आरएफ रिसीवर के डिजाइन में मिक्सर क्या भूमिका निभाता है?

मिक्सर सुपरहेटरोडाइन (सुपर) रिसीवर आर्किटेक्चर में आरएफ सिग्नल श्रृंखला का एक महत्वपूर्ण चरण है। यह रिसीवर को रुचि के विस्तृत आवृत्ति बैंड पर ट्यून करने की अनुमति देता है और फिर किसी वांछित प्राप्त सिग्नल आवृत्ति को ज्ञात निश्चित आवृत्ति में परिवर्तित करता है। यह रुचि के सिग्नल को कुशलतापूर्वक संसाधित, फ़िल्टर और डिमॉड्यूलेटेड करने की अनुमति देता है। सुपर संरचना की संरचना सुरुचिपूर्ण और सरल है, लेकिन वास्तविक प्रदर्शन इसके घटक कार्यात्मक ब्लॉकों के प्रदर्शन पर निर्भर करता है।

ध्यान दें कि सर्वव्यापी सुपरमैन को 1930 के दशक में इंजीनियरिंग जीनियस मेजर ईएच आर्मस्ट्रांग द्वारा विकसित किया गया था और इसने बड़े पैमाने पर अपने पिछले रिसीवर डिज़ाइन, सुपर-रीजेनरेटिव डिज़ाइन को बदल दिया था (हालांकि यह आज भी पेशेवर अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है)। इसके बाद, आर्मस्ट्रांग ने फ़्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन का भी आविष्कार किया, जो अभी भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उनमें से कोई भी आर्मस्ट्रांग को "अग्रणी और आविष्कारक" श्रेणी बना देगा, लेकिन इन तीन रेडियो-संबंधित आविष्कारों का होना वास्तव में महत्वपूर्ण है। मिक्सर की बुनियादी बातों पर अधिक जानकारी के लिए टेकज़ोन लेख "मिक्सर की मूल बातें" देखें। एक बुनियादी सुपर "एकल रूपांतरण" रिसीवर में, इनपुट वाहक आरएफ सिग्नल को एक या अधिक कम शोर एम्पलीफायर (एलएनए) चरणों द्वारा बढ़ाया जाता है और फिर मिक्सर में प्रवेश करता है (चित्र 1)। मिक्सर में दो इनपुट हैं: आरएफ सिग्नल और स्थानीय ऑसिलेटर (एलओ)। एलओ ट्यून किए जाने वाले वांछित सिग्नल से एक निश्चित ऑफसेट पर है, और इसे वाहक आवृत्ति के ऊपर या नीचे सेट किया जा सकता है; कुछ डिज़ाइनों में तकनीकी कारण होते हैं, क्यों एक को दूसरे पर प्राथमिकता दी जाती है।

चित्र 1: बुनियादी सुपरहेटरोडाइन आर्किटेक्चर आरएफ सिग्नल को स्थानीय ऑसिलेटर के साथ मिलाता है और डाउन-कनवर्जन, फिक्स्ड-फ़्रीक्वेंसी आईएफ सिग्नल उत्पन्न करने के लिए ट्यून किए जाने वाले प्रवर्धित आरएफ सिग्नल के साथ एक निश्चित ऑफसेट बनाए रखता है, जिसे फिर प्रवर्धित और डिमॉड्यूलेटेड बेसबैंड किया जा सकता है।

मिक्सर एक गैर-रेखीय चरण है जो दो संकेतों को जोड़ता है। यह नॉनलाइनियर मिश्रण दो आउटपुट उत्पन्न करता है: एक दो सिग्नल आवृत्तियों के योग पर, और दूसरा उनके अंतर पर (अन्य और/हार्मोनिक्स भी नॉनलाइनियर मिश्रण प्रक्रिया द्वारा उत्पादित होते हैं, लेकिन वे दिलचस्प और फ़िल्टर करने में आसान नहीं होते हैं)। एक निश्चित बीट फ़्रीक्वेंसी आउटपुट होता है, जिसे इंटरमीडिएट फ़्रीक्वेंसी (IF) कहा जाता है, जो सुपर डिज़ाइन को इतना प्रभावी बनाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि विशिष्ट आवृत्ति को किस प्रकार ट्यून किया गया है, IF हमेशा एक ही आवृत्ति पर होता है। चूँकि IF आवृत्ति हमेशा समान होती है, IF चरण एम्पलीफायर और उसके बाद के डेमोडुलेटर को एकल ज्ञात आवृत्ति के प्रदर्शन के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

