TEMA 6. CONVERSIÓN DE FRECUENCIA Mezcladores Multiplicadores Moduladores Demoduladores

Transcripción

1 TEMA 6 CONVERSIÓN DE FRECUENCIA Mezcladores Multiplicadores Moduladores Demoduladores 1

2 Objetivo: Conversión de Frecuencia Obtener a la salida una señal cuya frecuencia sea la suma o la diferencia de las frecuencias de entrada o el doble o el triple de la frecuencia de entrada Conversor de frecuencia Señal de frecuencias (f 1 + f )y f 1 -f Señal de frecuencia f 1 Señal de frecuencia f 1 Señal de frecuencia 3f 1 Señal de frecuencia f Señal de frecuencias (f 1 + f )y f 1 -f Mezclador O Señal de frecuencia f 1 O Señal de frecuencia 3f 1 Multiplicador

3 Conversión de Frecuencia Particularizamos al caso de señales suma y diferencia: cos ω 1 1t cosωt = cos( ω1+ ω) t+ cos ( ω1 ω) t Componente de frecuencia f 1 +f Componente de frecuencia f 1 -f Basta con multiplicar las señales para obtener la señal suma o diferencia Qué pasa si las señales que se mezclan no están en fase? ( ) 1 ( ) 1 ( ) cos ω1t cos ωt+ ϕ = cos 1 t cos ω + ω + ϕ + ω 1 ω t ϕ Componente de frecuencia f 1 +f Componente de frecuencia f 1 -f El desfase φ sólo provoca desfases, no nuevas componentes 3

4 Ejemplo Conversión de frecuencia Antena Filtro de RF Mezclador Amplificador de FI Amplificador de Audio Amplificador de RF Filtro de FI Demodulador Informaciòn Oscilador Local El mezclador forma parte de todo sistema de comunicaciones. Es un dispositivo no lineal que desplaza la señal recibida a f RF a la frecuencia intermedia f FI. Si para obtener las frecuencias sumas y diferencia es necesario multiplicar: De que manera lograr el producto de dos señales? 4 4

5 Mezclador Objetivo: Obtener una señal cuya frecuencia sea la suma o la diferencia de la frecuencia de dos frecuencias de entrada A la salida señal de frecuencias (f 1 + f )y f 1 -f Usando un multiplicador analógico (Mezclador balanceado) Usando dispositivos de respuesta cuadrática: v() t = v() t + v () t i 1 i t I av t bv t cv t 3 O() = o+ i() + i() + i() +... Si se polariza en zona cuadràtica c<<b b 1 io( t) = Io+ av1cosω1 t+ avcosω t+ V 1 + bv1 cosω1 t+ b 1 V + + bv cosω t+ b VV 1 cos( ω1+ ω ) t+ bvv 1 cos( ω1 ω ) t 5

6 Mezclador b b io() t = Io+ V1 + V + + av cosω t+ av cos ω tv() t bv1 cosω1 t+ bv cosω t ( ω ω ) cos( ω ω ) + bvv cos + t+ bvv t i Amplitud Frecuencia av 1 f 1 av f ½ bv 1 f 1 ½ bv f bv 1 V f 1 + f bv 1 V f 1 - f Componente de frecuencia f 1 Componente de continua Componente de frecuencia f 1 Componente de frecuencia f Componente de frecuencia f Componente de frecuencia f 1 +f Componente de frecuencia f 1 -f Sobran las componentes de continua y de frecuencias f 1, f f 1 y f será necesario filtrarlas

7 Mezclador Ejemplo: v() t = v () t = V cosω t 1 OL OL OL ( ) ( ) v() t = v () t = V.cosω t+ V cos ω + ω t+ V cos ω ω t AM c c BL c m BL c m ( ) ( ) v() t = V cosω t+ V cosω t+ V cos ω + ω t+ V cos ω ω t i OL ol C C BL C m BL C m 7

