = 0 f RF = f f LO f LO + f RF = 2.f RF
Receptores Heteródinos
Conversor Up-Converter - 1 Antena Sinal BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Filtro de FI em f FI = f LO + f RF f FI f LO + f RF f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f FI = Frequência intermediária 0 f RF f LO f FI = f LO + f RF f
Conversor Up-Converter - 2 Antena Sinal BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Filtro de FI em f FI = f LO - f RF f FI f LO - f RF f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f FI = Frequência intermediária 0 f RF f FI = f LO - f RF f LO f
Conversor Down-Converter Antena Sinal BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Filtro de FI em f FI = f LO - f RF f FI f LO - f RF f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f FI = Frequência intermediária 0 f FI = f LO - f RF f RF f LO f
Receptores Heteródinos - Frequência Imagem 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 f LO 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 f RF e a outra ajusta f LO
Misturadores Down-converter Antena Frequência Imagem f IM f IM f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF f IM - f LO f FI f LO - f RF f IM - f LO Ruído!! Filtro de FI em f FI = f LO - f RF 0 f FI = f LO - f RF Ruído Sinal f RF f LO f IM f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f FI = Frequência intermediária f IM = Frequência imagem f Onde: f IM = f LO + f FI f IM = f RF + 2.f FI
Exemplo 1: Num receptor com o filtro de FI centrado em f IF = 455 KHz, o sinal de entrada é de f RF = 1 MHz. Então: 0 f FI = f LO - f RF f RF f LO f IM f f LO = f RF + f FI = 1.000 + 455 = 1.455 KHz f IM = f RF + 2.f FI = 1.000 + 2 x 455 = 1.910 KHz
Exemplo 2: Num receptor de AM a faixa de recepção (f RF ) vai de 530 a 1.600 KHz. O filtro de FI está centrado em f IF = 455 KHz. Então: 0 f FI = f LO - f RF f RF f LO f IM f FI = 455 KHz f RF = 530 a 1.600 KHz f LO = f RF + f FI = 985 a 2.055 KHz f IM = f RF + 2.f FI = 1.440 a 2.510 KHz f
Antena Cancelando (atenuando) a Frequência Imagem DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada através de um filtro pré-seletor, ajustado em f RF f IM f RF f RF f RF + f LO f LO - f RF Filtro Passa Faixa (pré-seletor) atenua a f IM f LO f FI f LO - f RF f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f FI = Frequência intermediária 0 f FI = f LO - f RF f RF f LO f
Cancelando (atenuando) a Frequência Imagem em várias frequências de recepção Antena Filtro Passa Faixa (pré-seletor) f IM DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada através de um filtro pré-seletor, ajustado em f RF f RF f RF f RF + f LO f LO - f RF Sincronizar sintonia do filtro e do oscilador local f RF f LO flo 0 f FI = f LO - f RF f RF1 f RF2 f RF3 f LO1 f LO2 f LO3 f f FI f LO - f RF Para operar ao longo de uma faixa de frequências de recepção, a frequência do oscilador local (f LO ) deve ser ajustada conforme a frequência de interesse (f RF ). O filtro de entrada também deve ser ajustado, em sincronia com o oscilador local, para atenuar o ruído de frequência imagem.
Cancelando (atenuando) a Frequência Imagem em várias frequências de recepção Antena Filtro Passa Faixa (pré-seletor) f IM DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada através de um filtro pré-seletor, ajustado em f RF f RF f RF f RF + f LO f LO - f RF Sincronizando a sintonia do filtro e do oscilador local através de capacitor variável duplo f LO f FI Exemplos de capacitor variável duplo, é um dispositivo eletromecânico. Sujeito a vibrações, impactos, tamanho, umidade, poeira, oxidação, não opera em GHz, etc.
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
Rádio AM Comercial
Rádio AM Comercial
Rádio AM Comercial
Bastão de Ferrite Antena interna de ferrite Sensível a componente magnética de uma onda de rádio Espaço Livre - Linhas de Campo Magnético (ondas de rádio) μ o μ f
Antena interna de ferrite Sensível a componente magnética de uma onda de rádio
Receptores de Conversão Direta
Receptores de Conversão Direta 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.
Receptor de Conversão Direta Antena Misturador ideal (sem espúrios) Sinal BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Saída do Misturador de Conversão Direta f RF = Frequência de entrada f LO = Frequência do oscilador local f LO = f RF f LO - f RF = 0 f RF = f f LO f LO + f RF = 2.f RF
Receptor de Conversão Direta Antena Sinal Filtro Passa Baixa BW f RF = Freq. central f f RF f RF f RF + f LO f LO f LO - f RF Saída do Filtro Passa Baixa f RF = Frequência de entrada f LO - f RF f LO = Frequência do oscilador local f LO = f RF f LO - f RF = 0 = f LO f f RF
Como Eliminar ou Atenuar a Frequência Imagem Dentre os mecanismos de eliminação ou atenuação da frequência imagem estão: Uso de filtro pré-seletor de entrada Uso de up-converter com f LO > f FI Uso de misturador com rejeição de frequência imagem (arranjo específico) Nota: Os dois primeiros já foram apresentados
Misturador com Rejeição de Frequência Imagem Antena Amplificador de RF (LNA) Filtro de RF Oscilador Local 0 90
Receptor de Conversão Direta (Sem FI) 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 f RF e f LO, utilizam-se dois misturadores, obtendo-se as componentes em quadratura
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.
Demodulação de AM com detector coerente Recuperação da portadora v pam (w m t, w p t) Misturador v m v f v fca V = k(df) PLL v o Filtro Passabaixa Filtro Passa-alta Remoção de componente CC
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
Receptor de Conversão Direta com Misturadores em Quadratura Antena Amplificador de RF (LNA) I Filtro de RF Q Oscilador Local 0 90 m(t) = i(t) + j.q(t) Os sinais de saída em quadratura (I/Q), permitem recuperar o sinal modulante m(t). Tornando-se desnecessária a sincronização entre f LO e f RF
Receptor de Conversão Direta com Misturadores em Quadratura
Receptor de Conversão Direta com Misturadores em Quadratura 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
Rádio Transceptor de Conversão Direta para Rede WiFi (IEEE-802.11) Rádio transceptor digital de conversão direta
Controle Automático de Ganho Pr (dbm) Pb (dbm) 0 Baixo Ganho +13-20 -40-60 -80-100 Faixa Dinâmica na Entrada do Receptor Ganho do Receptor Alto Ganho Faixa Dinâmica de Saída +3-7 -17 Processamento em Banda Base ou Demodulação -120 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.
Controle Automático de Ganho 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.
Controle Automático de Ganho 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.
Controle Automático de Ganho 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.
Controle Automático de Ganho 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.
Receptor com Controle Automático de Ganho (AGC) Receptor com o MICRF-002
Receptor OOK com o MICRF-002
Receptor com o MICRF-002 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.
Receptor com o MICRF-002 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.
Receptor com o MICRF-002 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).
Receptor com o MICRF-002 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.