超外差架構(gòu)，究竟藏了多少秘密？

來(lái)源：射頻學(xué)堂 公眾號(hào)

作者：RF 小木匠

大家好，這里是【射頻學(xué)堂】。

在上周的推文中，我們介紹了無(wú)線射頻收發(fā)系統(tǒng)的主要架構(gòu)，包括常見(jiàn)的超外差架構(gòu)，零中頻架構(gòu)和射頻采樣架構(gòu)，今天我們接著這個(gè)最常見(jiàn)的超外差架構(gòu)。

在上一章的學(xué)習(xí)中，我們知道了超外差架構(gòu)是Armstrong 在改進(jìn)Fessenden 的外差架構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)明的，也就是在一次混頻的基礎(chǔ)上，加入了二次混頻來(lái)提高接收機(jī)的性能。圖1給出了一個(gè)全雙工架構(gòu)的超外差收發(fā)機(jī)架構(gòu)，這也是應(yīng)用最為廣泛的一種架構(gòu)，比如之前的CDMA，WCDMA，AMPS和LTE-FDD等應(yīng)用及廣泛的移動(dòng)通信系統(tǒng)中。對(duì)應(yīng)全雙工結(jié)構(gòu)，還有一種半雙工結(jié)構(gòu)，我們?cè)诤罄m(xù)的文章中再詳細(xì)介紹。

超外差架構(gòu)介紹

fig1 超外差基本架構(gòu)

在圖1所示的全雙工超外差架構(gòu)中，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中共有兩個(gè)射頻通道，經(jīng)過(guò)合路器Duplexer連接到同一幅寬頻天線中，這也是典型的頻分雙工架構(gòu)。

射頻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)各有各自的射頻頻率通道，這個(gè)收發(fā)雙工器一般有兩個(gè)工作于收發(fā)射頻通道的濾波器構(gòu)成，有一個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，一個(gè)濾波器工作在接收頻率，一個(gè)工作在發(fā)射頻率。

下圖給出了一個(gè)雙工器的工作曲線，接收濾波器作為接收機(jī)的前置濾波器，用來(lái)抑制由發(fā)射通道泄露的射頻干擾信號(hào)，確保接收信號(hào)的干凈。發(fā)射濾波器作為發(fā)射機(jī)的最后一道關(guān)卡，用來(lái)抑制發(fā)射模塊的噪聲，雜散和諧波，確保發(fā)射出去的信號(hào)的干凈，減少對(duì)其他無(wú)線系統(tǒng)的干擾。

前端合路器的插損要求一般都比較高，接收濾波器的插損會(huì)影響接收機(jī)的噪聲系數(shù)，發(fā)射濾波器的插損直接就帶來(lái)發(fā)射信號(hào)的衰減，在一些大功率射頻系統(tǒng)中，通常用一些高Q值的諧振器做收發(fā)合路器，比如金屬腔，陶磁介質(zhì)濾波器等。在大多數(shù)的射頻系統(tǒng)中，我們都會(huì)用收發(fā)合路器來(lái)達(dá)到收發(fā)通道共用一幅寬頻天線的目的。但是在有些無(wú)線系統(tǒng)中，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)各自都有獨(dú)立的天線系統(tǒng)，那么這個(gè)合路器可以由其獨(dú)自的濾波器來(lái)代替，但是增加了天線的成本和占用的空間。

fig2 雙工器工作曲線

fig3 接收機(jī)鏈路

天線接收到的射頻信號(hào)通過(guò)合路器，來(lái)到了低噪聲放大器，低噪聲放大器在接收靈敏度上起了重要的作用，在接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可以來(lái)調(diào)節(jié)低噪放的增益，然后再經(jīng)過(guò)一個(gè)射頻帶通濾波器，將發(fā)射機(jī)的泄露信號(hào)和低噪放的非線性產(chǎn)生的雜散和諧波進(jìn)一步濾除，這個(gè)帶通濾波器的插損要求就沒(méi)有合路器那么高了，帶外抑制要求也會(huì)下降，一般用SAW/BAW或者LTCC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然后信號(hào)進(jìn)入另一個(gè)射頻放大器中進(jìn)行放大，以為接收鏈路提供足夠的增益，讓減少混頻器和之后的噪聲對(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)和接收靈敏度的影響。接著在混頻器處接受來(lái)的無(wú)線信號(hào)和本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，下變頻到中頻頻率，這個(gè)時(shí)候信號(hào)就可以有中頻放大器和中頻濾波器進(jìn)行處理，用來(lái)抑制混頻帶來(lái)的鏡像信號(hào)和其他諧波信號(hào)。然后進(jìn)入到I/Q解調(diào)器，I/Q解調(diào)器中信號(hào)頻率進(jìn)行第二次變換，方法和之前一樣，通過(guò)和本地振蕩器信號(hào)進(jìn)行混頻，將中頻信號(hào)變換到基帶信號(hào)。

I/Q解調(diào)器含有兩個(gè)路徑：I 路徑和Q路徑，分別通過(guò)混頻器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正交基帶信號(hào)：I信號(hào)和Q信號(hào)。這里面用到了一個(gè)90°的移相器，將本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行相移，用來(lái)將振蕩器產(chǎn)生的本地震蕩信號(hào)分頻成兩個(gè)相位相差90°的本地震蕩信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)低通濾波器和基帶放大器，為AD轉(zhuǎn)換器提供足夠的增益的干凈的基帶信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，在數(shù)字基帶中進(jìn)行處理。

fig4 發(fā)射機(jī)鏈路

發(fā)射機(jī)鏈路和接收鏈路剛好相反，數(shù)字基帶信號(hào)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器變換成模擬基帶信號(hào)，濾波器之后，通過(guò)混頻器上變頻到中頻信號(hào)，在I/Q調(diào)制器中進(jìn)行上變頻，然后將I信號(hào)和Q信號(hào)混合進(jìn)入中頻模塊，經(jīng)過(guò)中頻放大，濾波器之后，與本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，上變頻到射頻頻率，之后經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃骱万?qū)動(dòng)放大器將信號(hào)放大到能夠驅(qū)動(dòng)功放的功率水平，經(jīng)過(guò)濾波器之后進(jìn)入功放，通過(guò)功放將信號(hào)進(jìn)一步放大到系統(tǒng)所設(shè)定的功率，通過(guò)收發(fā)雙工器濾波之后，通過(guò)天線輻射出去。功放的增益和線性度對(duì)輸出匹配比較敏感，因此一般會(huì)在功放的輸出端口加一個(gè)隔離器來(lái)保證功放輸出阻抗的一致性，同時(shí)也保護(hù)功放。

fig5 功放（來(lái)源于NXP）

通過(guò)上面的介紹，我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)收發(fā)機(jī)最主要就是通過(guò)混頻器讓信號(hào)進(jìn)行上變頻或者下變頻變換成我們所需要的頻率信號(hào)，在這個(gè)過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)多次的功率放大和濾波。圖1所示的收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中，總共用到了9個(gè)放大器，七個(gè)濾波器（如果把收發(fā)雙工器看作是兩個(gè)濾波器的話）也是九個(gè)。這也說(shuō)明了這些射頻器件的重要性。

隨著RFIC的發(fā)展，射頻收發(fā)系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越集成，讓我們拭目以待。

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