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Aplicações dos
Misturadores - Receptores
Prof. Gil Pinheiro MSc.
UERJ-FEN-DETEL
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Misturador
Entrada do
oscilador local
(LO)
Frequência f2
Entrada de
radiofrequência
(RF)
Frequência f1
Saída de frequência intermediária (IF)
Frequência (f2 - f1)
Parâmetros de um misturador Relacionados ao uso de um misturador num receptor heteródino
Perdas de conversão:
L[dB] = -10log(PIF/PRF)
Isolamento RF-IF :
IRF-IF[dB] = 10log(PRF/PRF-IF) (sendo PRF-IF a potência de RF
na saída de IF)
Isolamento LO-IF:
ILO-IF[dB] = 10log(PLO/PLO-IF)
Isolamento LO-RF:
ILO-RF[dB] = 10log(PLO/PLO-RF)
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Exemplo de uso de parâmetros de um misturador
Perda de conversão: L[dB] = 5,6 dB
Isolamento LO-IF:
ILO-IF[dB] = 45 dB
Isolamento LO-RF (maior isolamento):
ILO-IF[dB] = 60 dB
-50 dBm
15 MHz
7 dBm
6 MHz
9 MHz
Componente de 9 MHz: -50 dBm - 5,6 dB = -55,6 dBm
Componente de 6 MHz: 7 dBm - 45 dB = -38 dBm
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Aplicação de Misturadores
Balanceados a Diodos
Menor isolação
entre portas IF e RF Porta IF permite usar
sinais CC e CA
Porta mais
isolada das
outras
• No caso do misturador a diodos, sendo um circuito passivo, todas as portas podem ser usadas como entradas e/ou saídas
• A designação das portas vem do uso do misturador em receptores: – LO = Local oscillator (apenas sinal CA)
– RF = Radio frequency (apenas sinal CA)
– IF = Intermediary frequency (sinal CA ou CC)
• Pode haver acoplamento capacitivo entre portas próximas (RF e IF na figura abaixo)
• Porta IF admite sinais com componentes contínua e alternada (CC e CA)
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• Aplicações que requerem alta isolação entre portas – Usar as portas LO e RF
• Medição de fase ou que requeiram entrada / saída CC, a porta IF é a única que permite sinal CC – IF: saída DC
– RF e LO: entradas de sinal
• Receptor: – O objetivo é isolar a entrada de RF e o oscilador local,
para minimizar emissão espúria, então: • RF: sinal de entrada, da antena
• LO: sinal do oscilador local
• IF: saída de frequência intermediária
Aplicação de Misturadores
Balanceados
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Aplicação de Misturadores
Balanceados - Modulação AM
• Modulador AM-DSB-SC (portadora suprimida)
• Modulador AM-DSB-WC (portadora presente)
Sinal Modulante
(IF)
Portadora
(RF)
Saída Modulada (LO) Filtro Passa
Faixa
Sinal Modulante +
Tensão CC - Offset
(IF)
Portadora
(RF)
Saída Modulada (LO) Filtro Passa
Faixa
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Aplicação de Misturadores
Balanceados • Demodulador AM-DSB-SC
• Detector de Fase
Sinal demodulante – portadora
em fase com a portadora
modulada (LO)
Portadora
modulada
(RF)
Sinal
modulante (IF)
Filtro Passa
Baixa
Sinal 2
(LO)
Sinal 1
(RF)
Sinal CC
Proporcional ao
Coseno do Ângulo
de Defasagem (IF)
Filtro Passa
Baixa
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Problemas dos
Misturadores
• Frequência Imagem
• Sinais espúrios
• Faixa dinâmica
• Figura de ruído
• Terminação adequada (principalmente
nos misturadores passivos a diodos)
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• Um misturador ideal gera as componentes soma e diferença de frequência a partir dos sinais LO e RF
• Os receptores podem ser dos tipos – Heteródinos: quando fLO ≠ fRF
– De Conversão Direta: quando fLO = fRF
• Os misturadores dos receptores heteródinos se subdividem nos tipos – Up-converter - quando a frequência de saída for
superior à de entrada
– Down-converter - quando a frequência de saída for inferior à de entrada
Misturadores num Receptor
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Antena
fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
Misturador ideal
(sem espúrios)
fLO f 0
Receptor Heteródino
fRF fLO- fRF fLO+ fRF
Saída do Misturador Heteródino
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
O misturador ideal gera duas
frequências, acima ou abaixo de fRF.
