MEZCLADORES

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MEZCLADORES
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ÍNDICE

• 1. El mezclador dentro del sistema de
  comunicaciones.
• 2. El multiplicador ideal.
• 3. Mezcladores reales. Mezcladores pasivos.
• Funcionamiento.
• Características.

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EL MEZCLADOR DENTRO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES

• Transmisor Adecuar las señales al canal.
• Receptor Traducir la información para el
  usuario.
• Canal Medio transmisor.

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EL MEZCLADOR DENTRO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES

• El mezclador forma parte de cualquier sistema de
  comunicaciones.
• Es un dispositivo no lineal que desplaza la señal
  recibida a fRF a la frecuencia intermedia fIF.

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EL MEZCLADOR IDEAL

• El multiplicador efectúa la siguiente operación
• s Ke1e2 K A1 sin ?1t A2 sin ?2t
• K A1 A2 cos (?1-?2)t - cos (?1?2)t

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EL MEZCLADOR IDEAL

• La portadora modulada se traspone hacia arriba y
  hacia abajo.
• Se facilita la amplificación trasponiendo una
  señal de alta frecuencia hacia una frecuencia más
  baja.

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MEZCLADORES REALES

• Dos categorías
• - Pasivos utilizan diodos.
• - Activos emplean transistores.
• El espectro de salida se compone también de los
  armónicos de las señales incidentes.
• La diferencia entre el mezclador ideal y el real
  se debe a la no linealidad del dispositivo.

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MEZCLADORES REALES

• La expresión general
• I a0 a1 V a2 V2 a3 V3 ...
• Aparecen los armónicos de la forma m?1-n?2 y
  m?1n?2, con m, n 0, 1, 2, ...

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MEZCLADORES PASIVOS

• Aprovechan la no linealidad de los diodos.
• El uso más típico es trasponer la frecuencia RF
  que entra, a una intermedia IF mediante un
  oscilador local a frecuencia OL.
• Las entradas son RF y OL y la salida IF.

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MEZCLADORES PASIVOS

• El DBM (Double Balanced Mixer) es la
  configuración más utilizada.
• Para estudiar el funcionamiento, se emplea el
  modelo simplificado.

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Funcionamiento del mezclador

• Si iOL1 iOL2 y iRF1 iRF2, el aislamiento
  entre puertas es perfecto.
• En la práctica, los diodos no son idénticos y el
  transformador no es ideal. El aislamiento es
  defectuoso.

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Características

• Pérdida de conversión
• Pc PIF / PRF
•  
• PcdB PIFdBm - PRFdBm

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Características

• Distorsión de intermodulación de orden 3
•  
• I a0 a1 V a2 V2 a3 V3 ...
•  
• V e1 e2 A1 cos ?1 t A2 cos ?2 t.
•  
• Las componentes de la salida serán
•  - Lineal a1 V
• - Segundo orden
• a2 /2 A12 cos 2?1 t A22 cos 2?2 t a2 A1 A2
  cos(?1?2)t cos(?1-?2)t
• - Tercer orden
• 3/4 a3 A12 A2 cos(2?1?2)t 3/4 a3 A1 A22
  cos(2?2?1)t
• 3/4 a3 A12 A2 cos(2?1 -?2)t 3/4 a3 A1 A22
  cos(2?2 -?1)t

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Características

• Distorsión de intermodulación de orden 3
• - Las componentes de tercer orden son más
  difíciles de filtrar.
• - La amplitud de los productos de
  intermodulación de tercer orden aumentan con el
  cubo de la señal de entrada.

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CONCLUSIONES

• Ventajas de los mezcladores simétricos
• - Excelentes prestaciones
• - Bajo precio
• Inconvenientes
• - Pérdida de conversión de unos 6 dB.
• - Su factor de ruido es igual a su pérdida de
  conversión.
• - El nivel POL será más elevado cuanto más alto
  sea el punto de intersección de tercer orden.

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Mezclador con supresión de imagen
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Mezcladores Activos.

• Objetivo subsanar algunos inconvenientes de los
  mezcladores pasivos.
• Pérdida de conversión.
• Nivel alto necesario en el O.L.
• Presencia de transformadores.
• Limitación de la posibilidad de integración.

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Mezcladores Activos.

