三種最常用的射頻收發(fā)機架構(gòu)

今天我們接著學習關于射頻系統(tǒng)架構(gòu)相關的知識。

No1 超外差結(jié)構(gòu) Superheterodyne Architecture

目前大多數(shù)的無線通信系統(tǒng)都選用了超外差結(jié)構(gòu)，比如在2G，3G和4G通信系統(tǒng)中，我們最常見的就是這種超外差收發(fā)機。這種結(jié)構(gòu)相較于其他結(jié)構(gòu)來說有著比較好的性能表現(xiàn)。但在5G上，更常用的是結(jié)構(gòu)更簡單的零中頻結(jié)構(gòu)，因為。

我們首先來了解一下超外差架構(gòu)的歷史。它是在一戰(zhàn)期間和剛結(jié)束時Edwin Howard Armstrong發(fā)明的，并于 1918 年獲得專利。這個人最牛逼的地方是，當時還在讀高中時，就開始研究無線電，在他位于紐約揚克斯 (Yonkers) 的父母家中豎起了一根 125 英尺高的無線電桅桿，以接收當時微弱的無線電信號。1912 年還在上大學時，他發(fā)明了基于 Lee de Forest 三端音頻管的反饋電路，提供了第一個可用的電放大器，并于 1913 年提交了再生接收器的專利，并且在1918年發(fā)明了超外差接收機，同時發(fā)明了FM廣播。

說到超外差架構(gòu)，可能很多同學對”超外差“這個詞不是很理解。我也是一直納悶，為什么叫外插，是不是還有內(nèi)插。外差這個詞是Reginald Aubrey Fessenden在1901年提出來的，他將混頻產(chǎn)生新的信號的想法稱為”外差“，并且給出了具有一次混頻結(jié)構(gòu)的接收機架構(gòu)稱為外差接收機，如下圖所示：它需要一個混頻器將調(diào)制的射頻信號帶入調(diào)制的中頻信號，該信號應用于 I/Q 解調(diào)器，將調(diào)制的低中頻帶入零中頻的基帶。

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Armstrong 對外差接收機進行了改進，發(fā)明了超外差接收機。超外差，就是具有兩次和兩次以上混頻結(jié)構(gòu)的接收機，如下圖所示。在超外差接收機中，需要兩個混頻器將調(diào)制的射頻信號變成調(diào)制的中頻信號。第一個混頻器將 RF 信號帶入高 IF 信號，而后一個混頻器將高 IF 信號帶入低 IF 信號。這適用于 I/Q 解調(diào)器，它將低中頻信號變?yōu)榱阒蓄l基帶信號。提到混頻，大家就比較熟悉了：當接收機從天線接收到的信號與本地振蕩器產(chǎn)生的信號一起輸入到混頻器中得到中頻信號，或者在發(fā)射機中將中頻信號混頻為射頻信號的過程就是超外差。在超外差結(jié)構(gòu)中，我們通過混頻器，將信號進行變頻。這個變頻的過程可能不止發(fā)生一次，超外差架構(gòu)會有多個中頻頻率和中頻模塊。

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了解了外差和超外差的基本結(jié)構(gòu)外，我們介紹在無線通信系統(tǒng)中常用的超外差收發(fā)機的結(jié)構(gòu)圖，下圖所示。在超外差接收機鏈路中，通常包括射頻RF部分，中頻IF部分和基帶BB部分。

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接收器的 RF 部分包括作為頻率預選器的雙工器、低噪聲放大器 (LNA)、RF 帶通濾波器 (BPF)、作為混頻器前置放大器的 RF 放大器和 RF-to-中頻下變頻器(混頻器)。

下變頻器之后是一個 IF 放大器 (FA)，然后是一個 IF BPF，用于通道選擇和抑制不需要的混頻產(chǎn)物。

I/Q 解調(diào)器是第二個頻率轉(zhuǎn)換器，它將信號頻率從 IF 下變頻到 BB。解調(diào)器包含兩個混頻器，它將 IF 信號轉(zhuǎn)換為 I 和 Q 信號——即兩個 90" 相移的 BB 信號。低通濾波器 (LPF) 在每個通道的 I 和 Q 中跟隨混頻器，以濾除不需要的混頻產(chǎn)物并進一步抑制干擾。濾波后的 I 和 Q BB 信號由 BB 放大器放大，然后 ADC 將放大后的 BB 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便在數(shù)字基帶中進一步處理。與超外差接收機類似，超外差發(fā)射機也由BB、IF、BB三部分組成。

