射頻工程師筆記---射頻通信基礎(chǔ)

回顧一下移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)是互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的融合過程。在這個(gè)過程中，很多應(yīng)用都在不斷加入其中。比如計(jì)算機(jī)跟通信的融合產(chǎn)生了互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)跟手機(jī)的融合帶來了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。手機(jī)可以看雜志、看視頻、聽音樂，于是又出現(xiàn)了內(nèi)容服務(wù)產(chǎn)業(yè)；再后來，電視音箱等設(shè)備也能聯(lián)網(wǎng)，于是網(wǎng)絡(luò)跟家電又產(chǎn)生了融合。所以應(yīng)用的出現(xiàn)總是在融合其他產(chǎn)業(yè)。在1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中首次提出：在未來，我們希望對(duì)萬物互聯(lián)可控可管理。每一次的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，都不斷把不同的行業(yè)和應(yīng)用卷入到其中，因此帶來了巨大的風(fēng)口。隨著今天5G的到來，它將開辟一片新的藍(lán)海，對(duì)企業(yè)、對(duì)行業(yè)，車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)畫像。

5G應(yīng)用場景

一、我們接觸到的射頻通信有哪些？

Bluetooth，藍(lán)牙，起源于愛立信，短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，如手機(jī)和耳機(jī)之間的通信、計(jì)算機(jī)主機(jī)和打印機(jī)之間的通信等。

Zigbee，主要應(yīng)用在工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、設(shè)備和汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備控制等領(lǐng)域，它是一個(gè)低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度、價(jià)格便宜的短程無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。主要工作在ISM頻段。

UWB，超寬帶通信。它不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制(OFDM)或直接排序(DS)將脈沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。UWB設(shè)備具有其它無線通信設(shè)備所不能比擬的高速數(shù)據(jù)傳輸速率，其傳輸速率可以達(dá)到500Mbps，同時(shí)UWB設(shè)備有非常低的發(fā)射功率，可用于室內(nèi)定位，也可應(yīng)用于不停車收費(fèi)系統(tǒng)ETC。

RFID，射頻識(shí)別，主要應(yīng)用為超市電子防偷EAS、動(dòng)物識(shí)別、集裝箱識(shí)別、高速公路電子收費(fèi)ETC、圖書館書籍管理、門票管理、門禁管理、體育運(yùn)動(dòng)管理。常見的工作頻段為125kHz～135kHz、 13.56MHz和868～928MHz。

WLAN，即WiFi、 802.11通信標(biāo)準(zhǔn)，主流標(biāo)準(zhǔn)為802.11a、 802.11b、 802.11g，目前802.11n也越來越受到關(guān)注， 802.11ac最大帶寬達(dá)到160MHz。

WiMAX， 802.16通信標(biāo)準(zhǔn)，主流標(biāo)準(zhǔn)為802.16d和802.16e， 16d適合固定臺(tái)使用，16e適合移動(dòng)的應(yīng)用， WiBRO是802.16e的特殊應(yīng)用，帶寬固定為10MHz，主要在韓國使用。

PHS，小靈通，起源于日本。

DECT，增強(qiáng)型數(shù)字無繩電話，是歐洲提出的。

Walkie-Talkie，對(duì)講機(jī)，采用調(diào)頻技術(shù)，工作方式是PTT(Push To Talk)。

二、射頻通信系統(tǒng)的組成

射頻通信主要依靠發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。射頻發(fā)射機(jī)需要注意的是功率的推動(dòng)放大，預(yù)放推末前級(jí)，末前級(jí)推末級(jí)，注意由于增益過高而引起放大器自激，此時(shí)已經(jīng)不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)需要在中間加一些衰減，末級(jí)甚至末前級(jí)加隔離器的方法，有條件可以利用腔體隔開，留夠足夠的裕度。以WCDMA為例，下圖藍(lán)色線條描述的是發(fā)射機(jī)信號(hào)行進(jìn)路線，基帶信號(hào)I,Q（有用信息攜帶者）兩路經(jīng)過MAX2363內(nèi)部的IQ調(diào)制器合成一路信號(hào)，然后通過可調(diào)增益放大器(VGA)放大信號(hào)，接著依次通過中頻帶通濾波（BPF）,混頻（上變頻）,放大器，衰減器，聲表濾波器，功率放大器，隔離器，雙工器，最后通過天線將信號(hào)發(fā)射出去。下圖紅線描述的是接收機(jī)信號(hào)的行進(jìn)路線，和發(fā)射機(jī)對(duì)比，就是信號(hào)的解調(diào)過程；天線接收空中信號(hào)，依次通過雙工器，低噪聲放大器（LNA）,帶通濾波器（BPF）,混頻器（下變頻），濾波器，IQ解調(diào)器，最后進(jìn)行基帶處理。下文主要講接收機(jī)的架構(gòu)，后續(xù)有時(shí)間會(huì)慢慢寫接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)噪聲計(jì)算，實(shí)際設(shè)計(jì)場景中應(yīng)考慮到的問題，所遵循的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，以及VCO、PLL、低噪放、功率放大器、濾波器等一些基本射頻單元的仿真設(shè)計(jì)以及PCB layout驗(yàn)證，PCB射頻layout注意事項(xiàng)，調(diào)試經(jīng)驗(yàn)分享。

