接收器技術(shù)的最新發(fā)展：接收器百年創(chuàng)新史選編第2部分：接收器架構(gòu)

第2部分：接收器架構(gòu)

像德·福雷斯特和阿姆斯特朗這些無(wú)線電技術(shù)早期的先驅(qū)們都明白一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：他們的成功離不開(kāi)堅(jiān)固可靠的檢波器；早期時(shí)，這主要靠無(wú)線電報(bào)員，他們的技術(shù)實(shí)力和聽(tīng)力使其成為可能。然而，隨著行業(yè)的發(fā)展，其他方面的重要性也逐漸突顯，例如線性度、帶寬等。

1912年，為了解決這些問(wèn)題，德·福雷斯特想出了再生方案以及這種技術(shù)可能給接收器帶來(lái)哪些好處。幾乎在同一時(shí)間，阿姆斯特朗取得了類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)，他指出，如果從加熱電路把能量耦合回簾調(diào)諧器，當(dāng)放大器響應(yīng)在自由振蕩之前達(dá)到峰值時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的放大效果。這些發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的專(zhuān)利糾紛，因?yàn)槊课话l(fā)明家都聲稱(chēng)首先問(wèn)世的是自己的發(fā)明。

無(wú)論如何，再生式接收器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，除了取得非常高的增益水平之外，接收器還有助于將輸出連接到揚(yáng)聲器，而不是像之前那樣，連接到音頻輸出很弱的小型耳機(jī)上。阿姆斯特朗指出，通過(guò)這種安排，他可以從紐約實(shí)驗(yàn)室輕松復(fù)制馬可尼在愛(ài)爾蘭的裝置，而馬可尼通常需要一個(gè)中繼站來(lái)實(shí)現(xiàn)跨大西洋的覆蓋。得到滿意結(jié)果后，阿姆斯特朗邀請(qǐng)沙諾夫來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，分享他的發(fā)現(xiàn)。借助再生設(shè)置，他們整個(gè)晚上都在接收遠(yuǎn)程無(wú)線電信號(hào)，輕松地接收到了來(lái)自西海岸和太平洋的信號(hào)。這是檢波器技術(shù)的一次重大改進(jìn)。再生式接收器面臨的最大挑戰(zhàn)是調(diào)整反饋以確保正常運(yùn)行；即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的電報(bào)員也很難做好。隨著再生式和超再生式無(wú)線電的早期型號(hào)被投入生產(chǎn)，這一挑戰(zhàn)變得非常明顯，需要在無(wú)線電技術(shù)普及之前找到解決辦法。

第一次世界大戰(zhàn)最終迫使美國(guó)參戰(zhàn)，阿姆斯特朗在法國(guó)領(lǐng)受任務(wù)，負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)安裝無(wú)線電裝置。這使他有機(jī)會(huì)繼續(xù)研究工作；1918年2月，與法國(guó)和英國(guó)的同事合作之后，他提出了超外差架構(gòu)。最終，這種架構(gòu)解決了許多問(wèn)題，無(wú)需像超再生等以前的架構(gòu)那樣，進(jìn)行繁瑣的調(diào)整，而且不會(huì)犧牲性能。

整個(gè)1918年，阿姆斯特朗繼續(xù)開(kāi)發(fā)超外差架構(gòu)，解決了再生和超再生接收器面臨的許多難題。這一發(fā)展實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單易用的無(wú)線電，與目前的量產(chǎn)型無(wú)線電一致。雖然超外差接收器不是嚴(yán)格意義上的檢波器，但它具有增益功能和額外的選項(xiàng)，提供固定中頻，不受被監(jiān)控射頻頻率影響，有助于提高檢波性能和一致性。這樣就可以?xún)?yōu)化檢波器，無(wú)需擔(dān)心所需射頻頻率會(huì)導(dǎo)致性能下降，而這正是早期無(wú)線電面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，并且繼續(xù)挑戰(zhàn)著今天的無(wú)線電設(shè)計(jì)師，只是頻率要高得多而已。即使我們已經(jīng)繼續(xù)探索零中頻、直接射頻采樣等新型架構(gòu)，挑戰(zhàn)仍然存在。

