最新の通信システムでのRFミキサーの理解

周波数ミキサーは、無線、携帯電話、衛星などのデバイスに見られる無線周波数（RF）システムの重要なコンポーネントです。彼らの主な仕事は、2つの信号を組み合わせて、周波数混合として知られるさまざまな周波数で新しいシグナルを作成することです。オーディオミキサーとRFミキサーは、音と信号処理の明確な機能を提供します。この記事では、RFミキサーがどのように機能し、信号を組み合わせ、異なる回路を使用してオリジナルを追加および減算することで新しい周波数を作成する方法について説明します。ダイオードやトランジスタなどのコンポーネントが非線形にどのように動作し、信号の振幅と位相を変えるかに焦点を当てています。この記事では、シンプルな単一式デザインから、より高度なトリプルバランスの取れたデザインまで、さまざまな種類のミキサーをカバーしています。また、RF回路設計と信号処理でミキサーがどのように使用されるかを説明し、最新のテクノロジーにおけるそれらの重要性を強調しています。

カタログ

図1：RF​​周波数ミキサー

非線形信号混合

信号混合の本質は、ダイオードやトランジスタなどの特定の回路成分の非線形挙動に由来します。信号の強度を単純に増幅または低下させる線形コンポーネントとは異なり、非線形要素により、入力信号がまったく新しい周波数を作成する方法で相互作用します。しばしば「混合」と呼ばれるこの非線形相互作用は、元の信号に存在しない周波数を生成するメカニズムです。

2つの信号がミキサーに供給されると、これらの信号を効果的に掛ける非線形デバイスを通過します。そのため、デバイスは、新しい周波数が出現する方法で信号を組み合わせます。数学的には、これは2つの入力電圧を掛けることとして表すことができます。

どこ そして 正弦波の形で2つの入力信号を表します。

ここでは、AとBは振幅ですが、 そして 2つの信号の周波数です。これらの正弦波の相互作用は、三角波を使用してさらに簡素化できます。乗算すると、結果は2つのコンポーネントに分解されます。

これは、出力信号に2つの新しい周波数が含まれていることを示しています。1つは合計F1+F2に、もう1つはF1-F2の差です。これらは「合計」および「差」周波数として知られていますが、ミキサーの非線形特性が原因で発生します。

これをよりコンクリートにするために、1 MHzと0.75 MHzの周波数を持つ2つの信号がミキサーに供給される例を考えてみましょう。上記と同じ原則に従って、生成された新しい周波数を計算できます。

まず、合計頻度：

次に、差の頻度：

したがって、混合後、出力信号には1.75 MHzと0.25 MHzの2つの新しい周波数が含まれます。これらの新しい信号は、混合プロセスの直接的な結果であり、非線形回路が入力信号周波数をシフトおよび拡散する方法を示しています。新しい周波数コンポーネントを作成するこの機能は、信号をRFアプリケーションの重要なツールにするものにし、周波数変換、変調、信号処理などのタスクを可能にします。

図2：非線形周波数の混合プロセス

RFの混合と乗算の仕組み

乗算とも呼ばれるRFミキシングは、2つの信号を組み合わせて新しい周波数、元の信号周波数の合計と差を生成することを伴う無線周波数（RF）テクノロジーのプロセスです。

2つの正弦波を考えてみましょう、 そして 、 どこ：

これらの2つの信号が非線形要素（ダイオードやトランジスタなど）に入力されると、結果は信号の単純な合計ではなく、製品です。非線形コンポーネントは入力信号を変更し、複数の出力周波数を生成します。これらの要素は重ね合わせ原理に従わないため、出力は入力に直接比例しなくなります。

図3：2つの信号を混合または増殖させます

たとえば、ダイオードには、混合プロセスに適した非線形電圧電流関係があります。この関係は、実際のアプリケーションで多項式シリーズによって近似されることがある指数関数によってモデル化できます。同様に、トランジスタとFETは、同じ混合効果を達成するために非線形領域で動作するように設定できます。

