현대 통신 시스템에서 RF 믹서 이해

주파수 믹서는 무선 주파수 (RF) 시스템의 중요한 구성 요소이며, 라디오, 휴대 전화 및 위성과 같은 장치에서 발견됩니다.그들의 주요 작업은 두 가지 신호를 결합하여 주파수 혼합으로 알려진 다른 주파수에서 새로운 신호를 만드는 것입니다.오디오 믹서 및 RF 믹서는 사운드 및 신호 처리에서 독특한 기능을 제공합니다.이 기사는 RF 믹서의 작동, 신호를 결합하고 다른 회로를 사용하여 원본을 추가하고 빼서 새로운 주파수를 만듭니다.다이오드 및 트랜지스터와 같은 구성 요소가 비선형으로 작동하는 방식에 중점을 두어 신호의 진폭과 단계를 변경합니다.이 기사는 간단한 단일 디오드 디자인에서보다 고급 트리플 밸런스 된 디자인에 이르기까지 다양한 유형의 믹서를 다룹니다.또한 RF 회로 설계 및 신호 처리에서 믹서가 어떻게 사용되는지 설명하여 현대 기술에서 중요성을 강조합니다.

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그림 1 : RF 주파수 믹서

비선형 신호 혼합

신호 혼합의 본질은 다이오드 또는 트랜지스터와 같은 특정 회로 구성 요소의 비선형 동작에서 비롯됩니다.신호의 강도를 단순히 증폭 시키거나 감소시키는 선형 구성 요소와 달리, 비선형 요소는 입력 신호가 완전히 새로운 주파수를 생성하는 방식으로 상호 작용하게합니다.종종 "혼합"이라고하는이 비선형 상호 작용은 원래 신호에 존재하지 않는 주파수를 생성하는 메커니즘입니다.

두 신호가 믹서에 공급되면 비선형 장치를 통과하여 이러한 신호를 효과적으로 곱합니다.따라서 장치는 새로운 주파수가 등장하는 방식으로 신호를 결합합니다.수학적으로 이것은 두 개의 입력 전압을 곱한 것으로 표현 될 수 있습니다.

어디 그리고 사인파 형태로 두 입력 신호를 나타냅니다.

여기서 A와 B는 진폭이며 그리고 두 신호의 주파수입니다.이 사인파 사이의 상호 작용은 삼각형 정체성을 사용하여 더 단순화 될 수 있습니다.곱하면 결과는 두 가지 구성 요소로 분류됩니다.

이것은 출력 신호에 이제 두 개의 새로운 주파수가 포함되어 있음을 보여줍니다. 하나는 Sum F1+F2에, 다른 하나는 F1-F2 차이에 있습니다.이를 "합"및 "차이"주파수로 알려져 있으며 믹서의 비선형 특성으로 인해 발생합니다.

이 콘크리트를보다 구체적으로 만들기 위해 1MHz 및 0.75 MHz의 주파수가있는 두 신호가 믹서에 공급되는 예를 고려해 봅시다.위와 동일한 원리에 따라 생성 된 새로운 주파수를 계산할 수 있습니다.

첫째, 합계 주파수 :

다음으로, 차이 빈도 :

따라서 혼합 후 출력 신호에는 1.75 MHz 및 0.25 MHz의 두 가지 새로운 주파수가 포함됩니다.이 새로운 신호는 혼합 공정의 직접적인 결과이며, 비선형 회로가 입력 신호 주파수를 이동하고 확산시키는 방법을 보여줍니다.새로운 주파수 구성 요소를 생성하는 기능은 신호를 RF 응용 프로그램에서 중요한 도구로 혼합하여 주파수 변환, 변조 및 신호 처리와 같은 작업을 가능하게하는 것입니다.

그림 2 : 비선형 주파수 혼합 공정

RF 혼합 및 곱셈의 작동 방식

곱셈이라고도하는 RF 혼합은 라디오 주파수 (RF) 기술의 프로세스로, 두 신호를 결합하여 새로운 주파수, 원래 신호 주파수의 합 및 차이를 생성합니다.