這些優(yōu)勢(shì)鞏固了外差架構(gòu)的重要性，并且今天仍在繼續(xù)。雖然實(shí)施技術(shù)已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構(gòu)仍然是許多現(xiàn)代系統(tǒng)的關(guān)鍵。

除了技術(shù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)變以外，無(wú)線電架構(gòu)幾乎未發(fā)生變化，直到20世紀(jì)70年代，通用型DSP和FPGA的出現(xiàn)才改變了這種狀況。檢波器的功能從線性檢波器元件（如二極管、鑒頻器和PLL）轉(zhuǎn)向模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后是數(shù)字信號(hào)處理。這為舊技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多功能創(chuàng)造了條件。雖然數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器加DSP確實(shí)能執(zhí)行傳統(tǒng)的AM和FM5解調(diào)，但運(yùn)用數(shù)字處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廣泛用于數(shù)字電視的復(fù)雜數(shù)字解調(diào)，比如美國(guó)的HD Radio?以及歐洲和世界其他地區(qū)的DAB。

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

到90年代中期，轉(zhuǎn)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(diào)器和基帶轉(zhuǎn)換器對(duì)，并用單個(gè)ADC代替，從而節(jié)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(dāng)然，DSP處理仍然需要復(fù)雜數(shù)據(jù)，但可以通過(guò)使用AD6624等數(shù)字下變頻器(DDC)輕松抽取數(shù)據(jù)，這些數(shù)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(zhuǎn)換器均為窄帶，但到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉(zhuǎn)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(dá)200 MHz的中頻頻率，并提供高達(dá)35 MHz的信號(hào)帶寬。結(jié)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)線電設(shè)計(jì)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(hào)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)線電取代多個(gè)模擬窄帶無(wú)線電，大幅降低許多電信應(yīng)用的擁有成本。處理多個(gè)獨(dú)立（或從屬）射頻信號(hào)的任何應(yīng)用都可以從這種類(lèi)型的架構(gòu)中受益，從而達(dá)到降低成本、減小尺寸和降低復(fù)雜性的目的?？梢栽跀?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中輕松分出各個(gè)射頻載波，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立處理?？梢允褂梦ㄒ坏?a target='_blank' class='arckwlink_none'>信息對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行不同的調(diào)制，也可以擴(kuò)展信號(hào)帶寬以增加數(shù)據(jù)吞吐量。包括ADRF6612和ADRF6655在內(nèi)的集成混頻器技術(shù)繼續(xù)推動(dòng)著中頻采樣外差無(wú)線電的發(fā)展，可與AD9684和AD9694等新型中頻采樣轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高度集成的低成本解決方案。這些新型ADC包括數(shù)字下變頻器(DDC)，不僅可以對(duì)不需要的頻譜進(jìn)行數(shù)字濾波，還可以通過(guò)數(shù)字手段抽取I/Q分量。

并排比較：過(guò)去與現(xiàn)在

阿姆斯特朗的7號(hào)專(zhuān)利稱(chēng)：“眾所周知，隨著接收信號(hào)強(qiáng)度的降低，所有檢波器都會(huì)迅速失去靈敏度，而當(dāng)高頻振蕩的強(qiáng)度低于某一點(diǎn)時(shí)，檢波器的響應(yīng)會(huì)變得十分微弱，無(wú)法接收到信號(hào)?！卑⒛匪固乩事暦Q(chēng)，隨著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)線電的有效性擴(kuò)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(chǔ)上，阿姆斯特朗意識(shí)到，可以轉(zhuǎn)換輸入頻率，使其與現(xiàn)有檢波器配合使用時(shí)能更高效地工作。另外，可以應(yīng)用增益，以同時(shí)增加射頻信號(hào)電平和提供給用戶(hù)的音頻信號(hào)電平。