8 MEZCLADORES ( ω ω ) cos( ω ω ) ( ) t bv V cos ( ) t bv V cos ( ) t bv V cos ( ) t bv V cos ( ) ( ) t bv V ( ) ( ) i () t = av cos ω t+ av.cosω t+ av cos ω + ω t+ a V cos ω ω t+ O OL OL C C BL c m BL c m bvolcosωol t+ bvc cosωc t+ bvbl cos( ωc + ωm) t+ bvbl cos( ωc ωm) t + bv V cos + t+ bv V t+ OL C OL C OL C OL C ( ω ω ω ) ( ω ( ω ω )) ( ω ω ω ) ( ω ( ω ω )) ( ω ω ω ) ( ω ( ω ω )) ( ω ω ω ) ( ω ( ω ω )) ( ω ω ω ω ) cos( ( ω ω ) ( ω ω )) + bv V cos OL BL OL C m OL BL OL C m + bv V cos OL BL OL C m OL BL OL C m + bv V cos C BL C C m C BL C C m + bv V cos C BL C C m OL BL C C m + bv V cos BL BL C m C m BL BL C m C m Amplitud Frecuencia Amplitud Frecuencia Amplitud Frecuencia av OL f OL bv OL V C f OL +f C bv BL V C f C +f m av C av BL av BL f C f c +f m ½ bv OL ½ bv C ½ bv BL ½ bv BL f c -f m Lineales bv OL V C bv OL V BL f OL - f C f OL +f C +f m bv BL V C bv C V BL -f m f C -f m f OL f C f C +f m f C -f m Cuadráticos puro bv OL V BL bv OL V BL bv OL V BL f OL fc-f m f OL +f C -f m f OL - f C +f m bv C V BL bv BL V BL bv BL V BL +f m f C Productos cruzados o de intermodulacion 8 f m 8

9 MEZCLADORES Ejemplonumérico: f ol =1455KHz; f C =1MHz; f m =1000KHz A la salida del mezclado aparece el espectro de la señal modulada en amplitud en 3 lugares distintos: a la misma frecuencia, a la frecuencia suma y a la frecuencia diferencia. Observar: que los tres espectros tienen las mismas proporciones que la señal de entrada. No así el de que aparece con fc como frecuencia central. 9

10 MEZCLADORES En el ejemplo de abajo, el circuito de carga del mezclador, es un circuito tanque sintonizado a f ol + f C (frecuencia suma); y Ancho de Banda AB=f m Cuando la frecuencia del oscilador local se sintoniza arriba de la RF, se llama inyección lateral alta, o inyección de oscilación superior. Cuando el oscilador local se sintoniza abajo de la RF, se llama inyección lateral inferior, o inyección de oscilación inferior Cuando la frecuencia del oscilador local es mayor que la de portadora, se llama inyección lateral alta, o inyección de oscilación superior. Cuando la frecuencia del oscilador local es menor que la RF, se llama inyección lateral inferior, o inyección de oscilación inferior 10 10

11 MEZCLADORES La salida del mezclador contiene una cantidad infinita de frecuencias armónicas y de producto cruzado, que incluyen las frecuencias de suma y diferencia entre 3 la portadora deseada de RF y la del OL: i ( t) = I + a v( t) + b v ( t) + cv ( t) +... O o i i i cv () t = cv + 3v v + 3v v + cv 3 f;3 f; f + f; f f; f + f; f f i Los productos de tercer orden caen con frecuencia dentro del ancho de banda del sistema, y producen una distorsión llamada distorsión de intersección de tercer orden. La distorsión de tercer orden es un caso especial de la distorsión por intermodulación, y es la forma principal de distorsión de frecuencia. También se debe considerar los componentes de intermodulación de tercer orden: frecuencias de producto cruzado que se producen cuando la segunda armónica de una señal se suma a la frecuencia fundamental de otra señal La distorsión de frecuencia se puede reducir usando un dispositivo de ley cuadrada, como un FET. Los dispositivos de ley cuadrada sólo producen componentes de segunda armónica y de intermodulación

12 Circuitos Mezcladores Para el diseño de un mezclador es importante tener en cuenta: Comportamiento adecuado a las frecuencias de trabajo. Uso de dispositivos con comportamiento lo más parecido a cuadrático, sin términos apreciables en x, x 3, x 4, etc. Cancelación de componentes indeseadas por simetrías en los circuitos. Tipos de mezcladores Pasivos (diodos) Activos (transistores) Simples Equilibrados Doblemente equilibrados Simples Equilibrados Doblemente equilibrados 1