두 개의 사인파를 고려해 봅시다. 그리고 , 어디:

이 두 신호가 비선형 요소 (다이오드 또는 트랜지스터와 같은)에 입력되면 결과는 간단한 신호가 아니라 제품입니다.비선형 구성 요소는 입력 신호를 변경하여 여러 출력 주파수를 생성합니다.이러한 요소는 중첩 원리를 따르지 않으므로 출력이 더 이상 입력에 직접 비례하지 않습니다.

그림 3 : 두 신호를 혼합하거나 곱하는 것

예를 들어, 다이오드는 혼합 공정에 적합한 비선형 전압 전류 관계를 갖습니다.이 관계는 실제 응용 분야에서 다항식 시리즈에 의해 근사되는 지수 함수에 의해 모델링 될 수 있습니다.마찬가지로, 트랜지스터 및 FET는 동일한 혼합 효과를 달성하기 위해 비선형 영역에서 작동하도록 설정할 수 있습니다.

비선형 요소에서 a (t) 및 b (t)의 곱셈은 다음과 같이 수학적으로 설명 될 수있다.

쉽게 한:

이 방정식은 출력을 보여줍니다. , 두 개의 새로운 주파수가 포함되어 있습니다 : 하나는 입력 주파수의 합에 있습니다. 그리고 하나는 차이점에서 .이러한 합 및 차이 주파수는 혼합 공정의 결과입니다.

이 출력 파형을 보면 원래 사인파보다 훨씬 더 복잡해 보일 것입니다.혼합으로 인해 새로운 파형의 크기와 속도가 변경되어 다양한 주파수가있는 신호가 생성됩니다.합 및 차이 주파수 외에도 시스템의 비선형 및 입력 신호가 얼마나 강한 지에 따라 다른 상위 고조파도 나타날 수 있습니다.

푸리에 분석 또는 시간 기반 시뮬레이션은 이러한 복잡성을 보여줄 수 있습니다.이 도구는 파형을 분해하여 간단한 사인파가 많은 주파수로 신호로 변하는 방법을 보여줍니다.이 시각적은 비선형 부품이 RF 신호를 어떻게 변화시키는 지 설명 하고이 프로세스가 RF 엔지니어링에서 중요한 이유를 설명하는 데 도움이됩니다.

그림 4 : 두 개의 RF 신호를 혼합합니다

RF 믹서 회로 기호

RF 회로 설계에서 RF 믹서 기호는 개략도의 간단한 마커 이상입니다.이 기호, "x"로 교차하는 원은 두 신호가 시스템에서 결합되어 상호 작용하는 지점을 나타냅니다.주파수 변환이 발생하는 위치를 정확히 찾아서 엔지니어를 시각적으로 안내합니다.기호에는 RF (무선 주파수), LO (로컬 발진기) 및 IF (중간 주파수)의 세 가지 중요한 포트가 표시됩니다.이 레이블은 형식만을위한 것이 아니라 신호가 회로를 통과하는 방법에 대한 정보를 제공하여 다이어그램을 읽는 사람이 시스템 기능을 빠르고 정확하게 파악할 수 있도록 도와줍니다.적절한 라벨링은 설계 목적을 명확하게 통신하여 엔지니어가 개략을 쉽게 분석하고 구현할 수 있도록합니다.

그림 5 : RF 믹서 회로 기호

RF 믹서 회로

단일 다이오드 믹서는 단일 다이오드 만 사용하여 주파수 혼합을 수행하는 가장 간단한 설계 중 하나입니다.이 최소한의 접근 방식은 예산이 엄격하거나 공간 제한이있는 프로젝트를위한 매력적인 옵션입니다.소형 크기와 저렴한 비용은 매력적인 기능이지만이 단순성은 과제를 도입합니다.단일 다이오드 믹서는 서로의 입력 신호를 분리하는 데 어려움을 겪고 종종 신호 왜곡으로 이어지는 출력으로부터 고군분투합니다.결과적으로 깨끗하고 정밀한 신호 처리가 필요한 응용 프로그램에 가장 적합하지 않을 수 있습니다.

