無線電系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)的主要方法

今天簡要介紹實(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)的主要方法，這在軟件定義無線電(SDR)的背景下很重要。

外差和超外差

無線電發(fā)射機(jī)有兩種主要架構(gòu)——一種是從基帶頻率直接調(diào)制到射頻頻率（稱為外差），而第二種超外差是通過兩個(gè)調(diào)制階段來實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換：第一個(gè)是從基帶到中頻（IF），第二個(gè)是從中頻到射頻(RF)。

圖1 外差方案中的調(diào)制和解調(diào)

上圖1展示了外差方案中的調(diào)制和解調(diào)。在這種情況下，單級調(diào)制用于將信號從基帶轉(zhuǎn)換到RF頻率，而單級解調(diào)狀態(tài)則進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，從RF回到基帶。

超外差方案如圖2所示，顯示了發(fā)生的頻移。特別要注意的是，中頻信號通常被調(diào)制到幾十到幾百M(fèi)Hz的頻率范圍內(nèi)，而最終的射頻頻段可能要高得多——高達(dá)數(shù)十GHz。

圖2?使用中頻（IF）的調(diào)制和解調(diào)

采樣率的影響

SDR中數(shù)字處理元件可以實(shí)現(xiàn)的采樣率，特別是無線電的ADC和DAC的采樣率，決定了無線電的實(shí)現(xiàn)方式——特別是哪些部分可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字，哪些部分需要模擬電路。這是因?yàn)閿?shù)字處理只能在滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的情況下使用，換句話說，當(dāng)采樣率大于信號中存在的最大頻率分量的兩倍時(shí)，根據(jù)用于傳輸信號的射頻頻帶，有可能實(shí)現(xiàn)所有調(diào)制和解調(diào)的數(shù)字化，具體而言，如果滿足下面條件：

其中，fs是ADC和DAC的采樣率，frfmax是RF調(diào)制信號中存在的最大頻率。如果滿足上述條件，那么所有的模擬信號處理都可以在數(shù)字域中完成，從而實(shí)現(xiàn)所謂的直接射頻（Direct-RF）或幾乎全數(shù)字（Almost-All-Digital）無線電架構(gòu)。

如果不能滿足上式的條件，另一種選擇是在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)基帶和中頻（IF）之間的調(diào)制和解調(diào)階段，而IF和RF之間的轉(zhuǎn)換則通過模擬電路來處理。在這種情況下，ADC位于IF頻段，所需的采樣率可能從幾十MHz到幾百M(fèi)Hz不等。

現(xiàn)在，可以繼續(xù)考慮三種不同的無線電架構(gòu)，它們是基于DAC和ADC的位置而產(chǎn)生的。請注意，所有這些模型都是簡化的表示，省略了一些所需的濾波階段。

直接RF（幾乎全數(shù)字）SDR

通過這些不同的無線電架構(gòu)，我們可以看到，隨著ADC和DAC技術(shù)的進(jìn)步，特別是采樣率的提高，越來越多的頻帶可以實(shí)現(xiàn)幾乎全數(shù)字的無線電。這種幾乎全數(shù)字的無線電需要非常少的模擬處理——主要包括天線、前端濾波器和放大器。從SDR的角度來看，幾乎所有功能都通過數(shù)字實(shí)現(xiàn)是非常重要的，這意味著無線電的操作可以通過軟件來控制，如圖3所示。

圖3?Direct-RF軟件定義無線電（RFSoC）的架構(gòu)

中頻采樣SDR

對于射頻（RF）頻率高于可用的DAC和ADC采樣率的情況，可以使用超外差變頻架構(gòu)，基帶與中頻（IF）之間的調(diào)制/解調(diào)在無線電的數(shù)字部分完成，而IF與RF之間的轉(zhuǎn)換則使用模擬電路處理。即便如此，通常仍然可以通過軟件對模擬混頻階段施加控制。當(dāng)ADC位于IF頻率時(shí)，所需的采樣率可能從幾十兆赫茲（MHz）到幾百兆赫茲（MHz）不等。這種類型的SDR架構(gòu)如圖4所示。

圖4：數(shù)字中頻軟件定義無線電的架構(gòu)

