接收器技术的最新发展:接收器百年创新史选编第2部分:接收器架构

第2部分:接收器架构

像德·福雷斯特和阿姆斯特朗这些无线电技术早期的先驱们都明白一个关键点:他们的成功离不开坚固可靠的检波器;早期时,这主要靠无线电报员,他们的技术实力和听力使其成为可能。然而,随着行业的发展,其他方面的重要性也逐渐突显,例如线性度、带宽等。

1912年,为了解决这些问题,德·福雷斯特想出了再生方案以及这种技术可能给接收器带来哪些好处。几乎在同一时间,阿姆斯特朗取得了类似的发现,他指出,如果从加热电路把能量耦合回帘调谐器,当放大器响应在自由振荡之前达到峰值时会产生明显的放大效果。这些发现引发了一场长达数十年的专利纠纷,因为每位发明家都声称首先问世的是自己的发明。

无论如何,再生式接收器的关键优势在于,除了取得非常高的增益水平之外,接收器还有助于将输出连接到扬声器,而不是像之前那样,连接到音频输出很弱的小型耳机上。阿姆斯特朗指出,通过这种安排,他可以从纽约实验室轻松复制马可尼在爱尔兰的装置,而马可尼通常需要一个中继站来实现跨大西洋的覆盖。得到满意结果后,阿姆斯特朗邀请沙诺夫来到实验室,分享他的发现。借助再生设置,他们整个晚上都在接收远程无线电信号,轻松地接收到了来自西海岸和太平洋的信号。这是检波器技术的一次重大改进。再生式接收器面临的最大挑战是调整反馈以确保正常运行;即使是经验丰富的电报员也很难做好。随着再生式和超再生式无线电的早期型号被投入生产,这一挑战变得非常明显,需要在无线电技术普及之前找到解决办法。

第一次世界大战最终迫使美国参战,阿姆斯特朗在法国领受任务,负责在现场安装无线电装置。这使他有机会继续研究工作;1918年2月,与法国和英国的同事合作之后,他提出了超外差架构。最终,这种架构解决了许多问题,无需像超再生等以前的架构那样,进行繁琐的调整,而且不会牺牲性能。

整个1918年,阿姆斯特朗继续开发超外差架构,解决了再生和超再生接收器面临的许多难题。这一发展实现了简单易用的无线电,与目前的量产型无线电一致。虽然超外差接收器不是严格意义上的检波器,但它具有增益功能和额外的选项,提供固定中频,不受被监控射频频率影响,有助于提高检波性能和一致性。这样就可以优化检波器,无需担心所需射频频率会导致性能下降,而这正是早期无线电面临的一个巨大挑战,并且继续挑战着今天的无线电设计师,只是频率要高得多而已。即使我们已经继续探索零中频、直接射频采样等新型架构,挑战仍然存在。

图13.超外差专利数据。

这些优势巩固了外差架构的重要性,并且今天仍在继续。虽然实施技术已从电子管走向晶体管,再走向集成电路,但该架构仍然是许多现代系统的关键。

除了技术类型的转变以外,无线电架构几乎未发生变化,直到20世纪70年代,通用型DSP和FPGA的出现才改变了这种状况。检波器的功能从线性检波器元件(如二极管、鉴频器和PLL)转向模数转换器,然后是数字信号处理。这为旧技术无法实现的许多功能创造了条件。虽然数据转换器加DSP确实能执行传统的AM和FM5解调,但运用数字处理技术可以实现广泛用于数字电视的复杂数字解调,比如美国的HD Radio®以及欧洲和世界其他地区的DAB。

在早期的数字系统中,通常会通过I/Q解调器把中频级转换为基带信号,然后用双低频ADC进行数字化,如图14所示。这些早期的ADC带宽相对较低,因此无线电通常是窄带系统。虽然这些系统可用于低带宽系统,但它们存在正交失配问题,结果会导致镜像抑制问题,必须通过模拟和后来的数字技术进行校正。由于早期系统没有高度集成,因此难以在I/Q之间保持平衡,结果导致镜像误差(正交)。由于必须仔细考虑时间和温度的变化,问题非常复杂。即使在高度集成的系统中,如果不采用某种校正算法,I/Q平衡通常限制在40 dB,或者镜像抑制效果会变差。

图14.双通道转换基带采样。

到90年代中期,转换器技术开始得到充分改进,可以用中频采样取代基带I/Q采样。这有几个好处。首先,可以省去解调器和基带转换器对,并用单个ADC代替,从而节省功耗和电路板空间。更重要的是,可以消除与模拟I/Q抽取相关的误差。当然,DSP处理仍然需要复杂数据,但可以通过使用AD6624等数字下变频器(DDC)轻松抽取数据,这些数字下变频器可提供完美的正交性能,不随时间或温度漂移。

