接收機技術(shù)發(fā)展編年史，現(xiàn)代接收機發(fā)展情況一覽

　　除了技術(shù)類型的轉(zhuǎn)變以外，無線電架構(gòu)幾乎未發(fā)生變化，直到20世紀(jì)70年代，通用型DSP和FPGA的出現(xiàn)才改變了這種狀況。檢波器的功能從線性檢波器元件(如二極管、鑒頻器和PLL)轉(zhuǎn)向模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后是數(shù)字信號處理。這為舊技術(shù)無法實現(xiàn)的許多功能創(chuàng)造了條件。雖然數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器加DSP確實能執(zhí)行傳統(tǒng)的AM和FM5解調(diào)，但運用數(shù)字處理技術(shù)可以實現(xiàn)廣泛用于數(shù)字電視的復(fù)雜數(shù)字解調(diào)，比如美國的HD Radio?以及歐洲和世界其他地區(qū)的DAB。

　　在早期的數(shù)字系統(tǒng)中，通常會通過I/Q解調(diào)器把中頻級轉(zhuǎn)換為基帶信號，然后用雙低頻ADC進行數(shù)字化，如圖14所示。這些早期的ADC帶寬相對較低，因此無線電通常是窄帶系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)可用于低帶寬系統(tǒng)，但它們存在正交失配問題，結(jié)果會導(dǎo)致鏡像抑制問題，必須通過模擬和后來的數(shù)字技術(shù)進行校正。由于早期系統(tǒng)沒有高度集成，因此難以在I/Q之間保持平衡，結(jié)果導(dǎo)致鏡像誤差(正交)。由于必須仔細(xì)考慮時間和溫度的變化，問題非常復(fù)雜。即使在高度集成的系統(tǒng)中，如果不采用某種校正算法，I/Q平衡通常限制在40 dB，或者鏡像抑制效果會變差。

　　圖14.雙通道轉(zhuǎn)換基帶采樣。

　　到90年代中期，轉(zhuǎn)換器技術(shù)開始得到充分改進，可以用中頻采樣取代基帶I/Q采樣。這有幾個好處。首先，可以省去解調(diào)器和基帶轉(zhuǎn)換器對，并用單個ADC代替，從而節(jié)省功耗和電路板空間。更重要的是，可以消除與模擬I/Q抽取相關(guān)的誤差。當(dāng)然，DSP處理仍然需要復(fù)雜數(shù)據(jù)，但可以通過使用AD6624 等數(shù)字下變頻器(DDC)輕松抽取數(shù)據(jù)，這些數(shù)字下變頻器可提供完美的正交性能，不隨時間或溫度漂移。

　　最初這些中頻采樣轉(zhuǎn)換器均為窄帶，但到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉(zhuǎn)換器開始上市，包括AD9042 、AD6645 等器件。這些新器件可以采樣高達(dá)200 MHz的中頻頻率，并提供高達(dá)35 MHz的信號帶寬。結(jié)果變得非常有意思，許多高性能接收器開始采用中頻采樣以簡化無線電設(shè)計并提高性能。該技術(shù)的諸多優(yōu)點之一是，一條接收器信號路徑可以處理多個射頻載波。6 這樣就可以用一個無線電取代多個模擬窄帶無線電，大幅降低許多電信應(yīng)用的擁有成本。處理多個獨立(或從屬)射頻信號的任何應(yīng)用都可以從這種類型的架構(gòu)中受益，從而達(dá)到降低成本、減小尺寸和降低復(fù)雜性的目的?？梢栽跀?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中輕松分出各個射頻載波，并根據(jù)需要對其進行獨立處理?？梢允褂梦ㄒ坏男畔γ總€信號進行不同的調(diào)制，也可以擴展信號帶寬以增加數(shù)據(jù)吞吐量。包括ADRF6612 和ADRF6655 在內(nèi)的集成混頻器技術(shù)繼續(xù)推動著中頻采樣外差無線電的發(fā)展，可與AD9684和AD9694 等新型中頻采樣轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，實現(xiàn)高度集成的低成本解決方案。這些新型ADC包括數(shù)字下變頻器(DDC)，不僅可以對不需要的頻譜進行數(shù)字濾波，還可以通過數(shù)字手段抽取I/Q分量。

　　圖15.典型的中頻采樣架構(gòu)。

　　并排比較：過去與現(xiàn)在

　　阿姆斯特朗的7號專利稱：“眾所周知，隨著接收信號強度的降低，所有檢波器都會迅速失去靈敏度，而當(dāng)高頻振蕩的強度低于某一點時，檢波器的響應(yīng)會變得十分微弱，無法接收到信號?！卑⒛匪固乩事暦Q，隨著振幅下降或頻率增加，檢波器的靈敏度會降低。他和其他人試圖找到一種方法，將無線電的有效性擴展到更高頻率，提高整體性能。

