一文淺談射頻收發(fā)機

射頻收發(fā)機早已融入現(xiàn)代人的生活，每天都有海量的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)接脩舳恕Ｄ欠駥ζ浼軜?gòu)產(chǎn)生過好奇？射頻發(fā)射機是怎么將龐大的數(shù)字信息發(fā)射到空氣中？射頻接收機又是怎么將接收到的信息進行處理？射頻收發(fā)機里面蘊藏什么關(guān)鍵性技術(shù)？本文將隨著信號流動的方向帶領(lǐng)您領(lǐng)略人類科技的結(jié)晶。同時在文章最后，作者將拋磚引玉的分享自己對于射頻收發(fā)機發(fā)展的一些愚見供大家思考。

1. 射頻收發(fā)機的構(gòu)成

射頻收發(fā)機是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，包含了數(shù)據(jù)處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、頻率變換、放大濾波、隔離發(fā)射眾多步驟。其主要的目的便是將通信專業(yè)同學(xué)研究的原本只能存在電子設(shè)備中的編碼波形，變成脫韁的電磁波發(fā)射出去；并在其他的地方進行接收并提取信息。射頻收發(fā)機有源系統(tǒng)部分框圖如下圖所示

這篇文章將從信號的流動開始，講述承載信號的硬件模塊。為了不讓整篇文章顯得冗雜且晦澀難懂，筆者會忽略掉每個模塊的技術(shù)細(xì)節(jié)，在以后的文章中單獨講解。

2. 信號的流動方式

信號如水流，她不會憑空出現(xiàn)，亦不會突然消失，不論她是什么樣的形態(tài)都需要一個載體。比如我們發(fā)出的聲音需要振動的介質(zhì)，看的文字需要顯示的介質(zhì),數(shù)字世界中的信號傳輸需要電路。

信號的本質(zhì)是攜帶著0或1編碼的水流，但水流的大小卻受限于接納她的入口，入口越大，水流越快，大就是好。然而水能載舟，亦能覆舟，大意味著施工難度大，材料需求高，人員成本高，維護難度大，故在不同需求中采用的方案也有所區(qū)別。

信號的流動有兩種方式，一種是緩存式信號流，另一種是實時式信號流。顧名思義，緩存式信號流是將信號先緩存到存儲設(shè)備中，如DDR中，再進入信號處理模塊；實時信號流則是直接通過GTY收發(fā)器、LVDS等接口實時的將外部信號流導(dǎo)入信號處理模塊。

為什么會出現(xiàn)兩種不同的處理方式呢？對于FPGA本身，內(nèi)部在不考慮資源消耗的情況下，進行信號流動處理時幾乎沒有速度限制，他就如一片汪洋的大海。然而信號流的傳入接口卻需要和外部進行的連接，這樣的連接好比汪洋大海的入口只有一個水渠，大大限制了水流大小。下表給出了不同連接協(xié)議之間信號傳輸?shù)乃俾?/p>

可以看出，若想要實時傳輸40Gbps及以上的信號時，只能采用QSFP+和QSFP28光模塊；但若想要在未搭載這些接口的硬件設(shè)備中，實現(xiàn)更高點數(shù)信號的處理，則可以用緩存的方式，以打包的方式來進行傳輸。就好比點點滴滴匯入星辰大海，理論上串口也可以傳輸包含千萬個數(shù)據(jù)點的信號，當(dāng)然其缺點也很明顯，需要等待億點點時間。

3. 信號的處理過程

數(shù)字模塊中數(shù)字部分主要由兩個部分構(gòu)成，一個是信號實時流動的路徑，另一個則是針對信號流動的參數(shù)計算，即FPGA+處理器架構(gòu)。而處理器架構(gòu)又分為單片機、ARM、DSP、CPU等等，我們這篇文章不講很細(xì)節(jié)的區(qū)別。因為本質(zhì)上，數(shù)字模塊也都是由一個個邏輯門構(gòu)成，都和FPGA沒有本質(zhì)區(qū)別，而不同的架構(gòu)本質(zhì)上可以理解為根據(jù)需求不同，其承載不同開發(fā)者的社區(qū)文化，所分享的軟件不同而已。目前國際上一種趨勢是將FPGA+處理器同時在同一個芯片中進行實現(xiàn)，如Zynq結(jié)構(gòu)，這樣可以將它們之間的數(shù)據(jù)互通問題更簡單的解決掉。

信號在主干道上是不停流動的，其數(shù)據(jù)處理模塊都是并行處理，只能由FPGA來擔(dān)任。如觸發(fā)同步、功率校準(zhǔn)、預(yù)失真器、通道補償、諧波抑制等模塊都是需要例化出實際的電路，信號需要在物理上真實的“流”過這些模塊。主干道的模塊中有大大小小的開關(guān)，這些開關(guān)需要在不同的情況下進行切換，將信號導(dǎo)向不同的路段進行傳輸。

