第2部分：接收器架構

像德·福雷斯特和阿姆斯特朗這些無線電技術早期的先驅們都明白一個關鍵點：他們的成功離不開堅固可靠的檢波器；早期時，這主要靠無線電報員，他們的技術實力和聽力使其成為可能。然而，隨著行業的發展，其他方面的重要性也逐漸突顯，例如線性度、帶寬等。

1912年，為了解決這些問題，德·福雷斯特想出了再生方案以及這種技術可能給接收器帶來哪些好處。幾乎在同一時間，阿姆斯特朗取得了類似的發現，他指出，如果從加熱電路把能量耦合回簾調諧器，當放大器響應在自由振蕩之前達到峰值時會產生明顯的放大效果。這些發現引發了一場長達數十年的專利糾紛，因為每位發明家都聲稱首先問世的是自己的發明。

無論如何，再生式接收器的關鍵優勢在于，除了取得非常高的增益水平之外，接收器還有助于將輸出連接到揚聲器，而不是像之前那樣，連接到音頻輸出很弱的小型耳機上。阿姆斯特朗指出，通過這種安排，他可以從紐約實驗室輕松復制馬可尼在愛爾蘭的裝置，而馬可尼通常需要一個中繼站來實現跨大西洋的覆蓋。得到滿意結果后，阿姆斯特朗邀請沙諾夫來到實驗室，分享他的發現。借助再生設置，他們整個晚上都在接收遠程無線電信號，輕松地接收到了來自西海岸和太平洋的信號。這是檢波器技術的一次重大改進。再生式接收器面臨的最大挑戰是調整反饋以確保正常運行；即使是經驗豐富的電報員也很難做好。隨著再生式和超再生式無線電的早期型號被投入生產，這一挑戰變得非常明顯，需要在無線電技術普及之前找到解決辦法。

第一次世界大戰最終迫使美國參戰，阿姆斯特朗在法國領受任務，負責在現場安裝無線電裝置。這使他有機會繼續研究工作；1918年2月，與法國和英國的同事合作之后，他提出了超外差架構。最終，這種架構解決了許多問題，無需像超再生等以前的架構那樣，進行繁瑣的調整，而且不會犧牲性能。

整個1918年，阿姆斯特朗繼續開發超外差架構，解決了再生和超再生接收器面臨的許多難題。這一發展實現了簡單易用的無線電，與目前的量產型無線電一致。雖然超外差接收器不是嚴格意義上的檢波器，但它具有增益功能和額外的選項，提供固定中頻，不受被監控射頻頻率影響，有助于提高檢波性能和一致性。這樣就可以優化檢波器，無需擔心所需射頻頻率會導致性能下降，而這正是早期無線電面臨的一個巨大挑戰，并且繼續挑戰著今天的無線電設計師，只是頻率要高得多而已。即使我們已經繼續探索零中頻、直接射頻采樣等新型架構，挑戰仍然存在。

這些優勢鞏固了外差架構的重要性，并且今天仍在繼續。雖然實施技術已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構仍然是許多現代系統的關鍵。

除了技術類型的轉變以外，無線電架構幾乎未發生變化，直到20世紀70年代，通用型DSP和FPGA的出現才改變了這種狀況。檢波器的功能從線性檢波器元件（如二極管、鑒頻器和PLL）轉向模數轉換器，然后是數字信號處理。這為舊技術無法實現的許多功能創造了條件。雖然數據轉換器加DSP確實能執行傳統的AM和FM5解調，但運用數字處理技術可以實現廣泛用于數字電視的復雜數字解調，比如美國的HD Radio?以及歐洲和世界其他地區的DAB。

在早期的數字系統中，通常會通過I/Q解調器把中頻級轉換為基帶信號，然后用雙低頻ADC進行數字化，如圖14所示。這些早期的ADC帶寬相對較低，因此無線電通常是窄帶系統。雖然這些系統可用于低帶寬系統，但它們存在正交失配問題，結果會導致鏡像抑制問題，必須通過模擬和后來的數字技術進行校正。由于早期系統沒有高度集成，因此難以在I/Q之間保持平衡，結果導致鏡像誤差（正交）。由于必須仔細考慮時間和溫度的變化，問題非常復雜。即使在高度集成的系統中，如果不采用某種校正算法，I/Q平衡通常限制在40 dB，或者鏡像抑制效果會變差。

到90年代中期，轉換器技術開始得到充分改進，可以用中頻采樣取代基帶I/Q采樣。這有幾個好處。首先，可以省去解調器和基帶轉換器對，并用單個ADC代替，從而節省功耗和電路板空間。更重要的是，可以消除與模擬I/Q抽取相關的誤差。當然，DSP處理仍然需要復雜數據，但可以通過使用AD6624等數字下變頻器(DDC)輕松抽取數據，這些數字下變頻器可提供完美的正交性能，不隨時間或溫度漂移。

