關(guan) 於(yu) 接收機結構我們(men) 從(cong) 最傳(chuan) 統的超外差結構開始介紹，超外差結構能提供非常好的性能，但這種結構需要大量分離元件，像濾波器、混頻器、放大器等。由於(yu) 小型化、個(ge) 性化等等商用的需求，出現了零中頻和低中頻接收機結構，同時軟件無線電（SDR）技術也為(wei) 射頻微波的發展提供了新的方向，隨著開放的商用頻率越來越多，越來越多的企業(ye) 集中力量開發屬於(yu) 自己的SDR。

No1 超外差結構 Superheterodyne Architecture  

目前大多數的無線通信係統都選用了超外差結構，比如在2G，3G和4G通信係統中，我們(men) 最常見的就是這種超外差收發機。這種結構相較於(yu) 其他結構來說有著比較好的性能表現。但在5G上，更常用的是結構更簡單的零中頻結構，因為(wei) 。  

我們(men) 首先來了解一下超外差架構的曆史。它是在一戰期間和剛結束時Edwin Howard Armstrong發明的，並於(yu) 1918 年獲得專(zhuan) 利。這個(ge) 人最牛逼的地方是，當時還在讀高中時，就開始研究無線電，在他位於(yu) 紐約揚克斯 (Yonkers) 的父母家中豎起了一根 125 英尺高的無線電桅杆，以接收當時微弱的無線電信號。1912 年還在上大學時，他發明了基於(yu) Lee de Forest 三端音頻管的反饋電路，提供了第一個(ge) 可用的電放大器，並於(yu) 1913 年提交了再生接收器的專(zhuan) 利，並且在1918年發明了超外差接收機，同時發明了FM廣播。  

說到超外差架構，可能很多同學對”超外差“這個(ge) 詞不是很理解。我也是一直納悶，為(wei) 什麽(me) 叫外插，是不是還有內(nei) 插。外差這個(ge) 詞是Reginald Aubrey Fessenden在1901年提出來的，他將混頻產(chan) 生新的信號的想法稱為(wei) ”外差“，並且給出了具有一次混頻結構的接收機架構稱為(wei) 外差接收機，如下圖所示：它需要一個(ge) 混頻器將調製的射頻信號帶入調製的中頻信號，該信號應用於(yu) I/Q 解調器，將調製的低中頻帶入零中頻的基帶。

Armstrong 對外差接收機進行了改進，發明了超外差接收機。超外差，就是具有兩(liang) 次和兩(liang) 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(liang) 個(ge) 混頻器將調製的射頻信號變成調製的中頻信號。第一個(ge) 混頻器將 RF 信號帶入高 IF 信號，而後一個(ge) 混頻器將高 IF 信號帶入低 IF 信號。這適用於(yu) I/Q 解調器，它將低中頻信號變為(wei) 零中頻基帶信號。

了解了外差和超外差的基本結構外，我們(men) 介紹在無線通信係統中常用的超外差收發機的結構圖，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(wei) 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(wei) 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）。  

下變頻器之後是一個(ge) IF 放大器 (FA)，然後是一個(ge) IF BPF，用於(yu) 通道選擇和抑製不需要的混頻產(chan) 物。  

I/Q 解調器是第二個(ge) 頻率轉換器，它將信號頻率從(cong) IF 下變頻到 BB。解調器包含兩(liang) 個(ge) 混頻器，它將 IF 信號轉換為(wei) I 和 Q 信號——即兩(liang) 個(ge) 90" 相移的 BB 信號。低通濾波器 (LPF) 在每個(ge) 通道的 I 和 Q 中跟隨混頻器，以濾除不需要的混頻產(chan) 物並進一步抑製幹擾。濾波後的 I 和 Q BB 信號由 BB 放大器放大，然後 ADC 將放大後的 BB 信號轉換為(wei) 數字信號，以便在數字基帶中進一步處理。與(yu) 超外差接收機類似，超外差發射機也由BB、IF、BB三部分組成。  

中頻部分的增益控製大概占整個(ge) 增益控製範圍的 75% 或更多。在這種無線電架構的模擬 BB 部分中實現增益控製的情況很少見。其原因是接收器或發射器中的 BB 部分具有 I 和 Q 兩(liang) 個(ge) 通道，並且很難在 BB 增益變化範圍內(nei) 將 I 和 Q 通道幅度不平衡保持在允許的容差內(nei) 。  

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，於(yu) 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機。直接變頻意味著射頻信號不需要經過中頻階段直接進入I/Q解調，變換到基帶信號，中間不產(chan) 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(wei) 所需要的頻率，因此接收信號直接轉換為(wei) 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。基於(yu) 這種零中頻架構的收發器稱為(wei)  零中頻收發器。  

直接變頻架構具有許多優(you) 越的特性，接收機接收到的射頻信號無需經過中頻階段直接到I/Q解調器，進入基帶部分，這樣就減少了超外差架構裏麵昂貴的中頻模塊，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(ge) 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(men) 是否可以進行直接射頻采樣，將數字信號直接采樣成射頻信號進行發射接收？當然這取決(jue) 於(yu) AD/DA的轉換速率，如果直接能達到射頻熟慮，那這個(ge) 未嚐不可。並且AD/DA的轉換速率也在不斷提高，主要半導體(ti) 公司的模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的采樣速率比十年前的產(chan) 品快了好幾個(ge) 數量級。例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采樣速率為(wei) 250 MS/s；而到了2018年，12位ADC的采樣率已經達到6.4 GS/s。由於(yu) 這些性能的提高，轉換器可以直接數字化RF頻率的信號，並為(wei) 現代通信和雷達係統提供足夠的動態範圍。 

上圖就是直接射頻采樣的接收機架構，僅(jin) 由低噪聲放大器、適當的濾波器和ADC組成。圖2中的接收器不需要使用混頻器和LO；ADC直接數字化RF信號並將其發送到處理器。在這個(ge) 架構中，您可以通過數字信號處理(DSP)實現接收器的許多模擬組件。例如，您可以使用直接數字轉換(DDC)來隔離終端信號，而不需要使用混頻器。此外，在大多數情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，您還可以使用數字濾波替換大部分模擬濾波。  

由於(yu) 不需要模擬頻率轉換，直接RF采樣接收器的整體(ti) 硬件設計要簡單得多，從(cong) 而能夠實現更小的組成結構和更低的設計成本。  

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