Dependendo da saída escolhida, o
Misturador é chamado de
down-converter ou up-converter fRF = Freq.
central
f
BW
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Antena
fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
= fLO f
Receptor de Conversão Direta
fRF fLO- fRF = 0 fLO+ fRF = 2.fRF
Saída do Misturador de Conversão Direta
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fRF = Freq.
central
f
BW
Sinal
fLO = fRF
Misturador ideal
(sem espúrios)
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Receptores Heteródinos
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Antena
fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
fLO f 0
Conversor Up-Converter - 1
fRF
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local Filtro de FI em fFI= fLO+ fRF
fFI = Frequência intermediária
fFI
fFI = fLO+ fRF
fLO+ fRF
fRF = Freq.
central
f
BW
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fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
fRF fLO
fFI
Filtro de FI em fFI= fLO- fRF
f 0
Conversor Up-Converter - 2 Antena
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fFI = Frequência intermediária
fFI =
fLO- fRF
fLO- fRF
fRF = Freq.
central
f
BW
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fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
fRF fLO
fFI
Filtro de FI em fFI= fLO- fRF
f 0
Conversor Down-Converter Antena
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fFI = Frequência intermediária
fFI = fLO- fRF
fLO- fRF
fRF = Freq.
central
f
BW
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• A frequência imagem é um sinal espúrio (ruído) captado por um receptor heteródino, em razão do canal de FI receber os sinais soma e diferença de frequência, em relação a fLO
• O sinal de frequência imagem contribui como ruído num receptor, piorando a relação S/N
• O sinal de frequência imagem é eliminado (atenuado) através do uso de filtro na entrada de RF do misturador
• No misturador tipo down-converter, se for necessário sintonizar várias frequências de RF, a sintonia do filtro deve ser sincronizada, uma solução é o uso de capacitor variável de duas seções (duplo). Uma seção do capacitor ajusta fRF e a outra ajusta fLO
Receptores Heteródinos -
Frequência Imagem
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fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF
fIM- fLO fLO
fRF fLO
fFI
Filtro de FI em fFI=|fLO- fRF|
fIM f 0
Misturadores Down-converter –
Frequência Imagem Antena
fFI = fLO- fRF
fIM = Frequência imagem
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fFI = Frequência intermediária
fIM = fLO+ fFI
fIM = fRF+ 2.fFI
Onde:
fIM fIM
fLO- fRF
fIM- fLO Ruído!!
Sinal
Ruído
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Exemplo 1:
• Num receptor com o filtro de FI
centrado em fIF = 455 KHz, o sinal de
entrada é de fRF = 1 MHz. Então:
fRF fLO fIM
f 0 fFI = fLO- fRF
fLO = fRF+ fFI = 1.000 + 455 = 1.455 KHz
fIM = fRF+ 2.fFI = 1.000 + 2 x 455 = 1.910 KHz
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Exemplo 2: • Num receptor de AM a faixa de
recepção (fRF) vai de 530 a 1.600 KHz.
O filtro de FI está centrado em fIF = 455
KHz. Então:
fRF
fLO
fIM
f 0 fFI = fLO- fRF
fLO = fRF+ fFI = 985 a 2.055 KHz
fIM = fRF+ 2.fFI = 1.440 a 2.510 KHz
fRF = 530 a 1.600 KHz
fFI = 455 KHz
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fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
fRF fLO
fFI
f 0
Cancelando (atenuando) a
Frequência Imagem Antena
fFI = fLO- fRF
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fFI = Frequência intermediária
fIM
Filtro Passa
Faixa (pré-seletor) –
atenua a fIM
fLO- fRF
DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada
através de um filtro pré-seletor, ajustado em fRF
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fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
fFI
Cancelando (atenuando) a Frequência
Imagem em várias frequências de recepção Antena
fIM
Filtro Passa
Faixa (pré-seletor)
Sincronizar sintonia
do filtro e do
oscilador local
fRF fLO
f 0 fFI = fLO- fRF fRF1 fRF2 fRF3 fLO1 fLO2 fLO3
fLO- fRF
DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada
através de um filtro pré-seletor, ajustado em fRF
Para operar ao longo de uma faixa
de frequências de recepção, a
frequência do oscilador local (fLO)
deve ser ajustada conforme a
frequência de interesse (fRF). O
filtro de entrada também deve ser
ajustado, em sincronia com o
oscilador local, para atenuar o
ruído de frequência imagem.