इसके बाद, किसी भी कलाकृति (जितना संभव हो) को खत्म करने के लिए मिक्सर के आईएफ आउटपुट को फ़िल्टर करें, और फिर आगे प्रवर्धन और डिमॉड्यूलेशन के लिए अगले चरण पर आगे बढ़ें। ऐतिहासिक रूप से, पारंपरिक प्रसारण AM रेडियो में 455 kHz IF का उपयोग किया जाता है, पारंपरिक प्रसारण FM रेडियो में 10.7 MHz का उपयोग किया जाता है, लेकिन अन्य व्यावसायिक अनुप्रयोगों में विभिन्न IF का उपयोग किया जाता है।

बुनियादी एकल रूपांतरण सुपर के अलावा, दोहरे रूपांतरण टोपोलॉजी भी हैं। इसका उपयोग उच्च वाहक आवृत्तियों के लिए किया जाता है, जैसे कि 500 मेगाहर्ट्ज या 1 गीगाहर्ट्ज से ऊपर, प्रत्येक चरण के प्राप्त करने योग्य प्रदर्शन को अनुकूलित करके सिग्नल फ़िल्टरिंग समस्याओं और शोर की समस्याओं को कम करने के लिए; वाहक इसे लगभग कम करने के लिए पहले चरण के मिक्सर/एलओ से गुजरता है। 50-100 मेगाहर्ट्ज के पहले आईएफ को फिर दूसरे मिक्सर/एलओ द्वारा दूसरे आईएफ में परिवर्तित किया जाता है। यह डिजाइनरों को अधिक समग्र लचीलापन प्रदान करता है और व्यक्तिगत घटक विशिष्टताओं के लिए कुछ आवश्यकताओं में ढील देता है। (व्यावसायिक उपयोग में ट्रिपल रूपांतरण रिसीवर भी हैं।) चित्र 2: एक दोहरे रूपांतरण डिज़ाइन में, मूल सुपर विधि उच्च आवृत्ति पर ट्यूनिंग के लिए पहले डाउन रूपांतरण चरण का विस्तार करती है; IF आउटपुट एक निश्चित फ़्रीक्वेंसी RF के बराबर हो जाता है, जिसे दूसरे IF आउटपुट का उत्पादन करने के लिए दूसरे चरण के LO के साथ मिलाया जाता है।

1. जीरो-आईएफ डिजाइन

यद्यपि एलओ/आईएफ अल्ट्रा-प्रिसिजन विधि अब तक की सबसे सफलतापूर्वक डिज़ाइन की गई रिसीवर आर्किटेक्चर है, लेकिन अब यह एक अन्य विधि से प्रतिस्पर्धा प्राप्त कर रही है: एक शून्य-आईएफ रिसीवर, जिसे प्रत्यक्ष रिसीवर-रूपांतरण रिसीवर (डीसीआर), होमोडाइन रिसीवर या सिंक्रोनस रिसीवर (चित्रा 3) के रूप में भी जाना जाता है। यहां, एलओ आवृत्ति वांछित सिग्नल की आरएफ वाहक आवृत्ति के बहुत करीब सेट की गई है। मिश्रित आउटपुट तुरंत बेसबैंड पर होता है और इसके लिए IF चरण की आवश्यकता नहीं होती है।

चित्र 3: शून्य-आईएफ विधि एक एलओ का उपयोग करती है जो आरएफ सिग्नल के बहुत करीब है और मध्यवर्ती आईएफ चरण के बिना सीधे बेसबैंड में परिवर्तित हो जाती है।

यद्यपि यह विधि सैद्धांतिक रूप से मूल सर्किट की जटिलता को कम करती है, यह गतिशील रेंज, स्थिरता, विरूपण, ट्यूनिंग रेंज और शोर सहित सभी चरणों पर सख्त आवश्यकताएं लगाती है। कुछ सावधानीपूर्वक चयनित और डिज़ाइन किए गए अनुप्रयोगों के लिए, आईसी शून्य-आईएफ रिसीवर को प्रतिस्पर्धी या आईएफ स्तर वाले सुपर रिसीवर से बेहतर बना सकता है।