附幾張經(jīng)典放大器

三、 接收機(jī)的三種結(jié)構(gòu)

關(guān)于接收機(jī)結(jié)構(gòu)我們從最傳統(tǒng)的超外差結(jié)構(gòu)開始介紹，超外差結(jié)構(gòu)能提供非常好的性能，但這種結(jié)構(gòu)需要大量分離元件，像濾波器、混頻器、放大器等。由于小型化、個(gè)性化等等商用的需求，出現(xiàn)了零中頻和低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)軟件無線電（SDR）技術(shù)也為射頻微波的發(fā)展提供了新的方向，隨著開放的商用頻率越來越多，越來越多的企業(yè)集中力量開發(fā)屬于自己的SDR。

1. 超外差接收機(jī)

超外差式接收機(jī)可以有很大的接收動(dòng)態(tài)范圍，而且具有很高的鄰道選擇性(selectivity)和接收靈敏度(sensitivity)。一般超外差式接收機(jī)在混頻器前面會(huì)有一個(gè)預(yù)選射頻濾波器，在混頻器后面還會(huì)有一個(gè)中頻濾波器。這就使得它具有良好的選擇性，可以抑制很強(qiáng)的干擾。

通用下變頻超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

ASK解調(diào)電路結(jié)構(gòu)

2.零中頻接收機(jī)

零中頻軟件無線電芯片已經(jīng)非常流行，AD9361是ADI推出的面向3G和4G基站應(yīng)用的高性能、高集成度的射頻解決方案。該器件集RF前端與靈活的混合信號(hào)基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供可配置數(shù)字接口。AD9361接收器LO工作頻率范圍為70 MHz至6.0 GHz，發(fā)射器LO工作頻率范圍為47 MHz至6.0 GHz，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，支持的通道帶寬范圍為200 kHz以下至56 MHz。

Maxim推出業(yè)界第一款量產(chǎn)的單片式WiMAX RF收發(fā)器MAX2837。該收發(fā)器設(shè)計(jì)采用零中頻架構(gòu)，免去了現(xiàn)有超外差方案中所需的昂貴的SAW濾波器和額外的VCO電路。因此，MAX2837可節(jié)省超過50%的BOM成本，并大大縮減了元件數(shù)和電路板空間。MAX2837專門針對(duì)工作在2.3GHz和2.7GHz頻帶的、基于OFDM的非視距(NLOS)無線寬帶廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適合于802.16d/e固定和移動(dòng)WiMAX、雙模WiMAX/Wi-Fi、韓國的WiBro和未來的4G LTE系統(tǒng)。

MAX2837結(jié)構(gòu)框圖

3.低中頻接收機(jī)

AD607是一款3V低功耗接收機(jī)IF子系統(tǒng)，工作在高達(dá)500MHz的輸入頻率和400kHz至12MHz的IF范圍，內(nèi)置混頻器、IF放大器、I和Q解調(diào)器、鎖相正交振蕩器、AGC檢波器以及帶外部掉電功能的偏置系統(tǒng)。AD607的應(yīng)用包括采用第一IF（21.4 MHz至300MHz）和10.7MHz、455kHz或450kHz的第二IF高頻率的窄帶系統(tǒng)，例如雙通道轉(zhuǎn)換IS136、GSM、TETRA、MSAT接收機(jī)以及單通道或雙通道轉(zhuǎn)換VHF和HFAM、SSB、CW、QPSK接收機(jī)。

四、總結(jié)

移動(dòng)通信自誕生以來，獲得了驚人的發(fā)展，微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)等高新技術(shù)使得移動(dòng)通信發(fā)生了日新月異的變化。隨著5G的到來，我們也將面臨更多的挑戰(zhàn)，不斷補(bǔ)充、完善自己的知識(shí)短板才是當(dāng)下工程師最緊急的事情。