RF技術(shù)揭秘

盡管無線通信就存在于我們周圍，但射頻（RF）技術(shù)的工作原理對于大多數(shù)人來說往往是個謎。對于我們來說，可能比較熟悉調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM）廣播的基本概念，但除此之外，RF技術(shù)可能會是一個高度專業(yè)的話題，也只有那些“知情人士”知曉其原理。過去40年來，無論是語音還是數(shù)據(jù)，傳輸和接收信息的基本原理都發(fā)生了重大變化。在尋求提高數(shù)據(jù)速率的過程中，通過無線電信號調(diào)制的方法來疊加和傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)取得了長足的進步，這其中也包括一些復(fù)雜的技術(shù)。

本文將解釋無線電通信的一些基本技術(shù)以及用于傳輸語音和數(shù)據(jù)的調(diào)制方法，這里我們將不討論調(diào)制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但會涵蓋一些基本概念以及技術(shù)類型之間的比較。

射頻無線通信頻譜簡介

當我們提起當今的無線技術(shù)時，可能會想到周圍的Wi-Fi^?、藍牙^?和智能手機等。我們也許會用智能音箱而不是收音機來收聽最喜歡的廣播電臺，但即使這樣也是以無線方式連接到我們的家庭路由器。

某些特定年齡的人們會對“中波”和“短波”比較熟悉，這兩個術(shù)語以前用來描述廣播電臺的頻率。在500kHz至1.7MHz范圍內(nèi)發(fā)射的中波“AM”無線電臺仍在使用，同樣，使用3MHz至18MHz的遠程短波無線電臺也在使用。今天，我們對于收聽音樂和新聞廣播電臺的體驗，除了使用智能揚聲器外，主要涉及“調(diào)頻”甚高頻（VHF）和數(shù)字音頻廣播（DAB），大多數(shù)人使用甚高頻和超高頻（UHF）收聽當?shù)睾蛧覐V播，頻率范圍從88 MHz到240 MHz。

使用無線通信的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸包括Wi-Fi、藍牙和ZigBee等。這些無線技術(shù)在2.4GHz頻率范圍運行，Wi-Fi也可運行在5GHz。LoRa和Sigfox等遠程無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用800MHz左右的亞GHz頻率。我們的智能手機則使用多個頻段，包括900MHz、1800MHz、2700MHz、4600MHz和6000MHz。

無線電基礎(chǔ)知識

無論是發(fā)送模擬語音信號還是數(shù)字數(shù)據(jù)，射頻通信包括將語音或數(shù)據(jù)疊加或調(diào)制到RF“載波”信號上。當今業(yè)內(nèi)采用許多不同類型的調(diào)制技術(shù)，與其它技術(shù)相比，每種調(diào)制都具有適合具體通信方式的特定屬性。有些簡單，有些稍復(fù)雜，需要大量的處理能力。一旦接收到發(fā)送的信號，就要進行調(diào)制的相反過程解調(diào)，即從RF載波中提取語音或數(shù)據(jù)信號。

圖1所示為一個簡單調(diào)幅（AM）發(fā)射器的理論功能框圖。來自麥克風(fēng)的音頻信號（ωa）經(jīng)放大饋送到混頻器電路，電池符號用于指示音頻信號是正向DC偏置?；祛l器的另一個輸入是RF正弦波振蕩器（ωc），或稱為載波，一個用例頻率為1000kHz。將偏置音頻信號與RF混合能夠產(chǎn)生兩個信號：（ωa+ωc）和（ωa-ωc）。

圖1 一個簡單的調(diào)幅（AM）發(fā)射器 （來源：貿(mào)澤電子REDRAW）

圖2說明了1kHz固定音頻輸入時的頻譜，信號的上邊帶為1001kHz，下邊帶為999kHz。載波信號的幅度和邊帶幅度根據(jù)音頻信號的幅度而變化。

圖2 1000kHz載波調(diào)幅信號的頻譜（來源：貿(mào)澤電子）

圖3所示為AM廣播接收器框圖，該接收器使用超外差方法來接收RF信號并對其進行解調(diào)，此外，它還使用混頻器電路來實現(xiàn)455kHz單個中頻，從中“解調(diào)”音頻AM信號。混頻器將本地振蕩器（LO）信號與輸入RF信號相結(jié)合。中頻方法能夠使得針對單個頻率進行優(yōu)化接收器，而不是在較寬頻率范圍，因而更加容易。使用兩個信號頻率之和接收1MHz信號，LO被設(shè)置為1MHz+455kHz=1.455MHz，而兩個信號頻率之差545kHz則由IF帶通濾波器過濾掉，然后在解調(diào)前進行放大。

圖3 超外差A(yù)M廣播接收器原理框圖（來源：貿(mào)澤電子）

有一種稱為幅移鍵控（ASK）的幅度調(diào)制技術(shù)允許進行數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸。固定頻率載波的振幅經(jīng)過調(diào)整可以指示兩種二進制狀態(tài)：開和關(guān)。開“1”狀態(tài)時為高振幅信號，關(guān)“0”時為低振幅。另一種方法是不使用載波來指示“0”。不幸的是，任何聽過AM廣播信號的人都知道，由于大氣條件和周圍環(huán)境的電噪聲，接收可能會減弱或消失，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃韵鄬^低。然而，這卻是一種非常簡單和低成本的調(diào)制技術(shù)。