圖16所示為該專(zhuān)利的示意圖之一，“詳細(xì)說(shuō)明了如何通過(guò)調(diào)諧放大器系統(tǒng)，利用[阿姆斯特朗的]方法，其中，21是輸入振蕩（信號(hào)）的來(lái)源，真空管整流系統(tǒng)22-23-25轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)和獨(dú)立外差器件24（本振）的組合振蕩。電路26-27被調(diào)諧到兩個(gè)振蕩的轉(zhuǎn)換組合（目標(biāo)混頻器積）。多管高頻放大器28放大由真空管系統(tǒng)29進(jìn)行外差處理并檢波的所得能量，由電話30指示。”7 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(zhuǎn)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(dá)到令人舒適的水平。在專(zhuān)利中，他繼續(xù)指出，可以應(yīng)用多個(gè)外差級(jí)，其優(yōu)點(diǎn)是能提供額外的選項(xiàng)和更高的增益水平，不用擔(dān)心不受控制的反饋導(dǎo)致振蕩——這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著再生接收器等早期無(wú)線電架構(gòu)。

以下兩圖有助于我們更好地比較電子管技術(shù)與現(xiàn)代實(shí)施方案，同時(shí)向我們展示了，現(xiàn)代設(shè)計(jì)與100年前提出的原始設(shè)計(jì)有多相似。

圖17對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行了并排比較。根據(jù)阿姆斯特朗的專(zhuān)利，第一電子管級(jí)包括一個(gè)真空管整流系統(tǒng)。該第一級(jí)利用電子管的整流屬性生成典型混頻積，把目標(biāo)信號(hào)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?yàn)椋@超出了他那個(gè)時(shí)代的檢波器可以響應(yīng)的范圍，另一方面是因?yàn)椋谒_(kāi)發(fā)超外差接收器期間，這對(duì)他來(lái)說(shuō)是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。現(xiàn)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(xiàn)低噪聲和高靈敏度，如低位信號(hào)鏈所示。這些器件通常采用低噪聲FET設(shè)計(jì)，針對(duì)工作頻率范圍進(jìn)行了優(yōu)化。阿姆斯特朗最初申請(qǐng)的專(zhuān)利和現(xiàn)代設(shè)計(jì)之間唯一的根本區(qū)別是放置在混頻器之前的獨(dú)立射頻放大器。到二戰(zhàn)時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)一些電子管設(shè)計(jì)，其采用的前端放大器與今天的FET前端相當(dāng)。

他暗示稱(chēng)，該輸入射頻信號(hào)可以與大約10.1 MHz的LO組合，在第一級(jí)產(chǎn)生0.1 MHz的新單音。我們認(rèn)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，電子管的非線性行為導(dǎo)致了這些積。這種原創(chuàng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)是，LO會(huì)因直接耦合到天線而發(fā)生意外輻射。現(xiàn)代設(shè)計(jì)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?yàn)槿鐖D19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(fèi)者需求到工業(yè)需求的眾多不同應(yīng)用之中。

對(duì)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(xiàng)，以便接收目標(biāo)信號(hào)。由于檢波器的帶寬有限，所以，阿姆斯特朗專(zhuān)注于差項(xiàng)，即100 kHz。除了他所包含的諧振LC結(jié)構(gòu)之外，他的2級(jí)中頻放大器很可能還能對(duì)其他項(xiàng)進(jìn)行一些濾波處理?，F(xiàn)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)線電通常在中頻級(jí)中使用石英或陶瓷濾波器；更寬的頻帶設(shè)計(jì)通常根據(jù)需要運(yùn)用SAW或BAW。通常，這種濾波器被稱(chēng)為修平濾波器，用于保護(hù)后續(xù)級(jí)免受強(qiáng)帶外信號(hào)的影響。

有了經(jīng)過(guò)良好濾波的強(qiáng)大中頻信號(hào)，阿姆斯特朗現(xiàn)在可以輕松檢測(cè)到曾經(jīng)處于其檢波器帶寬之外的微弱射頻信號(hào)?，F(xiàn)在，在中頻下，這些信號(hào)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(hào)被整流然后放大，因此可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，至少對(duì)于調(diào)幅信號(hào)是這樣。在現(xiàn)代接收器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬中頻采樣并產(chǎn)生數(shù)字等效信號(hào)，然后以數(shù)字方式進(jìn)行處理（包括解調(diào)）。在音頻應(yīng)用的情況下，該信號(hào)可以通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，以便在必要時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