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fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
fFI
Cancelando (atenuando) a Frequência
Imagem em várias frequências de recepção Antena
fIM
Filtro Passa
Faixa (pré-seletor)
DOWN-CONVERTER - a frequência imagem pode ser atenuada
através de um filtro pré-seletor, ajustado em fRF
Sincronizando a sintonia
do filtro e do oscilador local
através de capacitor
variável duplo
Exemplos de capacitor variável duplo,
é um dispositivo eletromecânico. Sujeito a
vibrações, impactos, tamanho, umidade,
poeira, oxidação, não opera em GHz, etc.
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Cancelando (atenuando) a Frequência Imagem em
Várias Frequências de Recepção
• Receptor super-heteródino com conversor (mixer + oscilador), sincronismo de sintonia no pré-seletor de entrada e do oscilador local, para obter rejeição da frequência imagem
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Rádio AM Comercial
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Rádio AM Comercial
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Rádio AM Comercial
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Antena interna de ferrite Sensível a componente magnética de uma onda de rádio
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de
Fe
rrit
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Espaço Livre - Linhas de Campo
Magnético (ondas de rádio)
μo
μf
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Antena interna de ferrite Sensível a componente magnética de uma onda de rádio
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Receptores de Conversão
Direta
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• Crescente demanda por rádios de projeto compacto,
de baixo custo e desenho simples.
• De um conceito simples e antigo, foi deixado de lado
em favor dos receptores super-heteródinos, de
melhor desempenho (banda passante mais estreita,
maior ganho, alta sensibilidade).
• Posteriormente, o conceito foi ressuscitado utilizando
semicondutores e processos de fabricação mais
atualizados.
• Possui extensa aplicação em comunicação móvel.
Receptores de Conversão Direta
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Antena
fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
= fLO f
Receptor de Conversão Direta
fRF fLO- fRF = 0 fLO+ fRF = 2.fRF
Saída do Misturador de Conversão Direta
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fRF = Freq.
central
f
BW
Sinal
fLO = fRF
Misturador ideal
(sem espúrios)
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Antena
fRF fRF fRF+ fLO
fLO- fRF fLO
= fLO f fRF fLO- fRF = 0
Saída do Filtro Passa Baixa
fRF = Frequência de entrada
fLO = Frequência do oscilador local
fRF = Freq.
central
f
BW
Sinal
fLO = fRF
fLO- fRF
Filtro Passa
Baixa
Receptor de Conversão Direta
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• Dentre os mecanismos de eliminação ou atenuação da frequência imagem estão:
– Uso de filtro pré-seletor de entrada
– Uso de up-converter com fLO > fFI
– Uso de misturador com rejeição de frequência imagem (arranjo específico)
Nota: Os dois primeiros já foram apresentados
Como Eliminar ou Atenuar a
Frequência Imagem
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Misturador com Rejeição de
Frequência Imagem
Filtro
de RF
Antena
Amplificador
de RF (LNA)
Oscilador Local
0
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• Em conversores desse tipo não há frequência imagem
• É um receptor de eletrônica mais simples, não há canal de FI (ou seja: FI=0)
• Após o misturador, utiliza-se um filtro passa baixa, com frequência de corte logo acima de BW (banda passante) do canal, é um filtro mais simples e barato
• Um problema desse tipo de receptor é a sincronização de fase entre o sinal recebido e o oscilador local, na recepção de sinais do tipo SSB, modulação digital (PSK, QPSK), etc. Quando esse sincronismo ocorre, o receptor é chamado homodino
• Para superar o problema da sincronização entre fRF e fLO, utilizam-se dois misturadores, obtendo-se as componentes em quadratura
Receptor de Conversão
Direta (Sem FI)
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Receptor Homodino (Receptor
Coerente ou Síncrono)
• É um tipo de receptor de conversão direta, onde, o oscilador local está na mesma frequência e fase da portadora.
