RF技術(shù)揭秘

盡管無(wú)線通信就存在于我們周圍，但射頻（RF）技術(shù)的工作原理對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)往往是個(gè)謎。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，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(huì)是一個(gè)高度專業(yè)的話題，也只有那些“知情人士”知曉其原理。過(guò)去40年來(lái)，無(wú)論是語(yǔ)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(guò)程中，通過(guò)無(wú)線電信號(hào)調(diào)制的方法來(lái)疊加和傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這其中也包括一些復(fù)雜的技術(shù)。

本文將解釋無(wú)線電通信的一些基本技術(shù)以及用于傳輸語(yǔ)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(huì)涵蓋一些基本概念以及技術(shù)類型之間的比較。

射頻無(wú)線通信頻譜簡(jiǎn)介

當(dāng)我們提起當(dāng)今的無(wú)線技術(shù)時(shí)，可能會(huì)想到周圍的Wi-Fi^?、藍(lán)牙^?和智能手機(jī)等。我們也許會(huì)用智能音箱而不是收音機(jī)來(lái)收聽(tīng)最喜歡的廣播電臺(tái)，但即使這樣也是以無(wú)線方式連接到我們的家庭路由器。

某些特定年齡的人們會(huì)對(duì)“中波”和“短波”比較熟悉，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)以前用來(lái)描述廣播電臺(tái)的頻率。在500kHz至1.7MHz范圍內(nèi)發(fā)射的中波“AM”無(wú)線電臺(tái)仍在使用，同樣，使用3MHz至18MHz的遠(yuǎn)程短波無(wú)線電臺(tái)也在使用。今天，我們對(duì)于收聽(tīng)音樂(lè)和新聞廣播電臺(tái)的體驗(yàn)，除了使用智能揚(yáng)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(tīng)當(dāng)?shù)睾蛧?guó)家廣播，頻率范圍從88 MHz到240 MHz。

使用無(wú)線通信的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸包括Wi-Fi、藍(lán)牙和ZigBee等。這些無(wú)線技術(shù)在2.4GHz頻率范圍運(yùn)行，Wi-Fi也可運(yùn)行在5GHz。LoRa和Sigfox等遠(yuǎn)程無(wú)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(jī)則使用多個(gè)頻段，包括900MHz、1800MHz、2700MHz、4600MHz和6000MHz。

無(wú)線電基礎(chǔ)知識(shí)

無(wú)論是發(fā)送模擬語(yǔ)音信號(hào)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，射頻通信包括將語(yǔ)音或數(shù)據(jù)疊加或調(diào)制到RF“載波”信號(hào)上。當(dāng)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(jiǎn)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(hào)，就要進(jìn)行調(diào)制的相反過(guò)程解調(diào)，即從RF載波中提取語(yǔ)音或數(shù)據(jù)信號(hào)。

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

圖1 一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)幅（AM）發(fā)射器 （來(lái)源：貿(mào)澤電子REDRAW）

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

圖2 1000kHz載波調(diào)幅信號(hào)的頻譜（來(lái)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(lái)接收RF信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，此外，它還使用混頻器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)455kHz單個(gè)中頻，從中“解調(diào)”音頻AM信號(hào)?；祛l器將本地振蕩器（LO）信號(hào)與輸入RF信號(hào)相結(jié)合。中頻方法能夠使得針對(duì)單個(gè)頻率進(jìn)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(gè)信號(hào)頻率之和接收1MHz信號(hào)，LO被設(shè)置為1MHz+455kHz=1.455MHz，而兩個(gè)信號(hào)頻率之差545kHz則由IF帶通濾波器過(guò)濾掉，然后在解調(diào)前進(jìn)行放大。

圖3 超外差A(yù)M廣播接收器原理框圖（來(lái)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(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。固定頻率載波的振幅經(jīng)過(guò)調(diào)整可以指示兩種二進(jìn)制狀態(tài)：開(kāi)和關(guān)。開(kāi)“1”狀態(tài)時(shí)為高振幅信號(hào)，關(guān)“0”時(shí)為低振幅。另一種方法是不使用載波來(lái)指示“0”。不幸的是，任何聽(tīng)過(guò)AM廣播信號(hào)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(huì)減弱或消失，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃韵鄬?duì)較低。然而，這卻是一種非常簡(jiǎn)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(tái)的模擬調(diào)制方法，這種調(diào)制技術(shù)使用音頻信號(hào)來(lái)瞬時(shí)改變載波信號(hào)頻率。與AM不同，載波的振幅保持恒定。

頻移鍵控（FSK）通過(guò)使用分開(kāi)、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(hào)的相位變化來(lái)傳輸數(shù)字信息，保持載波頻率和幅度恒定。

調(diào)制是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的話題，需要很多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來(lái)理解它如何工作。這篇短文只介紹一些基本概念，但在離開(kāi)這個(gè)寬泛的主題之前，讓我們先簡(jiǎn)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(gè)或多個(gè)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(lái)增加傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。載波信號(hào)是同相（I）或正交異相（Q）?？梢杂脴O坐標(biāo)圖或星座（constellation）圖簡(jiǎn)要說(shuō)明QAM如何工作，圖4為一個(gè)具有4位數(shù)據(jù)的4-QAM信號(hào)，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(hào)和256-QAM信號(hào)的星座圖（來(lái)源：貿(mào)澤電子）

4-QAM信號(hào)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(hào)的位密度。圖4中右側(cè)的星座圖是一個(gè)256-QAM信號(hào)，其中可以表示8位數(shù)據(jù)。

現(xiàn)代射頻軟件定義無(wú)線電概念

FPGA、GPU和DSP等高性能處理器的市場(chǎng)采用使設(shè)計(jì)工程師能夠利用芯片進(jìn)行重要的信號(hào)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(shì)始于20世紀(jì)70年代，如今正迅速成為常態(tài)。

軟件定義無(wú)線電（SDR）一詞現(xiàn)在被廣泛用于描述IC內(nèi)部進(jìn)行的信號(hào)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(gè)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(jí)，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(gè)范例是Analog Devices ADRV9003（參見(jiàn)圖5），它具有一個(gè)單信道發(fā)射器和一個(gè)雙信道接收器，能夠覆蓋30MHz到6000MHz的頻率范圍，信號(hào)帶寬為12kHz至40MHz。整個(gè)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(lái)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(biāo)頻率的本地振蕩器進(jìn)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(wú)需額外的電路。解決方案設(shè)計(jì)師可以通過(guò)IC的GPIO引腳、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實(shí)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(diǎn)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(lái)源：CML Microcircuits）

一些IC也可用作更復(fù)雜無(wú)線通信系統(tǒng)的一部分來(lái)提供單獨(dú)的功能，其中一個(gè)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(hào)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(jiàn)圖7）。

圖7 Silicon Labs Si443x EZRadioPRO收發(fā)器框圖（來(lái)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(chǎng)合，如遙控鑰匙、玩具控制和家庭安全報(bào)警傳感器等應(yīng)用。

開(kāi)始RF設(shè)計(jì)

在本文中，我們介紹了如何使用無(wú)線通信來(lái)傳輸信息，并簡(jiǎn)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(wú)線電載波上，以無(wú)線方式進(jìn)行短距離和長(zhǎng)距離傳輸?，F(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)越來(lái)越多地使用軟件定義技術(shù)作為構(gòu)建無(wú)線通信系統(tǒng)的靈活、便捷和可重新配置的方法。

為了進(jìn)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。