詳解射頻收發系統架構

今天我們接著學習關于射頻系統架構相關的知識。當我們為無線通信系統設計收發機時，可能有很多考慮的因素，比如性能，成本，能耗以及重量體積。就比如在現在的5G AAU的設計中，可能越來越多的運營商會關注AAU的能耗，以及重量體積，畢竟電老虎有點吃不消了，而且鐵塔也有相應的負荷要求，所以我們看到，越來越多體積小，重量輕并且低能耗的AAU被研發了出來。比如愛立信在去年9月29號推出的了一款獨具匠心的革命性產品—僅重12kg的中頻段mini-AAU產品—AIR 3268。AIR 3268重12公斤，體積23升，32通道，載波總帶寬200MHz，輸出功率200W，同時功耗降低約10%。3UIednc

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 來源于 愛立信官網 www.ericsson.com3UIednc

這就決定于我們的射頻系統選用什么架構。今天我們一起學習三種最常用的射頻收發機架構——超外差架構和零中頻架構和直接射頻采樣。3UIednc

No1 超外差結構 Superheterodyne Architecture3UIednc

目前大多數的無線通信系統都選用了超外差結構，比如在2G，3G和4G通信系統中，我們最常見的就是這種超外差收發機。這種結構相較于其他結構來說有著比較好的性能表現。但在5G上，更常用的是結構更簡單的零中頻結構，因為。3UIednc

我們首先來了解一下超外差架構的歷史。它是在一戰期間和剛結束時Edwin Howard Armstrong發明的，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年發明了超外差接收機，同時發明了FM廣播。3UIednc

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說到超外差架構，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，是不是還有內插。外差這個詞是Reginald Aubrey Fessenden在1901年提出來的，他將混頻產生新的信號的想法稱為”外差“，并且給出了具有一次混頻結構的接收機架構稱為外差接收機，如下圖所示：它需要一個混頻器將調制的射頻信號帶入調制的中頻信號，該信號應用于 I/Q 解調器，將調制的低中頻帶入零中頻的基帶。3UIednc

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Armstrong 對外差接收機進行了改進，發明了超外差接收機。超外差，就是具有兩次和兩次以上混頻結構的接收機，如下圖所示。在超外差接收機中，需要兩個混頻器將調制的射頻信號變成調制的中頻信號。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 解調器，它將低中頻信號變為零中頻基帶信號。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生的信號一起輸入到混頻器中得到中頻信號，或者在發射機中將中頻信號混頻為射頻信號的過程就是超外差。在超外差結構中，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生一次，超外差架構會有多個中頻頻率和中頻模塊。3UIednc

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了解了外差和超外差的基本結構外，我們介紹在無線通信系統中常用的超外差收發機的結構圖，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。3UIednc

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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）。3UIednc

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物。3UIednc

I/Q 解調器是第二個頻率轉換器，它將信號頻率從 IF 下變頻到 BB。解調器包含兩個混頻器，它將 IF 信號轉換為 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 信號轉換為數字信號，以便在數字基帶中進一步處理。與超外差接收機類似，超外差發射機也由BB、IF、BB三部分組成。3UIednc

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。在這種無線電架構的模擬 BB 部分中實現增益控制的情況很少見。其原因是接收器或發射器中的 BB 部分具有 I 和 Q 兩個通道，并且很難在 BB 增益變化范圍內將 I 和 Q 通道幅度不平衡保持在允許的容差內。3UIednc

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No.2 直接變頻/零中頻架構 Direct Conversion (Zero-IF)3UIednc

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機。直接變頻意味著射頻信號不需要經過中頻階段直接進入I/Q解調，變換到基帶信號，中間不產生中頻信號，因此也叫做零中頻接收機，如下圖所示。3UIednc

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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換為基帶 I（同相）和 Q（正交相位）信號。在此架構中，DAC 和 ADC 均以基帶采樣頻率運行?；谶@種零中頻架構的收發器稱為 零中頻收發器。3UIednc

直接變頻架構具有許多優越的特性，接收機接收到的射頻信號無需經過中頻階段直接到I/Q解調器，進入基帶部分，這樣就減少了超外差架構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，這個帖子講透了》中所述，零中頻架構更容易集成在一塊RFIC中。3UIednc

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No3 直接射頻采樣 RF Sampling3UIednc

更進一步，我們是否可以進行直接射頻采樣，將數字信號直接采樣成射頻信號進行發射接收？當然這取決于AD/DA的轉換速率，如果直接能達到射頻熟慮，那這個未嘗不可。并且AD/DA的轉換速率也在不斷提高，主要半導體公司的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的采樣速率比十年前的產品快了好幾個數量級。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的采樣率已經達到6.4 GS/s。由于這些性能的提高，轉換器可以直接數字化RF頻率的信號，并為現代通信和雷達系統提供足夠的動態范圍。3UIednc

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上圖就是直接射頻采樣的接收機架構，僅由低噪聲放大器、適當的濾波器和ADC組成。圖2中的接收器不需要使用混頻器和LO；ADC直接數字化RF信號并將其發送到處理器。在這個架構中，您可以通過數字信號處理(DSP)實現接收器的許多模擬組件。例如，您可以使用直接數字轉換(DDC)來隔離終端信號，而不需要使用混頻器。此外，在大多數情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，您還可以使用數字濾波替換大部分模擬濾波。3UIednc

由于不需要模擬頻率轉換，直接RF采樣接收器的整體硬件設計要簡單得多，從而能夠實現更小的組成結構和更低的設計成本。3UIednc

結尾3UIednc

除了上文提到的幾種常見的射頻收發架構，還有很多，比如處于超外差和零中頻之間的中和架構——低中頻架構，以及我們很早就接觸到但是尚未稱為現實的軟件無線電SDR架構，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。3UIednc

回到文章開始提到的5G AAU，如何做到小體積和輕量化，我想離開射頻架構的發展，也是天方夜譚。3UIednc

參考圖書鏈接：3UIednc

參考文獻3UIednc

• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/direct-conversion-receiver
• https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Zero-IF-Architecture-based-Transceiver.html
• https://www.rfwireless-world.com/Terminology/heterodyne-receiver-versus-homodyne-receiver.html
• https://www.ni.com/zh-cn/innovations/white-papers/18/advantages-of-direct-rf-sampling-architectures.html
• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/conversion-architecture
• https://www.techplayon.com/revising-superheterodyne-transceiver-radio-architecture-design-considerations-image-issue-resolution/
• https://www.microwaves101.com/encyclopedias/superheterodyne-receivers#:~:text=A%20superheterodyne%20receiver%20contains%20a%20combination%20of%20amplification,different%20frequencies%20together%2C%20resulting%20in%20a%20%22beat%22%20frequency.
• https://www.microwaves101.com/encyclopedias/microwave-hall-of-fame-part-i#fessenden
• https://www.microwaves101.com/encyclopedias/microwave-hall-of-fame-part-i#armstrong