最初這些中頻采樣轉換器均為窄帶，但到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉換器開始上市，包括AD9042、AD6645等器件。這些新器件可以采樣高達200 MHz的中頻頻率，并提供高達35 MHz的信號帶寬。結果變得非常有意思，許多高性能接收器開始采用中頻采樣以簡化無線電設計并提高性能。該技術的諸多優點之一是，一條接收器信號路徑可以處理多個射頻載波。6 這樣就可以用一個無線電取代多個模擬窄帶無線電，大幅降低許多電信應用的擁有成本。處理多個獨立（或從屬）射頻信號的任何應用都可以從這種類型的架構中受益，從而達到降低成本、減小尺寸和降低復雜性的目的。可以在數字數據流中輕松分出各個射頻載波，并根據需要對其進行獨立處理。可以使用唯一的信息對每個信號進行不同的調制，也可以擴展信號帶寬以增加數據吞吐量。包括ADRF6612和ADRF6655在內的集成混頻器技術繼續推動著中頻采樣外差無線電的發展，可與AD9684和AD9694等新型中頻采樣轉換器相結合，實現高度集成的低成本解決方案。這些新型ADC包括數字下變頻器(DDC)，不僅可以對不需要的頻譜進行數字濾波，還可以通過數字手段抽取I/Q分量。

并排比較：過去與現在

阿姆斯特朗的7號專利稱：“眾所周知，隨著接收信號強度的降低，所有檢波器都會迅速失去靈敏度，而當高頻振蕩的強度低于某一點時，檢波器的響應會變得十分微弱，無法接收到信號。”阿姆斯特朗聲稱，隨著振幅下降或頻率增加，檢波器的靈敏度會降低。他和其他人試圖找到一種方法，將無線電的有效性擴展到更高頻率，提高整體性能。

在三極管、再生管等早期工作的基礎上，阿姆斯特朗意識到，可以轉換輸入頻率，使其與現有檢波器配合使用時能更高效地工作。另外，可以應用增益，以同時增加射頻信號電平和提供給用戶的音頻信號電平。

圖16所示為該專利的示意圖之一，“詳細說明了如何通過調諧放大器系統，利用[阿姆斯特朗的]方法，其中，21是輸入振蕩（信號）的來源，真空管整流系統22-23-25轉換輸入信號和獨立外差器件24（本振）的組合振蕩。電路26-27被調諧到兩個振蕩的轉換組合（目標混頻器積）。多管高頻放大器28放大由真空管系統29進行外差處理并檢波的所得能量，由電話30指示。”7 通過使用這種方法，阿姆斯特朗得以取得射頻能量并將頻率轉換為可以輕松有效地檢波的頻率，同時提供充分的放大，使音頻電平達到令人舒適的水平。在專利中，他繼續指出，可以應用多個外差級，其優點是能提供額外的選項和更高的增益水平，不用擔心不受控制的反饋導致振蕩——這個問題長期困擾著再生接收器等早期無線電架構。

以下兩圖有助于我們更好地比較電子管技術與現代實施方案，同時向我們展示了，現代設計與100年前提出的原始設計有多相似。

圖17對兩個電路進行了并排比較。根據阿姆斯特朗的專利，第一電子管級包括一個真空管整流系統。該第一級利用電子管的整流屬性生成典型混頻積，把目標信號與LO的混頻組合起來。阿姆斯特朗暗示，10 MHz（如圖18所示）為射頻，一方面是因為，這超出了他那個時代的檢波器可以響應的范圍，另一方面是因為，在他開發超外差接收器期間，這對他來說是一個技術挑戰。現代接收器通常在混頻器之前包括至少一個射頻放大器，用于實現低噪聲和高靈敏度，如低位信號鏈所示。這些器件通常采用低噪聲FET設計，針對工作頻率范圍進行了優化。阿姆斯特朗最初申請的專利和現代設計之間唯一的根本區別是放置在混頻器之前的獨立射頻放大器。到二戰時，很容易發現一些電子管設計，其采用的前端放大器與今天的FET前端相當。

他暗示稱，該輸入射頻信號可以與大約10.1 MHz的LO組合，在第一級產生0.1 MHz的新單音。我們認為，這是典型混頻器的和差積，如圖19所示。在圖18的管示意圖中，LO直接耦合到輸入電路中，其中，電子管的非線性行為導致了這些積。這種原創設計帶來的一個挑戰是，LO會因直接耦合到天線而發生意外輻射。現代設計發生這種輻射的可能性很低，不過也不是完全不可能，因為如圖19所示，LO被耦合到通過前端放大器與輸入隔離的混頻器中。阿姆斯特朗提出的一個改進方案是，除了檢波器以外，利用從板到柵極電路的反饋，也可以將放大器1作為本振，就像他和德·福雷斯特用再生式接收器所做的那樣。這樣將形成緊湊型的前端功能。在今天的電路中，混頻器、本振以及射頻和中頻放大器通常包含在單個IC中。這些器件被廣泛用于從消費者需求到工業需求的眾多不同應用之中。