雖然電子管和晶體管版本的無(wú)線電都能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)計(jì)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，現(xiàn)代設(shè)計(jì)要小得多，并且功率需求大大降低。雖然便攜式電子管無(wú)線電從一開(kāi)始就存在，但晶體管帶來(lái)了袖珍型無(wú)線電。集成電路實(shí)現(xiàn)了單芯片無(wú)線電，從短距離無(wú)線電應(yīng)用（如ADF7021）到高性能應(yīng)用（如AD9371），應(yīng)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。

由于單片無(wú)線電通常采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因此借助這些無(wú)線電很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)制。管式無(wú)線電歷來(lái)局限于基本調(diào)制類(lèi)型，例如AM和FM。當(dāng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器添加到無(wú)線電中時(shí)，單片無(wú)線電通常就是這樣做的，就可以通過(guò)數(shù)字技術(shù)引入新的調(diào)制形式，包括擴(kuò)頻和OFMD，它們是我們每天都離不開(kāi)的大多數(shù)現(xiàn)代通信的核心（數(shù)字電視、高清無(wú)線電、DAB、手機(jī)）。

隨著無(wú)線電技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)，將會(huì)出現(xiàn)更多進(jìn)步，可能帶來(lái)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的無(wú)線電架構(gòu)或功能。今天，我們擁有高度集成的中頻采樣超外差架構(gòu)和零中頻架構(gòu)。初露端倪的其他架構(gòu)包括直接射頻采樣架構(gòu)，在這一架構(gòu)下，信號(hào)被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)且無(wú)需模擬下變頻。隨著無(wú)線電技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)，可用選項(xiàng)的數(shù)量將會(huì)增加。然而，某種形式的外差架構(gòu)可能會(huì)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)與我們相伴。

結(jié)論

在超外差無(wú)線電的百年發(fā)展史上，除了實(shí)施技術(shù)之外，架構(gòu)上幾乎沒(méi)有變化。多年來(lái)，我們目睹了用于構(gòu)建無(wú)線電的介質(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)線電發(fā)展初期的先驅(qū)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(dāng)今的無(wú)線電技術(shù)中由高速ADC實(shí)現(xiàn)的檢波器。過(guò)去幾年在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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，這正在改變著我們的日常生活和現(xiàn)代社會(huì)的結(jié)構(gòu)。令人興奮的是，這項(xiàng)核心技術(shù)正在不斷發(fā)展，將繼續(xù)帶來(lái)當(dāng)今可能尚不為人所知的新型無(wú)線解決方案。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)線技術(shù)定將當(dāng)仁不讓?zhuān)炀蜔o(wú)盡可能。

參考文獻(xiàn)

1 Tom Lewis，空中帝國(guó)：造出無(wú)線電的人。Harper Collins，1991年。
2 F1jmm，Recepteur tube limaille，1902年3月。
3 Alessandro Nassiri，Detector magnetico Marconi 1902—Museo scienza e tecnologia Milano，Museo nazionale scienza e tecnologia Leonardo da，2012年12月。
4 JA.Davidson，晶體無(wú)線電，2007年9月。
5 Fred Harris，“復(fù)雜時(shí)間序列的精確FM檢波”，圣地亞哥州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系。

6 Walter Tuttlebee，軟件定義無(wú)線電：賦能技術(shù)，第4章：軟件定義無(wú)線電中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，Wiley，2002年。

7 Edward H. Armstrong，美國(guó)專(zhuān)利1342885，“高頻振蕩接收方法”，申請(qǐng)于1919年2月8日提交，1920年6月8日簽發(fā)

Brad Brannon[brad.brannon@analog.com]自北卡羅來(lái)納州立大學(xué)畢業(yè)至今，已在ADI公司工作32年。在ADI公司，他先后在設(shè)計(jì)、測(cè)試、應(yīng)用和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域擔(dān)任多個(gè)職位。Brad撰寫(xiě)過(guò)大量論文和應(yīng)用筆記，主題涉及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器計(jì)時(shí)、無(wú)線電設(shè)計(jì)、ADC測(cè)試等。目前，Brad負(fù)責(zé)4G和5G接收架構(gòu)系統(tǒng)工程的工作。