无线通信收发信机架构漫谈(TRX)

无线通信收发信机架构漫谈

2015/4/9 enrich_you@

十年便是一个轮回。在无线通信领域，昔日的霸主摩托罗拉、西门子、阿尔卡特等已渐渐远去，爱立信也在积极转型，最近又听说诺基亚要收购阿朗，国内通信大厂在这场盛宴中风流至极。利润率的降低使得高大上的欧美企业不得不另寻出路。移动通信作为无线通信最大的市场，总是引领着技术的进步。广电覆盖、集群通信、卫星通信等细分市场，体量相对较小，竞争也颇为激烈，但技术大都差不多。本人从一个无线电的爱好者变成一个通信民工，见证了这个行业的高傲、残酷和苦逼。本文仅从技术角度闲聊收发信机架构的现状。

关键词：无线通信零中频收发信机RFIC SDR

发射机的架构主要分为零中频、复中频、实中频、RFDAC实现直接射频输出，架构示意图如Fig1所示。接收机类似，只不过RFDAC变为射频直接采样。

Fig1 发射机的几种常用架构

最古老的发射机架构为实中频架构(c)，传统的收音机还有二次变频技术。该架构需要射频设计者考虑混频杂散、镜像抑制等指标，射频链路较长，对时延、平坦度等要求也较高。这应该是十多年前的主流架构，那个时代对于射频工程师而言是黄金时代，总有调不完板子。然而对于接收机而言，在带宽较窄的场景下，实中频架构依然是主流。带宽窄意味着采样率不高，ADC的价格也可以承受，窄带的射频系统也很容易实现，同时不需要较复杂的射频算法，因为门槛低，射频的高复杂度也就忍了。

零中频和复中频具有相同的硬件架构（Fig1 A、B），可以看到混频器变成了调制器，零中频带通滤波器变成了低通滤波器，单DAC变成了双DAC。因为集成工艺的先进，双DAC 比较容易实现，且差异性很小；同时低通滤波器较带通滤波器更容易实现；通过QMC算法，可以基本消除调制器的镜像，最后一个带通滤波器也可以去掉。但是在复中频发射机中，仍然需要带通滤波器，相比于实中频，并没有太大提升，所以复中频发射机一般不用。从Fig2可以看到，在多载波情况下，QMC算法需要校正调制器带来的镜像。考虑到宽带数字预失真的要求，配合QMC算法，零中频发射机已经非常成熟，成为现代通信发射机的不二选择。

Fig2 复中频(b)和零中频(c)带来的镜像对算法的挑战对于接收机而言，零中频和复中频最大的好处来源于能将ADC的带宽要求降低一半。相比于高速DAC，高速ADC的价格要贵得多，且美帝对大陆实施高科技禁运，高速高分辨率的ADC在国内正常渠道无法买到。当然还有硬件架构的简化，滤波的减少，BOM成本的降低。但零中频的固有缺点也是显而易见的，如由于解调器隔离度有限引起的直流偏移（DC-Offset）；解调器、ADC的不平衡引起的IQ失配；器件的非线性引起的偶次失真。虽然零中频早已在终端运用多年，但在基站领域，需要极其苛刻的SNR表现，零中频技术还只有少数几个厂商商用。解决这些问题需要算法支持，同时需要性能更好的器件支持。所以能将ADC的速率要求降低一半的复中频技术在接收机中倒是风生水起，在宽带系统中较为常见。

直接射频输出架构最简单，真正实现了软件无线电(SDR)，省去了调制器（混频器）、本振等，无镜像算法也更简单。直接射频输出对DAC的采样率、功耗等要求高，ADI、TI已经有成熟的商业化产品。对于多种制式、多种频率共存、多种带宽共存的无线通信系统，传统的架构已经很难找到成本复杂度的平衡点，RFDAC正式由于射频最简单，适应性也最好，设计者可以将更多精力放在算法、软件上。当然对于接收机，射频直接采样是软件无线电工程师梦寐以求的，对于几百MHz的宽带系统，目前的技术尚难实现。

基于接收发射全零中频的Agile Transceiver AD9361已经商用，在3G，4G领域已规模发货。这是器件厂商赤裸裸的技术实力展现，从实际应用看来，已能满足无线通信小基站的苛刻要求，对于广电等其他场景，也有成功应用。国内企业在基础器件领域还有很长的路要走。

Reference

1.Multiband, Multistandard Transmitter Design Using the RF DAC, Analog Devices,Inc.

2.Design Considerations for Direct-Conversion Receivers. Behzad Razavi,IEEE TRANSACTIONS ON

CIRCUITS AND SYSTEMS.

3. A.Bateman and D.M.Haines,”Direct conversion transceiver design for compact low-cost

portable mobile radio terminals.” In Proc. IEEE Veh.Technol.Conf.,May 1989,pp57-62