4.1 两次变频发射机
两次变频发射机原理
先把基带信号在一个较低的中频(IF)频率上完成调制和变频,然后再变频一次,把已调信号上变频到射频(RF)信号。经过两次变频后才可以发射出去,所以称为两次变频发射机,其系统架构如图4-1所示。
图4-1 两次变频发射机系统架构图
从上面的系统架构图4-1可以看到,该架构存在两个变频器,基带信号经过上变频器1后变成中频(IF)信号,这时的信号还不能发射出去,必须再经过上变频器2再转换一次,变成射频(RF)信号,此时的信号才能被发射出去。具体的详细处理过程不再赘述,可以参考前面射频系统架构的讲解。
两次变频发射机的频谱搬移图如图4-2所示。
图4-2 两次变频发射机的频谱搬移图
两次变频发射机的优点
○ 没有本振泄漏,较为稳定,这个优点刚好是下一节要介绍的直接变频结构的缺点。
○ 技术难度相对较低,因为有中频存在,信号的滤波等处理都是在较低的中频上进行(频率越低,技术难度相对越低)。
两次变频发射机的缺点
○ 由于有中频,存在镜像干扰。
关于镜像频率,假设输入是一个余弦信号,并将中频分量表示为
A cos ω IF t = A cos( ω IN - ω LO ) t = A cos( ω LO - ω IN ) t (4-1)
可以看出,无论 ω IN - ω LO 是正数还是负数,均产生相同的中频。因此,不管 ω IN 是高于还是低于 ω LO ,都能被转换成相同的中频。这意味着对于给定的一个本地振荡频率,将存在两个输入频率 ω IN 和 ω IM 可以通过变频后落在中频频率上,并且 ω IM 和 ω IN 相对本地振荡在频率上对称分布,像镜子里的对称,如图4-3所示。因此, ω IM 被称为镜像频率,且有
ω IM = ω IN +2 ω IF =2 ω LO - ω IN (4-2)
图4-3 镜像频率图
该镜像频率经过混频后叠加在中频上,如果镜像频率上存在其他信号,就会造成干扰,需要镜像滤波器滤除。
○ 由于存在中频,需要中频带通滤波器。这些滤波器都有非常高的 Q 值(滤波器品质因数),在芯片内难以实现,因此不利于芯片集成,成本也高。
其缺点刚好是下一节要介绍的直接变频的优点,这也是两次变频逐渐被淘汰的原因,目前大多数发射机架构都采用了直接变频发射架构,但两次变频架构发射机在一些领域还是存在的。
美国网件公司(NETGEAR)的WNDR4300路由器,采用高通创锐讯公司(Qualcomm Atheros)的Wi-Fi射频收发芯片AR9344芯片,AR9344芯片发射机系统框图如图4-4所示,该芯片可以支持2.4 GHz或5 GHz附近频段,对于Wi-Fi 5 GHz附近频段,该芯片采用了两次变频发射机架构。
通过图4-4可以看到,来自基带外的量化噪声,先送到IF混频器完成调制并进行第一次上变频,通过上变频得到IF信号,然后再送给RF混频器,再上变频到RF,才完成基带到RF的转换,RF信号再传输到芯片内驱动放大器进行预放大,最后传输到芯片外部,这时的信号才能被发射出去。由于经过两次变频,所以这是典型的两次变频发射机架构。
图4-4 AR9344芯片发射机系统框图
NETGEAR路由器剖析
接下来将为大家简单剖析NETGEAR WNDR4300路由器的整个射频发射机电路。整个射频发射电路对于初学者来说,可能有一定的难度,这里不妨作为兴趣先学习,重点了解整个信号的处理过程。需要说明的是,此路由器中AR9344并没有用于5 GHz附近频段,而是用在了2.4 GHz附近频段。
该路由器为双频路由器(2.4 GHz和5 GHz两个附近频段),2.4 GHz附近频段有两路(2×2 MIMO),5 GHz附近频段有三路(3×3 MIMO)。该路由器的发射机框图如图4-5所示。
下面分别简单介绍该路由器两个频段的发射机信号处理过程:
2.4 GHz附近频段:共有两路信号发射,每一路的发射完全相同。该频段采用了美国Qualcomm Atheros公司的AR9344作为射频收发芯片,经过AR9344调制和变频后的Wi-Fi信号通过芯片的双端口(差分输出)输出到芯片外,再经过一个由电容电感构成的巴伦电路(双端口转换成单端口),即图4-5中的BALUN,转为单端输出,然后传输给功率放大器(PA,参见本书6.2节)进行信号放大,放大后的信号经过一个单刀双掷开关(SPDT)进行开关选择后传输到天线(ANT),经过天线转换成电磁波发射到空中。以上是路由2.4 GHz附近频段Wi-Fi信号的发射过程。
图4-5 WNDR4300路由器发射机系统框图
5 GHz附近频段:共有三路信号发射,每一路发射过程完全相同。该频段采用Qualcomm Atheros公司的AR9580作为射频收发芯片,经过AR9580调制和变频后的Wi-Fi信号通过芯片的双端口(差分输出)输出到芯片外,再经过一个由电容电感构成的巴伦电路后转为单端输出,然后传输给射频前端模块(Front End Module,FEM,包括功率放大器、LNA、射频开关,具体讲解见第6章)进行信号放大和开关选择,然后传输到天线进行发射。这是该路由器5 GHz附近频段Wi-Fi信号的发射过程。
动动小手
找一个日常生活中废旧的无线电子产品(手机、路由器、随身Wi-Fi、智能插座、蓝牙音箱等),拆开看一下电路板,试着辨认出射频电路部分。