Электронный микшер

Простой трехканальный пассивный аддитивный микшер. Больше каналов можно добавить, просто добавив больше входных разъемов и микшерных резисторов.

Смеситель активных добавок «виртуальной земли». Буферные усилители служат для уменьшения перекрестных помех и искажений.

Электронный микшер — это устройство, которое объединяет два или более электрических или электронных сигнала в один или два составных выходных сигнала. Существует две основные схемы, в которых используется термин «смеситель» , но это совершенно разные типы схем: аддитивные смесители и мультипликативные смесители. Аддитивные смесители также известны как аналоговые сумматоры , чтобы отличать их от соответствующих цифровых сумматорных схем .

Простые аддитивные смесители используют законы Кирхгофа для сложения токов двух или более сигналов вместе, и эта терминология («микшер») используется только в области аудиоэлектроники, где аудиомикшеры используются для сложения аудиосигналов , таких как речевые сигналы. музыкальные сигналы и звуковые эффекты .

Мультипликативные микшеры мгновенно умножают два изменяющихся во времени входных сигнала (мгновенно). Если два входных сигнала являются синусоидами заданных частот f ₁ и f ₂ , то выход смесителя будет содержать две новые синусоиды, которые имеют сумму частот f ₁ + f _{2 и} абсолютное значение разностной частоты |f ₁ - f _2. |.

Любой нелинейный электронный блок, управляемый двумя сигналами с частотами f ₁ и f ₂ , будет генерировать продукты интермодуляции (смешивания). Умножитель (который является нелинейным устройством) в идеале будет генерировать только сумму и разность частот, тогда как произвольный нелинейный блок будет также генерировать сигналы с 2·f ₁ -3·f ₂ и т. д. Поэтому обычные нелинейные усилители или просто одиночные диоды использовались в качестве смесителей вместо более сложного умножителя. Преимущество умножителя обычно состоит в том, что он подавляет – по крайней мере частично – нежелательные интермодуляции более высокого порядка и обеспечивает больший коэффициент преобразования.

Смесители добавок

Аддитивные смесители суммируют два или более сигналов , выдавая составной сигнал, содержащий частотные составляющие каждого из исходных сигналов. Простейшие аддитивные смесители представляют собой резисторные сети и, следовательно, являются чисто пассивными , тогда как в более сложных матричных смесителях используются активные компоненты, такие как буферные усилители, для согласования импедансов и лучшей изоляции.

Мультипликативные смесители

Идеальный мультипликативный смеситель выдает выходной сигнал, равный произведению двух входных сигналов. В связи мультипликативный смеситель часто используется вместе с генератором для модуляции частот сигнала. Мультипликативный смеситель может быть соединен с фильтром для преобразования с повышением или понижением частоты входного сигнала, но они чаще используются для преобразования с понижением частоты в более низкую частоту, чтобы обеспечить более простые конструкции фильтров, как это делается в супергетеродинных приемниках . Во многих типичных схемах один выходной сигнал на самом деле содержит несколько сигналов, а именно те, которые представляют собой сумму и разность двух входных частот и гармонические сигналы. Выходной сигнал может быть получен путем удаления других компонентов сигнала с помощью фильтра.

Математическая обработка

Принятый сигнал можно представить как

${\displaystyle E_{\mathrm {sig} }\cos(\omega _{\mathrm {sig} }t+\varphi )\,}$

и значение гетеродина можно представить как

${\displaystyle E_{\mathrm {LO} }\cos(\omega _{\mathrm {LO} }t).\,}$

Для простоты предположим, что выход I детектора пропорционален квадрату амплитуды:

${\displaystyle I\propto \left(E_{\mathrm {sig} }\cos(\omega _{\mathrm {sig} }t+\varphi )+E_{\mathrm {LO} }\cos(\omega _{\mathrm {LO} }t)\right)^{2}}$

${\displaystyle ={\frac {E_{\mathrm {sig} }^{2}}{2}}\left(1+\cos(2\omega _{\mathrm {sig} }t+2\varphi )\right)}$

${\displaystyle +{\frac {E_{\mathrm {LO} }^{2}}{2}}(1+\cos(2\omega _{\mathrm {LO} }t))}$

${\displaystyle +E_{\mathrm {sig} }E_{\mathrm {LO} }\left[\cos((\omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )+\cos((\omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )\right]}$

${\displaystyle =\underbrace {\frac {E_{\mathrm {sig} }^{2}+E_{\mathrm {LO} }^{2}}{2}} _{constant\;component}+\underbrace {{\frac {E_{\mathrm {sig} }^{2}}{2}}\cos(2\omega _{\mathrm {sig} }t+2\varphi )+{\frac {E_{\mathrm {LO} }^{2}}{2}}\cos(2\omega _{\mathrm {LO} }t)+E_{\mathrm {sig} }E_{\mathrm {LO} }\cos((\omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )} _{high\;frequency\;component}}$

${\displaystyle +\underbrace {E_{\mathrm {sig} }E_{\mathrm {LO} }\cos((\omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )} _{beat\;component}.}$

Выходной сигнал имеет высокочастотные ( , и ) и постоянные составляющие. При гетеродинном обнаружении высокочастотные компоненты и обычно постоянные компоненты отфильтровываются, оставляя промежуточную частоту (биение) на уровне . Амплитуда этой последней составляющей пропорциональна амплитуде излучения сигнала. При соответствующем анализе сигнала также можно восстановить фазу сигнала. ${\displaystyle 2\omega _{\mathrm {sig} }}$ ${\displaystyle 2\omega _{\mathrm {LO} }}$ ${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} }}$ ${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} }}$

Если равно, то компонент биений представляет собой восстановленную версию исходного сигнала с амплитудой, равной произведению и ; то есть принятый сигнал усиливается путем смешивания с гетеродином ^{[ нужны пояснения ]} . Это основа приемника прямого преобразования . ${\displaystyle \omega _{\mathrm {LO} }}$ ${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {sig} }}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {LO} }}$

Реализации

Мультипликативные микшеры реализуются разными способами. Наиболее популярными являются смесители на ячейках Гилберта , диодные смесители, кольцевые диодные смесители ( кольцевая модуляция ) и переключающие смесители. Диодные смесители используют преимущества нелинейности диодных устройств для получения желаемого умножения в квадрате. Они очень неэффективны, поскольку большая часть выходной мощности представляет собой другие нежелательные элементы, которые необходимо отфильтровывать. В недорогих AM-радиоприемниках до сих пор используются диодные смесители.

Электронные смесители обычно состоят из транзисторов и/или диодов , расположенных по симметричной или даже двойной балансной схеме. Их легко изготавливать в виде монолитных интегральных схем или гибридных интегральных схем . Они рассчитаны на широкий диапазон частот и производятся массово с жесткими допусками, сотнями тысяч, что делает их относительно дешевыми.

Двойные балансные смесители очень широко используются в микроволновой связи , спутниковой связи , передатчиках связи сверхвысокой частоты (УВЧ) , радиоприемниках и радиолокационных системах .

Смесители ячеек Гилберта представляют собой конструкцию транзисторов, которая умножает два сигнала.

В импульсных смесителях используются массивы полевых транзисторов или электронных ламп . Они используются в качестве электронных переключателей для изменения направления сигнала. Они управляются микшируемым сигналом. Они особенно популярны среди радиоприемников с цифровым управлением. Импульсные смесители передают больше мощности и обычно вносят меньше искажений, чем смесители с ячейками Гилберта.