　　在三極管、再生管等早期工作的基礎(chǔ)上，阿姆斯特朗意識到，可以轉(zhuǎn)換輸入頻率，使其與現(xiàn)有檢波器配合使用時能更高效地工作。另外，可以應(yīng)用增益，以同時增加射頻信號電平和提供給用戶的音頻信號電平。

　　圖16所示為該專利的示意圖之一，“詳細(xì)說明了如何通過調(diào)諧放大器系統(tǒng)，利用[阿姆斯特朗的]方法，其中，21是輸入振蕩(信號)的來源，真空管整流系統(tǒng)22-23-25轉(zhuǎn)換輸入信號和獨立外差器件24(本振)的組合振蕩。電路26-27被調(diào)諧到兩個振蕩的轉(zhuǎn)換組合(目標(biāo)混頻器積)。多管高頻放大器28放大由真空管系統(tǒng)29進行外差處理并檢波的所得能量，由電話30指示。”7 通過使用這種方法，阿姆斯特朗得以取得射頻能量并將頻率轉(zhuǎn)換為可以輕松有效地檢波的頻率，同時提供充分的放大，使音頻電平達(dá)到令人舒適的水平。在專利中，他繼續(xù)指出，可以應(yīng)用多個外差級，其優(yōu)點是能提供額外的選項和更高的增益水平，不用擔(dān)心不受控制的反饋導(dǎo)致振蕩--這個問題長期困擾著再生接收器等早期無線電架構(gòu)。

　　圖16.阿姆斯特朗的超外差示意圖

　　以下兩圖有助于我們更好地比較電子管技術(shù)與現(xiàn)代實施方案，同時向我們展示了，現(xiàn)代設(shè)計與100年前提出的原始設(shè)計有多相似。

　　圖17.管與現(xiàn)代超外差設(shè)計。

　　圖17對兩個電路進行了并排比較。根據(jù)阿姆斯特朗的專利，第一電子管級包括一個真空管整流系統(tǒng)。該第一級利用電子管的整流屬性生成典型混頻積，把目標(biāo)信號與LO的混頻組合起來。阿姆斯特朗暗示，10 MHz(如圖18所示)為射頻，一方面是因為，這超出了他那個時代的檢波器可以響應(yīng)的范圍，另一方面是因為，在他開發(fā)超外差接收器期間，這對他來說是一個技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代接收器通常在混頻器之前包括至少一個射頻放大器，用于實現(xiàn)低噪聲和高靈敏度，如低位信號鏈所示。這些器件通常采用低噪聲FET設(shè)計，針對工作頻率范圍進行了優(yōu)化。阿姆斯特朗最初申請的專利和現(xiàn)代設(shè)計之間唯一的根本區(qū)別是放置在混頻器之前的獨立射頻放大器。到二戰(zhàn)時，很容易發(fā)現(xiàn)一些電子管設(shè)計，其采用的前端放大器與今天的FET前端相當(dāng)。

　　圖18.(a) 管式前端，(b) 前端。

　　他暗示稱，該輸入射頻信號可以與大約10.1 MHz的LO組合，在第一級產(chǎn)生0.1 MHz的新單音。我們認(rèn)為，這是典型混頻器的和差積，如圖19所示。在圖18的管示意圖中，LO直接耦合到輸入電路中，其中，電子管的非線性行為導(dǎo)致了這些積。這種原創(chuàng)設(shè)計帶來的一個挑戰(zhàn)是，LO會因直接耦合到天線而發(fā)生意外輻射?，F(xiàn)代設(shè)計發(fā)生這種輻射的可能性很低，不過也不是完全不可能，因為如圖19所示，LO被耦合到通過前端放大器與輸入隔離的混頻器中。阿姆斯特朗提出的一個改進方案是，除了檢波器以外，利用從板到柵極電路的反饋，也可以將放大器1作為本振，就像他和德·福雷斯特用再生式接收器所做的那樣。這樣將形成緊湊型的前端功能。在今天的電路中，混頻器、本振以及射頻和中頻放大器通常包含在單個IC中。這些器件被廣泛用于從消費者需求到工業(yè)需求的眾多不同應(yīng)用之中。

