超外差架構(gòu)，究竟藏了多少秘密？

來源：射頻學(xué)堂 公眾號

作者：RF 小木匠

大家好，這里是【射頻學(xué)堂】。

在上周的推文中，我們介紹了無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的主要架構(gòu)，包括常見的超外差架構(gòu)，零中頻架構(gòu)和射頻采樣架構(gòu)，今天我們接著這個最常見的超外差架構(gòu)。

在上一章的學(xué)習(xí)中，我們知道了超外差架構(gòu)是Armstrong 在改進(jìn)Fessenden 的外差架構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)明的，也就是在一次混頻的基礎(chǔ)上，加入了二次混頻來提高接收機(jī)的性能。圖1給出了一個全雙工架構(gòu)的超外差收發(fā)機(jī)架構(gòu)，這也是應(yīng)用最為廣泛的一種架構(gòu)，比如之前的CDMA，WCDMA，AMPS和LTE-FDD等應(yīng)用及廣泛的移動通信系統(tǒng)中。對應(yīng)全雙工結(jié)構(gòu)，還有一種半雙工結(jié)構(gòu)，我們在后續(xù)的文章中再詳細(xì)介紹。

超外差架構(gòu)介紹

fig1 超外差基本架構(gòu)

在圖1所示的全雙工超外差架構(gòu)中，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中共有兩個射頻通道，經(jīng)過合路器Duplexer連接到同一幅寬頻天線中，這也是典型的頻分雙工架構(gòu)。

射頻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)各有各自的射頻頻率通道，這個收發(fā)雙工器一般有兩個工作于收發(fā)射頻通道的濾波器構(gòu)成，有一個輸入端口和兩個輸出端口，一個濾波器工作在接收頻率，一個工作在發(fā)射頻率。

下圖給出了一個雙工器的工作曲線，接收濾波器作為接收機(jī)的前置濾波器，用來抑制由發(fā)射通道泄露的射頻干擾信號，確保接收信號的干凈。發(fā)射濾波器作為發(fā)射機(jī)的最后一道關(guān)卡，用來抑制發(fā)射模塊的噪聲，雜散和諧波，確保發(fā)射出去的信號的干凈，減少對其他無線系統(tǒng)的干擾。

前端合路器的插損要求一般都比較高，接收濾波器的插損會影響接收機(jī)的噪聲系數(shù)，發(fā)射濾波器的插損直接就帶來發(fā)射信號的衰減，在一些大功率射頻系統(tǒng)中，通常用一些高Q值的諧振器做收發(fā)合路器，比如金屬腔，陶磁介質(zhì)濾波器等。在大多數(shù)的射頻系統(tǒng)中，我們都會用收發(fā)合路器來達(dá)到收發(fā)通道共用一幅寬頻天線的目的。但是在有些無線系統(tǒng)中，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)各自都有獨立的天線系統(tǒng)，那么這個合路器可以由其獨自的濾波器來代替，但是增加了天線的成本和占用的空間。

fig2 雙工器工作曲線

fig3 接收機(jī)鏈路

天線接收到的射頻信號通過合路器，來到了低噪聲放大器，低噪聲放大器在接收靈敏度上起了重要的作用，在接收機(jī)的動態(tài)范圍內(nèi)可以來調(diào)節(jié)低噪放的增益，然后再經(jīng)過一個射頻帶通濾波器，將發(fā)射機(jī)的泄露信號和低噪放的非線性產(chǎn)生的雜散和諧波進(jìn)一步濾除，這個帶通濾波器的插損要求就沒有合路器那么高了，帶外抑制要求也會下降，一般用SAW/BAW或者LTCC來實現(xiàn)。

然后信號進(jìn)入另一個射頻放大器中進(jìn)行放大，以為接收鏈路提供足夠的增益，讓減少混頻器和之后的噪聲對接收機(jī)噪聲系數(shù)和接收靈敏度的影響。接著在混頻器處接受來的無線信號和本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號進(jìn)行混頻，下變頻到中頻頻率，這個時候信號就可以有中頻放大器和中頻濾波器進(jìn)行處理，用來抑制混頻帶來的鏡像信號和其他諧波信號。然后進(jìn)入到I/Q解調(diào)器，I/Q解調(diào)器中信號頻率進(jìn)行第二次變換，方法和之前一樣，通過和本地振蕩器信號進(jìn)行混頻，將中頻信號變換到基帶信號。

I/Q解調(diào)器含有兩個路徑：I 路徑和Q路徑，分別通過混頻器將信號轉(zhuǎn)換為兩個正交基帶信號：I信號和Q信號。這里面用到了一個90°的移相器，將本地振蕩器產(chǎn)生的信號進(jìn)行相移，用來將振蕩器產(chǎn)生的本地震蕩信號分頻成兩個相位相差90°的本地震蕩信號。然后經(jīng)過低通濾波器和基帶放大器，為AD轉(zhuǎn)換器提供足夠的增益的干凈的基帶信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之后，在數(shù)字基帶中進(jìn)行處理。

fig4 發(fā)射機(jī)鏈路

發(fā)射機(jī)鏈路和接收鏈路剛好相反，數(shù)字基帶信號通過DA轉(zhuǎn)換器變換成模擬基帶信號，濾波器之后，通過混頻器上變頻到中頻信號，在I/Q調(diào)制器中進(jìn)行上變頻，然后將I信號和Q信號混合進(jìn)入中頻模塊，經(jīng)過中頻放大，濾波器之后，與本地振蕩器產(chǎn)生的信號進(jìn)行混頻，上變頻到射頻頻率，之后經(jīng)過可變增益放大器和驅(qū)動放大器將信號放大到能夠驅(qū)動功放的功率水平，經(jīng)過濾波器之后進(jìn)入功放，通過功放將信號進(jìn)一步放大到系統(tǒng)所設(shè)定的功率，通過收發(fā)雙工器濾波之后，通過天線輻射出去。功放的增益和線性度對輸出匹配比較敏感，因此一般會在功放的輸出端口加一個隔離器來保證功放輸出阻抗的一致性，同時也保護(hù)功放。

fig5 功放（來源于NXP）

通過上面的介紹，我們發(fā)現(xiàn)，其實收發(fā)機(jī)最主要就是通過混頻器讓信號進(jìn)行上變頻或者下變頻變換成我們所需要的頻率信號，在這個過程中，要經(jīng)過多次的功率放大和濾波。圖1所示的收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中，總共用到了9個放大器，七個濾波器（如果把收發(fā)雙工器看作是兩個濾波器的話）也是九個。這也說明了這些射頻器件的重要性。

隨著RFIC的發(fā)展，射頻收發(fā)系統(tǒng)會越來越集成，讓我們拭目以待。

注釋：【射頻學(xué)堂】轉(zhuǎn)載，原創(chuàng)的所有文章皆歸原作者所有，分享旨在學(xué)習(xí)，如有異議，請聯(lián)系射頻學(xué)堂刪除或者更改。祝您在射頻學(xué)堂，學(xué)習(xí)多多，收獲多多！