對于電子管和單片前端，混頻過程會產生射頻與LO的和與差。在阿姆斯特朗的案例中，這意味著0.1 MHz和20.1 MHz。此外，通常也會將射頻和LO泄漏到輸出端。必須濾除混頻器形成的、不必要的項，以便接收目標信號。由于檢波器的帶寬有限，所以，阿姆斯特朗專注于差項，即100 kHz。除了他所包含的諧振LC結構之外，他的2級中頻放大器很可能還能對其他項進行一些濾波處理。現代中頻放大器也將包括某類中頻濾波器。圖19所示為基本LC濾波器，但通常要采用某種形式的高Q濾波器。窄帶無線電通常在中頻級中使用石英或陶瓷濾波器；更寬的頻帶設計通常根據需要運用SAW或BAW。通常，這種濾波器被稱為修平濾波器，用于保護后續級免受強帶外信號的影響。

有了經過良好濾波的強大中頻信號，阿姆斯特朗現在可以輕松檢測到曾經處于其檢波器帶寬之外的微弱射頻信號。現在，在中頻下，這些信號能輕松匹配檢波器的功能。在采用電子管的情況下，這些信號被整流然后放大，因此可以直接驅動揚聲器，至少對于調幅信號是這樣。在現代接收器中，模數轉換器對模擬中頻采樣并產生數字等效信號，然后以數字方式進行處理（包括解調）。在音頻應用的情況下，該信號可以通過數模轉換器轉換回模擬信號，以便在必要時驅動揚聲器。

雖然電子管和晶體管版本的無線電都能實現類似的結果，但現代設計具有一系列的優點。值得注意的是，現代設計要小得多，并且功率需求大大降低。雖然便攜式電子管無線電從一開始就存在，但晶體管帶來了袖珍型無線電。集成電路實現了單芯片無線電，從短距離無線電應用（如ADF7021）到高性能應用（如AD9371），應用范圍十分廣泛。在許多情況下，這同時包括接收器和發射器。

由于單片無線電通常采用模數轉換器和數模轉換器，因此借助這些無線電很容易實現復雜的調制。管式無線電歷來局限于基本調制類型，例如AM和FM。當將數據轉換器添加到無線電中時，單片無線電通常就是這樣做的，就可以通過數字技術引入新的調制形式，包括擴頻和OFMD，它們是我們每天都離不開的大多數現代通信的核心（數字電視、高清無線電、DAB、手機）。

隨著無線電技術的繼續演進，將會出現更多進步，可能帶來目前無法實現的無線電架構或功能。今天，我們擁有高度集成的中頻采樣超外差架構和零中頻架構。初露端倪的其他架構包括直接射頻采樣架構，在這一架構下，信號被直接轉換為數字信號且無需模擬下變頻。隨著無線電技術的繼續演進，可用選項的數量將會增加。然而，某種形式的外差架構可能會在未來一段時間內與我們相伴。

結論

在超外差無線電的百年發展史上，除了實施技術之外，架構上幾乎沒有變化。多年來，我們目睹了用于構建無線電的介質的多次變化，我們看到，技術從電子管到晶體管，一直發展到單片集成電路。這些變化帶來了各種可能性，在無線電發展初期的先驅眼中，這些不過是白日夢，但我們的日常生活卻與這些可能性緊密地聯系在一起。

使這成為可能的關鍵因素之一是在當今的無線電技術中由高速ADC實現的檢波器。過去幾年在數據轉換器和其他技術方面的改進帶來了我們的互聯世界，這正在改變著我們的日常生活和現代社會的結構。令人興奮的是，這項核心技術正在不斷發展，將繼續帶來當今可能尚不為人所知的新型無線解決方案。就像阿姆斯特朗和利維(Levy)的發明為過去100年帶來巨大潛力一樣，在接下來的100年中，下一代無線技術定將當仁不讓，造就無盡可能。

參考文獻

1 Tom Lewis，空中帝國：造出無線電的人。Harper Collins，1991年。
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4 JA.Davidson，晶體無線電，2007年9月。
5 Fred Harris，“復雜時間序列的精確FM檢波”，圣地亞哥州立大學電氣與計算機工程系。

6 Walter Tuttlebee，軟件定義無線電：賦能技術，第4章：軟件定義無線電中的數據轉換，Wiley，2002年。

7 Edward H. Armstrong，美國專利1342885，“高頻振蕩接收方法”，申請于1919年2月8日提交，1920年6月8日簽發

Brad Brannon[brad.brannon@analog.com]自北卡羅來納州立大學畢業至今，已在ADI公司工作32年。在ADI公司，他先后在設計、測試、應用和系統工程等領域擔任多個職位。Brad撰寫過大量論文和應用筆記，主題涉及數據轉換器計時、無線電設計、ADC測試等。目前，Brad負責4G和5G接收架構系統工程的工作。