Sekoitin

Sekoitin (engl. mixer) on epälineaarinen radiosysteemin osa, jolla saadaan syötesignaalien summa- ja erotaajuudet. Riippuen käytetystä rakenteesta, myös monia muita sekoitustuloksia voi syntyä (tai olla syntymättä.)

Nimityksiä

Sekoittimia kutsutaan joskus muilla nimillä riippuen käyttötavasta.

• Esi-ilmaisin (first detector)
  • Vastaanottimen ensimmäisen sekoittimen tyypillinen nimitys
• Ilmaisin (Detector)
  • Demodulaattori (Demodulator)
    • Yleisnimitys hyötysignaalin poiminnalle RF/välitaajuudesta. Kaikki demodulaattorit eivät ole sekoittimia!
  • Tuloilmaisin (Product Detector)
    • Viittaa rakenteen tapaan analogisesti kertoa keskenään syötesignaalien jännitteet (tai ainakin niiden etumerkit) tuottamaan lähtösignaalia
  • Synkroninen ilmaisin (Synchronous detector)
    • Viittaa ilmaisuun käyttäen refrenssitaajuutta (paikallisoskillaattoria)
• Modulaattori (Modulator)
  • Kun hyötysignaali ja välitaajuus/(apu)kantoaalto sekoitetaan keskenään saaden välitaajuus/RF (ilmaisinkäytön vastakohta.) Kaikki modulaattorit eivät ole sekoittimia!

Aktiivikomponentteja

Sekoittimena voi toimia mikä tahansa komponentti jolla on epälineaarinen jännite/virta toimintakäyrä. Ideaalisen sekoittimen lähtösignaalin amplitudi on lineaarisessa suhteessa toiseen syötesignaaliin, kun toinen (yleensä paikallisoskillaattori) pidetään vakioamplitudisena.

Sekoittimen aktiivikomponenteiksi käyvät esimerkiksi: diodit, bipolaaritransistorit, liitosfetit (JFET), yksi- ja kaksihilaiset MOSFETit, sekä niiden elektroniputkivastineet.

Erilaisilla puolijohdekomponenteilla on erilaisia etuja ja haittoja kun niitä käyttää sekoittimissa:

Puolijohde		Etuja		Haittoja
Diodi		Pieni kohinaluku, korkeahko tehonkäsittelykyky, vaikea särkeä		Vaatii paljon LO tehoa, sovitus IF asteeseen, muuntovaimennus
Bipolaarinen transistori		Pieni kohinaluku, suuri vahvistus, pieni tasavirtateho		Suuri keskinäismodulaatiotuotto, helppo yliohjata, herkkä rikkoa yliohjaamalla
JFET		Pieni kohinaluku, antaa muuntovahvistusta, erinomaiset neliölain vasteominaisuudet, erinomainen yliohjauksen sieto, ei helppo rikkoa liialla yliohjauksella		Optimi muuntovahvistus ei tapahdu neliölain vasteen optimialueella, vaatii paljon LO tehoa
Kaksoishila- MOSFET		Pieni IM särö, AGC, neliölakin vasteominaisuudet		Korkea kohinaluku, herkkä vikaantumaan ylitehoisalla syötteellä, epästabiili

Sekoitustulokset

Sekoittimen syötesignaali $f_{s}\,$ sisältää hyötysignaalia ja $f_{o}\,$ on apusignaali jolla tavoitellaan hyötysignaalin siirtoa jollekin positiiviselle taajuudelle: $\pm N*f_{s}\pm M*f_{o}$. Normaalisti $M$ ja $N$ toivotaan olevan ykkösiä, mutta muitakin (positiivisia) kokonaislukuarvoja voi esiintyä ja ne tunnetaan harmoonisina. Sekoituksen tulos sisältää aina molemmat syötesignaalit, niiden summat ja erot, sekä harmoonisten summat ja erot. Jos taajuudet on valittu huonosti, tällainen harha-tulos saattaa osua päällekäin halutun hyötysignaalin kanssa jossainpäin viritysaluetta, jolloin lopputuloksena on ylimääräinen visertäjä (birdie, suomessa myös: poikanen, härö, spurgu, vinku.) Lähettimissä tulee ylimääräisiä harhalähetteitä (spurious, suomessa myös: spurgu, poikanen.)

Sekoitustulosten määrää saadaan pienennettyä käyttämällä balansoitua sekoitinta, jossa toinen syöteportti on balansoitu ja toinen balansoimaton. Balansoituun porttiin syötetty signaali ei tuota parillisia harmoonisiaan. Jos molemmat sekoittimen portit ovat balansoituja, puhutaan kaksoisbalansoidusta sekoittimesta ja siinä parillisten harmoonisten eliminaatio tapahtuu molemmille syötesignaaleille. (Käytännössä parilliset harmooniset eivät katoa kokonaan, vaan ne ovat ainostaan huomattavasti vaimentuneita.)

