芯耀
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本文將對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行比較，重點(diǎn)介紹它們之間的差異以及不同的類型。
一、發(fā)射機(jī)具體介紹
發(fā)射機(jī)是一種用于將信號(hào)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的設(shè)備。該信號(hào)包含以語音、視頻或數(shù)據(jù)等形式存在的信息。發(fā)射機(jī)使用天線將信號(hào)發(fā)送到空中，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用調(diào)制技術(shù)，以便在特定距離上傳輸信號(hào)。它還使用放大器來增強(qiáng)信號(hào)的幅度，確保信號(hào)能夠到達(dá)所需的傳輸距離。
在傳輸系統(tǒng)中使用的典型調(diào)制方案大致可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩類：
模擬調(diào)制：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）、單邊帶（SSB）等。
數(shù)字調(diào)制：移幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）、四相移相鍵控（QPSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）等。
發(fā)射的信號(hào)在傳播一定距離后，會(huì)由于信道特性而出現(xiàn)衰減和損傷。隨后，這個(gè)衰減后的信號(hào)會(huì)被接收機(jī)接收。
以下是基于調(diào)制方案和轉(zhuǎn)換技術(shù)劃分的不同類型的發(fā)射機(jī)。
1、調(diào)幅（AM）發(fā)射機(jī)
2、調(diào)頻（FM）發(fā)射機(jī)
3、單邊帶（SSB）發(fā)射機(jī)
4、直接變頻發(fā)射機(jī)
5、超外差發(fā)射機(jī)
AM發(fā)射機(jī)
上圖展示了一個(gè)調(diào)幅（AM）發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的典型方框圖。調(diào)幅無線電系統(tǒng)使用的頻率范圍是540KHz至1700KHz，其中頻（IF）約為455KHz。頻率以10KHz的間隔分布。
調(diào)幅發(fā)射機(jī)采用調(diào)幅調(diào)制方式，將音頻信息轉(zhuǎn)換為調(diào)幅調(diào)制信號(hào)。調(diào)幅調(diào)制把音頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，把高頻信號(hào)作為載波。載波信號(hào)的幅度會(huì)根據(jù)調(diào)制音頻信號(hào)的幅度而變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)幅調(diào)制輸出。
AM調(diào)制示意圖如下圖所示。
FM發(fā)射機(jī)
上圖描繪了一個(gè)調(diào)頻（FM）發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的方框圖。調(diào)頻無線電系統(tǒng)使用的頻率范圍是88MHz至108MHz，其中頻約為10.7MHz。
調(diào)頻發(fā)射機(jī)采用調(diào)頻調(diào)制方式，將音頻信息轉(zhuǎn)換為調(diào)頻調(diào)制信號(hào)。調(diào)頻調(diào)制把音頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)（Fm），把高頻信號(hào)作為載波。通過改變載波信號(hào)的瞬時(shí)頻率來傳遞信息，而載波的幅度保持不變。
FM調(diào)制示意圖如下圖所示：
SSB發(fā)射機(jī)
調(diào)幅（AM）發(fā)射機(jī)同時(shí)傳輸上邊帶和下邊帶。上邊帶是載波頻率（Fc）與調(diào)制信號(hào)頻率（Fm）之和，而下邊帶則是載波頻率（Fc）與調(diào)制信號(hào)頻率（Fm）之差。
單邊帶（SSB）發(fā)射機(jī)只傳輸一個(gè)邊帶（上邊帶或下邊帶），并非兩個(gè)邊帶都傳輸。正因如此，與調(diào)幅發(fā)射機(jī)相比，單邊帶發(fā)射機(jī)節(jié)省了帶寬和功率。
SSB調(diào)制示意圖如下圖所示：
直接變頻（Direct Conversion）發(fā)射機(jī)
讓我們來了解一下直接變頻發(fā)射機(jī)的工作原理。使用這種類型的發(fā)射機(jī)所得到的信號(hào)星座圖被稱為四相移相鍵控（QPSK）（這里以QPSK調(diào)制信號(hào)為例）。
