RF技术揭秘

尽管无线通信就存在于我们周围，但射频（RF）技术的工作原理对于大多数人来说往往是个谜。对于我们来说，可能比较熟悉调幅（AM）和调频（FM）广播的基本概念，但除此之外，RF技术可能会是一个高度专业的话题，也只有那些“知情人士”知晓其原理。过去40年来，无论是语音还是数据，传输和接收信息的基本原理都发生了重大变化。在寻求提高数据速率的过程中，通过无线电信号调制的方法来叠加和传输数据已经取得了长足的进步，这其中也包括一些复杂的技术。

本文将解释无线电通信的一些基本技术以及用于传输语音和数据的调制方法，这里我们将不讨论调制的数学基础，但会涵盖一些基本概念以及技术类型之间的比较。

射频无线通信频谱简介

当我们提起当今的无线技术时，可能会想到周围的Wi-Fi^®、蓝牙^®和智能手机等。我们也许会用智能音箱而不是收音机来收听最喜欢的广播电台，但即使这样也是以无线方式连接到我们的家庭路由器。

某些特定年龄的人们会对“中波”和“短波”比较熟悉，这两个术语以前用来描述广播电台的频率。在500kHz至1.7MHz范围内发射的中波“AM”无线电台仍在使用，同样，使用3MHz至18MHz的远程短波无线电台也在使用。今天，我们对于收听音乐和新闻广播电台的体验，除了使用智能扬声器外，主要涉及“调频”甚高频（VHF）和数字音频广播（DAB），大多数人使用甚高频和超高频（UHF）收听当地和国家广播，频率范围从88 MHz到240 MHz。

使用无线通信的数字数据传输包括Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等。这些无线技术在2.4GHz频率范围运行，Wi-Fi也可运行在5GHz。LoRa和Sigfox等远程无线网络协议使用800MHz左右的亚GHz频率。我们的智能手机则使用多个频段，包括900MHz、1800MHz、2700MHz、4600MHz和6000MHz。

无线电基础知识

无论是发送模拟语音信号还是数字数据，射频通信包括将语音或数据叠加或调制到RF“载波”信号上。当今业内采用许多不同类型的调制技术，与其它技术相比，每种调制都具有适合具体通信方式的特定属性。有些简单，有些稍复杂，需要大量的处理能力。一旦接收到发送的信号，就要进行调制的相反过程解调，即从RF载波中提取语音或数据信号。

图1所示为一个简单调幅（AM）发射器的理论功能框图。来自麦克风的音频信号（ωa）经放大馈送到混频器电路，电池符号用于指示音频信号是正向DC偏置。混频器的另一个输入是RF正弦波振荡器（ωc），或称为载波，一个用例频率为1000kHz。将偏置音频信号与RF混合能够产生两个信号：（ωa+ωc）和（ωa-ωc）。

图1 一个简单的调幅（AM）发射器 （来源：贸泽电子REDRAW）

图2说明了1kHz固定音频输入时的频谱，信号的上边带为1001kHz，下边带为999kHz。载波信号的幅度和边带幅度根据音频信号的幅度而变化。

图2 1000kHz载波调幅信号的频谱（来源：贸泽电子）

图3所示为AM广播接收器框图，该接收器使用超外差方法来接收RF信号并对其进行解调，此外，它还使用混频器电路来实现455kHz单个中频，从中“解调”音频AM信号。混频器将本地振荡器（LO）信号与输入RF信号相结合。中频方法能够使得针对单个频率进行优化接收器，而不是在较宽频率范围，因而更加容易。使用两个信号频率之和接收1MHz信号，LO被设置为1MHz+455kHz=1.455MHz，而两个信号频率之差545kHz则由IF带通滤波器过滤掉，然后在解调前进行放大。

图3 超外差AM广播接收器原理框图（来源：贸泽电子）

有一种称为幅移键控（ASK）的幅度调制技术允许进行数字数据传输。固定频率载波的振幅经过调整可以指示两种二进制状态：开和关。开“1”状态时为高振幅信号，关“0”时为低振幅。另一种方法是不使用载波来指示“0”。不幸的是，任何听过AM广播信号的人都知道，由于大气条件和周围环境的电噪声，接收可能会减弱或消失，因此数据传输的可靠性相对较低。然而，这却是一种非常简单和低成本的调制技术。