非線形要素でのa（t）とb（t）の乗算は、次のように数学的に説明できます。

簡素化：

この方程式は、出力、 、2つの新しい周波数が含まれています。1つは入力周波数の合計です そして1つは違いです 。これらの合計と差頻度は、混合プロセスの結果です。

この出力波形を見ると、元の正弦波よりもはるかに複雑に思えます。混合のために新しい波形のサイズと速度が変化し、さまざまな周波数を持つ信号が作成されます。合計と差の周波数に加えて、他の高レベルの高調波も、システムの非線形であり、入力信号の強度によって異なります。

フーリエ分析または時間ベースのシミュレーションは、この複雑さを示すのに役立ちます。これらのツールは波形を分解して、単純な正弦波が多くの周波数を持つ信号に変わる方法を示します。これらのビジュアルは、非線形部品がRFシグナルをどのように変化させるか、そしてこのプロセスがRFエンジニアリングで重要な理由を説明するのに役立ちます。

図4：2つのRF信号の混合

RFミキサー回路シンボル

RF回路設計では、RFミキサーシンボルは、概略図の単純なマーカー以上のものです。この記号は、「x」と交差する円であり、2つの信号がシステム内で結合して相互作用するポイントを表します。周波数変換が行われる場所を特定することにより、エンジニアを視覚的に指導します。シンボルには、RF（無線周波数）、LO（局所発振器）、およびIF（中間周波数）の3つの重要なポートが付いています。これらのラベルは形式のためだけではなく、シグナルが回路を通過する方法に関する情報を提供し、図を読んでいる人がシステムの機能をすばやく正確に把握できるようにします。適切なラベル付けにより、設計の目的の明確な通信が保証され、エンジニアが回路図を分析して実装しやすくなります。

図5：RFミキサー回路シンボル

RFミキサー回路

単一のダイオードミキサーは、単一のダイオードのみを使用して周波数ミキシングを実行する最もシンプルなデザインの1つです。このミニマルなアプローチは、予算が厳しいプロジェクトやスペースの制限があるプロジェクトにとって魅力的なオプションになります。コンパクトなサイズと低コストは魅力的な機能ですが、このシンプルさは課題をもたらします。単一のダイオードミキサーは、互いに入力信号を分離し、しばしば信号の歪みにつながる出力から分離することに苦労しています。その結果、クリーンで正確な信号処理を必要とするアプリケーションに最適な選択肢ではない場合があります。

より高度なミキサーは、複数のダイオード、トランジスタ、統合回路などの追加部品を使用します。これらは、干渉を減らし、信号を明確に保つことにより、パフォーマンスを改善します。彼らはより良く働きますが、彼らはまたより多くの費用がかかり、より複雑です。ハイエンドミキサーを決定するということは、余分なコストと複雑さに対してより良いパフォーマンスを計量することを意味します。

図6：単一のダイオードミキサー

RFミキサーの種類

パッシブミキサー

パッシブミキサーは、信号を増幅するアクティブな要素を使用せずに、ダイオードなどの単純なコンポーネントに依存しています。これらのミキサーは信号強度を増加させることはありませんが、特定の条件下でもうまく機能することができます。Schottkyダイオードは、ターンオン電圧が低いため、信号の切り替えに効率的であるため、パッシブミキサーで一般的に使用されます。ただし、これらのミキサーには、回路のバランスを取るためにBaluns（RFトランスの一種）などの追加コンポーネントが必要です。このバランスは、特にバランスの取れたミキサーや二重バランスの取れたミキサーなどのデザインにとって重要です。ただし、Balunを使用すると、ミキサーの周波数範囲が減少し、場合によっては柔軟性が制限されます。