中頻部分的增益控制大概占整個增益控制范圍的 75% 或更多。在這種無線電架構(gòu)的模擬 BB 部分中實現(xiàn)增益控制的情況很少見。其原因是接收器或發(fā)射器中的 BB 部分具有 I 和 Q 兩個通道，并且很難在 BB 增益變化范圍內(nèi)將 I 和 Q 通道幅度不平衡保持在允許的容差內(nèi)。

No.2 直接變頻/零中頻架構(gòu) Direct Conversion (Zero-IF)

上文介紹了具有混頻模塊的超外差接收機，那是不是不用混頻模塊也可以，于是射頻科學家在1980年左右開始使用直接變頻的無線電收發(fā)機。直接變頻意味著射頻信號不需要經(jīng)過中頻階段直接進入I/Q解調(diào)，變換到基帶信號，中間不產(chǎn)生中頻信號，因此也叫做零中頻接收機，如下圖所示。

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如圖所示，LO(本地振蕩器)頻率設置為所需要的頻率，因此接收信號直接轉(zhuǎn)換為基帶 I(同相)和 Q(正交相位)信號。在此架構(gòu)中，DAC 和 ADC 均以基帶采樣頻率運行?；谶@種零中頻架構(gòu)的收發(fā)器稱為 零中頻收發(fā)器。

直接變頻架構(gòu)具有許多優(yōu)越的特性，接收機接收到的射頻信號無需經(jīng)過中頻階段直接到I/Q解調(diào)器，進入基帶部分，這樣就減少了超外差架構(gòu)里面昂貴的中頻模塊，比如混頻器和中頻濾波器,所以這部分的成本和尺寸都可以縮小，如同在《零中頻架構(gòu)，這個帖子講透了》中所述，零中頻架構(gòu)更容易集成在一塊RFIC中。

No3 直接射頻采樣 RF Sampling

更進一步，我們是否可以進行直接射頻采樣，將數(shù)字信號直接采樣成射頻信號進行發(fā)射接收?當然這取決于AD/DA的轉(zhuǎn)換速率，如果直接能達到射頻熟慮，那這個未嘗不可。并且AD/DA的轉(zhuǎn)換速率也在不斷提高，主要半導體公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的采樣速率比十年前的產(chǎn)品快了好幾個數(shù)量級。例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采樣速率為250 MS/s;而到了2018年，12位ADC的采樣率已經(jīng)達到6.4 GS/s。由于這些性能的提高，轉(zhuǎn)換器可以直接數(shù)字化RF頻率的信號，并為現(xiàn)代通信和雷達系統(tǒng)提供足夠的動態(tài)范圍。

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上圖就是直接射頻采樣的接收機架構(gòu)，僅由低噪聲放大器、適當?shù)臑V波器和ADC組成。圖2中的接收器不需要使用混頻器和LO;ADC直接數(shù)字化RF信號并將其發(fā)送到處理器。在這個架構(gòu)中，您可以通過數(shù)字信號處理(DSP)實現(xiàn)接收器的許多模擬組件。例如，您可以使用直接數(shù)字轉(zhuǎn)換(DDC)來隔離終端信號，而不需要使用混頻器。此外，在大多數(shù)情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，您還可以使用數(shù)字濾波替換大部分模擬濾波。

由于不需要模擬頻率轉(zhuǎn)換，直接RF采樣接收器的整體硬件設計要簡單得多，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更小的組成結(jié)構(gòu)和更低的設計成本。

結(jié)尾

除了上文提到的幾種常見的射頻收發(fā)架構(gòu)，還有很多，比如處于超外差和零中頻之間的中和架構(gòu)——低中頻架構(gòu)，以及我們很早就接觸到但是尚未稱為現(xiàn)實的軟件無線電SDR架構(gòu)，也許有一天，在無線移動基站應用中，我們能夠看到真正的軟件無線電。

回到文章開始提到的5G AAU，如何做到小體積和輕量化，我想離開射頻架構(gòu)的發(fā)展，也是天方夜譚。

審核編輯：湯梓紅