3.2 射频系统架构
无线系统标准种类繁多,如移动通信(2G/3G/4G/5G)、无线局域网(Wi-Fi等)、物联网通信(ZigBee、LoRa等)、近距离传输(蓝牙/NFC)、导航通信(北斗/GPS等),但对于一个系统来说,无非就是“发射”和“接收”的组合,或者是单纯的“接收”,万变不离其宗。
一般情况下,一个完整的射频系统包括“发射”和“接收”两部分,这个系统称为收发信机,由发射机(Transmitter,TX)和接收机(Receiver,RX)构成。
发射机负责把信号发射出去,并且通常还要把信号放大到一定程度后发射出去;而接收机负责接收其他设备发射的信号。
接下来将为大家介绍射频系统架构。所谓射频系统架构,也就是射频系统发射和接收电路的结构框架。近年来,随着集成电路技术的高速发展,消费电子产品的射频收发信机的集成度已经非常高了,而射频系统架构也随之演变和简化,射频系统架构里很多单元电路都集成到集成电路(Integrated Circuit,IC)芯片里了,甚至很多芯片规格书(Datasheet)里都不再对架构进行描述,因而有些射频工程师可能对射频系统架构没什么概念了。
了解射频系统架构将有利于提升职业生涯的成长和发展。具体来讲,在遇到一些问题时,拥有系统架构的概念和知识,就具有系统的、高屋建瓴的思维,能够更加准确而深刻地分析问题。要想成为一名优秀的射频工程师,就非常有必要了解射频系统架构。
常见射频系统架构有两种:超外差架构、直接变频架构。一个典型的射频系统架构示意图如图3-4所示。
在图3-4中,右上方虚线框内属于发射机电路,右下方虚线框内属于接收机电路,左边虚线框内属于基带电路。随着无线通信的发展,现在进行通信的信息源早已不再是音频了,所以左边虚线框内的基带信号可以是文字、图片、视频等。
在图3-4中,音频信源信号通过麦克风采集,送到编解码器(CODEC)进行编码,然后输入到调制器进行调制;信号通过调制器后变成已调信号,再送到变频器进行上变频[所谓变频就是进行频率上的加减法,对于发射机就是加法,也就是把基带信号加上一个本振(LO)频率,比如Wi-Fi的2.4 GHz],这样信号就变成了频率很高的射频信号了;射频信号先通过增益可调的放大器进行初步放大,再送到功率放大器(Power Amplifier,PA)做最后的信号放大,这样就成了功率较高的强信号,经过天线开关(TDD方式)或双工器(FDD方式)后发送到天线,通过天线把射频信号转换成电磁波辐射到空中。这就是一个完整的发射过程。
图3-4 典型射频系统架构示意图
接收机可以理解为发射机的逆向过程。在图3-4中,天线接收到电磁波后,把电磁波转换成射频信号,经过天线开关或双工器后送到低噪声放大器;经过放大后的信号送到变频器进行下变频(下变频就是对信号进行频率上的减法,比如Wi-Fi 2.4 GHz信号,就是减去2.4 GHz);经过下变频后射频信号变成频率很低的信号,再经过低通滤波与放大,然后经过解调器解调;解调后的信号送到编解码器进行解码(经常还会有音频放大器进行放大),解码后的音频信号送给扬声器。这就是一个完整的接收过程。
收发信机的指标,是指收发信机的各种主要参数要求。按照开放系统互连(Open System Interconnection,OSI)参考模型,网络通信的工作分为7层(即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层),每层都有相应的通信协议,但是硬件或射频工作大多集中在物理层、数据链路层,到网络层的就很少了。后面的章节中将介绍收发信机主要的参数和指标,射频工程师工作的目的就是设计并保证产品的参数和指标达到相关要求(产品所需的相应协议和规范)。部分参数在后面的章节中将进行讲解,而有些参数只能在实战工作中接触到了。
下面介绍图3-4中出现的调制、解调和变频三个概念及技术。
调制(Modulation)
调制的原理
调制是将基带信号加载到载波信号上,通过改变载波的某些特性来代表基带信息。调制可以分为传统的模拟信号调制和数字调制。比如,传统模拟信号调制:改变幅度的叫调幅(AM);改变频率的叫调频(FM),对应到数字调制叫移频键控,如GSM用的GMSK;改变相位的叫调相(PM),对应到数字调制叫移相键控,如Wi-Fi和3G都用到的QPSK。
调制的目的
调制的目的在本书2.5节已介绍,此处不重复了。
图3-5是几种调制方式的波形图。可以看到,经过调制后,基带信息就加载到载波上了。
示例
正如第2章中的图2-4那样,可把调制过程形象地比喻为将货物装载到车上的过程。经过调制后,诸如010011100之类的数字基带信息就被装到了波形上。
图3-5 几种调制波形
对于涉及相位的已调信号,因为既有幅度又有相位,所以可用矢量(即星座图)来表示:把各信号表示在复平面上,可以非常直观地判断调制方式和调制质量。图3-6所示是几种调制方式的星座图。
图3-6 调制星座图
从星座图上可以很直观地看到:BPSK每个点代表1 bit信息,QPSK每个点代表2 bit信息,16QAM每个点代表4 bit信息,每个点称为一个码元;越高级的调制方式,所携带的信息就越多,最终的通信速率也就越高。
以Wi-Fi 5G频段的802.11ac为例,不同速率下对应的调制方式见表3-1。
表3-1 802.11ac的调制方式和速率
说明:
R 是指编码速率(Coding rate)。
N BPSCS 是指每个空间流的每个子载波的编码比特数(Number of coded bits per subcarrier per spatial stream)。
N SD 是指每个频率划分的复合数据个数(Number of complex data numbers per frequency segment)。
N SP 是指每个频率划分的导频数量(Number of pilot values per frequency segment)。
N CBPS 是指每个符号的编码比特数(Number of coded bits per symbol)。
N CBPS 是指每个用户的每个符号的数据比特数(Number of data bits per symbol for user)。
N ES 是指每个用户的数据域的二进制卷积码编码器数量(Number of BCC encoders for the data field for user)。
GI是指保护间隔(Guard Interval)。
从表3-1可以看到,从上到下调制方式越来越高级,相应右边的速率越来越高。调制方式越复杂,就相当于装货的车越复杂,可以装载的货物就越多,所以速率(运输量)也就越大。图3-7形象地表示了调制方式的演进。
图3-7 调制方式的演进
动动小手
网上查询GSM和WCDMA分别是用什么“车”来运输信息的(采用什么调制方式)?