• Resultados
• Ganancia de conversión. (PIF gt PRF).
• Evitaremos distorsiones
• Saturación de la respuesta en potencia del
  mezclador.
• Por productos de intermodulación.
• Nivel O.L. Bajo.
• Sin transformador.
•  
• Todo esto
• Facilita la integración.
• Reduce costes.
• Reduce tamaño.
• Elemento fundamental
• Transistor FET y BJT.
•  

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Mezcladores activos con BJT.

• VDC Voltaje de polarización.
• VL Voltaje del O.L.
• ViVoltaje de radiofrecuencia (RF).
• Vbe VDC Vi - VL

• Figura 1. Mezclador BJT básico
• Corriente de colector Ic Isexp (Vbe/Vt)
• Obtenemos
• Ic Isexp (VDC/VT)exp (Vi/VT)exp (-VL/VT)
• Señales a la entrada
• Vi V1cos(wit)
• VL VLcos(wOLt)

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Mezcladores activos con BJT.

• Expandimos en funciones de Bessel modificadas
• y V1/VT
• x VL/VT
• Se observa que
• ic(t) Componente continua (Io) componentes a
  wi componentes a wL componentes a wo wi
  componentes a w0 - wi infinitas frecuencias
  altas.

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Mezcladores activos con BJT.

• Operando
• gm Ic/VT es la transconductancia.
• La respuesta será lineal I ? gmV1.
• La ganancia de conversión G gmRL.
• RL resistencia de carga equivalente a la
  frecuencia de interés.
• Ventajas sobre el mezclador de diodos
• Cierta ganancia de conversión. (PIF gt PRF).
• Nivel O.L. necesario mucho más bajo.
• Reduce el tiempo de diseño del O..L.
• Reduce requisitos de aislamiento del sistema.

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Mezcladores activos con FET.

• Corriente
  de drenador
• Se puede
  ver como
• Figura2. Mezclador FET básico.
• Si tenemos como señales de entrada
• Vi VRF VRFsen (wRFt)
• VL VOL VOLsen (wOLt)
• Observamos

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Mezcladores activos con FET.

• Comparación con mezcladores pasivos y con BJT.
• Mayor rango en voltaje de entrada. 10 veces
  superior para mismo nivel O.L.
• Mayor figura de ruido.
• Características adicionales.
• Poco aislamiento entre puertas.
• Filtros paso banda para RF y OL.
• Filtro en salida IF.
• Uso en banda estrecha.
• Impedancia de carga elevada a frecuencia de
  interés.
• Impedancia de carga mínima para el resto.
• Carga circuito sintonizado.

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Mezcladores activos con FET.

• Bajo coste.
• Simplicidad.
• Permitirá ganancia de conversión (PIF gt PRF).
• Necesidad de otras configuraciones más
  eficientes.

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Mezcladores con FET.

• Señal RF en entrada inferior.
• Evita reducción de la ganancia de salida.
• Evita gran capacidad drenador-fuente.
• Aislamiento RF-OL garantizado.
• Mayor rango de frecuencias de RF y OL
• 
  
  
  
• 
  
  
  Figura 3. Mezclador MOSFET de puerta doble.
• Uso en aplicaciones de banda estrecha.
• Corriente de drenador
• id gm1Vg1 gm2Vg2
• gm1 a0 a1Vg1 a2Vg2
• gm2 b0 b1Vg1 b2Vg2
• Operando

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Mezcladores simétricos activos.

• 3 transistores bipolares multiplican OL y RF.
• TR1 y TR2 de banda ancha.
• Señal RF en T1 y T2 con 180º de desfase.
• Señales combinadas en fase en TR2.
• No existe aislamiento RF-IF.
• Uso con FET o BJT hasta VHF.
• Mayor rango para RF y OL.
• Búsqueda de otras soluciones por
  falta de aislamiento
  RF-IF y OL-IF
• 
  
  Figura 4. Mezclador simétrico activo.

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Mezcladores simétricos equilibrados activos.

• R1, R3, R4 y C polarizan los transistores.
• T1 y T2 relación 41
• T3 relación 251 (alta impedancia de salida de
  transistores)
• Salida IF se carga a 50?.
• Transistores de iguales características.
  Emparejados.
• Características
• POL 7 dBm
• PC 1 dB
• F 5,5 dB
• IP3 22 dBm.
• 
  Figura 5. Doble mezclador
  simétrico activo

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Mezclador basado en célula de Gilbert.

