無線通信收發信機架構漫談
2015-06-10 16:01:29 N十年便是一個輪回。在無線通信領域，昔日的霸主摩托羅拉、西門子、阿爾卡特等已漸漸遠去，愛立信也在積極轉型，最近又聽說諾基亞要收購阿朗，國內通信大廠在這場盛宴中風流至極。利潤率的降低使得高大上的歐美企業不得不另尋出路。移動通信作為無線通信最大的市場，總是引領著技術的進步。廣電覆蓋、集群通信、衛星通信等細分市場，體量相對較小，競爭也頗為激烈，但技術大都差不多。本人從一個無線電的愛好者變成一個通信民工，
見證了這個行業的高傲、殘酷和苦逼。本文僅從技術角度閑聊收發信機架構的現狀。
關鍵詞：無線通信 零中頻 收發信機 RFIC SDR
發射機的架構主要分為零中頻、復中頻、實中頻、RFDAC 實現直接射頻輸出，架構示意圖如 Fig1 所示。接收機類似，只不過 RFDAC 變為射頻直接采樣。
最古老的發射機架構為實中頻架構(c)，傳統的收音機還有二次變頻技術。該架構需要射頻設計者考慮混頻雜散、鏡像抑制等指標，射頻鏈路較長，對時延、平坦度等要求也較高。這應該是十多年前的主流架構，那個時代對于射頻工程師而言是黃金時代，總有調不完板子。然而對于接收機而言，在帶寬較窄的場景下，實中頻架構依然是主流。帶寬窄意味著采樣率不高，ADC 的價格也可以承受，窄帶的射頻系統也很容易實現，同時不需要較復雜的射頻算法，因為門檻低，射頻的高復雜度也就忍了。
零中頻和復中頻具有相同的硬件架構（Fig1 A、B），可以看到混頻器變成了調制器，零中頻帶通濾波器變成了低通濾波器，單 DAC 變成了雙 DAC。因為集成工藝的先進，雙 DAC 比較容易實現，且差異性很??；同時低通濾波器較帶通濾波器更容易實現；通過 QMC 算法，可以基本消除調制器的鏡像，最后一個帶通濾波器也可以去掉。但是在復中頻發射機中，仍然需要帶通濾波器，相比于實中頻，并沒有太大提升，所以復中頻發射機一般不用。從 Fig2 可以看到，在多載波情況下，QMC 算法需要校正調制器帶來的鏡像。考慮到寬帶數字預失真的要求，配合 QMC 算法，零中頻發射機已經非常成熟，成為現代通信發射機的不二選擇。
Fig2 復中頻(b)和零中頻(c)帶來的鏡像對算法的挑戰
對于接收機而言，零中頻和復中頻最大的好處來源于能將 ADC 的帶寬要求降低一半。相比于高速 DAC，高速 ADC 的價格要貴得多，且美帝對大陸實施高科技禁運，高速高分辨率的 ADC 在國內正常渠道無法買到。當然還有硬件架構的簡化，濾波的減少，BOM 成本的
降低。但零中頻的固有缺點也是顯而易見的，如由于解調器隔離度有限引起的直流偏移
（DC-Offset）；解調器、ADC 的不平衡引起的 IQ 失配；器件的非線性引起的偶次失真。雖然零中頻早已在終端運用多年，但在基站領域，需要極其苛刻的 SNR 表現，零中頻技術還只有少數幾個廠商商用。解決這些問題需要算法支持，同時需要性能更好的器件支持。所以能將 ADC 的速率要求降低一半的復中頻技術在接收機中倒是風生水起，在寬帶系統中較為常見。
直接射頻輸出架構最簡單，真正實現了軟件無線電(SDR)，省去了調制器（混頻器）、本振等，無鏡像算法也更簡單。直接射頻輸出對 DAC 的采樣率、功耗等要求高，ADI、TI 已經有成熟的商業化產品。對于多種制式、多種頻率共存、多種帶寬共存的無線通信系統，傳統的架構已經很難找到成本復雜度的平衡點，RFDAC 正式由于射頻最簡單，適應性也最好，設計者可以將更多精力放在算法、軟件上。當然對于接收機，射頻直接采樣是軟件無線電工程師夢寐以求的，對于幾百 MHz 的寬帶系統，目前的技術尚難實現。
基于接收發射全零中頻的 Agile Transceiver AD9361 已經商用，在 3G，4G 領域已規模發貨。這是器件廠商赤裸裸的技術實力展現，從實際應用看來，已能滿足無線通信小基站的苛刻要求，對于廣電等其他場景，也有成功應用。國內企業在基礎器件領域還有很長的路要走。
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