解调(Demodulation)
解调有时又叫检波,是调制的相反过程,就是把信息从调制后的载波中还原出来,变成基带的信源信号。调制是往车上装货(要传输的信息),解调是从车上把货卸载下来。由于解调是调制的相反过程,各位读者可以把调制的原理反过来理解,这里就不详细介绍了。
变频(Frequency Conversion)
变频是指对输入信号进行频谱的线性搬移,即把输入信号的频谱从一个频率搬移到另外一个频率上。从数学上看,就是对输入信号频谱进行频率上的加减法。在通信电路中,变频又称为混频,变频器又叫混频器(Mixer)。
变频技术的核心是变频器。
变频的原理
变频就是频率变换,把信号从一个频率变到另一个频率上,即把调制信号的频率强制加到一个较高的频率上(上变频),或者把射频信号的频率强制“减”为一个较低的频率(下变频)。图3-8所示的变频器是一个三端口器件,三个端口分别是输入端口、本地振荡端口和输出端口。输入端口对应信号的频率为 f IN ,本地振荡端口信号的频率为 f LO ,输出端口信号表示为 f IF 或 f RF ( f IF 表示变换到中频频率, f RF 表示变换到射频频率)。
图3-8 变频器
从数学上看,变频就是完成频率的加减法, f IF = f IN ± f LO 。把调制信号的频率强制加到一个较高的频率(上变频),把调制信号强制“减”为一个较低的频率(下变频)。
中频(Intermediate Frequency,IF):中频与 f IN 和 f LO 的关系有两种。
当取和频时, f IF = f IN + f LO , f IF >f LO ,称为“上变频输出高中频”。
当取差频时, f IF = f IN - f LO , f IF < f LO ,称为“下变频输出低中频”。
从频谱上看,变频就是对频谱进行搬移,即把频谱从 f IN 搬移到( f IN ± f LO )处,这就是变频的过程,如图3-9所示。
图3-9 变频的过程
变频的目的
一是为了将信号有效地用电磁波辐射出去。电磁波有效辐射的条件是天线尺寸可以和波长相比拟;以对称振子天线为例,天线尺寸是半个波长左右。如人的声音的波长大概300 km,如果不变频,做这么大的天线是不现实的。
二是为了有效利用频率资源。频率如同国土和海洋一样,是一种资源。为了合法合理地利用频率资源,各种无线通信设备都被规定在一定频段内进行通信,所以必须经过变频把频率转换到规定的频段内。国际相关组织以及各个国家或地区对各个频率范围的频率做了规范,比如,2.4 GHz附近的频率被规定为ISM频段(Industrial Scientific Medical Band)资源,蓝牙、Wi-Fi、ZigBee被允许工作在该频段。
三是为了抗干扰,同调制一样,变频可以有效抵抗电磁环境的影响。
示例
如果把已调信号比喻成一辆装载货物的货车,那么变频就可以理解为变换公路,如图3-10所示。变频就是按照交通规则把“货车”行驶在指定的“公路”上。
图3-10 变频过程——让“货车”在指定的“公路”上行驶
实战小锦囊
学习和从事无线射频技术工作,一定要建立“发射”和“接收”的概念(就像武功里既有进攻又有防守一样),并做好明确的区分,尤其是当“接收”的信号非常弱时。所以,对于很多系统的设计,需要做好“接收”电路和“发射”电路的隔离保护(就像防守时通常比较弱,需要保护一样)。这一点不仅对于FDD系统需要慎重对待,而且在工程实践中,即使对于TDD系统,如果不重视,也将会付出代价。
充分理解和重视调制方式。调制虽然是非常基础的技术,却是决定无线系统特性的关键技术之一。在今后的学习和工作中,将会发现:不同系统的通信速率差别很大,不同系统的测试指标也存在差异;即使同一个指标,不同的标准也存在差异;有些系统考虑功率回退,有些系统不考虑。种种差异其实都是由调制方式的不同决定的。