常用射頻系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

今天我們接著學(xué)習(xí)關(guān)于射頻系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)的知識(shí)。

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

目前大多數(shù)的無(wú)線(xiàn)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(jiàn)的就是這種超外差收發(fā)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)相較于其他結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)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(jiǎn)單的零中頻結(jié)構(gòu)，因?yàn)椤?/p>

我們首先來(lái)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(shí)Edwin Howard Armstrong發(fā)明的，并于 1918 年獲得專(zhuān)利。這個(gè)人最牛逼的地方是，當(dāng)時(shí)還在讀高中時(shí)，就開(kāi)始研究無(wú)線(xiàn)電，在他位于紐約揚(yáng)克斯 (Yonkers) 的父母家中豎起了一根 125 英尺高的無(wú)線(xiàn)電桅桿，以接收當(dāng)時(shí)微弱的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。1912 年還在上大學(xué)時(shí)，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(gè)可用的電放大器，并于 1913 年提交了再生接收器的專(zhuān)利，并且在1918年發(fā)明了超外差接收機(jī)，同時(shí)發(fā)明了FM廣播。

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說(shuō)到超外差架構(gòu)，可能很多同學(xué)對(duì)”超外差“這個(gè)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(gè)詞是Reginald Aubrey Fessenden在1901年提出來(lái)的，他將混頻產(chǎn)生新的信號(hào)的想法稱(chēng)為”外差“，并且給出了具有一次混頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)架構(gòu)稱(chēng)為外差接收機(jī)，如下圖所示：它需要一個(gè)混頻器將調(diào)制的射頻信號(hào)帶入調(diào)制的中頻信號(hào)，該信號(hào)應(yīng)用于 I/Q 解調(diào)器，將調(diào)制的低中頻帶入零中頻的基帶。

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

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

接收器的 RF 部分包括作為頻率預(yù)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(gè) IF 放大器 (FA)，然后是一個(gè) 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(gè)頻率轉(zhuǎn)換器，它將信號(hào)頻率從 IF 下變頻到 BB。解調(diào)器包含兩個(gè)混頻器，它將 IF 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 I 和 Q 信號(hào)——即兩個(gè) 90" 相移的 BB 信號(hào)。低通濾波器 (LPF) 在每個(gè)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(jìn)一步抑制干擾。濾波后的 I 和 Q BB 信號(hào)由 BB 放大器放大，然后 ADC 將放大后的 BB 信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便在數(shù)字基帶中進(jìn)一步處理。與超外差接收機(jī)類(lèi)似，超外差發(fā)射機(jī)也由BB、IF、BB三部分組成。

中頻部分的增益控制大概占整個(gè)增益控制范圍的 75% 或更多。在這種無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)的模擬 BB 部分中實(shí)現(xiàn)增益控制的情況很少見(jiàn)。其原因是接收器或發(fā)射器中的 BB 部分具有 I 和 Q 兩個(gè)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(jī)，那是不是不用混頻模塊也可以，于是射頻科學(xué)家在1980年左右開(kāi)始使用直接變頻的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)。直接變頻意味著射頻信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)中頻階段直接進(jìn)入I/Q解調(diào)，變換到基帶信號(hào)，中間不產(chǎn)生中頻信號(hào)，因此也叫做零中頻接收機(jī)，如下圖所示。

如圖所示，LO（本地振蕩器）頻率設(shè)置為所需要的頻率，因此接收信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為基帶 I（同相）和 Q（正交相位）信號(hào)。在此架構(gòu)中，DAC 和 ADC 均以基帶采樣頻率運(yùn)行?；谶@種零中頻架構(gòu)的收發(fā)器稱(chēng)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(jī)接收到的射頻信號(hào)無(wú)需經(jīng)過(guò)中頻階段直接到I/Q解調(diào)器，進(jìn)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(gè)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(jìn)一步，我們是否可以進(jìn)行直接射頻采樣，將數(shù)字信號(hào)直接采樣成射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射接收？當(dāng)然這取決于AD/DA的轉(zhuǎn)換速率，如果直接能達(dá)到射頻熟慮，那這個(gè)未嘗不可。并且AD/DA的轉(zhuǎn)換速率也在不斷提高，主要半導(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dá)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(hào)，并為現(xiàn)代通信和雷達(dá)系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。

上圖就是直接射頻采樣的接收機(jī)架構(gòu)，僅由低噪聲放大器、適當(dāng)?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(hào)并將其發(fā)送到處理器。在這個(gè)架構(gòu)中，您可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)實(shí)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(lái)隔離終端信號(hào)，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(shè)計(jì)要簡(jiǎn)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(shè)計(jì)成本。

結(jié)尾

除了上文提到的幾種常見(jiàn)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(chēng)為現(xiàn)實(shí)的軟件無(wú)線(xiàn)電SDR架構(gòu)，也許有一天，在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)基站應(yīng)用中，我們能夠看到真正的軟件無(wú)線(xiàn)電。

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

編輯：黃飛

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