1、首先，要傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被分成同相（I）信號(hào)和正交（Q）信號(hào)。
2、I信號(hào)和Q信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。
3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)過低通濾波后被輸入到混頻器中。
4、這種架構(gòu)使用了一個(gè)本地振蕩器（LO）。在混頻過程之前，本地振蕩器信號(hào)會(huì)給其中一個(gè)混頻器提供90°的相移。
5、將混合后的I分量和Q分量相加，從而得到四相移相鍵控（QPSK）調(diào)制信號(hào)（這里以QPSK調(diào)制信號(hào)為例）。
6、在將四相移相鍵控（QPSK）調(diào)制信號(hào)發(fā)射到空中之前，先使用功率放大器（PA）對(duì)其進(jìn)行放大。
QPSK星座圖如下所示：
優(yōu)點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：沒有復(fù)雜的中頻處理環(huán)節(jié)，減少了大量的中頻濾波器、中頻放大器等元件，因此體積小、重量輕，成本也相對(duì)較低。
頻譜純度高：直接將基帶信號(hào)變頻到射頻，避免了多次變頻過程中產(chǎn)生的雜散信號(hào)，從而具有較高的頻譜純度，有利于提高通信質(zhì)量。
相位噪聲低：由于本地振蕩器直接產(chǎn)生射頻信號(hào)，相比超外差發(fā)射機(jī)，減少了中頻到射頻的變頻環(huán)節(jié)，從而降低了相位噪聲的積累，提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。
缺點(diǎn)
頻率范圍受限：受限于本地振蕩器的頻率范圍和性能，直接變頻發(fā)射機(jī)通常難以覆蓋很寬的頻率范圍，在一些需要寬頻帶通信的應(yīng)用中可能受到限制。
直流偏移問題：在混頻過程中，由于器件的非理想特性，容易產(chǎn)生直流偏移，這會(huì)影響信號(hào)的正常傳輸和接收，需要采用復(fù)雜的直流抵消技術(shù)來解決。
功率放大器要求高：直接變頻發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)通常需要較高的功率才能滿足通信距離等要求，這對(duì)功率放大器的線性度和效率提出了較高的要求，設(shè)計(jì)難度較大。
超外差（Superheterodyne）發(fā)射機(jī)
這種架構(gòu)在通過直接變頻發(fā)射機(jī)獲得調(diào)制信號(hào)之后，會(huì)使用一個(gè)額外的混頻組件。在混頻前后，信號(hào)都要經(jīng)過帶通濾波。這就要求在設(shè)計(jì)中多使用一個(gè)本地振蕩器（LO），相當(dāng)于調(diào)制信號(hào)會(huì)經(jīng)過兩次變頻以后才會(huì)輸入到后級(jí)的功放。
和其他發(fā)射機(jī)系統(tǒng)一樣，這種類型的發(fā)射機(jī)在發(fā)射之前也會(huì)使用功率放大器（PA）。自動(dòng)增益控制（AGC）被用于通過增益控制來實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度的變化。
優(yōu)點(diǎn)
頻率覆蓋范圍廣：通過改變中頻到射頻的混頻器本振頻率，可以方便地實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍的射頻輸出，適用于多種不同頻段的通信系統(tǒng)。
抗干擾能力強(qiáng)：在中頻階段可以采用高性能的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，有效地抑制各種干擾信號(hào)，提高信號(hào)的抗干擾能力。
功率放大器設(shè)計(jì)相對(duì)容易：由于中頻信號(hào)的頻率相對(duì)較低，對(duì)功率放大器的要求相對(duì)較低，設(shè)計(jì)難度較小，且可以采用成熟的中頻功率放大器技術(shù)。
缺點(diǎn)
結(jié)構(gòu)復(fù)雜：包含多個(gè)混頻器、中頻放大器、濾波器等元件，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大、重量重，成本也較高。
頻譜雜散較多：多次變頻過程中容易產(chǎn)生各種雜散信號(hào)，需要采用復(fù)雜的濾波和抑制技術(shù)來保證頻譜純度，否則會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。
相位噪聲性能相對(duì)較差：多個(gè)本地振蕩器的使用以及多次變頻過程會(huì)導(dǎo)致相位噪聲的積累，影響信號(hào)的相位精度和穩(wěn)定性。
二、接收機(jī)具體介紹