　　圖19.中頻放大器級。

　　對于電子管和單片前端，混頻過程會產(chǎn)生射頻與LO的和與差。在阿姆斯特朗的案例中，這意味著0.1 MHz和20.1 MHz。此外，通常也會將射頻和LO泄漏到輸出端。必須濾除混頻器形成的、不必要的項，以便接收目標(biāo)信號。由于檢波器的帶寬有限，所以，阿姆斯特朗專注于差項，即100 kHz。除了他所包含的諧振LC結(jié)構(gòu)之外，他的2級中頻放大器很可能還能對其他項進行一些濾波處理?，F(xiàn)代中頻放大器也將包括某類中頻濾波器。圖19所示為基本LC濾波器，但通常要采用某種形式的高Q濾波器。窄帶無線電通常在中頻級中使用石英或陶瓷濾波器;更寬的頻帶設(shè)計通常根據(jù)需要運用SAW或BAW。通常，這種濾波器被稱為修平濾波器，用于保護后續(xù)級免受強帶外信號的影響。

　　有了經(jīng)過良好濾波的強大中頻信號，阿姆斯特朗現(xiàn)在可以輕松檢測到曾經(jīng)處于其檢波器帶寬之外的微弱射頻信號。現(xiàn)在，在中頻下，這些信號能輕松匹配檢波器的功能。在采用電子管的情況下，這些信號被整流然后放大，因此可以直接驅(qū)動揚聲器，至少對于調(diào)幅信號是這樣。在現(xiàn)代接收器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻采樣并產(chǎn)生數(shù)字等效信號，然后以數(shù)字方式進行處理(包括解調(diào))。在音頻應(yīng)用的情況下，該信號可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換回模擬信號，以便在必要時驅(qū)動揚聲器。

　　圖20.檢波器。

　　雖然電子管和晶體管版本的無線電都能實現(xiàn)類似的結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)計具有一系列的優(yōu)點。值得注意的是，現(xiàn)代設(shè)計要小得多，并且功率需求大大降低。雖然便攜式電子管無線電從一開始就存在，但晶體管帶來了袖珍型無線電。集成電路實現(xiàn)了單芯片無線電，從短距離無線電應(yīng)用(如ADF7021 )到高性能應(yīng)用(如AD9371 )，應(yīng)用范圍十分廣泛。在許多情況下，這同時包括接收器和發(fā)射器。

　　圖21.ADF7021短距離無線(簡化版)。

　　圖22.AD9371 ZIF收發(fā)器。

　　由于單片無線電通常采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因此借助這些無線電很容易實現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)制。管式無線電歷來局限于基本調(diào)制類型，例如AM和FM。當(dāng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器添加到無線電中時，單片無線電通常就是這樣做的，就可以通過數(shù)字技術(shù)引入新的調(diào)制形式，包括擴頻和OFMD，它們是我們每天都離不開的大多數(shù)現(xiàn)代通信的核心(數(shù)字電視、高清無線電、DAB、手機)。

　　隨著無線電技術(shù)的繼續(xù)演進，將會出現(xiàn)更多進步，可能帶來目前無法實現(xiàn)的無線電架構(gòu)或功能。今天，我們擁有高度集成的中頻采樣超外差架構(gòu)和零中頻架構(gòu)。初露端倪的其他架構(gòu)包括直接射頻采樣架構(gòu)，在這一架構(gòu)下，信號被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號且無需模擬下變頻。隨著無線電技術(shù)的繼續(xù)演進，可用選項的數(shù)量將會增加。然而，某種形式的外差架構(gòu)可能會在未來一段時間內(nèi)與我們相伴。

　　結(jié)論

　　在超外差無線電的百年發(fā)展史上，除了實施技術(shù)之外，架構(gòu)上幾乎沒有變化。多年來，我們目睹了用于構(gòu)建無線電的介質(zhì)的多次變化，我們看到，技術(shù)從電子管到晶體管，一直發(fā)展到單片集成電路。這些變化帶來了各種可能性，在無線電發(fā)展初期的先驅(qū)眼中，這些不過是白日夢，但我們的日常生活卻與這些可能性緊密地聯(lián)系在一起。

　　使這成為可能的關(guān)鍵因素之一是在當(dāng)今的無線電技術(shù)中由高速ADC實現(xiàn)的檢波器。過去幾年在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他技術(shù)方面的改進帶來了我們的互聯(lián)世界，這正在改變著我們的日常生活和現(xiàn)代社會的結(jié)構(gòu)。令人興奮的是，這項核心技術(shù)正在不斷發(fā)展，將繼續(xù)帶來當(dāng)今可能尚不為人所知的新型無線解決方案。就像阿姆斯特朗和利維(Levy)的發(fā)明為過去100年帶來巨大潛力一樣，在接下來的100年中，下一代無線技術(shù)定將當(dāng)仁不讓，造就無盡可能。