13 Circuitos Mezcladores Conversor a diodo I = Is [ exp (V D /U T ) 1] I S = 1 ma V T = 6 mv i D [µa] Se sintonizan el circuito de salida a la frecuencia suma o diferencia. Ventajas: Sencillez y economía del circuito Modelo proporcional + cuadrático Modelo exponencial Desventajas: v D [mv] Mezclador ruidoso Presenta pérdidas en la conversión Tiene frecuencias no deseadas debido a términos de tercer orden y superiores No tiene aislación entre los puertos de entrada 13

14 Circuitos Mezcladores Conversor con TBJ VOL Ventajas: Muy buena ganancia de conversión en algunos casos alcanza los 0 db Bajo NF Desventajas: Presenta productos de IMD de tercer orden altos Pequeño rango dinámico Se polariza el circuito de entrada en zona no lineal: V BE =0,55mV Se sintonizan el circuito de salida a la frecuencia suma o diferencia. Un transistor de efecto de campo tiene una respuesta más cuadrática Sirve mejor para hacer mezcladores 14

15 Mezclador Balanceado Los mezcladores balanceados son uno de los circuitos más importantes en los sistemas actuales de comunicaciones. Un mezclador balanceado realiza el producto de las señales de entrada. A la salida solo aparecen la suma y la diferencia de frecuencias de entrada. kv1 kv1 Principio de funcionamiento: ω OL v() t 1 v () t OL f O = f OL AB= f 1 15

16 Mezclador Balanceado ( ω ω ) v() t = KVcos + t+ KVcos ω ω t o 1 OL 1 1 OL 1 kv 1 kv 1 v() t f 1 OL f1 ω 1 f + f OL 1 Integrados SBL1, MC1496 v () OL t ω OL V OL lo suficientemente grande para manejar la conducción de los diodos (V OL >V 1 ). Equivalente a multiplicar por una cuadrada de ±1V y frecuencia f OL Las cuadradas: tienen f OL, 3f OL ; 5f OL, 7f OL ; 9f OL. A la salida: f OL -f 1 ; f OL +f 1 ; 3f OL -f 1 ; 3f OL +f 1 ; 5f OL -f 1 ; 5f OL +f 1 ; En caso de no estar bien balanceado a la salida aparecerán vestigios de f OL. 16

17 MEZCLADORES Parámetros para la evaluación de un mezclador Ganancia de conversión: A[ db] = c 10log P P FI RF Se define con este nombre a la relación en decibeles entre la potencia de salida P FI y la Potencia de entrada P RF, la primera tiene su señal a la frecuencia FI (frecuencia de salida del conversor) mientras que la segunda tiene las frecuencias de la señal de entrada. Transconductancia de conversión: Es el cociente entre la corriente de salida y la tensión de entrada, la corriente es de frecuencia intermedia (frecuencia de salida del conversor) mientras que la tensión tiene las frecuencias de la señal de entrada. g = c i v FI RF 17

18 MEZCLADORES Cifra de ruido Es la relación entre la relación señal ruido en la entrada respecto a la salida, expresado en decibeles. NF = SNR SNR RF FI Aislación Atenuación que presenta de cada una de las señales sobre los otros dos puertos Compresión de conversión Pérdida en db de la señal de salida por debajo de la recta ideal. La compresión de conversión se refiere al nivel de potencia de entrada RF arriba del cual la curva de potencia de salida FI vs potencia de entrada RF se desvía de la linealidad. Arriba de este nivel, un aumento adicional en el nivel de entrada RF no se traduce en un aumento proporcional en el nivel de salida. Cuantitativamente, la compresión de conversión es la reducción del nivel de salida en db abajo de la característica lineal. Usualmente, el nivel de entrada en el que la compresión es de 1 o 3 db se da en las especificaciones del mezclador. 18

19 Conversores de Frecuencia Qué mas se puede hacer con un dispositivo que logra el producto de las señales de entrada? 1. Un mezclador, para trasladar (subir o bajar) en frecuencia una señal, sin alterar la información que pudiera llevar. Se carga con un filtro que deja pasar la señal deseada (mezclador ascendente o descendente). Un modulador de AM si se hace f 1 =f c y f =f m y se coloca como carga un filtro sintonizado a la frecuencia f c y con un ancho de banda de f mmáx. 3. Un multiplicador de frecuencias por dos, si f 1 =f c y f =0 y se utiliza como carga un filtro sintonizado a la frecuencia f c. 4. Un detector de señales de AM en sus distintas modalidades, si f =f c y en la entrada de f 1 se introduce una señal modulada en AM y la carga es un filtro pasa bajo que con frecuencia de corte igual o mayor que la frecuencia máxima de banda base. Es decir que su ancho de banda es f mmáx. (Detector coherente) 19