接收機(jī)是一種從接收到的信號(hào)中解碼出所傳輸信息的設(shè)備。和發(fā)射機(jī)一樣，接收機(jī)也使用天線從空中接收信號(hào)。與發(fā)射機(jī)中的功率放大類似，接收機(jī)也會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，不過其重點(diǎn)是低噪聲放大。
以下是基于發(fā)射機(jī)架構(gòu)劃分的不同類型的接收機(jī)：
1、直接變頻接收機(jī)
2、超外差接收機(jī)
3、直接射頻采樣接收機(jī)
4、基于調(diào)制方案的調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）接收機(jī)
直接變頻（Direct Conversion）接收機(jī)
該圖描繪了一個(gè)直接變頻接收機(jī)的簡(jiǎn)單架構(gòu)。如圖所示，它使用一個(gè)混頻器將接收到的已調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)。然后基帶信號(hào)被輸入到一個(gè)同相/正交（IQ）解調(diào)器中，以恢復(fù)出同相（I）信號(hào)和正交（Q）信號(hào)。由于I信號(hào)和Q信號(hào)之間存在90度的相移，這個(gè)IQ解調(diào)器也被稱為四相移相鍵控（QPSK）解調(diào)器（這里以QPSK調(diào)制信號(hào)為例），其中I和Q信號(hào)再被輸入到對(duì)應(yīng)的ADC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
優(yōu)點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：沒有中頻處理環(huán)節(jié)，減少了大量的中頻濾波器、放大器等元件，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，成本較低。
不存在中頻干擾：由于直接將射頻信號(hào)變頻到基帶，不存在超外差接收機(jī)中因中頻頻率固定而可能出現(xiàn)的中頻干擾問題，對(duì)不同頻率的信號(hào)具有較好的適應(yīng)性。
相位信息保留完整：在直接變頻過程中，信號(hào)的相位信息能夠得到較好的保留，有利于對(duì)相位調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，提高解調(diào)精度。
缺點(diǎn)
直流偏移問題：混頻器的非理想特性會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)中出現(xiàn)直流偏移，這會(huì)影響后續(xù)基帶信號(hào)處理的準(zhǔn)確性，需要采用專門的直流偏移消除技術(shù)。
本振泄漏：本地振蕩器的信號(hào)可能會(huì)泄漏到射頻輸入端，形成本振泄漏信號(hào)，對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生干擾，降低接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
鏡像干擾：如果射頻信號(hào)中存在與本振頻率相差基帶信號(hào)帶寬的鏡像頻率信號(hào)，直接變頻接收機(jī)無法像超外差接收機(jī)那樣通過中頻濾波器進(jìn)行抑制，需要在射頻前端采用高性能的濾波器來抑制鏡像干擾。
超外差（Superheterodyne）接收機(jī)
該圖展示了超外差接收機(jī)的架構(gòu)。如圖所示，在獲取基帶信息之前，它使用了兩個(gè)混頻器。通過和LO信號(hào)進(jìn)行兩次混頻，使得RF信號(hào)頻率變得很低，再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
優(yōu)點(diǎn)
抗干擾能力強(qiáng)：通過中頻濾波器可以有效地抑制各種干擾信號(hào)，特別是對(duì)于鏡像頻率干擾有很好的抑制作用，提高了接收機(jī)的抗干擾能力和選擇性。
靈敏度高：中頻放大器可以對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行高增益放大，提高了接收機(jī)的靈敏度，能夠接收微弱的信號(hào)。
頻率穩(wěn)定性好：由于中頻頻率是固定的，本地振蕩器只需在一個(gè)相對(duì)較窄的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，頻率穩(wěn)定性較好，有利于提高接收機(jī)的性能。
缺點(diǎn)
結(jié)構(gòu)復(fù)雜：包含多個(gè)混頻器、中頻放大器、濾波器等元件，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大、重量重，成本較高。
