射頻收發機是無線通信系統中的關鍵一環，其性能優劣直接決定了通信系統能否進行穩定可靠的工作。射頻收發機由發射機和接收機組成，其中，發射機的功能是將基帶調制信號通過上變頻、放大、濾波等處理搬移到射頻頻率，并通過天線發射出去；而接收機是通過天線將空間中微弱的射頻信號接收下來，再經過濾波、放大，下變頻等處理得到基帶信號，最后送到解調模塊進行解調。現代無線通信當中，隨處可見各種各樣的射頻收發機，那么這些收發機之間又有什么區別呢？
從技術角度來說，收發機主要分為以下幾類

超外差架構(Super-Heterodyne)。

超外差式收發機是最經典的架構，自1918年誕生以來，在無線通信中被普遍應用，雖然實施技術已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構仍然是許多現代無線系統的關鍵。超外差一般通過兩次變頻，先將射頻或基帶信號變到中頻，然后再變到模擬基帶或射頻信號。這種架構的收發機靈敏度和選擇性（抗帶外干擾的能力）很好，增益分配相對比較容易，但整體上需要用到的元器件比較多，并需要高Q值鏡頻抑制濾波器和信道選擇濾波器，體積較大，不利于集成，成本和功耗也比較高。同時因為需要多次變頻，混頻器的非線性特性會導致有較多的干擾頻率，對頻率規劃要求也較高。目前這種架構在微波通信中比較常見。在諸如廣播、衛星通信、高性能雷達等領域有一席之地。

圖1：超外差收發機架構

數字中頻(Digital IF)架構。

數字中頻架構與超外差類似，主要的區別是將超外差的中頻部分實現了數字化處理，也就是說數字中頻架構直接在中頻進行了模擬和數字信號之間的轉換，利用數字技術實現了信號的濾波和調制解調。相對超外差收發機，數字中頻架構使用的模擬器件更少，有利于減小系統尺寸，降低I/Q失配的可能，系統性能更強。上個世紀90年代，ADC和DAC技術的快速發展為數字中頻收發機的應用打下了基礎；到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉換器開始上市，許多高性能接收器開始采用中頻采樣以簡化無線電設計并提高性能。

在數字中頻接收端，ADC將中頻信號數字化，然后進入數字下變頻（DDC），通過抽取濾波和下變頻將中頻信號轉換到基帶。在發射端，基帶數字信號被送到數字上變頻(DUC)，進行插值濾波和上變頻，然后經過DAC將數字中頻信號轉換成模擬信號輸出。

隨著ADC和DAC芯片的采樣率和精度的不斷提高，能夠直接處理的中頻頻率也越來越高，這樣有助于減輕射頻收發前端設計的壓力。但數字中頻架構的問題是，為滿足信號多載波寬帶化以及載波聚合的需求，需提高中頻頻率，ADC和DAC需要更高的采樣率和分辨率，這樣就會對ADC和DAC的設計提出更高的要求，從而導致射頻收發機的成本和功耗增加。另外，數字中頻接收機需要外置中頻SAW濾波器用作抗混疊濾波，不利于全集成化。
?

圖2：數字中頻收發機架構

三、 零中頻(Zero-IF)架構的收發機,包括零中頻的變種類型低中頻收發機(Low-IF)。

零中頻也叫直接變頻，即射頻信號不需要經過中頻階段直接進入I/Q解調，變換到基帶信號，中間不產生中頻信號，也就沒有中頻放大器、中頻濾波器等元器件，因此架構相對簡單，系統尺寸更小，成本和功耗更低。零中頻架構收發機首先用于消費類終端，如尋呼機和手機，以解決體積和功耗的難題；然后經過不斷迭代發展，最終成功應用在4G/5G基站上。直流偏移、本振泄露、I/Q失衡和閃爍噪聲是零中頻收發機架構的缺點，一般需通過專門的校準算法來改善，以滿足基站苛刻的射頻指標要求。零中頻的優勢在于所需要用到的器件少，容易集成，而且性能也不錯，除了DC無法從原理上根除外，幾乎沒有太多的劣勢。比如我們常見的3G/4G/5G，WIFI等相對大帶寬制式的應用，通常是用零中頻架構的。為了規避DC的影響，從零中頻架構上衍生出來的低中頻架構，可以很好解決DC問題，但會對鏡像提出更高要求。對于像GNSS（GPS+BeiDou+GLONASS等）這種用于導航的窄帶衛星接收機，以及藍牙這種窄帶應用，通常用低中頻的方案會比零中頻更有優勢。零中頻架構和低中頻架構，由于其體積小、功耗低、成本低、便于集成、性能優越等特性目前占據市場主導地位，如地芯科技GC080X射頻集成收發器系列產品。

圖3：零中頻收發機架構

四、 射頻直采(RF Sampling)架構的收發機。

從圖4可以看到，射頻直采架構變得更加簡單，得益于ADC/DAC技術的快速發展，射頻直采架構的射頻收發機，也已經在部分領域展現出其獨特優勢，尤其是在超大帶寬應用領域，比如超過500MHz帶寬的應用。該架構更接近于理想的軟件定義無線電(SDR), 即ADC盡可能地靠近天線去完成射頻寬帶信號的數字化，同時數字化后的信號要盡可能多地用軟件來進行處理，實現各種功能和指標。射頻直采因為增益全部分配在射頻端，所以對射頻器件提出了更高的要求，功耗也相對零中頻更高。射頻直采方案對射頻濾波器的要求要遠高于零中頻架構中的射頻濾波器，因為基帶端沒有模擬低通濾波器了，所有的干擾信號都要通過僅有的射頻濾波器來實現抑制。

圖4：射頻直采收發機架構

五、 基于PLL的直接調制發射機。

直接調制是將數字信號經過濾波后，直接對射頻載波進行模擬調頻。常見的直接調制方式包括單點調制、兩點調制、多點調制等。從圖5可以看到，PLL兩點調制發射機的架構比零中頻更加簡單，省掉了混頻器，DAC，模擬低通濾波器等器件，更容易集成實現，成本更低。但PLL兩點調制只是用到了頻率調制,因此對于數據量較小的通信方式會友好一些，比如對講機的應用，但對于一些需要大數據量的通信就不太合適了。

圖5：PLL兩點調制發射機
除上述常見收發機架構外，還有很多適用于特殊應用的架構類型。例如適用于二進制啟閉鍵控的OOK（on-off-keying）架構，適用于高能效、高線性度場景的極坐標調制架構等，在此不一一贅述。
以上幾種射頻收發機架構，并非永遠完全獨立應用的。根據不同的應用場景，經常會選取不同的收發機組合。比如5G基站應用中，發射機基本上都是零中頻，但接收機，尤其是做DPD的觀察通道，有時候會采用射頻直采架構。表一給出了一些應用會經常采用的射頻發射機和射頻接收機的組合。

表1：常見應用的收發機組合

參考文獻：??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
[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
?
?
聲明：文章來源于地芯科技，版權歸地芯科技所有，任何形式的轉載或者引用，請與地芯科技聯系，并且著名來源。
?
?