最初这些中频采样转换器均为窄带,但到了90年代后期,宽带中频采样转换器开始上市,包括AD9042、AD6645等器件。这些新器件可以采样高达200 MHz的中频频率,并提供高达35 MHz的信号带宽。结果变得非常有意思,许多高性能接收器开始采用中频采样以简化无线电设计并提高性能。该技术的诸多优点之一是,一条接收器信号路径可以处理多个射频载波。6 这样就可以用一个无线电取代多个模拟窄带无线电,大幅降低许多电信应用的拥有成本。处理多个独立(或从属)射频信号的任何应用都可以从这种类型的架构中受益,从而达到降低成本、减小尺寸和降低复杂性的目的。可以在数字数据流中轻松分出各个射频载波,并根据需要对其进行独立处理。可以使用唯一的信息对每个信号进行不同的调制,也可以扩展信号带宽以增加数据吞吐量。包括ADRF6612和ADRF6655在内的集成混频器技术继续推动着中频采样外差无线电的发展,可与AD9684和AD9694等新型中频采样转换器相结合,实现高度集成的低成本解决方案。这些新型ADC包括数字下变频器(DDC),不仅可以对不需要的频谱进行数字滤波,还可以通过数字手段抽取I/Q分量。

图15.典型的中频采样架构。

并排比较:过去与现在

阿姆斯特朗的7号专利称:“众所周知,随着接收信号强度的降低,所有检波器都会迅速失去灵敏度,而当高频振荡的强度低于某一点时,检波器的响应会变得十分微弱,无法接收到信号。”阿姆斯特朗声称,随着振幅下降或频率增加,检波器的灵敏度会降低。他和其他人试图找到一种方法,将无线电的有效性扩展到更高频率,提高整体性能。

在三极管、再生管等早期工作的基础上,阿姆斯特朗意识到,可以转换输入频率,使其与现有检波器配合使用时能更高效地工作。另外,可以应用增益,以同时增加射频信号电平和提供给用户的音频信号电平。

图16所示为该专利的示意图之一,“详细说明了如何通过调谐放大器系统,利用[阿姆斯特朗的]方法,其中,21是输入振荡(信号)的来源,真空管整流系统22-23-25转换输入信号和独立外差器件24(本振)的组合振荡。电路26-27被调谐到两个振荡的转换组合(目标混频器积)。多管高频放大器28放大由真空管系统29进行外差处理并检波的所得能量,由电话30指示。”7 通过使用这种方法,阿姆斯特朗得以取得射频能量并将频率转换为可以轻松有效地检波的频率,同时提供充分的放大,使音频电平达到令人舒适的水平。在专利中,他继续指出,可以应用多个外差级,其优点是能提供额外的选项和更高的增益水平,不用担心不受控制的反馈导致振荡——这个问题长期困扰着再生接收器等早期无线电架构。

图16.阿姆斯特朗的超外差示意图

以下两图有助于我们更好地比较电子管技术与现代实施方案,同时向我们展示了,现代设计与100年前提出的原始设计有多相似。

图17.管与现代超外差设计。

图17对两个电路进行了并排比较。根据阿姆斯特朗的专利,第一电子管级包括一个真空管整流系统。该第一级利用电子管的整流属性生成典型混频积,把目标信号与LO的混频组合起来。阿姆斯特朗暗示,10 MHz(如图18所示)为射频,一方面是因为,这超出了他那个时代的检波器可以响应的范围,另一方面是因为,在他开发超外差接收器期间,这对他来说是一个技术挑战。现代接收器通常在混频器之前包括至少一个射频放大器,用于实现低噪声和高灵敏度,如低位信号链所示。这些器件通常采用低噪声FET设计,针对工作频率范围进行了优化。阿姆斯特朗最初申请的专利和现代设计之间唯一的根本区别是放置在混频器之前的独立射频放大器。到二战时,很容易发现一些电子管设计,其采用的前端放大器与今天的FET前端相当。

图18.(a) 管式前端,(b) 前端。

他暗示称,该输入射频信号可以与大约10.1 MHz的LO组合,在第一级产生0.1 MHz的新单音。我们认为,这是典型混频器的和差积,如图19所示。在图18的管示意图中,LO直接耦合到输入电路中,其中,电子管的非线性行为导致了这些积。这种原创设计带来的一个挑战是,LO会因直接耦合到天线而发生意外辐射。现代设计发生这种辐射的可能性很低,不过也不是完全不可能,因为如图19所示,LO被耦合到通过前端放大器与输入隔离的混频器中。阿姆斯特朗提出的一个改进方案是,除了检波器以外,利用从板到栅极电路的反馈,也可以将放大器1作为本振,就像他和德·福雷斯特用再生式接收器所做的那样。这样将形成紧凑型的前端功能。在今天的电路中,混频器、本振以及射频和中频放大器通常包含在单个IC中。这些器件被广泛用于从消费者需求到工业需求的众多不同应用之中。