2. प्रमुख मिक्सर पैरामीटर

मिक्सर निष्क्रिय (आमतौर पर डायोड के साथ निर्मित) या सक्रिय उपकरण हो सकते हैं जो ट्रांजिस्टर गेन का उपयोग करते हैं। एक कार्यात्मक मॉड्यूल के रूप में जो एक विस्तृत आरएफ आवृत्ति बैंड में सिग्नल एकत्र करता है और इसे एक निश्चित आईएफ आवृत्ति में परिवर्तित करता है, मिक्सर के लिए इसके लिए कई आवश्यकताएं होती हैं। सक्रिय और निष्क्रिय मिक्सर प्रत्येक प्रमुख मापदंडों के अलग-अलग संयोजन प्रदान करते हैं, जिनमें से सभी को डीबी में मापा जाता है, जब तक कि अन्यथा न कहा गया हो:

तीसरे क्रम का अवरोध बिंदु या इनपुट क्रॉस पॉइंट (IIP3 या IP3) तीसरे क्रम के गैर-रेखीय उत्पाद शब्द के कारण रैखिक रूप से प्रवर्धित सिग्नल पर गैर-रेखीय उत्पाद मिक्सर के प्रभाव से संबंधित है। मिक्सर के पासबैंड के भीतर दो परीक्षण आवृत्तियों का उपयोग तीसरे क्रम के अवरोधन बिंदु का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है; आमतौर पर, ये परीक्षण आवृत्तियाँ लगभग 20 से 30 किलोहर्ट्ज़ अलग होती हैं। उच्च IP3 मान (dBm में) एक बेहतर मिक्सर का संकेत देता है।

रूपांतरण हानि/लाभ IF आउटपुट पावर और RF इनपुट पावर का अनुपात है। निष्क्रिय मिक्सर के लिए, यह हमेशा हानि (नकारात्मक डीबी) होती है, आमतौर पर -5 और -10 डीबी के बीच। हालाँकि यह एक मिक्सर की दक्षता का माप है, यहाँ समस्या डीसी बिजली आपूर्ति की दक्षता नहीं है, बल्कि मिक्सर द्वारा देखा जाने वाला अपेक्षाकृत कम आरएफ पावर स्तर है।

शोर का आंकड़ा (एनएफ) बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह मिक्सर द्वारा जोड़े गए शोर को दर्शाता है और आईएफ आउटपुट पर दिखाई देता है। यह एक चिंता का विषय है, क्योंकि एक बार इन-बैंड शोर को रुचि के सिग्नल में जोड़ दिया जाता है, तो सिग्नल को खत्म करना, नष्ट करना, डिमॉड्यूलेशन को अधिक चुनौतीपूर्ण बनाना और बिट त्रुटि दर (बीईआर) को कम करना लगभग असंभव है। सामान्य शोर का आंकड़ा 0.5 और 3 डीबी के बीच है।

अलगाव उस डिग्री को परिभाषित करता है जिस तक मिक्सर आरएफ या एलओ इनपुट सिग्नल ऊर्जा को आईएफ आउटपुट तक पहुंचने से रोकता है, जो आईएफ को नष्ट और विकृत कर सकता है और डिमॉड्यूलेशन समस्याओं और त्रुटियों का कारण बन सकता है। यह आरएफ या एलओ इनपुट और लीकेज आईएफ आउटपुट का अनुपात है।

डायनेमिक रेंज अधिकतम सिग्नल स्तर और न्यूनतम सिग्नल स्तर के अनुपात को मापता है जिसे मिक्सर संभाल सकता है, और फिर भी एक आईएफ सिग्नल प्रदान करता है जो विनिर्देशों को पूरा करता है। अपेक्षित आरएफ इनपुट के आधार पर, सिस्टम को मध्यम (50 डीबी) या विस्तृत गतिशील रेंज (100 डीबी) की आवश्यकता हो सकती है।

ये केवल शीर्ष मिक्सर से संबंधित प्रदर्शन पैरामीटर हैं। अन्य में छवि अस्वीकृति, लाभ संपीड़न, डीसी ऑफसेट और 1 डीबी संपीड़न बिंदु शामिल हैं।

