射頻收發(fā)機(jī)分類和應(yīng)用

射頻收發(fā)機(jī)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(jìn)行穩(wěn)定可靠的工作。射頻收發(fā)機(jī)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，其中，發(fā)射機(jī)的功能是將基帶調(diào)制信號(hào)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(jī)是通過天線將空間中微弱的射頻信號(hào)接收下來，再經(jīng)過濾波、放大，下變頻等處理得到基帶信號(hào)，最后送到解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)?，F(xiàn)代無線通信當(dāng)中，隨處可見各種各樣的射頻收發(fā)機(jī)，那么這些收發(fā)機(jī)之間又有什么區(qū)別呢？

從技術(shù)角度來說，收發(fā)機(jī)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(jī)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(shí)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(hào)變到中頻，然后再變到模擬基帶或射頻信號(hào)。這種架構(gòu)的收發(fā)機(jī)靈敏度和選擇性（抗帶外干擾的能力）很好，增益分配相對(duì)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(shí)因?yàn)樾枰啻巫冾l，混頻器的非線性特性會(huì)導(dǎo)致有較多的干擾頻率，對(duì)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(dá)等領(lǐng)域有一席之地。

圖1：超外差收發(fā)機(jī)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(shí)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(jìn)行了模擬和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的濾波和調(diào)制解調(diào)。相對(duì)超外差收發(fā)機(jī)，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(qiáng)。上個(gè)世紀(jì)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(jī)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(jì)并提高性能。

在數(shù)字中頻接收端，ADC將中頻信號(hào)數(shù)字化，然后進(jìn)入數(shù)字下變頻（DDC），通過抽取濾波和下變頻將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到基帶。在發(fā)射端，基帶數(shù)字信號(hào)被送到數(shù)字上變頻(DUC)，進(jìn)行插值濾波和上變頻，然后經(jīng)過DAC將數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)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(jì)的壓力。但數(shù)字中頻架構(gòu)的問題是，為滿足信號(hào)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(huì)對(duì)ADC和DAC的設(shè)計(jì)提出更高的要求，從而導(dǎo)致射頻收發(fā)機(jī)的成本和功耗增加。另外，數(shù)字中頻接收機(jī)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(jī)架構(gòu)

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

零中頻也叫直接變頻，即射頻信號(hào)不需要經(jīng)過中頻階段直接進(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)，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(duì)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(jī)首先用于消費(fèi)類終端，如尋呼機(jī)和手機(jī)，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(jī)架構(gòu)的缺點(diǎn)，一般需通過專門的校準(zhǔn)算法來改善，以滿足基站苛刻的射頻指標(biāo)要求。零中頻的優(yōu)勢(shì)在于所需要用到的器件少，容易集成，而且性能也不錯(cuò)，除了DC無法從原理上根除外，幾乎沒有太多的劣勢(shì)。比如我們常見的3G/4G/5G，WIFI等相對(duì)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(huì)對(duì)鏡像提出更高要求。對(duì)于像GNSS（GPS+BeiDou+GLONASS等）這種用于導(dǎo)航的窄帶衛(wèi)星接收機(jī)，以及藍(lán)牙這種窄帶應(yīng)用，通常用低中頻的方案會(huì)比零中頻更有優(yōu)勢(shì)。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(jī)架構(gòu)

四、射頻直采(RF Sampling)架構(gòu)的收發(fā)機(jī)。

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(jī)，也已經(jīng)在部分領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(hào)的數(shù)字化，同時(shí)數(shù)字化后的信號(hào)要盡可能多地用軟件來進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各種功能和指標(biāo)。射頻直采因?yàn)樵鲆嫒糠峙湓谏漕l端，所以對(duì)射頻器件提出了更高的要求，功耗也相對(duì)零中頻更高。射頻直采方案對(duì)射頻濾波器的要求要遠(yuǎn)高于零中頻架構(gòu)中的射頻濾波器，因?yàn)榛鶐Ф藳]有模擬低通濾波器了，所有的干擾信號(hào)都要通過僅有的射頻濾波器來實(shí)現(xiàn)抑制。

圖4：射頻直采收發(fā)機(jī)架構(gòu)

五、基于PLL的直接調(diào)制發(fā)射機(jī)。

直接調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過濾波后，直接對(duì)射頻載波進(jìn)行模擬調(diào)頻。常見的直接調(diào)制方式包括單點(diǎn)調(diào)制、兩點(diǎn)調(diào)制、多點(diǎn)調(diào)制等。從圖5可以看到，PLL兩點(diǎn)調(diào)制發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn)，成本更低。但PLL兩點(diǎn)調(diào)制只是用到了頻率調(diào)制,因此對(duì)于數(shù)據(jù)量較小的通信方式會(huì)友好一些，比如對(duì)講機(jī)的應(yīng)用，但對(duì)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(diǎn)調(diào)制發(fā)射機(jī)

除上述常見收發(fā)機(jī)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(jìn)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(biāo)調(diào)制架構(gòu)等，在此不一一贅述。

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

表1：常見應(yīng)用的收發(fā)機(jī)組合

參考文獻(xiàn)：

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[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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