더 고급 믹서는 다중 다이오드, 트랜지스터 또는 통합 회로와 같은 추가 부품을 사용합니다.이로 인해 간섭을 줄이고 신호를 명확하게 유지함으로써 성능이 향상됩니다.그들은 더 잘 일하지만 비용이 더 많이 들고 더 복잡합니다.고급 믹서를 결정한다는 것은 추가 비용과 복잡성에 대해 더 나은 성능을 측정하는 것을 의미합니다.

그림 6 : 단일 다이오드 믹서

RF 믹서의 유형

수동 믹서

패시브 믹서는 신호를 증폭시키는 활성 요소를 사용하지 않고 다이오드와 같은 간단한 구성 요소에 의존합니다.이 믹서는 신호 강도를 증가시키지 않더라도 특정 조건에서도 여전히 잘 수행 할 수 있습니다.Schottky Diodes는 턴온 전압이 낮기 때문에 수동 믹서에서 일반적으로 사용되므로 신호를 전환하는 데 효율적입니다.그러나, 이들 믹서는 회로의 균형을 맞추기 위해 Baluns (RF 변압기의 유형)와 같은 추가 구성 요소가 필요하다.이 균형은 특히 균형 잡힌 균형 믹서와 같은 디자인의 경우 중요합니다.그러나 Balun을 사용하면 믹서의 주파수 범위가 줄어들어 경우에 따라 유연성을 제한 할 수 있습니다.

그림 7 : 수동 믹서

활성 믹서

활성 믹서에는 바이폴라 트랜지스터, FET (필드 효과 트랜지스터) 또는 심지어 진공 튜브와 같은 증폭 요소가 포함됩니다.이러한 요소는 믹서가 주파수를 결합 할뿐만 아니라 신호 강도를 높일 수있게합니다.이 증폭은 전체 성능을 위해 강한 신호 수준을 유지하는보다 복잡한 RF 시스템에서 유용합니다.

그림 8 : 활성 믹서

불균형 믹서

불균형 믹서는 두 개의 입력 신호를 간단한 방식으로 결합하여 원래의 입력 주파수의 합과 차이를 모두 포함하는 출력과 원래 신호의 일부 잔재를 만듭니다.그것들은 단순하고 비용 효율적일 수 있지만 불균형 믹서는 많은 소음과 간섭을 일으키는 경향이 있습니다.이로 인해 깨끗하고 고품질의 고품질 신호가 필요한 응용 프로그램에 적합하지 않습니다.

그림 9 : 불균형 믹서

단일 균형 믹서

단일 균형 믹서는 Balun 또는 유사한 밸런싱 회로를 사용하여 원치 않는 신호 구성 요소를 필터링하여 불균형 설계보다 개선을 제공합니다.이 유형의 믹서는 2 개의 다이오드와 180도 하이브리드를 사용하여 로컬 발진기와 RF 입력 신호 사이를 더 잘 분리합니다.그렇게함으로써, 인터 모제화 왜곡과 같은 문제를 줄이고 로컬 발진기의 누출을 최소화하여 클리너 출력 신호를 만듭니다.

그림 10 : 단일 균형 믹서

이중 균형 믹서

이중 밸런스 믹서는 링에 4 개의 Schottky 다이오드를 사용하고 RF 및 로컬 발진기 입력에 발런을 추가하여 밸런싱 접근법을 향상시킵니다.이 설계는 입력 신호와 중간 주파수 출력 사이에 훨씬 더 나은 분리를 제공하여 더 간단한 설계에 비해 원치 않는 신호를 최대 75% 줄입니다.약간 더 복잡하고 비용이 많이 들지만 신뢰성과 성능이 향상되어 고성능 RF 시스템에 선호되는 선택입니다.

