射频收发机分类和应用

射频收发机是无线通信系统中的关键一环，其性能优劣直接决定了通信系统能否进行稳定可靠的工作。射频收发机由发射机和接收机组成，其中，发射机的功能是将基带调制信号通过上变频、放大、滤波等处理搬移到射频频率，并通过天线发射出去；而接收机是通过天线将空间中微弱的射频信号接收下来，再经过滤波、放大，下变频等处理得到基带信号，最后送到解调模块进行解调。现代无线通信当中，随处可见各种各样的射频收发机，那么这些收发机之间又有什么区别呢？

从技术角度来说，收发机主要分为以下几类：

01 超外差架构(Super-Heterodyne)

超外差式收发机是最经典的架构，自1918年诞生以来，在无线通信中被普遍应用，虽然实施技术已从电子管走向晶体管，再走向集成电路，但该架构仍然是许多现代无线系统的关键。超外差一般通过两次变频，先将射频或基带信号变到中频，然后再变到模拟基带或射频信号。这种架构的收发机灵敏度和选择性（抗带外干扰的能力）很好，增益分配相对比较容易，但整体上需要用到的元器件比较多，并需要高Q值镜频抑制滤波器和信道选择滤波器，体积较大，不利于集成，成本和功耗也比较高。同时因为需要多次变频，混频器的非线性特性会导致有较多的干扰频率，对频率规划要求也较高。目前这种架构在微波通信中比较常见。在诸如广播、卫星通信、高性能雷达等领域有一席之地。

图1：超外差收发机架构

02 数字中频(Digital IF)架构

数字中频架构与超外差类似，主要的区别是将超外差的中频部分实现了数字化处理，也就是说数字中频架构直接在中频进行了模拟和数字信号之间的转换，利用数字技术实现了信号的滤波和调制解调。相对超外差收发机，数字中频架构使用的模拟器件更少，有利于减小系统尺寸，降低I/Q失配的可能，系统性能更强。上个世纪90年代，ADC和DAC技术的快速发展为数字中频收发机的应用打下了基础；到了90年代后期，宽带中频采样转换器开始上市，许多高性能接收器开始采用中频采样以简化无线电设计并提高性能。

在数字中频接收端，ADC将中频信号数字化，然后进入数字下变频（DDC），通过抽取滤波和下变频将中频信号转换到基带。在发射端，基带数字信号被送到数字上变频(DUC)，进行插值滤波和上变频，然后经过DAC将数字中频信号转换成模拟信号输出。

随着ADC和DAC芯片的采样率和精度的不断提高，能够直接处理的中频频率也越来越高，这样有助于减轻射频收发前端设计的压力。但数字中频架构的问题是，为满足信号多载波宽带化以及载波聚合的需求，需提高中频频率，ADC和DAC需要更高的采样率和分辨率，这样就会对ADC和DAC的设计提出更高的要求，从而导致射频收发机的成本和功耗增加。另外，数字中频接收机需要外置中频SAW滤波器用作抗混叠滤波，不利于全集成化。

图2：数字中频收发机架构

03 零中频(Zero-IF)架构的收发机

包括零中频的变种类型低中频收发机(Low-IF)

零中频也叫直接变频，即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，也就没有中频放大器、中频滤波器等元器件，因此架构相对简单，系统尺寸更小，成本和功耗更低。零中频架构收发机首先用于消费类终端，如寻呼机和手机，以解决体积和功耗的难题；然后经过不断迭代发展，最终成功应用在4G/5G基站上。直流偏移、本振泄露、I/Q失衡和闪烁噪声是零中频收发机架构的缺点，一般需通过专门的校准算法来改善，以满足基站苛刻的射频指标要求。零中频的优势在于所需要用到的器件少，容易集成，而且性能也不错，除了DC无法从原理上根除外，几乎没有太多的劣势。比如我们常见的3G/4G/5G，WIFI等相对大带宽制式的应用，通常是用零中频架构的。为了规避DC的影响，从零中频架构上衍生出来的低中频架构，可以很好解决DC问题，但会对镜像提出更高要求。对于像GNSS（GPS+BeiDou+GLONASS等）这种用于导航的窄带卫星接收机，以及蓝牙这种窄带应用，通常用低中频的方案会比零中频更有优势。零中频架构和低中频架构，由于其体积小、功耗低、成本低、便于集成、性能优越等特性目前占据市场主导地位，如地芯科技GC080X射频集成收发器系列产品。

图3：零中频收发机架构

04 射频直采(RF Sampling)架构的收发机

从图4可以看到，射频直采架构变得更加简单，得益于ADC/DAC技术的快速发展，射频直采架构的射频收发机，也已经在部分领域展现出其独特优势，尤其是在超大带宽应用领域，比如超过500MHz带宽的应用。该架构更接近于理想的软件定义无线电(SDR), 即ADC尽可能地靠近天线去完成射频宽带信号的数字化，同时数字化后的信号要尽可能多地用软件来进行处理，实现各种功能和指标。射频直采因为增益全部分配在射频端，所以对射频器件提出了更高的要求，功耗也相对零中频更高。射频直采方案对射频滤波器的要求要远高于零中频架构中的射频滤波器，因为基带端没有模拟低通滤波器了，所有的干扰信号都要通过仅有的射频滤波器来实现抑制。

图4：射频直采收发机架构

05 基于PLL的直接调制发射机

直接调制是将数字信号经过滤波后，直接对射频载波进行模拟调频。常见的直接调制方式包括单点调制、两点调制、多点调制等。从图5可以看到，PLL两点调制发射机的架构比零中频更加简单，省掉了混频器，DAC，模拟低通滤波器等器件，更容易集成实现，成本更低。但PLL两点调制只是用到了频率调制,因此对于数据量较小的通信方式会友好一些，比如对讲机的应用，但对于一些需要大数据量的通信就不太合适了。

图5：PLL两点调制发射机

除上述常见收发机架构外，还有很多适用于特殊应用的架构类型。例如适用于二进制启闭键控的OOK（on-off-keying）架构，适用于高能效、高线性度场景的极坐标调制架构等，在此不一一赘述。

以上几种射频收发机架构，并非永远完全独立应用的。根据不同的应用场景，经常会选取不同的收发机组合。比如5G基站应用中，发射机基本上都是零中频，但接收机，尤其是做DPD的观察通道，有时候会采用射频直采架构。表一给出了一些应用会经常采用的射频发射机和射频接收机的组合。

表1：常见应用的收发机组合

参考文献：

[1]. Qizheng Gu, “RF System Design of Transceivers for Wireless Communications”, Springer, 2005

[2].Wyatt Taylor, David Brown, “RF Transceivers Provide Breakthrough SWaP Solutions for Aerospace and Defense”, Analog Dialogue 50-09, September 2016

[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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