存在中頻干擾：如果外界存在與中頻頻率相同或相近的干擾信號(hào)，容易進(jìn)入接收機(jī)并對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生干擾，需要采用專門的抗中頻干擾措施。
相位噪聲積累：多個(gè)本地振蕩器的使用以及多次混頻過程會(huì)導(dǎo)致相位噪聲的積累，影響信號(hào)的相位精度和穩(wěn)定性，對(duì)高精度的相位調(diào)制信號(hào)解調(diào)可能產(chǎn)生不利影響。
直接射頻采樣
在這種類型的接收機(jī)中，接收到的信號(hào)在經(jīng)過低噪聲放大后，直接被傳送到射頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（RF ADC），經(jīng)過RF ADC轉(zhuǎn)換后直接變成數(shù)字信號(hào)。直接射頻采樣接收機(jī)的設(shè)計(jì)只需要很少的組件（RF信號(hào)不需要進(jìn)行混頻處理），這使其成為一種簡(jiǎn)單且低成本的架構(gòu)。
優(yōu)點(diǎn)
高集成度和靈活性：數(shù)字信號(hào)處理部分可以集成在一個(gè)芯片上，通過軟件編程可以方便地實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)處理算法和功能，適應(yīng)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和信號(hào)格式，具有很強(qiáng)的靈活性和可重構(gòu)性。
寬帶特性好：能夠直接對(duì)寬帶射頻信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，不需要復(fù)雜的模擬前端來進(jìn)行頻段選擇和濾波，有利于實(shí)現(xiàn)寬帶通信和多頻段通信，能夠同時(shí)接收多個(gè)不同頻率的信號(hào)。
不存在模擬中頻處理的非理想特性：避免了超外差接收機(jī)中模擬中頻處理環(huán)節(jié)存在的諸如增益不平衡、相位失真等非理想特性，提高了信號(hào)處理的精度和穩(wěn)定性。
缺點(diǎn)
對(duì)ADC要求高：需要高速、高精度的ADC來對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行采樣，目前ADC的性能還存在一定限制，高速高精度ADC的成本也較高，并且會(huì)帶來較大的功耗。
數(shù)字信號(hào)處理量大：對(duì)采樣后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理需要大量的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，對(duì)處理器的性能要求高，需要高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）來實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。
抗干擾能力有待提高：在射頻前端直接采樣，對(duì)射頻干擾較為敏感，需要在前端設(shè)計(jì)良好的濾波和抗干擾措施，否則強(qiáng)干擾信號(hào)可能會(huì)使ADC飽和，影響接收機(jī)的性能。
AM接收機(jī)和FM接收機(jī)
調(diào)幅（AM）接收機(jī)接收由調(diào)幅發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)。它對(duì)調(diào)幅調(diào)制信號(hào)進(jìn)行處理，并輸出音頻信號(hào)。同樣地，調(diào)頻（FM）接收機(jī)對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行處理和解碼。圖中展示了一個(gè)調(diào)幅/調(diào)頻接收機(jī)的方框圖。
總結(jié)：
本文對(duì)比了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，重點(diǎn)介紹了其差異與類型。發(fā)射機(jī)用于信號(hào)傳輸，有模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制方案，類型包括AM、FM、SSB、直接變頻和超外差發(fā)射機(jī)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。接收機(jī)用于解碼接收信號(hào)，類型有直接變頻、超外差、直接射頻采樣接收機(jī)及AM、FM接收機(jī)，同樣存在不同架構(gòu)特點(diǎn)。直接變頻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但存在直流偏移等問題，超外差抗干擾能力強(qiáng)但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接射頻采樣集成度高但對(duì)ADC要求高。