這些開關(guān)的控制則需要處理器來實現(xiàn)，而處理器中的指令是逐條實現(xiàn)的，因此速率會相較信號流低很多，其勝在靈活性和統(tǒng)一性。不同算法可以在同樣的架構(gòu)上進行不同的嘗試，同時有很多現(xiàn)成的協(xié)議。處理器運行操作系統(tǒng)，需要一些外設(shè)，包括存儲設(shè)備Flash、EMMC、SD卡，主要將系統(tǒng)和應(yīng)用文件放在里面，多種存儲設(shè)備共存可以互為備份提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；內(nèi)存設(shè)備DDR，開機后的系統(tǒng)文件緩存在其中運行，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行速率；指令傳輸設(shè)備串口/JTAG，可方便開發(fā)者進行指令傳輸和調(diào)試；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以太網(wǎng)/USB，進行大數(shù)據(jù)量的交互。

數(shù)字模塊中數(shù)模轉(zhuǎn)換部分主要是DAC和ADC。為什么要進行數(shù)模轉(zhuǎn)換呢？這是因為我們需要建立電路到世界的橋梁，電路是人為制造的產(chǎn)物，0和1無法在茫?？臻g中傳播。除非將人造線纜連接到世界的各個角落，終端，空間站，信號才能進行傳輸。想要在廣袤的空間乃至星海中進行傳播，那就必須回歸世界本身的規(guī)則，產(chǎn)生模擬信號進行傳輸。事實上，在人類出現(xiàn)前，空間就彌漫著各種電磁波，人類從來都沒有發(fā)明電磁波，只是發(fā)現(xiàn)并利用了它。

射頻模塊根據(jù)結(jié)構(gòu)主要分為直接采樣結(jié)構(gòu)和變頻結(jié)構(gòu)。直接采樣即不通過變頻方式直接處理射頻信號，該結(jié)構(gòu)主要是對于技術(shù)和工藝的突破，使得DAC和ADC的采樣率能超過實際射頻頻率。如賽靈思的RFSoC ZU47DR芯片中便集成了數(shù)字模塊和采樣率5.0 GSPS的ADC和9.85GSPS的DAC，使得直接發(fā)射一個射頻頻率3.5 GHz，帶寬1.2 GHz的寬帶信號也綽綽有余。變頻結(jié)構(gòu)，不管是零中頻架構(gòu)還是超外差架構(gòu)，本質(zhì)都是一種成本和技術(shù)上的妥協(xié)。如果說直接采樣結(jié)構(gòu)是硬骨頭扛鼎，那么變頻結(jié)構(gòu)則是四兩撥千斤?；祛l器作為杠桿，本振作為支點，將原本低頻的信號通過該杠桿變?yōu)楦哳l信號方便傳播。

功放模塊功能則更加簡單，信號在空間中傳播是存在衰減的，介質(zhì)會不停的汲取傳播過程中的能量。如何將信號傳播的更遠，那需要將功率增加，一級不夠就兩級，兩級不夠就三級，直到功率夠格為止，最終放大后的信號便可通過天線發(fā)送到空氣中進行傳播，等待遠方同胞進行接收。

4. 射頻收發(fā)機的關(guān)鍵性技術(shù)

前面梳理了射頻收發(fā)機的構(gòu)成和運行原理，本節(jié)希望對射頻收發(fā)機中的一些筆者認(rèn)為的關(guān)鍵技術(shù)進行分享。我們目前的研究水平如何？和國際水平存在差異嗎？差異要怎么進行彌補？

基礎(chǔ)層級下，是射頻收發(fā)機中各個關(guān)鍵性芯片的突破。從處理高速數(shù)據(jù)流的FPGA芯片，到高分辨率高采樣率的AD/DA；從低相噪低雜散的寬帶鎖相環(huán)，到高頻寬帶的混頻器芯片；從高線性的GaAs射頻芯片，到高功率的GaN芯片等等都是需要進行突破的，但這個層面對于普通設(shè)計者來說太過遙遠。筆者愚見，除了芯片本身的突破之外，目前核心在于觀念的突破，系統(tǒng)化的思維的培養(yǎng)。

射頻收發(fā)機的模塊看似不多，但實際上涉及到了許多學(xué)科之間的壁壘，每一科進行深入研究都能支撐大大小小獨立企業(yè)的發(fā)展。就如木桶效應(yīng)中所述的，一個系統(tǒng)的整體效能不是由其最強部分決定，而是最弱部分決定的。筆者主要是研究大功率大帶寬矢量收發(fā)器這一方向，在這方面，國際頂尖儀器供應(yīng)商基本都是國外廠商，如羅德與施瓦茨，是德科技，恩艾科技等等。這幾年國內(nèi)儀器廠商如雨后春筍冒出，但在金字塔尖的高端儀器領(lǐng)域還有不少的路需要走。