• Figura 6.
  Célula de Gilbert.
• Multiplicador de 4 cuadrantes de OL y RF.
• VPB1 a VPB4 polarizan los transistores.
• Estructura integrable en un circuito.
• Filtros y transformadores exteriores.
• Aislamiento OL-IF y RF-IF perfecto.

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Mezclador basado en célula de Gilbert.

• Reducen potencia necesaria en O.L.
• Aislamiento constante niveles
  inferiores en RF e IF.
• Peor en P1 dB e IP3 respecto mezcladores
  doblemente balanceados en anillo.
• 
  Figura 7. Diferentes configuraciones
  para las puertas
• 
  de entrada y salida de la célula de
  Gilbert.

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Conclusión.

• Mezcladores con características muy diferentes.
• Uso según el tipo de aplicación.
• Solución de compromiso entre
• Complejidad.
• Coste.
• Tamaño.
• Consumo.
• Características P1dB, IP2, IP3 y aislamiento.

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APLICACIONES DE LOS MEZCLADORES
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Aplicaciones de los mezcladores reales

• Multiplicador de señales.
• Cambiadores de frecuencia.
• Moduladores.
• Demoduladores
• Otras aplicaciones
• Detectores de fase.
• Recuperadores de portadora.
• CAG.
• (...)

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Índice

• Cambiadores de frecuencia.
• Uso en modulaciones concretas
• Ejemplo analógico Modulación en amplitud.
• Ejemplo digital BPSK.
• Uso en una demodulaciones digitales
• Ejemplo analógico Demodulación en frecuencia y
  amplitud.
• Ejemplo digital BPSK.
• Detectores de fase.
• Atenuador programable por corriente.

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Mezcladores como cambiadores de frecuencia.
Introducción.

• Se usan mezcladores junto con un filtro paso
  banda.
• Trasposición de frecuencias hacia arriba (UP
  converter), o hacia abajo (DOWN converter).
• En emisores y receptores para poder operar en
  frecuencia intermedia y transmitir en radio
  frecuencia.
• Emisor -gt UP Converter.
• Receptor -gt DOWN converter

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Mezcladores como cambiadores de frecuencia.
Funcionamiento.

• Señal de RF a frecuencia F y BW Af.
• La multiplicamos por tono puro a frecuencia Fol.
• Obtenemos la misma señal RF, pero a frecuencias
  FFol y FFol.
• Filtramos y dejamos parar las componentes a F-Fol
  y conseguimos un DOWN converter.
• Respectivamente el UP-Converter.
• Con una ganancia de conversión igual para todas
  las frecuencias las características de una
  modulación en fase, frecuencia o amplitud.

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Mezcladores como cambiadores de frecuencia.
Funcionamiento.

• En la figura se ve la salida del multiplicador.
• Quedaría filtrar adecuadamente para obtener el
  convertidor de frecuencia.

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Modulación en amplitud. Introducción.

• Se basan en hacer pasar señales a través de
  elementos no lineales.
• Se usan los mezcladores de diodos y un filtrado
  adecuado.
• Podemos realizar modulaciones con y sin
  transmisión de la portadora.

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Modulación en amplitud con supresión de portadora.

• En el primer caso tenemos aislada la entrada RF
  de la salida OL, y no transmitimos la portadora
  junto a la modulación.
• En el segundo caso sí transmitimos la portadora,
  pero con un índice de modulación muy superior a
  uno, con lo que el esquema no es válido.

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Modulación en amplitud. Modulación con portadora.

• El esquema muestra una modulación en amplitud de
  doble banda con inserción de portadora.
• Se basa en insertar la portadora en el espectro
  de salida para que el índice de modulación no
  supere el 100. Para el esquema, y una Pif1dBm
  se cumple que m100.

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Modulación BPSK. Funcionamiento

• Aplicamos una señal cuadrada en una entrada.
• Aplicamos un tono a la frecuencia que deseemos
  modular por la otra entrada.
• Cuando queramos transmitir un uno. Ponemos un
  voltaje positivo en ese ciclo y el tono pasará
  multiplicado por uno.
• Cuando queramos transmitir un cero. Ponemos un
  voltaje negativo y el tono será multiplicado por
  1, es decir, toma una fase de pi.

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Modulación BPSK. Funcionamiento.

