接收機技術(shù)發(fā)展編年史，現代接收機發(fā)展情況一覽

　　除了技術(shù)類(lèi)型的轉變以外，無(wú)線(xiàn)電架構幾乎未發(fā)生變化，直到20世紀70年代，通用型DSP和FPGA的出現才改變了這種狀況。檢波器的功能從線(xiàn)性檢波器元件(如二極管、鑒頻器和PLL)轉向模數轉換器，然后是數字信號處理。這為舊技術(shù)無(wú)法實(shí)現的許多功能創(chuàng )造了條件。雖然數據轉換器加DSP確實(shí)能執行傳統的AM和FM5解調，但運用數字處理技術(shù)可以實(shí)現廣泛用于數字電視的復雜數字解調，比如美國的HD Radio?以及歐洲和世界其他地區的DAB。

　　在早期的數字系統中，通常會(huì )通過(guò)I/Q解調器把中頻級轉換為基帶信號，然后用雙低頻ADC進(jìn)行數字化，如圖14所示。這些早期的ADC帶寬相對較低，因此無(wú)線(xiàn)電通常是窄帶系統。雖然這些系統可用于低帶寬系統，但它們存在正交失配問(wèn)題，結果會(huì )導致鏡像抑制問(wèn)題，必須通過(guò)模擬和后來(lái)的數字技術(shù)進(jìn)行校正。由于早期系統沒(méi)有高度集成，因此難以在I/Q之間保持平衡，結果導致鏡像誤差(正交)。由于必須仔細考慮時(shí)間和溫度的變化，問(wèn)題非常復雜。即使在高度集成的系統中，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(huì )變差。

　　圖14.雙通道轉換基帶采樣。

　　到90年代中期，轉換器技術(shù)開(kāi)始得到充分改進(jìn)，可以用中頻采樣取代基帶I/Q采樣。這有幾個(gè)好處。首先，可以省去解調器和基帶轉換器對，并用單個(gè)ADC代替，從而節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。當然，DSP處理仍然需要復雜數據，但可以通過(guò)使用AD6624 等數字下變頻器(DDC)輕松抽取數據，這些數字下變頻器可提供完美的正交性能，不隨時(shí)間或溫度漂移。

　　最初這些中頻采樣轉換器均為窄帶，但到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉換器開(kāi)始上市，包括AD9042 、AD6645 等器件。這些新器件可以采樣高達200 MHz的中頻頻率，并提供高達35 MHz的信號帶寬。結果變得非常有意思，許多高性能接收器開(kāi)始采用中頻采樣以簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)電設計并提高性能。該技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)之一是，一條接收器信號路徑可以處理多個(gè)射頻載波。6 這樣就可以用一個(gè)無(wú)線(xiàn)電取代多個(gè)模擬窄帶無(wú)線(xiàn)電，大幅降低許多電信應用的擁有成本。處理多個(gè)獨立(或從屬)射頻信號的任何應用都可以從這種類(lèi)型的架構中受益，從而達到降低成本、減小尺寸和降低復雜性的目的?？梢栽跀底謹祿髦休p松分出各個(gè)射頻載波，并根據需要對其進(jìn)行獨立處理?？梢允褂梦ㄒ坏男畔γ總€(gè)信號進(jìn)行不同的調制，也可以擴展信號帶寬以增加數據吞吐量。包括ADRF6612 和ADRF6655 在內的集成混頻器技術(shù)繼續推動(dòng)著(zhù)中頻采樣外差無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展，可與AD9684和AD9694 等新型中頻采樣轉換器相結合，實(shí)現高度集成的低成本解決方案。這些新型ADC包括數字下變頻器(DDC)，不僅可以對不需要的頻譜進(jìn)行數字濾波，還可以通過(guò)數字手段抽取I/Q分量。