図7：パッシブミキサー

アクティブミキサー

アクティブミキサーには、双極トランジスタ、FET（フィールド効果トランジスタ）、さらには真空チューブなどの増幅要素が組み込まれています。これらの要素により、ミキサーは周波数を組み合わせるだけでなく、信号強度を高めることができます。この増幅は、全体的なパフォーマンスに強い信号レベルを維持する必要があるより複雑なRFシステムで役立ちます。

図8：アクティブミキサー

不均衡なミキサー

不均衡なミキサーは、2つの入力信号を簡単な方法で組み合わせて、元の入力周波数の合計と差の両方を含む出力と、それらの元の信号のいくつかの残骸をもたらします。それらはシンプルであり、費用対効果の高いものである可能性がありますが、不均衡なミキサーは多くのノイズと干渉を導入する傾向があります。これにより、クリーンで高品質の信号が必要なアプリケーションには適していません。

図9：不均衡なミキサー

シングルバランスの取れたミキサー

シングルバランスの取れたミキサーは、バルンまたは同様のバランス回路を使用して不要な信号コンポーネントを除外することにより、不均衡な設計よりも改善されます。このタイプのミキサーは、2つのダイオードと180度のハイブリッドを使用して、局所発振器とRF入力信号をよりよく分離します。そうすることで、相互変調の歪みなどの問題を軽減し、局所発振器からの漏れを最小限に抑えて、クリーナー出力信号をもたらします。

図10：シングルバランスミキサー

二重バランスの取れたミキサー

二重バランスの取れたミキサーは、リングに4つのショットキーダイオードを使用し、RFとローカルオシレーターの入力にバランを追加することにより、バランスアプローチを改善します。この設計は、入力信号と中間周波数出力との間のより良い分離を提供するため、より単純な設計と比較して、不要な信号を最大75％削減します。わずかに複雑でコストがかかりますが、その信頼性とパフォーマンスが向上しているため、高性能RFシステムには好ましい選択です。

図11：バランスの取れたミキサー

トリプルバランスの取れたミキサー

しばしば二重にバランスの取れたミキサーと呼ばれるトリプルバランスのミキサーは、ミキサーデザインのピークを表しています。ダイオードと接合部の2倍を使用して、2つの二重バランスのミキサーを組み合わせます。この設計は、例外的な分離を提供し、偽のシグナルと相互変化の歪みを大幅に抑制します。ただし、この改善されたパフォーマンスには価格があり、より高いローカルオシレータードライブが必要であり、より多くのコンポーネントが必要であり、より単純なミキサーよりも複雑で高価になります。

図12：トリプルバランスミキサー

RFミキシング方法の種類

非線形混合

この方法では、ダイオードやトランジスタなどの電子成分の自然な非線形挙動を使用して信号を混合します。RF信号がこれらのデバイスを通過すると、元の信号の合計と差を含む新しい周波数を作成し、いくつかの不要な余分な周波数を作成します。

この方法は単純で、さまざまな周波数を生成できますが、欠点は、パフォーマンスを妨げる可能性のある不要な信号を作成することです。エンジニアは、これらの余分な信号を減らすためにサーキットを設計するか、フィルターを使用して出力をクリーンアップすることにより、これを解決します。複雑でない設計が必要な場合は、非線形混合がよく使用されますが、優れたパフォーマンスが依然として重要です。

切り替えまたはサンプリング

切り替えまたはサンプリングは、非線形メソッドと比較してRF信号を混合するためのより正確な方法です。これには、ローカル信号と同期して、トランジスタやFETなどのコンポーネントをすぐにオンとオフにすることが含まれます。このプロセスは、入力信号を効果的にサンプリングし、より良い精度で目的の出力周波数を作成します。

主な利点は、不要な信号を減らし、クリーナー出力をもたらすことです。これにより、高度な通信テクノロジーなどの高品質の信号が必要なシステムに最適です。スイッチングプロセスの正確な制御により、周波数変換が改善され、信号処理がより効率的になります。