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Recuperação da portadora
Demodulação de AM com detector coerente
vpAM(wmt, wpt) Misturador
vo
vf vm
V = k(DF)
PLL
vfca
Filtro
Passa-
baixa
Filtro
Passa-alta
Remoção de
componente CC
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Receptor Homodino (Receptor
Coerente ou Síncrono)
• Não há frequência imagem a ser rejeitada
• O receptor requer um oscilador local sincronizado com a portadora
• O circuito extrator de portadora pode ser um filtro de banda estreita, um PLL ou um oscilador sincronizado
• A portadora deve estar presente, mesmo nos modos SSB ou DSB (ex.: modulação com portadora vestigial), isto torna o receptor incompatível com sinais sem nenhuma portadora
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Receptor de Conversão Direta
com Misturadores em Quadratura
Filtro
de RF
Antena
Amplificador
de RF (LNA)
Oscilador Local
0
90
I
Q
Os sinais de saída em quadratura (I/Q), permitem recuperar o
sinal modulante – m(t). Tornando-se desnecessária a sincronização
entre fLO e fRF
m(t) = i(t) + j.q(t)
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Receptor de Conversão Direta
com Misturadores em Quadratura
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icação
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Receptor de Conversão Direta
com Misturadores em Quadratura
• Pode haver off-set de sinal CC, o que ocasiona a saturação após os misturadores (amplificadores)
• A filtragem é feita por software (DSP)
• A rejeição de imagem é feita digitalmente (DSP)
• As etapas de filtragem, amplificação, conversão A/D e DSP operam em baixa freqüência, podendo ser integrados num único CI
• Como utiliza DSP, pode operar com vários tipos de modulação (analógica e digital)
• Este tipo de receptor será analisado no capítulo de rádios digitais
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Rádio Transceptor de Conversão
Direta para Rede WiFi (IEEE-802.11)
Rádio transceptor digital de conversão direta
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Controle Automático de Ganho
+13
Pb
(dBm)
+3
-7
-17
Pr
(dBm)
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
Ganho do
Receptor
Alto Ganho
Baixo Ganho
Faixa
Dinâmica
na
Entrada
do
Receptor
Processamento em
Banda Base ou
Demodulação
Faixa
Dinâmica
de Saída
O ganho variável (adaptativo) num receptor, visa compatibilizar a
intensidade de sinal disponível na antena com a intensidade necessária
para a operação confiável do conversor A/D ou do circuito
demodulador, com boa relação S/N na entrada do demodulador e
respeitando a faixa dinâmica do conversor A/D.
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Controle Automático de Ganho
• Faixa Dinâmica
– Para operar com uma ampla faixa de valores de intensidade de
sinal de entrada, um rádio receptor deve possuir algum artifício de
controle automático de ganho. Por exemplo, um celular operando
muito próximo um muito longe de uma ERB (Estação Rádio Base)
deve operar em todas as situações possíveis sem perder o sinal e
sem saturar o receptor.
– Conforme já foi comentado, ganhos típicos da ordem de 100 dB
são utilizados em receptores, porém todo esse ganho deve ser
controlado para que o receptor não sature (devido a um sinal
elevado na antena) ou não consiga detectar os sinais recebidos com
baixíssima potência na antena do receptor.
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Controle Automático de Ganho
• Nos receptores analógicos de voz, a saída do detector é
enviada a um amplificador de áudio e ao alto falante.
• Nos receptores digitais trabalhando com voz, a saída do
detector é enviada a um circuito processador digital de sinal
(DSP), ou ao conversor digital/analógico (DAC). A tensão na
entrada de um DSP ou de um DAC está normalmente
compreendida entre 1 mV e 1000 mV.
• Exemplo: Um telefone digital TDMA, o sinal demodulado é
enviado ao conversor D/A (DAC), onde é convertido ao sinal
analógico de voz. Utilizando um conversor D/A de 10 bits, onde
uma tensão de 1V fornece uma resolução de (1/1024)*1mV,
resulta numa faixa dinâmica de 20 log (1024) = 60 dB.