筆者愚見，其中一個問題在于國內(nèi)的研究聚焦于獨立的專業(yè)領(lǐng)域。設(shè)計數(shù)字模塊的僅關(guān)注數(shù)字編碼、采樣率、中頻頻率、DA/AD；設(shè)計變頻模塊的僅關(guān)注頻段、雜散、相噪、動態(tài)；設(shè)計功放模塊的僅關(guān)注增益、功率、線性度；設(shè)計射頻算法的人才更是寥寥無幾，大部分也僅關(guān)注IQ不平衡、校準(zhǔn)等。雖然也有研究系統(tǒng)的團隊，但對于系統(tǒng)間關(guān)鍵性技術(shù)還需要進一步探索。最后會陷入一個怪圈，將各個模塊進行極致性能打磨后，卻最終實現(xiàn)了一個相對平庸的性能。

個人覺得，真正的系統(tǒng)設(shè)計理念不應(yīng)該是這樣的。其一，這個世界是公平的，而高端射頻收發(fā)機中幾乎所有指標(biāo)都是相互制衡的，無法同時達到最佳，無法既要又要；其二，不能讓各個模塊僅各司其職，而是相互扶持，真正實現(xiàn)數(shù)字增強射頻，射頻創(chuàng)造系統(tǒng)的理念。這里闡述一些筆者認(rèn)為的關(guān)鍵性技術(shù)，相對成熟的方法便不再本文討論，本文主要是我們射頻系統(tǒng)專欄的一個架構(gòu)性總覽文章。工程實現(xiàn)、技術(shù)細(xì)節(jié)、前沿研究等將在以后文章獨立分享，敬請期待。

從數(shù)字模塊開始，F(xiàn)PGA和Linux操作系統(tǒng)可以實現(xiàn)射頻算法，其中可形成通道補償、數(shù)字預(yù)失真、諧波抑制等IP。通道補償針對所有射頻電路進行補償，一般采用帶記憶項的濾波器組進行補償，在不同的條件下需要更新補償條件。數(shù)字預(yù)失真針對系統(tǒng)非線性進行補償，諧波抑制針對系統(tǒng)諧波特性進行改善。數(shù)字改善確定性，射頻改善隨機性。比如增益/相位波動、部分雜散、功放基波/諧波非線性特性等屬于確定性特性，發(fā)揮數(shù)字端高精度的特點可事半功倍；而射頻則需要解決隨機性和提高可改善性，隨機性如噪聲系數(shù)、相噪、部分雜散等。提高可改善性便需要進行比較深入的研究了，需要探索數(shù)字電路和射頻電路的磨合極限與其平衡點。

射頻模塊也有很多新的研究點，細(xì)心的朋友已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我這里使用的是射頻模塊而不是變頻模塊。因為變頻并不是必須的，DA/AD性能如此強大的如今，混合結(jié)構(gòu)是未來發(fā)展的前景，針對不同射頻頻率采用不同的架構(gòu)。通過數(shù)字模塊強大的精確度引入本振對消、雜散對消、時鐘對消等技術(shù)；通過切換采樣率更換中頻使得變頻結(jié)構(gòu)從二次變頻簡化為一次變頻、一次變頻簡化為直接采樣。在實現(xiàn)相同功能的情況下，越簡約的架構(gòu)，性能和穩(wěn)定性越高，但簡約不意味著簡單，相反這需要整個系統(tǒng)的協(xié)同配合。

功放模塊同樣也有很多研究點，功放的前沿研究一直圍繞著更寬的帶寬、更高的效率進行。功放作為射頻收發(fā)機系統(tǒng)的功耗大戶，除了運營成本之外，更重要的是低能效意味著高熱量和低穩(wěn)定度。晶體管的壽命是受溫度影響的，過高的熱量會損壞器件，通常一個手指粗細(xì)的晶體管消耗的熱量需要數(shù)十倍于其體積的鋁塊加上風(fēng)冷/水冷才能保持系統(tǒng)正常運行。采用電源調(diào)制、負(fù)載調(diào)制等結(jié)構(gòu)均是為了提高其效率，但其又會帶來非線性惡化等新的問題，這時數(shù)字模塊中嵌入射頻算法進行聯(lián)合設(shè)計是解決這些問題的辦法。

5. 小結(jié)

本文針對射頻收發(fā)機架構(gòu)進行了簡單的分享。同時筆者認(rèn)為，數(shù)字模塊、射頻模塊、功放模塊需要聯(lián)合設(shè)計構(gòu)成一個整體才能發(fā)揮其實力，真正做到“聚是一團火,散是滿天星”。
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審核編輯 黃宇