　　圖15.典型的中頻采樣架構。

　　并排比較：過(guò)去與現在

　　阿姆斯特朗的7號專(zhuān)利稱(chēng)：“眾所周知，隨著(zhù)接收信號強度的降低，所有檢波器都會(huì )迅速失去靈敏度，而當高頻振蕩的強度低于某一點(diǎn)時(shí)，檢波器的響應會(huì )變得十分微弱，無(wú)法接收到信號?！卑⒛匪固乩事暦Q(chēng)，隨著(zhù)振幅下降或頻率增加，檢波器的靈敏度會(huì )降低。他和其他人試圖找到一種方法，將無(wú)線(xiàn)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上，阿姆斯特朗意識到，可以轉換輸入頻率，使其與現有檢波器配合使用時(shí)能更高效地工作。另外，可以應用增益，以同時(shí)增加射頻信號電平和提供給用戶(hù)的音頻信號電平。

　　圖16所示為該專(zhuān)利的示意圖之一，“詳細說(shuō)明了如何通過(guò)調諧放大器系統，利用[阿姆斯特朗的]方法，其中，21是輸入振蕩(信號)的來(lái)源，真空管整流系統22-23-25轉換輸入信號和獨立外差器件24(本振)的組合振蕩。電路26-27被調諧到兩個(gè)振蕩的轉換組合(目標混頻器積)。多管高頻放大器28放大由真空管系統29進(jìn)行外差處理并檢波的所得能量，由電話(huà)30指示?！? 通過(guò)使用這種方法，阿姆斯特朗得以取得射頻能量并將頻率轉換為可以輕松有效地檢波的頻率，同時(shí)提供充分的放大，使音頻電平達到令人舒適的水平。在專(zhuān)利中，他繼續指出，可以應用多個(gè)外差級，其優(yōu)點(diǎn)是能提供額外的選項和更高的增益水平，不用擔心不受控制的反饋導致振蕩--這個(gè)問(wèn)題長(cháng)期困擾著(zhù)再生接收器等早期無(wú)線(xiàn)電架構。

　　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)與現代實(shí)施方案，同時(shí)向我們展示了，現代設計與100年前提出的原始設計有多相似。

　　圖17.管與現代超外差設計。

　　圖17對兩個(gè)電路進(jìn)行了并排比較。根據阿姆斯特朗的專(zhuān)利，第一電子管級包括一個(gè)真空管整流系統。該第一級利用電子管的整流屬性生成典型混頻積，把目標信號與LO的混頻組合起來(lái)。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(gè)時(shí)代的檢波器可以響應的范圍，另一方面是因為，在他開(kāi)發(fā)超外差接收器期間，這對他來(lái)說(shuō)是一個(gè)技術(shù)挑戰?，F代接收器通常在混頻器之前包括至少一個(gè)射頻放大器，用于實(shí)現低噪聲和高靈敏度，如低位信號鏈所示。這些器件通常采用低噪聲FET設計，針對工作頻率范圍進(jìn)行了優(yōu)化。阿姆斯特朗最初申請的專(zhuān)利和現代設計之間唯一的根本區別是放置在混頻器之前的獨立射頻放大器。到二戰時(shí)，很容易發(fā)現一些電子管設計，其采用的前端放大器與今天的FET前端相當。

　　圖18.(a) 管式前端，(b) 前端。

　　他暗示稱(chēng)，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(xiàn)性行為導致了這些積。這種原創(chuàng )設計帶來(lái)的一個(gè)挑戰是，LO會(huì )因直接耦合到天線(xiàn)而發(fā)生意外輻射?，F代設計發(fā)生這種輻射的可能性很低，不過(guò)也不是完全不可能，因為如圖19所示，LO被耦合到通過(guò)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(gè)改進(jìn)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(gè)IC中。這些器件被廣泛用于從消費者需求到工業(yè)需求的眾多不同應用之中。

　　圖19.中頻放大器級。

　　對于電子管和單片前端，混頻過(guò)程會(huì )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(zhù)0.1 MHz和20.1 MHz。此外，通常也會(huì )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，以便接收目標信號。由于檢波器的帶寬有限，所以，阿姆斯特朗專(zhuān)注于差項，即100 kHz。除了他所包含的諧振LC結構之外，他的2級中頻放大器很可能還能對其他項進(jìn)行一些濾波處理?，F代中頻放大器也將包括某類(lèi)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(wú)線(xiàn)電通常在中頻級中使用石英或陶瓷濾波器;更寬的頻帶設計通常根據需要運用SAW或BAW。通常，這種濾波器被稱(chēng)為修平濾波器，用于保護后續級免受強帶外信號的影響。