RFシステムでのミキサーポートの種類と周波数変換

ミキサーポートの主なタイプとそれらの動作は次のとおりです。

RFポート（無線周波数ポート）：このポートは、通常、通信またはその周波数の変更が必要なレーダーシステムから、着信信号を受信します。通常、高周波信号を処理します。

LOポート（ローカル発振器ポート）：LOポートは、既知の周波数で安定した強い信号を取得します。この信号は、RF信号と結合するための参照として使用され、混合プロセスを安定して予測可能に保ちます。

ポートの場合（中間周波数ポート）：RF信号とLO信号が組み合わされた後、結果の信号はIFポートに移動します。RFおよびLO周波数の合計または差のいずれかのこの新しい信号は、さらに処理する準備ができています。

図13：ミキサーポート

周波数変換プロセス

ダウンコンバージョン： このプロセスは、着信RF信号の頻度を低下させ、処理が容易になります。主にレシーバーで使用されています。IFポートは、通常RF周波数とLO周波数の差である信号を出力します。

アップコンバージョン： このプロセスにより、送信の信号の周波数が増加します。より高い周波数は、長距離にわたって信号を送信するのに適しています。LO信号はタイミングを制御し、ミキサーが正しく機能し、伝送用のきれいな高周波信号を出力します。

図14：周波数変換プロセス

RFミキサーのアプリケーション

•Superheterodyneレシーバー

Superheterodyneレシーバーでは、RFミキサーは、操作が容易な中間周波数（IF）に入る高周波信号を変化させます。これは、ラジオ、テレビ、衛星レシーバーに適しています。信号を中間周波数に変換することにより、システムは有用な信号をノイズまたは不要な信号からよりよく分離できます。これにより、受信機の選択性（特定の周波数に焦点を合わせる能力）と感度（弱い信号を検出する能力）の両方が改善されます。

図15：Superheterodyneレシーバー

•周波数翻訳

RFミキサーの主要な機能は、ニーズに応じて、上または下の信号周波数をシフトすることです。受信機では、高周波信号を低範囲に低下させます。送信機では、ベースバンドや中間周波数から伝送のためのより高い無線周波数までのような低周波信号を上げます。携帯電話、放送、またはデータシステムのいずれであろうと、頻度翻訳は、信号が目的のために適切な頻度であることを確認するのに役立ちます。

•レーダーシステム

RFミキサーは、分析が容易な周波数に返された信号を調整するため、レーダーシステムで役立ちます。レーダーが信号を送信すると、返された信号の周波数は、ターゲットの動き速度に基づいて変化します。ミキサーは、これらの信号を使用可能な周波数範囲に導き、正確な速度と位置の計算を可能にし、航空交通制御、船のナビゲーション、気象監視に最適です。

•衛星通信

衛星通信では、RFミキサーは、最高の周波数で信号を送信および受信するのに役立ちます。アップリンク（衛星に信号を送信）中に、シグナルを大気を簡単に通過できる周波数に変換します。ダウンリンク（衛星から信号を受信）中に、地上局が処理できる形式に信号を変換します。この周波数管理は、天気予報、テレビ放送、GPSなど、信頼できるコミュニケーションに適しています。

•位相検出と測定

RFミキサーは、相検出にも使用され、2つの信号間の位相の差を追跡します。これは、1つの信号の周波数が参照周波数にロックされた状態に保たれる位相ロックループ（PLL）で役立ちます。入力信号と出力信号の位相を比較することにより、システムは出力を調整して、特に周波数合成、変調、復調などの正確な周波数制御を必要とするシステムで、安定した信号を保証します。

•周波数変調と復調

RFミキサーは、周波数変調（FM）を使用して情報を送信するシステムで優れています。変調するとき、それらは送信のために信号を周波数にシフトします。復活するとき、彼らは受け取った信号を元のフォームに戻し、情報（音声や音楽など）を理解できるようにします。この2段階のプロセスは、無線、テレビ、その他の放送システムでの明確な通信に適しています。