그림 11 : 이중 균형 믹서

트리플 균형 믹서

종종 이중 균형 균형 믹서라고 불리는 트리플 밸런스 믹서는 믹서 설계의 피크를 나타냅니다.다이오드와 접합의 두 배를 사용하여 2 개의 이중 균형 믹서를 결합합니다.이 디자인은 탁월한 분리를 제공하고 가짜 신호와 교합 왜곡을 크게 억제합니다.그러나이 개선 된 성능은 가격으로 제공되며 로컬 오실레이터 드라이브가 더 높아지고 더 많은 구성 요소가 포함되어 더 간단한 믹서보다 더 복잡하고 비쌉니다.

그림 12 : 삼중 균형 믹서

RF 혼합 방법의 유형

비선형 혼합

이 방법에서, 다이오드 또는 트랜지스터와 같은 전자 성분의 자연 비선형 동작은 신호를 혼합하는 데 사용됩니다.RF 신호가 이러한 장치를 통과하면 원래 신호의 합 및 차이를 포함하여 원치 않는 추가 주파수와 함께 새로운 주파수를 만듭니다.

이 방법은 간단하고 다양한 주파수를 생성 할 수 있지만 단점은 성능을 방해 할 수있는 원치 않는 신호를 생성한다는 것입니다.엔지니어는 회로를 설계하여 이러한 추가 신호를 줄이거 나 필터를 사용하여 출력을 정리하여이를 해결합니다.덜 복잡한 디자인이 필요할 때 비선형 믹싱은 종종 사용되지만 좋은 성능은 여전히 ​​중요합니다.

전환 또는 샘플링

전환 또는 샘플링은 비선형 방법에 비해 RF 신호를 혼합하는보다 정확한 방법입니다.로컬 신호와 동기화하여 트랜지스터 또는 페트와 같은 구성 요소를 빠르게 켜거나 끄는 것과 관련이 있습니다.이 프로세스는 입력 신호를 효과적으로 샘플링하고 원하는 출력 주파수를 더 나은 정확도로 생성합니다.

주요 장점은 원치 않는 신호를 줄여 더 깨끗한 출력을 초래한다는 것입니다.이것은 고급 통신 기술과 같은 고품질 신호가 필요한 시스템에 적합한 선택입니다.스위칭 프로세스의 정확한 제어는 더 나은 주파수 변환을 허용하여 신호 처리를보다 효율적으로 만듭니다.

RF 시스템의 믹서 포트 유형 및 주파수 변환

다음은 믹서 포트의 주요 유형과 작동 방식입니다.

RF 포트 (무선 주파수 포트):이 포트는 일반적으로 주파수를 변경 해야하는 통신 또는 레이더 시스템에서 들어오는 신호를 수신합니다.일반적으로 고주파 신호를 처리합니다.

LO 포트 (로컬 오실레이터 포트): LO 포트는 알려진 주파수로 꾸준하고 강한 신호를 얻습니다.이 신호는 RF 신호와 결합하기위한 참조로 사용되어 혼합 공정을 안정적이고 예측 가능하게 유지합니다.

포트 인 경우 (중간 주파수 포트): RF 및 LO 신호가 결합 된 후 결과 신호는 IF 포트로갑니다.RF 및 LO 주파수의 합 또는 차이 인이 새로운 신호는 추가 처리 준비가되어 있습니다.

그림 13 : 믹서 포트

주파수 변환 프로세스

다운 전환 : 이 프로세스는 들어오는 RF 신호의 주파수를 낮추어 처리하기가 더 쉬워집니다.주로 수신기에 사용됩니다.IF 포트는 일반적으로 RF와 LO 주파수의 차이 인 신호를 출력합니다.

상향 변환 : 이 프로세스는 전송에 대한 신호 주파수를 증가시킵니다.장거리에서 신호를 보내는 데 더 높은 빈도가 더 좋습니다.LO 신호는 타이밍을 제어하여 믹서가 올바르게 작동하고 전송을 위해 깨끗한 고주파 신호를 출력합니다.

