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    • No1 超外差結構 Superheterodyne Architecture
    • No.2 直接變頻/零中頻架構 Direct Conversion (Zero-IF)
    • No3 直接射頻采樣 RF Sampling
    • 結尾
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三種最常用的射頻收發(fā)機架構

09/19 11:55
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作者:RF 小木匠

大家好,這里是射頻學堂】。今天我們接著學習關于射頻系統(tǒng)架構相關的知識。

No1 超外差結構 Superheterodyne Architecture

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

我們首先來了解一下超外差架構的歷史。它是在一戰(zhàn)期間和剛結束時Edwin Howard Armstrong發(fā)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(fā)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(fā)明了超外差接收機,同時發(fā)明了FM廣播。

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(nèi)插。外差這個詞是Reginald Aubrey Fessenden在1901年提出來的,他將混頻產(chǎn)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(diào)制的射頻信號帶入調(diào)制的中頻信號,該信號應用于 I/Q 解調(diào)器,將調(diào)制的低中頻帶入零中頻的基帶。

Armstrong 對外差接收機進行了改進,發(fā)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(diào)制的射頻信號變成調(diào)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(diào)器,它將低中頻信號變?yōu)榱阒蓄l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(chǎn)生的信號一起輸入到混頻器中得到中頻信號,或者在發(fā)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(fā)生一次,超外差架構會有多個中頻頻率和中頻模塊。

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(tǒng)中常用的超外差收發(fā)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。

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)。

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(chǎn)物。

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

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(xiàn)增益控制的情況很少見。其原因是接收器或發(fā)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(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 Direct Conversion (Zero-IF)

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(fā)機。直接變頻意味著射頻信號不需要經(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,因此也叫做零中頻接收機,如下圖所示。

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(zhuǎn)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(fā)器稱為 零中頻收發(fā)器。

直接變頻架構具有許多優(yōu)越的特性,接收機接收到的射頻信號無需經(jīng)過中頻階段直接到I/Q解調(diào)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。

No3 直接射頻采樣 RF Sampling

更進一步,我們是否可以進行直接射頻采樣,將數(shù)字信號直接采樣成射頻信號進行發(fā)射接收?當然這取決于AD/DA的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率也在不斷提高,主要半導體公司模數(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)品快了好幾個數(shù)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(jīng)達到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,并為現(xiàn)代通信和雷達系統(tǒng)提供足夠的動態(tài)范圍。

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?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信號并將其發(fā)送到處理器。在這個架構中,您可以通過數(shù)字信號處理(DSP)實現(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)來隔離終端信號,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計要簡單得多,從而能夠?qū)崿F(xiàn)更小的組成結構和更低的設計成本。

結尾

除了上文提到的幾種常見的射頻收發(fā)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(xiàn)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。

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(fā)展,也是天方夜譚。

參考文獻

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

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