3. उपलब्ध मिक्सर की विस्तृत श्रृंखला

मिक्सर विक्रेताओं में आरएफ विशेषज्ञता वाले पारंपरिक एनालॉग आईसी विक्रेता, साथ ही आरएफ-केंद्रित विक्रेता शामिल हैं जो आईसी और असतत मिक्सर विकसित करते हैं। चूंकि ये दोनों समूह मिक्सर के प्रदर्शन को अलग-अलग दिशाओं से देखते हैं, इसलिए प्राथमिकताओं और व्यापार-बंदों के साथ-साथ सामान्य पहलुओं के संदर्भ में उनके फोकस के विभिन्न क्षेत्र हैं।

IC आपूर्तिकर्ता ADI ने ADL5350 पेश किया, जो एकीकृत LO बफर एम्पलीफायर (चित्रा 4) के साथ एक GaAs pHEMT सिंगल-एंड निष्क्रिय मिक्सर है।

चित्र 4: ADL5350 पैसिव मिक्सर में LO सिग्नल जेनरेशन के संचालन और आवश्यकताओं को सरल बनाने के लिए एक सक्रिय LO एम्पलीफायर शामिल है।

यह ब्रॉडबैंड डिवाइस 750 मेगाहर्ट्ज से 4 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों को संभाल सकता है और इसे विभिन्न मॉड्यूलेशन प्रकारों और मानकों के साथ सेलुलर बेस स्टेशनों के लिए डिज़ाइन किया गया है। बफ़र उपयोगकर्ता को निम्न स्तर का LO प्रदान करने की अनुमति देता है, जो डिज़ाइन को सरल बनाता है। रूपांतरण हानि 6.8 डीबी है, शोर का आंकड़ा 6.5 डीबी है, और आईपी3 25 डीबी है। शामिल आवृत्तियों के कारण, ADL5350 8 VFDFN एक्सपोज़्ड पैड, चिप-स्केल पैकेज का उपयोग करता है। (इसका उपयोग अप-रूपांतरण की पूरक प्रक्रिया के लिए भी किया जा सकता है, लेकिन यह एक अलग कहानी है।)

सीईएल (पूर्व में कैलिफोर्निया ईस्टर्न लेबोरेटरी) 2757 से 0.1 गीगाहर्ट्ज तक आरएफ इनपुट और 2.0 से 20 मेगाहर्ट्ज (चित्र 300) तक आरएफ इनपुट के लिए यूपीसी6 सिलिकॉन चिप एमएमआईसी (मोनोलिथिक माइक्रोवेव आईसी) प्रदान करता है।

चित्र 6: सीईएल की यूपीसी2757 श्रृंखला में 0.1 और 2.0 गीगाहर्ट्ज के बीच आरएफ इनपुट के लिए बुनियादी सक्रिय मिक्सर शामिल हैं।

UPC2757TB कम बिजली खपत के लिए अनुकूलित है, जबकि UPC2758TB कम विरूपण के लिए अनुकूलित है। प्रत्येक आईसी के लिए, रूपांतरण लाभ एलओ आवृत्ति का एक कार्य है (चित्रा 7)।

चित्र 7: सीईएल के यूपीसी2757 एमएमआईसी का रूपांतरण लाभ एलओ आवृत्ति के साथ बदलता रहता है; परिवार के दो मुख्य सदस्य बिजली की खपत और विरूपण के लिए बुनियादी विकल्प प्रदान करते हैं।

ये सिर्फ दो उदाहरण हैं. मिक्सर कई आपूर्तिकर्ताओं से उपलब्ध हैं; उपकरण का उपयोग विभिन्न आरएफ और एलओ आवृत्तियों के साथ-साथ विभिन्न शक्ति स्तरों और प्रदर्शन मापदंडों के लिए किया जा सकता है। डिज़ाइनर की निर्णय लेने की प्रक्रिया पहले बुनियादी आवृत्ति आवश्यकताओं और अन्य मिक्सर गुणों के लिए आवश्यक मूल्यों के साथ-साथ किसी भी लचीलेपन या ट्रेड-ऑफ़ को सूचीबद्ध करती है जो इनमें से किसी भी कारक में मौजूद हो सकते हैं।