射頻收發(fā)機分類和應(yīng)用

射頻收發(fā)機是無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán)，其性能優(yōu)劣直接決定了通信系統(tǒng)能否進行穩(wěn)定可靠的工作。射頻收發(fā)機由發(fā)射機和接收機組成，其中，發(fā)射機的功能是將基帶調(diào)制信號通過上變頻、放大、濾波等處理搬移到射頻頻率，并通過天線發(fā)射出去；而接收機是通過天線將空間中微弱的射頻信號接收下來，再經(jīng)過濾波、放大，下變頻等處理得到基帶信號，最后送到解調(diào)模塊進行解調(diào)。現(xiàn)代無線通信當中，隨處可見各種各樣的射頻收發(fā)機，那么這些收發(fā)機之間又有什么區(qū)別呢？

從技術(shù)角度來說，收發(fā)機主要分為以下幾類

一、超外差架構(gòu)(Super-Heterodyne)。

超外差式收發(fā)機是最經(jīng)典的架構(gòu)，自1918年誕生以來，在無線通信中被普遍應(yīng)用，雖然實施技術(shù)已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構(gòu)仍然是許多現(xiàn)代無線系統(tǒng)的關(guān)鍵。超外差一般通過兩次變頻，先將射頻或基帶信號變到中頻，然后再變到模擬基帶或射頻信號。這種架構(gòu)的收發(fā)機靈敏度和選擇性（抗帶外干擾的能力）很好，增益分配相對比較容易，但整體上需要用到的元器件比較多，并需要高Q值鏡頻抑制濾波器和信道選擇濾波器，體積較大，不利于集成，成本和功耗也比較高。同時因為需要多次變頻，混頻器的非線性特性會導(dǎo)致有較多的干擾頻率，對頻率規(guī)劃要求也較高。目前這種架構(gòu)在微波通信中比較常見。在諸如廣播、衛(wèi)星通信、高性能雷達等領(lǐng)域有一席之地。

圖1：超外差收發(fā)機架構(gòu)

二、數(shù)字中頻(Digital IF)架構(gòu)。

數(shù)字中頻架構(gòu)與超外差類似，主要的區(qū)別是將超外差的中頻部分實現(xiàn)了數(shù)字化處理，也就是說數(shù)字中頻架構(gòu)直接在中頻進行了模擬和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)了信號的濾波和調(diào)制解調(diào)。相對超外差收發(fā)機，數(shù)字中頻架構(gòu)使用的模擬器件更少，有利于減小系統(tǒng)尺寸，降低I/Q失配的可能，系統(tǒng)性能更強。上個世紀90年代，ADC和DAC技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)字中頻收發(fā)機的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)；到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉(zhuǎn)換器開始上市，許多高性能接收器開始采用中頻采樣以簡化無線電設(shè)計并提高性能。

在數(shù)字中頻接收端，ADC將中頻信號數(shù)字化，然后進入數(shù)字下變頻（DDC），通過抽取濾波和下變頻將中頻信號轉(zhuǎn)換到基帶。在發(fā)射端，基帶數(shù)字信號被送到數(shù)字上變頻(DUC)，進行插值濾波和上變頻，然后經(jīng)過DAC將數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

隨著ADC和DAC芯片的采樣率和精度的不斷提高，能夠直接處理的中頻頻率也越來越高，這樣有助于減輕射頻收發(fā)前端設(shè)計的壓力。但數(shù)字中頻架構(gòu)的問題是，為滿足信號多載波寬帶化以及載波聚合的需求，需提高中頻頻率，ADC和DAC需要更高的采樣率和分辨率，這樣就會對ADC和DAC的設(shè)計提出更高的要求，從而導(dǎo)致射頻收發(fā)機的成本和功耗增加。另外，數(shù)字中頻接收機需要外置中頻SAW濾波器用作抗混疊濾波，不利于全集成化。

圖2：數(shù)字中頻收發(fā)機架構(gòu)