그림 14 : 주파수 변환 프로세스

RF 믹서의 응용

• 초 헤테로디네 수신기

Superheterodyne 수신기에서 RF 믹서는 들어오는 고주파 신호를 작업하기 쉬운 중간 주파수 (IF)로 변경합니다.이것은 라디오, TV 및 위성 수신기에 좋습니다.신호를 중간 주파수로 변환함으로써 시스템은 유용한 신호를 노이즈 또는 원치 않는 신호와 더 잘 분리 할 수 ​​있습니다.이것은 수신기의 선택성 (특정 주파수에 초점을 맞추는 능력)과 감도 (약한 신호를 감지하는 능력)를 모두 향상시킵니다.

그림 15 : 슈퍼 헤테로디네 수신기

• 주파수 번역

RF 믹서의 주요 기능은 필요에 따라 신호 주파수를 위 또는 아래로 이동시키는 것입니다.수신기에서는 고주파 신호를 낮은 범위로 낮 춥니 다.송신기에서는베이스 밴드 또는 중간 주파수에서와 같은 저주파 신호를 전송을 위해 더 높은 무선 주파수로 올립니다.휴대 전화, 방송 또는 데이터 시스템에서 주파수 변환은 신호가 목적에 맞는 빈도를 보장하는 데 도움이됩니다.

• 레이더 시스템

RF 믹서는 분석하기 쉬운 주파수로 반환 된 신호를 조정하기 때문에 레이더 시스템에서 유용합니다.레이더가 신호를 보낼 때, 반환 된 신호의 주파수는 대상이 얼마나 빠르게 이동하는지에 따라 변경됩니다.믹서는 이러한 신호를 사용 가능한 주파수 범위로 가져 오는 데 도움이되므로 정확한 속도 및 위치 계산, 항공 교통 관제, 선박 내비게이션 및 기상 모니터링에 이상적입니다.

• 위성 통신

위성 통신에서 RF 믹서는 최상의 주파수에서 신호를 전송하고받는 데 도움이됩니다.업 링크 (위성으로 신호 전송) 동안, 신호를 대기를 쉽게 통과 할 수있는 주파수로 변환합니다.다운 링크 (위성으로부터 신호를 받음) 동안, 신호를 지상국이 처리 할 수있는 형태로 다시 변환합니다.이 주파수 관리는 일기 예보, TV 방송 또는 GPS의 신뢰할 수있는 커뮤니케이션에 적합합니다.

• 위상 감지 및 측정

RF 믹서는 또한 두 신호 사이의 위상 차이를 추적하기 위해 위상 검출에 사용됩니다.이것은 하나의 신호 주파수를 참조 주파수로 고정시키는 위상 잠금 루프 (PLL)에 유용합니다.입력 및 출력 신호의 위상을 비교함으로써 시스템은 기준과 동기화하도록 출력을 조정할 수 있으며, 특히 주파수 합성, 변조 및 복조와 같은 정확한 주파수 제어가 필요한 시스템에서 안정적인 신호를 보장 할 수 있습니다.

• 주파수 변조 및 복조

RF 믹서는 주파수 변조 (FM)를 사용하여 정보를 보내는 시스템에 적합합니다.변조 할 때 신호를 전송 주파수로 이동합니다.철거 할 때 수신 된 신호를 원래 형식으로 다시 변환하여 정보 (음성 또는 음악과 같은)를 이해할 수 있습니다.이 2 단계 프로세스는 라디오, TV 및 기타 방송 시스템의 명확한 통신에 적합합니다.

• 신호 컨디셔닝 및 처리

전자 전쟁 및 신호 분석과 같은 고급 분야에서 RF 믹서는 들어오는 신호를 개선하고 처리하는 데 도움이됩니다.시스템을 사용하면 신호를 기준 주파수와 혼합하여 패턴이나 정보를보다 쉽게 ​​추출 할 수 있습니다.이 과정은 위협을 발견하고 메시지를 디코딩하며 신호 분석에 이상적입니다.RF 믹서는 방어 및 신호 분석을 개선하는 데 도움이됩니다.