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Controle Automático de Ganho
• Assim, a faixa dinâmica do sinal de saída do conversor D/A é
muito menor que a faixa dinâmica de 80 a 100 dB, na entrada
do receptor, o que demonstra a necessidade do controle
automático de ganho.
• A Figura 3 mostra as faixas dinâmicas de entrada e saída do
receptor.
• Para compatibilizar a faixas dinâmicas do sinal e do
demodulador ou do conversor A/D, utiliza-se o controle
automático de ganho (CAG).
• O CAG consiste num amplificador de ganho controlado pela
tensão, associado a um detector de CAG para converter uma
amostra do sinal de FI, que é retificado para se obter o valor
CC.
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Controle Automático de Ganho
• O sinal retificado é então comparado com um nível de referência (no
amplificador DC) e passado por um filtro passa baixa (FPB), para evitar
que o ganho seja afetado pela modulação do sinal. A saída do filtro é
então aplicada aos amplificadores de ganho variável, de modo a
manter o valor do sinal da amostra do sinal próxima do valor de
referência.
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Receptor com Controle
Automático de Ganho (AGC)
Receptor com o MICRF-002
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Receptor OOK com o MICRF-002
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• A figura anterior apresenta o diagrama de blocos de um circuito
integrado de um receptor digital do fabricante Micrel. O receptor
opera na faixa de UHF (433 MHz) e utiliza modulação ASK
(amplitude switching keying) ou OOK (on-off keying), a
modulação sendo obtida ligando e desligando o oscilador do
transmissor. A taxa de transmissão pode ser de até 10 kbps.
Esse receptor gera um sinal digital que pode ser ligado
diretamente aos circuitos de processamento digital (UART,
microprocessadores ou microcontroladores) de um sistema de
comunicação.
• Conforme a figura, o sinal da antena é aplicado diretamente ao
pino ANT do CI, nesse pino também é ligado um filtro LC
(externo) em paralelo, para rejeitar frequências espúrias e
melhorar a relação S/N.
Receptor com o MICRF-002
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• O sinal é amplificado pelo estágio RF AMP de ganho fixo e
passa pelo misturador, onde será convertido para a frequência
de FI de 500 kHz. Um sintetizador de frequência é responsável
pela geração do sinal do oscilador local, a partir de um oscilador
de referência acionado por um ressonador cerâmico conectado
ao pino REFOSC.
• Após o misturador, há duas etapas amplificadoras de FI (IF
AMP) que são intercaladas por um filtro passa faixa de 5ª
ordem centrado em 500 kHz (500 kHz BPF ORDER 5),
formando o canal de FI. O sinal amplificado e filtrado vai para
um detector de pico (PEAK DETECTOR) e a um filtro passa
baixa de 2ª ordem programável (LOW PASS FILTER).
• O detector de pico é um demodulador do tipo ASK e em sua
saída é recuperado o sinal modulante, que é em seguida filtrado
para eliminar vestígios de sinais de altas frequências.
Receptor com o MICRF-002
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• Após ser filtrado, o sinal passa por um comparador (COMP),
que compara o sinal detectado com o valor da tensão do
circuito de AGC (controle automático de ganho). Como a tensão
de saída do detector varia com o sinal presente à entrada de
antena, pois se trata de um sinal analógico, o comparador é na
verdade um conversor A/D de 1 bit, gerando um sinal de saída
(pino DO) que assume apenas os valores binários (0 ou 1).
• Quando a tensão do detector é maior que VAGC é gerado o
nível lógico 1, caso contrário, o nível lógico é 0. A tensão de
AGC é gerada pelo circuito AGC CNTRL, que varia com a
intensidade média do sinal e é filtrada pelo capacitor conectado
ao pino CAGC. A tensão do circuito de AGC controla o ganho
das etapas amplificadoras de FI, obtendo-se uma faixa
dinâmica de 83 dB (o nível de sinal na antena do receptor, pino
ANT, pode variar entre -103 e -20 dBm).
Receptor com o MICRF-002
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• O receptor possui ainda um circuito para economia de bateria
(WAKE UP FUNCTION) que mantém o consumo do receptor
baixo se não houver nenhum sinal detectável em sua saída. O
filtro de 500 kHz (FI) é implementado dentro do próprio chip, o
que só é viável devido à baixa frequência.
Receptor com o MICRF-002