基帶采樣SDR

另一類SDR，如圖5所示，具有基帶處理速率的ADC，所有調(diào)制和解調(diào)都在模擬域中執(zhí)行，無論是使用單級還是兩級。從歷史上看，這種方法在DAC和ADC技術(shù)（特別是可實(shí)現(xiàn)的采樣率）的限制下被使用，因?yàn)檫@是A/D接口唯一可行的位置。這種“基帶采樣”架構(gòu)也可能被用在低成本、低數(shù)據(jù)速率的設(shè)備中，以最小化對數(shù)字處理器的要求，或者在應(yīng)用中采用最先進(jìn)的多GSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，用于發(fā)射和接收極寬頻帶的信號。

圖5：基帶采樣軟件定義無線電的架構(gòu)

數(shù)字化實(shí)施的優(yōu)勢

比較圖3~圖5可以清楚地看出，ADC使用的采樣率越高，可以進(jìn)行數(shù)字處理的量就越大。

使用數(shù)字實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括更高的操作精度，減少組件公差的影響和更強(qiáng)的抗老化效應(yīng)，更小的物理尺寸和簡化的物料清單，功耗也可能更低。

在SDR的背景下也有額外的好處，特別是由于軟件控制無線電操作的范圍增加，以及由此帶來的靈活性。在使用FPGA或Soc的情況下，還可以提供硬件處理的可重編程性，從而實(shí)現(xiàn)更基礎(chǔ)的升級和功能變化。

關(guān)鍵無線電術(shù)語和參數(shù)

在繼續(xù)后面的章節(jié)之前，有必要定義一些關(guān)鍵術(shù)語和概念，這些術(shù)語和概念將在討論SDR以及一般無線電系統(tǒng)的背景下頻繁出現(xiàn)。這些在圖6中進(jìn)行了說明，并在后面進(jìn)行了描述。

圖6：信號和射頻帶寬，以及調(diào)諧范圍（圖示了頻率、幅度、0Hz頻率、RF帶寬、采樣率fs、調(diào)諧范圍、信號帶寬等概念。）

射頻(RF)帶寬（收發(fā)器）

RF帶寬這個(gè)術(shù)語描述了無線電收發(fā)器能夠產(chǎn)生或捕獲的頻率范圍。在SDR（以及一般數(shù)字無線電）的背景下，這與ADC和DAC采樣率有關(guān)。

如圖6所示，RF帶寬是ADC和DAC使用的采樣頻率的一半。這假設(shè)使用的是單個(gè)ADC和DAC，代表的是實(shí)信號（與復(fù)信號相對）。如果使用復(fù)輸入/輸出，則RF帶寬可以翻倍至完整的采樣頻率，但這需要一對ADC和DAC。復(fù)信號的主題將在第7章中介紹。

信號帶寬

當(dāng)提到無線電信號時(shí)，帶寬是指在傳輸信號中存在的頻率范圍。注意圖6中綠色信號頻譜標(biāo)注的信號帶寬。

當(dāng)使用SDR時(shí)，信號的帶寬是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)特征（可以在軟件中定義）。例如，設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)可能產(chǎn)生帶寬為10kHz或100MHz的信號，具體取決于其配置。一般來說，更大帶寬的信號可以以更快的速率傳輸數(shù)據(jù)。

最大信號帶寬受限于SDR的射頻帶寬，這是實(shí)現(xiàn)SDR所使用的物理硬件設(shè)備的屬性。

調(diào)諧范圍

術(shù)語調(diào)諧范圍是指當(dāng)使用中頻采樣或基帶采樣架構(gòu)時(shí)，射頻帶寬可以移動(dòng)的頻率范圍，其中部分或全部調(diào)制/解調(diào)在模擬域中進(jìn)行。適用的調(diào)諧范圍取決于模擬電路，因此，通常包含調(diào)諧階段的SDR的數(shù)據(jù)手冊將指定較低和較高的調(diào)諧頻率。對于Direct-RF架構(gòu)，由于調(diào)制和解調(diào)完全在數(shù)字域中進(jìn)行，所以不涉及模擬調(diào)諧。

審核編輯：黃飛

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