Erilaisten sekoitustulosten muodostuminen erityyppisissä sekoitinrakenteissa:

Balansoimaton sekoitin
	$f_{o}\,$	$2f_{o}\,$	$3f_{o}\,$	$4f_{o}\,$	$5f_{o}\,$
$f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm f_{s}$
$2f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 2f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm 2f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm 2f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm 2f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm 2f_{s}$
$3f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm 3f_{s}$
$4f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 4f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm 4f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm 4f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm 4f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm 4f_{s}$
$5f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm 5f_{s}$
Balansoitu sekoitin - puolet vähemmän sekoitustuloksia
	$f_{o}\,$	$2f_{o}\,$	$3f_{o}\,$	$4f_{o}\,$	$5f_{o}\,$
$f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm f_{s}$
$2f_{s}\,$	-	-	-	-	-
$3f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm 3f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm 3f_{s}$
$4f_{s}\,$	-	-	-	-	-
$5f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 2f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 3f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 4f_{o}\pm 5f_{s}$	$\pm 5f_{o}\pm 5f_{s}$
Kaksoisbalansoitu sekoitin - neljännes sekoitustuloksia
	$f_{o}\,$	$2f_{o}\,$	$3f_{o}\,$	$4f_{o}\,$	$5f_{o}\,$
$f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm f_{s}$	$-$	$\pm 3f_{o}\pm f_{s}$	$-$	$\pm 5f_{o}\pm f_{s}$
$2f_{s}\,$	-	-	-	-	-
$3f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 3f_{s}$	$-$	$\pm 3f_{o}\pm 3f_{s}$	$-$	$\pm 5f_{o}\pm 3f_{s}$
$4f_{s}\,$	-	-	-	-	-
$5f_{s}\,$	$\pm f_{o}\pm 5f_{s}$	$-$	$\pm 3f_{o}\pm 5f_{s}$	$-$	$\pm 5f_{o}\pm 5f_{s}$

Sekoitustuloksia nimitetään kertalukujen mukaan siten, että: $\pm N*f_{s}\pm M*f_{o}$ tuottaa kertalukua $N+M$ olevan tuloksen. Pienimmillään sekoitustulos on toista kertalukua ja esimerkiksi $3f_{s}+f_{o}$ tuottaa neljännen kertaluvun sekoitustuloksen.

Sekoitin voi vahvistaa tai vaimentaa läpikulkevaa hyötysignaalia ja tavalliseen tapaan sitä mitataan desibeleinä. Positiivinen desibeliluku tarkoittaa vahvistusta ja negatiivinen vaimennusta.

Sekoitinten rajoituksia

Kaikilla sekoittimilla on omia rajoituksiaan:

• Isolaatio tarkoittaa sekoittimen kykyä pitää syötesignaalit erillään niin, että toiseen syöteporttiin saapunut signaali ei vuoda ulos toisesta.
  • Yksinkertaisimmissa vastaanottimissa sekoitinta käytetään ilman erityisempiä isolointeja, jolloin antennivirityspiirin säätö saattaa muuttaa LO-porttiin kytketyn puskuroimattoman paikallisoskillaattorin viritystä. Vastaavasti paikallisoskillaattorin signaali saattaa vuotaa ulos antenniin!
  • Balansoituun porttiin syötetty signaali ei (juurikaan) vuoda ulos muista porteista. (Vain ideaalisesti toteutetussa tapauksessa vuotoa ei ole ollenkaan.)
• Kohinaa syntyy kaikissa sekoittimissa. Sen määrää kuvataan kohinalukuna.
  • Jos sekoittimen kohinaluku on huomattavan korkea verrattuna pienimpään vastaanotettavaan signaaliin, S/N-luku on huono ja signaalia on vaikea saada esille.
• Yliohjaus on muuntovahvistuksen heikkenemistä, joka tapahtuu tilanteessa jossa syötesignaalin taso (olettaen paikallisoskillaattorin olevan aina parhaaseen toimintaan optimoitua vakiotasoa) ylittää käytettyjen komponenttien lineaarisen toiminta-alueen.
  • Kompressio on erityisnimi tälle muuntovahvistuksen heikkenemiselle ja yleensä sekoittimissa määritelläänkin kohta, jossa heikkenemä on 1 dB suhteessa lineaariseen vasteeseen.
• Keskinäismodulaatiotuotoksia syntyy, kun syötesignaali sisältää kaksi tai useampaa voimakasta ylimääräistä signaalia joiden sekoitustulokset osuvat halutulle lähtötaajuusalueelle.
  • Keskinäismodulaatiosuorituskykyä, kuvataan usein kolmannen kertaluvun risteyskohdan (third order intercept point) tehotasona dBm mitalla, tunnetaan myös termillä TOI.

(kuva?)

Sekoitinten alityyppejä

• Aliharmooninen sekoitin
• Balansoimaton sekoitin
• Balansoitu sekoitin
• Kaksoisbalansoitu sekoitin

---

Lähteitä:

• RSGB RadCom Handbook
• ARRL Handbook
• Horowitz and Hill: The Art of Electronics