图19.中频放大器级。

对于电子管和单片前端,混频过程会产生射频与LO的和与差。在阿姆斯特朗的案例中,这意味着0.1 MHz和20.1 MHz。此外,通常也会将射频和LO泄漏到输出端。必须滤除混频器形成的、不必要的项,以便接收目标信号。由于检波器的带宽有限,所以,阿姆斯特朗专注于差项,即100 kHz。除了他所包含的谐振LC结构之外,他的2级中频放大器很可能还能对其他项进行一些滤波处理。现代中频放大器也将包括某类中频滤波器。图19所示为基本LC滤波器,但通常要采用某种形式的高Q滤波器。窄带无线电通常在中频级中使用石英或陶瓷滤波器;更宽的频带设计通常根据需要运用SAW或BAW。通常,这种滤波器被称为修平滤波器,用于保护后续级免受强带外信号的影响。

有了经过良好滤波的强大中频信号,阿姆斯特朗现在可以轻松检测到曾经处于其检波器带宽之外的微弱射频信号。现在,在中频下,这些信号能轻松匹配检波器的功能。在采用电子管的情况下,这些信号被整流然后放大,因此可以直接驱动扬声器,至少对于调幅信号是这样。在现代接收器中,模数转换器对模拟中频采样并产生数字等效信号,然后以数字方式进行处理(包括解调)。在音频应用的情况下,该信号可以通过数模转换器转换回模拟信号,以便在必要时驱动扬声器。

图20.检波器。

虽然电子管和晶体管版本的无线电都能实现类似的结果,但现代设计具有一系列的优点。值得注意的是,现代设计要小得多,并且功率需求大大降低。虽然便携式电子管无线电从一开始就存在,但晶体管带来了袖珍型无线电。集成电路实现了单芯片无线电,从短距离无线电应用(如ADF7021)到高性能应用(如AD9371),应用范围十分广泛。在许多情况下,这同时包括接收器和发射器。

图21.ADF7021短距离无线(简化版)。

图22.AD9371 ZIF收发器。

由于单片无线电通常采用模数转换器和数模转换器,因此借助这些无线电很容易实现复杂的调制。管式无线电历来局限于基本调制类型,例如AM和FM。当将数据转换器添加到无线电中时,单片无线电通常就是这样做的,就可以通过数字技术引入新的调制形式,包括扩频和OFMD,它们是我们每天都离不开的大多数现代通信的核心(数字电视、高清无线电、DAB、手机)。

随着无线电技术的继续演进,将会出现更多进步,可能带来目前无法实现的无线电架构或功能。今天,我们拥有高度集成的中频采样超外差架构和零中频架构。初露端倪的其他架构包括直接射频采样架构,在这一架构下,信号被直接转换为数字信号且无需模拟下变频。随着无线电技术的继续演进,可用选项的数量将会增加。然而,某种形式的外差架构可能会在未来一段时间内与我们相伴。

结论

在超外差无线电的百年发展史上,除了实施技术之外,架构上几乎没有变化。多年来,我们目睹了用于构建无线电的介质的多次变化,我们看到,技术从电子管到晶体管,一直发展到单片集成电路。这些变化带来了各种可能性,在无线电发展初期的先驱眼中,这些不过是白日梦,但我们的日常生活却与这些可能性紧密地联系在一起。

使这成为可能的关键因素之一是在当今的无线电技术中由高速ADC实现的检波器。过去几年在数据转换器和其他技术方面的改进带来了我们的互联世界,这正在改变着我们的日常生活和现代社会的结构。令人兴奋的是,这项核心技术正在不断发展,将继续带来当今可能尚不为人所知的新型无线解决方案。就像阿姆斯特朗和利维(Levy)的发明为过去100年带来巨大潜力一样,在接下来的100年中,下一代无线技术定将当仁不让,造就无尽可能。

参考文献

1 Tom Lewis,空中帝国:造出无线电的人。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,晶体无线电,2007年9月。
5 Fred Harris,“复杂时间序列的精确FM检波”,圣地亚哥州立大学电气与计算机工程系。

6 Walter Tuttlebee,软件定义无线电:赋能技术,第4章:软件定义无线电中的数据转换,Wiley,2002年。

7 Edward H. Armstrong,美国专利1342885,“高频振荡接收方法”,申请于1919年2月8日提交,1920年6月8日签发

Brad Brannon[brad.brannon@analog.com]自北卡罗来纳州立大学毕业至今,已在ADI公司工作32年。在ADI公司,他先后在设计、测试、应用和系统工程等领域担任多个职位。Brad撰写过大量论文和应用笔记,主题涉及数据转换器计时、无线电设计、ADC测试等。目前,Brad负责4G和5G接收架构系统工程的工作。

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