三、零中頻(Zero-IF)架構(gòu)的收發(fā)機,包括零中頻的變種類型低中頻收發(fā)機(Low-IF)。

零中頻也叫直接變頻，即射頻信號不需要經(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，也就沒有中頻放大器、中頻濾波器等元器件，因此架構(gòu)相對簡單，系統(tǒng)尺寸更小，成本和功耗更低。零中頻架構(gòu)收發(fā)機首先用于消費類終端，如尋呼機和手機，以解決體積和功耗的難題；然后經(jīng)過不斷迭代發(fā)展，最終成功應(yīng)用在4G/5G基站上。直流偏移、本振泄露、I/Q失衡和閃爍噪聲是零中頻收發(fā)機架構(gòu)的缺點，一般需通過專門的校準算法來改善，以滿足基站苛刻的射頻指標要求。零中頻的優(yōu)勢在于所需要用到的器件少，容易集成，而且性能也不錯，除了DC無法從原理上根除外，幾乎沒有太多的劣勢。比如我們常見的3G/4G/5G，WIFI等相對大帶寬制式的應(yīng)用，通常是用零中頻架構(gòu)的。為了規(guī)避DC的影響，從零中頻架構(gòu)上衍生出來的低中頻架構(gòu)，可以很好解決DC問題，但會對鏡像提出更高要求。對于像GNSS（GPS+BeiDou+GLONASS等）這種用于導(dǎo)航的窄帶衛(wèi)星接收機，以及藍牙這種窄帶應(yīng)用，通常用低中頻的方案會比零中頻更有優(yōu)勢。零中頻架構(gòu)和低中頻架構(gòu)，由于其體積小、功耗低、成本低、便于集成、性能優(yōu)越等特性目前占據(jù)市場主導(dǎo)地位，如地芯科技GC080X射頻集成收發(fā)器系列產(chǎn)品。

圖3：零中頻收發(fā)機架構(gòu)

四、射頻直采(RF Sampling)架構(gòu)的收發(fā)機。

從圖4可以看到，射頻直采架構(gòu)變得更加簡單，得益于ADC/DAC技術(shù)的快速發(fā)展，射頻直采架構(gòu)的射頻收發(fā)機，也已經(jīng)在部分領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨特優(yōu)勢，尤其是在超大帶寬應(yīng)用領(lǐng)域，比如超過500MHz帶寬的應(yīng)用。該架構(gòu)更接近于理想的軟件定義無線電(SDR), 即ADC盡可能地靠近天線去完成射頻寬帶信號的數(shù)字化，同時數(shù)字化后的信號要盡可能多地用軟件來進行處理，實現(xiàn)各種功能和指標。射頻直采因為增益全部分配在射頻端，所以對射頻器件提出了更高的要求，功耗也相對零中頻更高。射頻直采方案對射頻濾波器的要求要遠高于零中頻架構(gòu)中的射頻濾波器，因為基帶端沒有模擬低通濾波器了，所有的干擾信號都要通過僅有的射頻濾波器來實現(xiàn)抑制。

圖4：射頻直采收發(fā)機架構(gòu)

五、基于PLL的直接調(diào)制發(fā)射機。

直接調(diào)制是將數(shù)字信號經(jīng)過濾波后，直接對射頻載波進行模擬調(diào)頻。常見的直接調(diào)制方式包括單點調(diào)制、兩點調(diào)制、多點調(diào)制等。從圖5可以看到，PLL兩點調(diào)制發(fā)射機的架構(gòu)比零中頻更加簡單，省掉了混頻器，DAC，模擬低通濾波器等器件，更容易集成實現(xiàn)，成本更低。但PLL兩點調(diào)制只是用到了頻率調(diào)制,因此對于數(shù)據(jù)量較小的通信方式會友好一些，比如對講機的應(yīng)用，但對于一些需要大數(shù)據(jù)量的通信就不太合適了。

圖5：PLL兩點調(diào)制發(fā)射機

除上述常見收發(fā)機架構(gòu)外，還有很多適用于特殊應(yīng)用的架構(gòu)類型。例如適用于二進制啟閉鍵控的OOK（on-off-keying）架構(gòu)，適用于高能效、高線性度場景的極坐標調(diào)制架構(gòu)等，在此不一一贅述。

以上幾種射頻收發(fā)機架構(gòu)，并非永遠完全獨立應(yīng)用的。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，經(jīng)常會選取不同的收發(fā)機組合。比如5G基站應(yīng)用中，發(fā)射機基本上都是零中頻，但接收機，尤其是做DPD的觀察通道，有時候會采用射頻直采架構(gòu)。表一給出了一些應(yīng)用會經(jīng)常采用的射頻發(fā)射機和射頻接收機的組合。

表1：常見應(yīng)用的收發(fā)機組合

參考文獻：

[1]. Qizheng Gu, “RF System Design of Transceivers for Wireless Communications”, Springer , 2005

[2].Wyatt Taylor, David Brown, “RF Transceivers Provide Breakthrough SWaP Solutions for Aerospace and Defense”, Analog Dialogue 50-09, September 2016

[3]. Brad Brannon, “Radio Architecture Matters: A Review of RF Sampling vs. Zero-IF”, TECHNICAL ARTICLES, Dec 1, 2021，https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/radio-architecture-matters.html

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