3种常见的射频收发架构分析

关于接收机结构我们从最传统的超外差结构开始介绍，超外差结构能提供非常好的性能，但这种结构需要大量分离元件，像滤波器、混频器、放大器等。由于小型化、个性化等等商用的需求，出现了零中频和低中频接收机结构，同时软件无线电（SDR）技术也为射频微波的发展提供了新的方向，随着开放的商用频率越来越多，越来越多的企业集中力量开发属于自己的SDR。

No1 超外差结构 Superheterodyne Architecture  

目前大多数的无线通信系统都选用了超外差结构，比如在2G，3G和4G通信系统中，我们最常见的就是这种超外差收发机。这种结构相较于其他结构来说有着比较好的性能表现。但在5G上，更常用的是结构更简单的零中频结构，因为。  

我们首先来了解一下超外差架构的历史。它是在一战期间和刚结束时Edwin Howard Armstrong发明的，并于 1918 年获得专利。这个人最牛逼的地方是，当时还在读高中时，就开始研究无线电，在他位于纽约扬克斯 (Yonkers) 的父母家中竖起了一根 125 英尺高的无线电桅杆，以接收当时微弱的无线电信号。1912 年还在上大学时，他发明了基于 Lee de Forest 三端音频管的反馈电路，提供了第一个可用的电放大器，并于 1913 年提交了再生接收器的专利，并且在1918年发明了超外差接收机，同时发明了FM广播。  

说到超外差架构，可能很多同学对”超外差“这个词不是很理解。我也是一直纳闷，为什么叫外插，是不是还有内插。外差这个词是Reginald Aubrey Fessenden在1901年提出来的，他将混频产生新的信号的想法称为”外差“，并且给出了具有一次混频结构的接收机架构称为外差接收机，如下图所示：它需要一个混频器将调制的射频信号带入调制的中频信号，该信号应用于 I/Q 解调器，将调制的低中频带入零中频的基带。

Armstrong 对外差接收机进行了改进，发明了超外差接收机。超外差，就是具有两次和两次以上混频结构的接收机，如下图所示。在超外差接收机中，需要两个混频器将调制的射频信号变成调制的中频信号。第一个混频器将 RF 信号带入高 IF 信号，而后一个混频器将高 IF 信号带入低 IF 信号。这适用于 I/Q 解调器，它将低中频信号变为零中频基带信号。

了解了外差和超外差的基本结构外，我们介绍在无线通信系统中常用的超外差收发机的结构图，下图所示。在超外差接收机链路中，通常包括射频RF部分，中频IF部分和基带BB部分。

接收器的 RF 部分包括作为频率预选器的双工器、低噪声放大器 (LNA)、RF 带通滤波器 (BPF)、作为混频器前置放大器的 RF 放大器和 RF-to-中频下变频器（混频器）。  

下变频器之后是一个 IF 放大器 (FA)，然后是一个 IF BPF，用于通道选择和抑制不需要的混频产物。  

I/Q 解调器是第二个频率转换器，它将信号频率从 IF 下变频到 BB。解调器包含两个混频器，它将 IF 信号转换为 I 和 Q 信号——即两个 90" 相移的 BB 信号。低通滤波器 (LPF) 在每个通道的 I 和 Q 中跟随混频器，以滤除不需要的混频产物并进一步抑制干扰。滤波后的 I 和 Q BB 信号由 BB 放大器放大，然后 ADC 将放大后的 BB 信号转换为数字信号，以便在数字基带中进一步处理。与超外差接收机类似，超外差发射机也由BB、IF、BB三部分组成。  

中频部分的增益控制大概占整个增益控制范围的 75% 或更多。在这种无线电架构的模拟 BB 部分中实现增益控制的情况很少见。其原因是接收器或发射器中的 BB 部分具有 I 和 Q 两个通道，并且很难在 BB 增益变化范围内将 I 和 Q 通道幅度不平衡保持在允许的容差内。  

No.2 直接变频/零中频架构 Direct Conversion (Zero-IF)  

上文介绍了具有混频模块的超外差接收机，那是不是不用混频模块也可以，于是射频科学家在1980年左右开始使用直接变频的无线电收发机。直接变频意味着射频信号不需要经过中频阶段直接进入I/Q解调，变换到基带信号，中间不产生中频信号，因此也叫做零中频接收机，如下图所示。   

如图所示，LO（本地振荡器）频率设置为所需要的频率，因此接收信号直接转换为基带 I（同相）和 Q（正交相位）信号。在此架构中，DAC 和 ADC 均以基带采样频率运行。基于这种零中频架构的收发器称为 零中频收发器。  

直接变频架构具有许多优越的特性，接收机接收到的射频信号无需经过中频阶段直接到I/Q解调器，进入基带部分，这样就减少了超外差架构里面昂贵的中频模块，比如混频器和中频滤波器,所以这部分的成本和尺寸都可以缩小，如同在《零中频架构，这个帖子讲透了》中所述，零中频架构更容易集成在一块RFIC中。  

No3 直接射频采样 RF Sampling  

更进一步，我们是否可以进行直接射频采样，将数字信号直接采样成射频信号进行发射接收？当然这取决于AD/DA的转换速率，如果直接能达到射频熟虑，那这个未尝不可。并且AD/DA的转换速率也在不断提高，主要半导体公司的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的采样速率比十年前的产品快了好几个数量级。例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采样速率为250 MS/s；而到了2018年，12位ADC的采样率已经达到6.4 GS/s。由于这些性能的提高，转换器可以直接数字化RF频率的信号，并为现代通信和雷达系统提供足够的动态范围。 

上图就是直接射频采样的接收机架构，仅由低噪声放大器、适当的滤波器和ADC组成。图2中的接收器不需要使用混频器和LO；ADC直接数字化RF信号并将其发送到处理器。在这个架构中，您可以通过数字信号处理(DSP)实现接收器的许多模拟组件。例如，您可以使用直接数字转换(DDC)来隔离终端信号，而不需要使用混频器。此外，在大多数情况下，除了抗混叠或重建滤波器之外，您还可以使用数字滤波替换大部分模拟滤波。  

由于不需要模拟频率转换，直接RF采样接收器的整体硬件设计要简单得多，从而能够实现更小的组成结构和更低的设计成本。  

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