•信号調整と処理

電子戦や信号分析などの高度な分野では、RFミキサーが着信信号を改良および処理するのに役立ちます。このシステムは、信号と参照周波数を混合することにより、パターンや情報を抽出しやすくすることができます。このプロセスは、脅威の発見、メッセージの解読、信号の分析に最適です。RFミキサーは、防御と信号分析の両方を改善するのに役立ちます。

結論

RFミキサーの研究は、それらがどのように機能するか、さまざまなタイプ、およびそれらの用途を綿密に検討し、最新のRFテクノロジーでどれほど重要であるかを示しています。シグナルを混合するという基本的なアイデアから、トリプルバランスのミキサーのより高度なデザインまで。さまざまな種類のミキサーが特定のニーズに合わせて設計されており、適応性と正確なRFエンジニアリングが必要なものを示しています。Superheterodyneレシーバーであろうと衛星通信であろうと、RFミキサーは周波数の取り扱いと変換に適しています。この記事では、ポート構成や、これらのデバイスがRFシステムでうまく機能するのに役立つミキサー回路シンボルなどの設計要因も指摘しています。RFテクノロジーの継続的な改善により、ミキサーの設計は良くなり続け、信号の品質とシステムのパフォーマンスが向上します。

よくある質問[FAQ]

1. RFミキサーとモジュレーターの違いは何ですか？

RFミキサーは、2つの入力信号、無線周波数信号とローカルオシレーター信号を組み合わせて、周波数ミキシングと呼ばれるプロセスを通じて新しい周波数を生成します。このプロセスは、無線レシーバーと送信機の周波数変換のために、元の入力の合計と差の両方の周波数を生成します。一方、モジュレーターはキャリア信号を操作して、データ信号から情報をエンコードします。この変調には、データを表すためにキャリア信号の振幅、周波数、または位相を変更し、媒体を介した伝送を促進することが含まれます。

2. RFミキサーデバイスの例は何ですか？

ダブルバランスのミキサー：これらのデバイスは、ポート間で良好な分離を提供し、通信およびレーダーシステムのアップコンバージョンアプリケーションとダウンコンバージョンアプリケーションの両方で使用されます。

シングルバランスミキサー：これらのミキサーは、中程度の分離で十分なアプリケーションで使用されるパフォーマンスとコストの間の妥協を提供します。

トリプルバランスミキサー：高性能アプリケーションで採用されているこれらのミキサーは、複雑な信号環境に最適な優れたポート分離と相互変調性能を提供します。

3.無線頻度を検出する方法は？

無線周波数の検出には、スペクトルアナライザーと呼ばれるデバイスの使用が含まれます。このツールは、さまざまな周波数をスキャンし、RF信号の存在を識別し、強度と特性を示します。別の一般的な方法には、RFシグナルを測定可能なDC出力に変換するRF検出器の使用が含まれます。これは、RF信号の存在と強度を示す測定可能なDC出力です。

4. RFの主な利点は何ですか？

RF（無線周波数）テクノロジーの主な利点は、物理的な接続なしで長距離にわたってデータを送信できることです。RF通信は、さまざまな材料に浸透し、幅広い地理的エリアを通過し、モバイル通信、放送、およびリモート制御システムに最適です。RFテクノロジーは、幅広い周波数をサポートし、複数の通信チャネルとアプリケーションを可能にします。

5. Wi-FiはRF信号ですか？

はい、Wi-FiはRF信号を使用して動作します。Wi-Fiテクノロジーは、2.4 GHzおよび5 GHzバンドの無線周波数を使用してデータを送信します。これらの周波数により、電磁波を使用して、ワイヤレスルーターとコンピューター間など、デバイス間でデータをワイヤレス送信することができます。これにより、デバイスがインターネットに接続し、有線接続を必要とせずに互いに通信できます。