射频收发信机架构和射频信号介绍

射频(R F)通信接收机的前端将级联中的多个子系统结合起来，以实现几个目标。 滤波器和匹配网络提供频率选择性以消除干扰信号… 放大器通过增强接收信号和要传输的信号来管理噪声水平。 与振荡器耦合的混合器将调制信息从一个频率转换到另一个频率。

只有几种类型的接收机和发射机结构。 在接收机中，设计的中心思想是获取叠加在射频信号或载波上的信息，并将其转换为可以直接应用于扬声器应用或数字化的低频形式。 在蜂窝通信系统中，通常称为基带信号的低频信号可以有30k Hz到5MHz的带宽（在5G NR时代信号带宽已经增加到了100MHz以及以上），载波频率可以是500MHz到2GHz（在5G NR时代信号频率已经增加到了毫米波量级）。 发射机接收基带信号并将其叠加在射频载波上，射频载波可以更容易地辐射到空间中，并且很容易从一个天线传播到另一个天线。 基本的接收机和发射机结构如图1-1所示。 在接收机里，混频器把信息叠加的射频载波向下转换到一个较低的频率上，输出可以直接连接到扬声器或数字化的模拟数字转换器(ADC)。 使用发射机，低频信息承载信号被转换为可以更容易辐射的频率上。 最常见的接收机体系结构如图1-1(A)所示。 首先，天线收集电磁频谱的广泛部分。 天线具有相对较低的频率选择性（它们具有宽带宽），不需要的信号电平可能很大，因此需要通过带通滤波器(B PF)进行额外的滤波处理，以减少呈现给第一级放大器的输入新骄傲电压范围。 最终，这个信号被ADC数字化，但要做到这一点，必须降低信号中携带信息部分的频率。 频率的下降是由混频器级完成的。 在由大的本地振荡器(LO)信号驱动的混频器中，输出中频(I F)信号在与RF和LO的不同的频率（见图1-2）上。 因此 f IF =f 射频 −f LO(虽然有时LO在RF之上，所以f IF =f LO −f 射频 )。 LOs通常有接近工作频率的噪声，因此有一个关于射频和LO的频率如何接近的极限限制，从而使得振荡器噪声不会出现在IF上。 如果只有一级混合器，那么IF可能仍然太高。 解决办法是使用两级混频的方式。 混频（或外差）级之间的BPF进一步阻止不必要的信号。 最终，低通滤波器(LPF)只允许最后一级IF(这里的IF2 )提交给ADC。 一旦数字化，就有可能进一步滤波最初出现在射频上作为调制的预期信号。 一级接收机(见图1-1(B)通常需要一个更有能力的，具有更高的工作频率的ADC。 然而，消除混频级会降低成本和尺寸。 发射机的结构类似于接收机的结构，关键的区别是使用数字到模拟的转换器(DAC)(见图1-1©）。

（a）

（b）

（c）

图1-1单边射频前端电路：(a)具有两个混合（或外差）级的接收机；(B)具有一个外差级的接收机；©一级混频的发射机。

图1-2简单混频器电路：(a)框图；(b)频谱图

发射机和接收机射频前端的主要有源元件是放大器、混频器和振荡器。 这些子系统有许多共同之处，使用非线性器件将直流功率转换为射频功率。 在混频器的情况下，LO的功率也转换为RF功率。 典型手机的前端如图1-3所示。 这里的组件通常是在一个模块中实现的，并对各种不同的元件使用不同的技术，以优化成本和性能。 这里显示的体系结构有许多不同的版本。 在一个极端，一个模块是与所有的组件被封装在一个屏蔽结构中，也许一侧有1厘米长、2-3毫米厚。 另一个极端是单片机实现，通常在双极性与互补金属氧化物半导体(BiCMOS)技术，硅锗(SiGe)技术，或高性能CMOS称为RFCMOS。然而，有必要使用砷化镓GaAs作为装置来有效地实现通常必须传输的数百毫瓦功率。