　　有了經(jīng)過(guò)良好濾波的強大中頻信號，阿姆斯特朗現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?，F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，因此可以直接驅動(dòng)揚聲器，至少對于調幅信號是這樣。在現代接收器中，模數轉換器對模擬中頻采樣并產(chǎn)生數字等效信號，然后以數字方式進(jìn)行處理(包括解調)。在音頻應用的情況下，該信號可以通過(guò)數模轉換器轉換回模擬信號，以便在必要時(shí)驅動(dòng)揚聲器。

　　圖20.檢波器。

　　雖然電子管和晶體管版本的無(wú)線(xiàn)電都能實(shí)現類(lèi)似的結果，但現代設計具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，現代設計要小得多，并且功率需求大大降低。雖然便攜式電子管無(wú)線(xiàn)電從一開(kāi)始就存在，但晶體管帶來(lái)了袖珍型無(wú)線(xiàn)電。集成電路實(shí)現了單芯片無(wú)線(xiàn)電，從短距離無(wú)線(xiàn)電應用(如ADF7021 )到高性能應用(如AD9371 )，應用范圍十分廣泛。在許多情況下，這同時(shí)包括接收器和發(fā)射器。

　　圖21.ADF7021短距離無(wú)線(xiàn)(簡(jiǎn)化版)。

　　圖22.AD9371 ZIF收發(fā)器。

　　由于單片無(wú)線(xiàn)電通常采用模數轉換器和數模轉換器，因此借助這些無(wú)線(xiàn)電很容易實(shí)現復雜的調制。管式無(wú)線(xiàn)電歷來(lái)局限于基本調制類(lèi)型，例如AM和FM。當將數據轉換器添加到無(wú)線(xiàn)電中時(shí)，單片無(wú)線(xiàn)電通常就是這樣做的，就可以通過(guò)數字技術(shù)引入新的調制形式，包括擴頻和OFMD，它們是我們每天都離不開(kāi)的大多數現代通信的核心(數字電視、高清無(wú)線(xiàn)電、DAB、手機)。

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的繼續演進(jìn)，將會(huì )出現更多進(jìn)步，可能帶來(lái)目前無(wú)法實(shí)現的無(wú)線(xiàn)電架構或功能。今天，我們擁有高度集成的中頻采樣超外差架構和零中頻架構。初露端倪的其他架構包括直接射頻采樣架構，在這一架構下，信號被直接轉換為數字信號且無(wú)需模擬下變頻。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的繼續演進(jìn)，可用選項的數量將會(huì )增加。然而，某種形式的外差架構可能會(huì )在未來(lái)一段時(shí)間內與我們相伴。

　　結論

　　在超外差無(wú)線(xiàn)電的百年發(fā)展史上，除了實(shí)施技術(shù)之外，架構上幾乎沒(méi)有變化。多年來(lái)，我們目睹了用于構建無(wú)線(xiàn)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(lái)了各種可能性，在無(wú)線(xiàn)電發(fā)展初期的先驅眼中，這些不過(guò)是白日夢(mèng)，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)鍵因素之一是在當今的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中由高速ADC實(shí)現的檢波器。過(guò)去幾年在數據轉換器和其他技術(shù)方面的改進(jìn)帶來(lái)了我們的互聯(lián)世界，這正在改變著(zhù)我們的日常生活和現代社會(huì )的結構。令人興奮的是，這項核心技術(shù)正在不斷發(fā)展，將繼續帶來(lái)當今可能尚不為人所知的新型無(wú)線(xiàn)解決方案。就像阿姆斯特朗和利維(Levy)的發(fā)明為過(guò)去100年帶來(lái)巨大潛力一樣，在接下來(lái)的100年中，下一代無(wú)線(xiàn)技術(shù)定將當仁不讓?zhuān)炀蜔o(wú)盡可能。