결론

RF 믹서에 대한 연구는 현대적인 RF 기술에서 얼마나 중요한지를 보여주는 방식, 다양한 유형 및 사용 방식을 면밀히 검토합니다.신호를 혼합하는 기본 아이디어에서 삼중 균형 믹서의 고급 설계에 이르기까지.다양한 유형의 믹서는 특정 요구에 맞게 설계되었으며, 적응력 있고 정확한 RF 엔지니어링이 필요한지 보여줍니다.Superheterodyne 수신기 또는 위성 통신에 관계없이 RF 믹서는 주파수를 처리하고 변환하는 데 좋습니다.이 기사는 또한 포트 구성 및 믹서 회로 기호와 같은 설계 요소를 RF 시스템에서 잘 작동하도록 도와줍니다.RF 기술의 지속적인 개선으로 믹서 설계는 계속 향상되어 신호 품질과 시스템 성능을 향상시킵니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. RF 믹서와 변조기의 차이점은 무엇입니까?

RF 믹서는 2 개의 입력 신호, 무선 주파수 신호 및 로컬 발진기 신호를 결합하여 주파수 혼합이라는 프로세스를 통해 새로운 주파수를 생성합니다.이 프로세스는 무선 수신기 및 송신기의 주파수 변환에 대한 원래 입력의 합 및 차이 주파수를 생성합니다.반면, 변조기는 캐리어 신호를 조작하여 데이터 신호에서 정보를 인코딩합니다.이 변조에는 데이터를 나타내는 캐리어 신호의 진폭, 주파수 또는 위상을 변경하여 매체에 대한 전송을 용이하게 할 수 있습니다.

2. RF 믹서 장치의 예는 무엇입니까?

이중 밸런스 믹서 :이 장치는 포트간에 잘 격리되며 통신 및 레이더 시스템에서 상향 전환 및 다운 컨버전 애플리케이션에 사용됩니다.

단일 균형 믹서 :이 믹서는 중간 정도의 분리가 충분한 응용 분야에서 사용되는 성능과 비용 사이의 타협을 제공합니다.

삼중 균형 믹서 : 고성능 응용 분야에 사용 된이 믹서는 탁월한 포트 분리 및 개간 조절 성능을 제공하여 복잡한 신호 환경에 이상적입니다.

3. 무선 주파수를 감지하는 방법은 무엇입니까?

무선 주파수 감지에는 스펙트럼 분석기라는 장치를 사용하는 것이 포함됩니다.이 도구는 다양한 주파수를 통해 스캔하고 RF 신호의 존재를 식별하여 강도와 특성을 표시합니다.또 다른 공통 방법은 고주파 신호를 RF 신호의 존재 및 강도를 나타내는 측정 가능한 DC 출력으로 변환하는 RF 검출기를 사용하는 것입니다.

4. RF의 주요 장점은 무엇입니까?

RF (무선 주파수) 기술의 주요 장점은 물리적 연결없이 장거리에서 데이터를 전송하는 능력입니다.RF 커뮤니케이션은 다양한 재료와 트래버스 넓은 지역 영역에 침투하여 이동 통신, 방송 및 원격 제어 시스템에 가장 적합합니다.RF 기술은 광범위한 주파수를 지원하여 여러 통신 채널 및 응용 프로그램을 허용합니다.

5. Wi-Fi는 RF 신호입니까?

예, Wi-Fi는 RF 신호를 사용하여 작동합니다.Wi-Fi 기술은 2.4GHz 및 5GHz 대역에서 무선 주파수를 사용하여 데이터를 전송합니다.이러한 주파수는 전자기파를 사용하여 무선 라우터와 컴퓨터 간과 같은 장치 간의 데이터를 무선 전송을 허용합니다.이를 통해 장치는 인터넷에 연결하고 유선 연결없이 서로 통신 할 수 있습니다.