调频（FM）是另一种常用于本地VHF广播电台的模拟调制方法，这种调制技术使用音频信号来瞬时改变载波信号频率。与AM不同，载波的振幅保持恒定。

频移键控（FSK）通过使用分开、紧密间隔的频率以指示“1”和“0”，因而提供了一种传输数字信息的方法。调频受电气干扰和传播干扰的影响较小，是广播和数据传输应用的理想选择。

相位调制（PM）使用载波信号的相位变化来传输数字信息，保持载波频率和幅度恒定。

调制是一个相对复杂的话题，需要很多数学基础来理解它如何工作。这篇短文只介绍一些基本概念，但在离开这个宽泛的主题之前，让我们先简要介绍一下正交调制的概念。正交幅度调制（QAM）是一种传送一个或多个数据流的数字调制技术，其中使用幅度和相位调制技术来增加传输的数据量。载波信号是同相（I）或正交异相（Q）。可以用极坐标图或星座（constellation）图简要说明QAM如何工作，图4为一个具有4位数据的4-QAM信号，使用了相位和幅度组合。图中所示相位角度为+45°、+135°、-45°和-135°。

图4 4-QAM信号和256-QAM信号的星座图（来源：贸泽电子）

4-QAM信号具备由两位组成的四种可能状态。使用更多的相位和幅度组合可以增加信号的位密度。图4中右侧的星座图是一个256-QAM信号，其中可以表示8位数据。

现代射频软件定义无线电概念

FPGA、GPU和DSP等高性能处理器的市场采用使设计工程师能够利用芯片进行重要的信号处理。复杂的基于数学原理的调制和解调方法非常适合于算法处理，这一趋势始于20世纪70年代，如今正迅速成为常态。

软件定义无线电（SDR）一词现在被广泛用于描述IC内部进行的信号链处理的许多方面，但不包括分立模拟组件。图1和图3中所示的许多超高速外差AM接收器和发射器功能现在只是单个SDR收发器IC的一部分。一些传统的模拟功能仍然使用分立元件，如接收器前端带通滤波器和发射器末端功率放大器级，但灵活的基于软件收发器IC可以执行其他所有功能。

高集成度RF收发器IC的一个范例是Analog Devices ADRV9003（参见图5），它具有一个单信道发射器和一个双信道接收器，能够覆盖30MHz到6000MHz的频率范围，信号带宽为12kHz至40MHz。整个频谱范围内发射输出功率优于+7dBm。

图5 Analog Devices ADRV9003宽带RF收发器IC的功能框图（来源：Analog Devices（ADI））

如本文前面所述，收发器所采用的是直接变频而不是中频，这种方法采用工作在目标频率的本地振荡器进行接收和发送。ADRV9003集成了复杂的正交误差校正功能和可编程数字滤波器，无需额外的电路。解决方案设计师可以通过IC的GPIO引脚、模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）实现监控功能。

CML Microcircuits CMX994是一款具有I/Q解调器的直接转换接收器IC，能够在30MHz至1000MHz频率范围内工作。图6所示为CMX994的功能框图，其中重点介绍了用于创建完整接收器功能的一些附加外部组件及其使用。

图6 CML Microcircuits CMX994直接转换接收器IC的重要特性（来源：CML Microcircuits）

一些IC也可用作更复杂无线通信系统的一部分来提供单独的功能，其中一个例子是Texas Instruments （德州仪器）TRF3705，这是一款300MHz到4000MHz双平衡正交调制器IC，它能够将基带调制输入信号转换为RF频率，通常用于蜂窝基站应用。

Silicon Labs Si4432系列为高集成度收发器IC，具有非常低的功耗，可适合于240MHz至960MHz的工业、科学和医疗（ISM）频带应用（参见图7）。

图7 Silicon Labs Si443x EZRadioPRO收发器框图（来源：Silicon Labs）

Si443x的射频输出功率为+20dBm，适用于大批量、低成本的应用场合，如遥控钥匙、玩具控制和家庭安全报警传感器等应用。

开始RF设计

在本文中，我们介绍了如何使用无线通信来传输信息，并简要探讨了调制和解调的基本概念，这些技术可使信息叠加到无线电载波上，以无线方式进行短距离和长距离传输。现代无线电系统越来越多地使用软件定义技术作为构建无线通信系统的灵活、便捷和可重新配置的方法。

为了进一步研究射频通信的主题，建议读者考虑使用Analog Devices Pluto等流行的低成本SDR套件。