无线射频收发系统的超外差架构介绍

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在上周的推文中，我们介绍了无线射频收发系统的主要架构，包括常见的超外差架构，零中频架构和射频采样架构，今天我们接着这个最常见的超外差架构。

在上一章的学习中，我们知道了超外差架构是Armstrong 在改进Fessenden 的外差架构的基础上发明的，也就是在一次混频的基础上，加入了二次混频来提高接收机的性能。图1给出了一个全双工架构的超外差收发机架构，这也是应用最为广泛的一种架构，比如之前的CDMA，WCDMA，AMPS和LTE-FDD等应用及广泛的移动通信系统中。对应全双工结构，还有一种半双工结构，我们在后续的文章中再详细介绍。

超外差架构介绍

fig1 超外差基本架构

在图1所示的全双工超外差架构中，接收机和发射机中共有两个射频通道，经过合路器Duplexer连接到同一幅宽频天线中，这也是典型的频分双工架构。射频接收机和发射机各有各自的射频频率通道，这个收发双工器一般有两个工作于收发射频通道的滤波器构成，有一个输入端口和两个输出端口，一个滤波器工作在接收频率，一个工作在发射频率。下图给出了一个双工器的工作曲线，接收滤波器作为接收机的前置滤波器，用来抑制由发射通道泄露的射频干扰信号，确保接收信号的干净。发射滤波器作为发射机的最后一道关卡，用来抑制发射模块的噪声，杂散和谐波，确保发射出去的信号的干净，减少对其他无线系统的干扰。前端合路器的插损要求一般都比较高，接收滤波器的插损会影响接收机的噪声系数，发射滤波器的插损直接就带来发射信号的衰减，在一些大功率射频系统中，通常用一些高Q值的谐振器做收发合路器，比如金属腔，陶磁介质滤波器等。在大多数的射频系统中，我们都会用收发合路器来达到收发通道共用一幅宽频天线的目的。但是在有些无线系统中，接收机和发射机各自都有独立的天线系统，那么这个合路器可以由其独自的滤波器来代替，但是增加了天线的成本和占用的空间。

fig2 双工器工作曲线

fig3 接收机链路

天线接收到的射频信号通过合路器，来到了低噪声放大器，低噪声放大器在接收灵敏度上起了重要的作用，在接收机的动态范围内可以来调节低噪放的增益，然后再经过一个射频带通滤波器，将发射机的泄露信号和低噪放的非线性产生的杂散和谐波进一步滤除，这个带通滤波器的插损要求就没有合路器那么高了，带外抑制要求也会下降，一般用SAW/BAW或者LTCC来实现。然后信号进入另一个射频放大器中进行放大，以为接收链路提供足够的增益，让减少混频器和之后的噪声对接收机噪声系数和接收灵敏度的影响。接着在混频器处接受来的无线信号和本地振荡器产生的本振信号进行混频，下变频到中频频率，这个时候信号就可以有中频放大器和中频滤波器进行处理，用来抑制混频带来的镜像信号和其他谐波信号。然后进入到I/Q解调器，I/Q解调器中信号频率进行第二次变换，方法和之前一样，通过和本地振荡器信号进行混频，将中频信号变换到基带信号。I/Q解调器含有两个路径：I 路径和Q路径，分别通过混频器将信号转换为两个正交基带信号：I信号和Q信号。这里面用到了一个90°的移相器，将本地振荡器产生的信号进行相移，用来将振荡器产生的本地震荡信号分频成两个相位相差90°的本地震荡信号。然后经过低通滤波器和基带放大器，为AD转换器提供足够的增益的干净的基带信号，转换为数字信号之后，在数字基带中进行处理。

fig4 发射机链路

发射机链路和接收链路刚好相反，数字基带信号通过DA转换器变换成模拟基带信号，滤波器之后，通过混频器上变频到中频信号，在I/Q调制器中进行上变频，然后将I信号和Q信号混合进入中频模块，经过中频放大，滤波器之后，与本地振荡器产生的信号进行混频，上变频到射频频率，之后经过可变增益放大器和驱动放大器将信号放大到能够驱动功放的功率水平，经过滤波器之后进入功放，通过功放将信号进一步放大到系统所设定的功率，通过收发双工器滤波之后，通过天线辐射出去。功放的增益和线性度对输出匹配比较敏感，因此一般会在功放的输出端口加一个隔离器来保证功放输出阻抗的一致性，同时也保护功放。

fig5 功放（来源于NXP）

通过上面的介绍，我们发现，其实收发机最主要就是通过混频器让信号进行上变频或者下变频变换成我们所需要的频率信号，在这个过程中，要经过多次的功率放大和滤波。图1所示的收发机系统中，总共用到了9个放大器，七个滤波器（如果把收发双工器看作是两个滤波器的话）也是九个。这也说明了这些射频器件的重要性。

随着RFIC的发展，射频收发系统会越来越集成，让我们拭目以待。

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