20 Conversión de frecuencia: Multiplicador x Objetivo: Obtener a la salida una señal de frecuencia doble de la de entrada La corriente de salida i o es: i () t = I + av() t + bv () t + cv () t +... O o Si se polariza en zona cuadrática y se filtra la continua queda: 1 Amplitud Frecuencia io() t = av1cosω1 t+ bv1 cosω1 t av 1 f 1 ½ bv 1 f 1 Si la carga es circuito resonante con fo=f1 se obtiene la frecuencia doble a la salida Para obtener la frecuencia triple se debe polarizar en zona cubica. 0

21 Resumen Multiplicadores Un multiplicador es un amplificador no lineal (generalmente clase C) cargado con un circuito sintonizado al valor de una armónica. Así si se sintoniza º armónica se obtiene un duplicador, si se sintoniza 3 armónica un triplicador. Solo se usan duplicadores y triplicadores, ya que los coeficientes de 4ª, 5ª. Armónica son muy pequeños. Observar el efecto de multiplicar una señal de AM 1

22 Detector de Producto(Coherente)- AM Principio de operación Señales de entrada: v () t = V [1 + v ()] cos( t ω t) AM C m C v () t = V cos( ω t+ φ) OL OL OL A la salida del multiplicador de señales: { } v () t = KV V [1 + v ()] cos( t ω t) cos( ω t+ φ) O C OL m C OL { } [ ω ω φ] [ ω ω φ] A la salida del filtro pasa bajos: { } [ ω ω φ] v () t = KV V [1 + v ()] cos( t ) t+ F C OL m C OL { } v () t = KV V [1 + v ()] cos( t + ) t+ + cos( ) t+ O C OL m C OL C OL Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la portadora, es decir,ω ol = ω C yφ= 0º, entonces: v () t = K V V 1 + v () t [ ] F C OL m que es proporcional a v m (t) + una componente de continua, que se elimina como en el detector de envolvente

23 Detector de Producto(Coherente)- BLU Principio de operación Señales de entrada: v () t = V cos( ω + ω ) t BLU BLS C m v () t = V cos( ω t+ φ) OL OL OL A la salida del multiplicador de señales: v () t = KV V cos( ω + ω ) t cos( ω t+ φ) O OL BLU C m OL { [ ω ω ω φ] [ ω ω ω φ] } v () t = KV V cos( + + ) t+ + cos( + ) t+ O OL BLU C m OL C m OL A la salida del filtro pasa bajos: [ ω ω ω φ] v () t = KV V cos( + ) t+ F BLU O C m OL Si la señal del oscilador coincide en frecuencia y fase con la portadora, es decir, ω ol = ω C yφ= 0º, entonces: v () t = KV V cos ω t= kv cosω t F OL BLU m BLU m que es proporcional a v m (t) + una componente de continua, que se elimina como en el detector de envolvente 3

24 Detector de Producto(Coherente)- BLU Observar : Si el oscilador local genera una frecuencia levemente diferente a la de portadora, por ejemplo: ω ol = ω c + ω c, entonces, cuando a la salida del filtro queda: v () t = KV V cos( ω + ω ω + ω ) t vf() t = KVBLUV O cos( ωm ωc) t ( ) F BLU O C m c C Se recupera en un tono diferente. No es tan grave, la señal es inteligible Para que se cancele ω ol con ω c ambas deben estar en fase (pensar en la resta de señales senoidales). Por ejemplo si la señal del oscilador local tiene un desfasaje:ω ol = ω c +ξ ( ) v () t = KV V cos( ω + ω ω + ξ ) t v () t = KV V cos( ω ξ) t F BLU O C m c F BLU O m Depende del ángulo del desfasaje si la señal es inteligible o no. Un método para conseguir ω ol = ω C y φ = 0º, el transmisor envía una señal piloto de la portadora, que luego debe ser recuperada y reconstituida para ser insertada en el multiplicador. 4