无线通信中的射频层与信道基础

# 无线通信中的射频层与信道基础 ## 1. 射频前端架构 ### 1.1 三种架构对比 在无线通信中，有三种常见的射频前端架构，它们各有优缺点，具体如下表所示： | 类型 | 优点 | 缺点 | | --- | --- | --- | | 超外差（Superhet） | 低杂散，宽频率范围 | 组件昂贵 | | 直接转换（Direct conversion） | 宽频率范围，双倍带宽 | 高杂散 | | 射频采样（RF sampling） | 设计简单，低杂散 | 频率范围有限 | 超外差架构能够调谐到较宽的频率范围，并提供很强的无杂散动态范围（SFDR），但成本较高。直接转换架构和超外差一样能调谐到宽频率范围，且相对成本较低，带宽是超外差的两倍，但存在混频、放大和数字化过程中产生的基带伪像泄漏到感兴趣带宽的问题。射频采样架构成本也较低，但调谐能力明显受限。 ### 1.2 直接转换架构的改进 直接转换架构的缺点可以通过算法校正和无线标准中的容差来缓解。例如，在正交频分复用（OFDM）系统中，中心频段为空，这使得低成本的直接转换架构可以在不使信号受到模拟处理中不良基带伪像影响的情况下使用。 ## 2. 数字信道化 ### 2.1 基本概念 数字信道化是收发器中的一个可选组件，当模拟前端足够“宽带”时会使用它，以提供额外的选择性。这里的“宽带”指多个信号被数字化，“窄带”指只有一个信号被数字化。数字信道化在软件定义无线电（SDR）平台中很常见，因为大多数SDR是宽带的，宽带特性使SDR能最大程度地实现可重构性。 ### 2.2 应用场景 数字信道化对物联网应用很有吸引力，因为它简化了收发器设计。它可用于实现跳频解决方案，而无需模拟硬件的快速重调时间。如果整个感兴趣的带宽被数字化，数字信道化可用于选择信号并快速跟随它跳频，但前提是工作频段不会使前端被环境信号过载和饱和。若存在这种风险，窄带解决方案更合适。由于物联网应用通常在发射功率受限的频段工作，宽带前端是不错的选择。 ### 2.3 相关组件 数字信道化可应用于多种多址接入方案，如时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）。在FDMA系统中，常用数字下变频器（DDC）和数字上变频器（DUC）。DDC和DUC可分别在接收（RX）和发射（TX）链的不同芯片中实现，也可作为商用现货（COTS）组件或在现场可编程门阵列（FPGA）上实例化。 #### 2.3.1 数字下变频器（DDC） DDC利用两个相位正交（相差90度）的正弦波来模拟欧拉公式，其简化框图如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px; Input([输入]):::startend --> I_Channel( I 通道):::process Input --> Q_Channel( Q 通道):::process I_Channel --> cos( cos(ωt) ):::process Q_Channel --> -sin( -sin(ωt) ):::process cos --> H_z1( H(z) ):::process -sin --> H_z2( H(z) ):::process H_z1 --> Downsample1( ↓M ):::process H_z2 --> Downsample2( ↓M ):::process Downsample1 --> Output1(输出):::process Downsample2 --> Output2(输出):::process ``` DDC是一种数字直接转换结构，与模拟直接转换架构不同，它不会受到模拟组件带来的损伤，如IQ不平衡、直流偏移、本振泄漏等。它使用本地生成的正弦波将信号下变频到基带，然后隔离所选信号并降低采样率。 #### 2.3.2 数字上变频器（DUC） 数字上变频是将基带的复值信号在数字域上变频到更宽的奈奎斯特带宽的过程。其简化框图如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; ```