• La figura muestra un posible esquema para
  realizar dicha modulación.
• Interesante ver qué diodos quedan bloqueados en
  función de IF.
• Con IF controlamos la fase de RF, 0 o p radianes.

42
Modulación BPSK. Un caso más general.

• Problema de la configuración anterior Las
  señales de entrada han de tener misma frecuencia
  y fase.
• En el siguiente esquema partimos de señales IF y
  RF de frecuencias distintas.
• Con ayuda de un basculador tipo D conseguimos a
  la entrada la misma fase para las dos señales.
  Luego aplicamos el esquema anterior.

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Mezclador como duplicador de frecuencia.

• El primer esquema multiplica la señal por sí
  misma. Si tras este dispositivo filtrásemos la
  componente a 0Hz obtendríamos la señal al doble
  de frecuencia.
• El segundo caso muestra como recuperar la
  portadora de una señal BPSK. Dividimos por dos la
  frecuencia previamente duplicada, obteniendo la
  portadora con fase 0 constante.

44
Demodulación BPSK. Funcionamiento.

• Se basa en combinar el esquema previo de
  detección de portadora de BPSK y el esquema de
  detector de fase.
• La idea es que al pasar por un detector de fase
  la señal BPSK se irá detectando una fase de cero
  o p, según se transmitiese un uno o un cero.

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Demodulador de frecuencia. Funcionamiento.

• Consideramos para simplificar la portadora
• La señal modulada será
• con Asen(? t) como portadora.
• Aplicaremos al mezclador la señal y ella misma
  con un retardo ? función de m(t).
• A la salida obtendremos el producto de estas
  señales
• s(t)(A2/2) cos? - cos(2?t 2?F/f ?).
• Hacemos el retardo una función lineal m(t), por
  ejemplo
• ?p /2 - ?m(t).
• Filtramos la componente de frecuencia 2?.

46
Demodulador de frecuencia. Funcionamiento.

• Obtendremos
• (A2/2)cosp /2 - ?m(t) (A2/2)sen(?m(t)).
• Si ?m(t) es pequeño sen(?m(t)) es aproximadamente
  ?m(t).
• La señal de salida será casi proporcional a m(t)
  , es decir, está demodulada

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Demodulador de amplitud. Funcionamiento

• Podemos demodular banda lateral única, reducida,
  doble, con o sin portadora con este esquema.
• Es muy similar a un cambio de frecuencias.
• Multiplicamos la señal recibida por una señal
  local con la misma frecuencia que la portadora.
• Aparecen términos a 0, ? y 2? Hz.
• Filtramos y eliminamos las componentes de altas
  frecuencias.
• La señal ya es proporcional a la moduladora m(t).

48
Demodulación de amplitud.Estudio gráfico.

• Como se ve en la figura, esta modulación es un
  caso particular de transposición de frecuencias.
• Cuando la demodulación se hace gracias a una
  señal anexa generada localmente se denomina
  coherente.

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Mezcladores como detectores de fase. Introducción.

• Componentes básicos de los PLL.
• A su entrada tienen dos señales con la misma
  frecuencia y distinta fase.
• A la salida tienen una señal función de la
  diferencia de fase de las dos señales de entrada.
• También se basan en la multiplicación de señales
  y en la aplicación de filtros para seleccionar
  las componentes deseadas.

50
Detectores de fase.

• Señales de entrada
• Efectuamos su producto
• Filtramos la componente a 2? .
• Obtenemos una señal a la salida proporcional a
  cos(? - ?).

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Atenuador programable por corriente.

• Fundamento Respuesta de ciertos mezcladores con
  atenuación distinta de una de las señales de
  entrada en función de la corriente introducida
  por la otra entrada.
• En la siguiente figura vemos algunas respuestas
  reales.
• Atenuaciones de 6-40db para 20mA-10µ A.

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Atenuador programable por corriente. Aplicaciones.

• Aplicación principal son los controladores
  automáticos de ganancia.
• Un ejemplo se ve en la siguiente figura.

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Conclusiones.

• Los mezcladores son componentes esenciales en
  radiocomunicaciones.
• Activos o pasivos se usan en todas las etapas de
  una cadena de emisión o recepción.
• Las aplicaciones principales son cambiar de
  frecuencia la señal, modulaciones y
  demodulaciones.
• No son las únicas aplicaciones.