现在返回到如图1-3中所示的以多芯片形式显示的基于混频器的收发信机（用于发射机和接收机）体系结构。 在这里，使用单天线和双工器（低通和高通联合在一起的滤波器）或开关用于分离（频率间隔）发射和接收路径。 如果系统协议要求同时发送和接收，则需要一个双工器来分离发射和接收路径。 这种滤波器往往尺寸较大的，有损的，或昂贵的（取决于所使用的技术）。 因此，如果发射和接收信号在不同的时隙中工作，则首选晶体管开关。 在接收路径中，CMOS或BiCMOS芯片最初放大低电平接收信号，因此低噪声系数是很重要的。 因此，这个放大器被称为低噪声放大器(LNA)… 然后，放大后的接收信号被带通滤波，频率被混频器（由一个带有交叉的圆圈表示）转换为IF（中频），该中频可以由ADC采样以产生由数字信号处理(D SP)进一步处理的数字信号。 这种体系结构的变体版本包括一种有两个下变频转换级的架构；而另一种架构中没有混频器，而依赖于使用亚采样ADC（ subsampling ADC）直接转换接收信号。 在发射路径中，结构被反转，由DSP芯片驱动的DAC在IF处产生一个信息承载信号，然后由混频器进行频率上变频转换，带通滤波，并由所谓的功率放大器放大，以产生所需的数百毫瓦发射功率。 另一种发射机设计是直接数字合成(DDS，Direct Digital

Synthesis)，它绕过了频率转换级。 直接转换和DDS是很难实现的，但对于高期望的单个或少数芯片解决方案来说又是必不可少的。

图1-3射频前端架构中有多个芯片

本文介绍射频的操作和设计策略，如 图1-3的射频前端架构，读者可以查看放大器、混合器、开关和振荡器。 该体系结构用于大多数高性能射频和微波通信及雷达系统中。 当子系统要求最好是线性射频组件时，这一要求只能近似满足，因为使用的有源器件本质上是非线性的。 性能从根本上受到失真的限制，这与射频信号的特性有关，而这反过来又取决于对射频载波信息施加影响的信号调制方案。

1.1 射频信号
射频通信信号的设计是为了权衡电磁(EM)频谱的有效使用与所需射频硬件的复杂性和性能。 将基带（或低频）信息转换为射频的过程称为调制，其中有模拟调制和数字调制两种。在模拟调制中，射频信号具有连续的取值范围；在数字调制中，输出具有若干离散状态。目前只有几种信号调制方案，实现了频谱效率和易用性与硬件复杂性的最佳权衡。 主要的信号调制方案包括：

模拟调制（Analog modulation）：

AM 振幅调制（Amplitude modulation）

FM 频率调制（Frequency modulation）

PM 相位调制（Phase modulation）

数字调制（Digital modulation）：

FSK 频移键控（Frequency shift keying）

PSK 相移键控（Phase shift keying）

MSK 最小移位键控(Minimum shift keying，FSK的一种形式)

GMSK 高斯滤波数据的最小移位键控（Minimum shift keying using Gaussian filtered data）

BFSK 二进制频移键控（Binary frequency shift keying）

BPSK 二进制相移键控（Binary phase shift keying）

QPSK 正交PS K(Q PSK也称为四元PSK、四相PSK和四元PSK)

π/4-DQPSK π/4差分编码QPSK

OQPSK 偏移QPSK

SOQPSK 成型偏移QPSK

SBPSK 成型BPSK

FOPSK 隔距偏移QPSK

8PSK 8态相移键控（8-state phase shift keying）

3π/8-8PSK 3π/8,8态移相键控

16PSK 16状态相移键控

QAM 正交调幅（Quadrature amplitude modulation）

频率调制，以及类似的PM调制方案，被用于模拟蜂窝无线电中。 随着传统AM的加入，这三种方案是模拟无线电的基础。 其他方案用于数字无线电，包括数字蜂窝无线电。

GMSK用于全球系统

移动通信(GSM)蜂窝系统中，它是FSK的一种形式，产生恒定的调幅信号。 调频、FSK、GMSK和PM技术产生恒定的射频包络，因此信号的振幅中不包含任何信息。 因此，引入系统振幅的误差没有意义，因此可以使用C类等有效的饱和模式放大器，从而延长电池寿命。

因此，在射频设计的复杂性、调制格式的选择和电池寿命方面存在权衡。 相反，MSK、π/4DQPSK、3π/88PSK和QAM技术不会导致恒定的射频包络，因为其信息包含在射频信号的幅值中。 因此，需要更复杂的射频处理硬件。

最后

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