調(diào)頻（FM）是另一種常用于本地VHF廣播電臺的模擬調(diào)制方法，這種調(diào)制技術(shù)使用音頻信號來瞬時改變載波信號頻率。與AM不同，載波的振幅保持恒定。

頻移鍵控（FSK）通過使用分開、緊密間隔的頻率以指示“1”和“0”，因而提供了一種傳輸數(shù)字信息的方法。調(diào)頻受電氣干擾和傳播干擾的影響較小，是廣播和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的理想選擇。

相位調(diào)制（PM）使用載波信號的相位變化來傳輸數(shù)字信息，保持載波頻率和幅度恒定。

調(diào)制是一個相對復(fù)雜的話題，需要很多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來理解它如何工作。這篇短文只介紹一些基本概念，但在離開這個寬泛的主題之前，讓我們先簡要介紹一下正交調(diào)制的概念。正交幅度調(diào)制（QAM）是一種傳送一個或多個數(shù)據(jù)流的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其中使用幅度和相位調(diào)制技術(shù)來增加傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。載波信號是同相（I）或正交異相（Q）。可以用極坐標圖或星座（constellation）圖簡要說明QAM如何工作，圖4為一個具有4位數(shù)據(jù)的4-QAM信號，使用了相位和幅度組合。圖中所示相位角度為+45°、+135°、-45°和-135°。

圖4 4-QAM信號和256-QAM信號的星座圖（來源：貿(mào)澤電子）

4-QAM信號具備由兩位組成的四種可能狀態(tài)。使用更多的相位和幅度組合可以增加信號的位密度。圖4中右側(cè)的星座圖是一個256-QAM信號，其中可以表示8位數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代射頻軟件定義無線電概念

FPGA、GPU和DSP等高性能處理器的市場采用使設(shè)計工程師能夠利用芯片進行重要的信號處理。復(fù)雜的基于數(shù)學(xué)原理的調(diào)制和解調(diào)方法非常適合于算法處理，這一趨勢始于20世紀70年代，如今正迅速成為常態(tài)。

軟件定義無線電（SDR）一詞現(xiàn)在被廣泛用于描述IC內(nèi)部進行的信號鏈處理的許多方面，但不包括分立模擬組件。圖1和圖3中所示的許多超高速外差A(yù)M接收器和發(fā)射器功能現(xiàn)在只是單個SDR收發(fā)器IC的一部分。一些傳統(tǒng)的模擬功能仍然使用分立元件，如接收器前端帶通濾波器和發(fā)射器末端功率放大器級，但靈活的基于軟件收發(fā)器IC可以執(zhí)行其他所有功能。

高集成度RF收發(fā)器IC的一個范例是Analog Devices ADRV9003（參見圖5），它具有一個單信道發(fā)射器和一個雙信道接收器，能夠覆蓋30MHz到6000MHz的頻率范圍，信號帶寬為12kHz至40MHz。整個頻譜范圍內(nèi)發(fā)射輸出功率優(yōu)于+7dBm。

圖5 Analog Devices ADRV9003寬帶RF收發(fā)器IC的功能框圖（來源：Analog Devices（ADI））

如本文前面所述，收發(fā)器所采用的是直接變頻而不是中頻，這種方法采用工作在目標頻率的本地振蕩器進行接收和發(fā)送。ADRV9003集成了復(fù)雜的正交誤差校正功能和可編程數(shù)字濾波器，無需額外的電路。解決方案設(shè)計師可以通過IC的GPIO引腳、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實現(xiàn)監(jiān)控功能。

CML Microcircuits CMX994是一款具有I/Q解調(diào)器的直接轉(zhuǎn)換接收器IC，能夠在30MHz至1000MHz頻率范圍內(nèi)工作。圖6所示為CMX994的功能框圖，其中重點介紹了用于創(chuàng)建完整接收器功能的一些附加外部組件及其使用。

圖6 CML Microcircuits CMX994直接轉(zhuǎn)換接收器IC的重要特性（來源：CML Microcircuits）

一些IC也可用作更復(fù)雜無線通信系統(tǒng)的一部分來提供單獨的功能，其中一個例子是Texas Instruments （德州儀器）TRF3705，這是一款300MHz到4000MHz雙平衡正交調(diào)制器IC，它能夠?qū)⒒鶐д{(diào)制輸入信號轉(zhuǎn)換為RF頻率，通常用于蜂窩基站應(yīng)用。

Silicon Labs Si4432系列為高集成度收發(fā)器IC，具有非常低的功耗，可適合于240MHz至960MHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻帶應(yīng)用（參見圖7）。

圖7 Silicon Labs Si443x EZRadioPRO收發(fā)器框圖（來源：Silicon Labs）

Si443x的射頻輸出功率為+20dBm，適用于大批量、低成本的應(yīng)用場合，如遙控鑰匙、玩具控制和家庭安全報警傳感器等應(yīng)用。

開始RF設(shè)計

在本文中，我們介紹了如何使用無線通信來傳輸信息，并簡要探討了調(diào)制和解調(diào)的基本概念，這些技術(shù)可使信息疊加到無線電載波上，以無線方式進行短距離和長距離傳輸?，F(xiàn)代無線電系統(tǒng)越來越多地使用軟件定義技術(shù)作為構(gòu)建無線通信系統(tǒng)的靈活、便捷和可重新配置的方法。

為了進一步研究射頻通信的主題，建議讀者考慮使用Analog Devices Pluto等流行的低成本SDR套件。