物联网射频通信
21ic 2024-02-21

射频表示可以辐射到空间的电磁频率,这是射频的基本作用。在超市,我们经常能看见射频的具体应用。为增进大家对射频的认识,本文将对射频通信予以介绍。如果你对射频具有兴趣,不妨和小编一起来继续认真往下阅读哦。

在整个射频通信中,主要包含以下几种频率:传输频率、接收频率、中频和基带频率。基带频率是用来调制数据的信号频率。而真正的传输频率则比基带频率高很多,一般的频谱范围是500MHz到38GHz,数据信号也是在此高频下进行传输的。一般来说,射频系统具有非常强大的传输调制信号的功能,即使在有干扰信号和阻断信号的情况下,该系统也可以做到以最高的质量发送并且以最好的灵敏度接收调制信号。阻断信号主要有两种:带内阻断信号和带外阻断信号。带外阻断信号是指分布在信号频谱之外的无关信号,例如由其它无线传输技术产生的数据信号。带内阻断信号则分布在我们感兴趣的信号频谱之内,例如由相同的无线传输技术在其它终端产生的数据信号。对于无线通信而言,要成功地实现射频接收功能,必须要过滤掉这两种阻断信号。中频多被用来作为传输/接受频率和基带频率的过渡,而这种传输方式正是超外差结构的基础。一般而言,带外阻断信号可以被天线自带的滤波器过滤掉。而中频的存在使我们有机会在信号被混合到基带频率并做数字处理之前将带内阻断信号滤除。另一方面,在发送端,中频常被用来滤除所有从基带转换到中频这个过程中可能产生的伪数据和噪声。

采用超外差结构的另外一种实现方法是利用中频采样来减少信号链上的器件个数。这种方法选择在中频对信号进行采样,而不是在采样前先将信号混合到基带。在第一种超外差结构中,从中频到基带的转换过程需要以下器件:本机锁相环、智能解调器(混频器)和双向ADC(模拟-数字转换器)。如果选择在中频进行采样,那这三个器件可以用一个高性能的ADC来代替。这不仅可以降低信号链的复杂程度,还可以提高信号解调的质量。

但是,如果在下行基带转换器里应用高质量智能解调器,也能得到非常好的通信效果。如果能使本机锁相环和射频器件的漏电足够小,基带的直流失调便可最小化。除此之外,解调器的相位分离功能可以做到非常准确的90度的相位分离,这将确保信号解调时,误差向量的值不会变坏或者只是变坏一点。最后,如果我们在使用智能解调器的同时,使用一个具有低相位噪声的锁相环,将会确保基带输出信号的低噪声,并且因此获得一个好的位错误率(BER)。

因为ADC要在越来越高的频率下工作,所以中频采样结构的功耗变得比第一种超外差结构越来越高,并因此而越来越昂贵,这是中频采样结构的最主要的缺点。由于这个原因,基于中频采样的射频结构往往更适合那些在相对低频或者中频的应用,毕竟这些频段对成本的影响不大。不过随着科技的发展,尤其是CMOS工艺的引进,使得集成高性能的器件和电路的价格越来越低,在不远的将来,中频采样结构将不再是一种昂贵的选择。

在射频通信中应用的第三种结构由于直接转换结构直接将基带信号和射频信号在同一进程中混合在一起,这使得该结构的信号链路最为简单,它所需要的元器件最少。与其它两种结构不同的是,它将不需要中频处理和声表面波(SAW)滤波器。

直接转换结构的主要优点是:价格便宜、小型化、低功耗,并且没有中频转换相关器件。这些优点使得这种结构非常适合在低功耗、便携式终端的应用。尽管如此,一些高性能器件的使用为直接转换结构应用在高端市场打开了方便之门。事实上,正是这些高性能器件的使用,使得直接转换结构受到越来越多的关注。

由于在直接转换结构中没有中频处理单元,带内阻断信号的功率将直接传递到混频器和模数转换器(如果信号链路上含有模数转换器)。低噪声的混频器将确保弱信号不会被噪声和阻断信号所淹没。另外,由于混频器具有高的输出摆幅和低的失真,阻断信号既不会过驱动整个系统也不会调制到我们需要的载波信号上。

对于基带超外差接收器,如果在本机锁相环和射频输入之间存在泄漏通路,就一定会产生直流失调。对于和全球移动通信系统类似的支持跳频的一些射频应用来说,频率的跳变将导致本机锁相环路漏电的改变,并最终导致整个系统的直流失调的跳变。如果要纠正它,必须在系统中引入一个直流失调的补偿环路。尽管如此,在那些不需要跳频的应用中,本机锁相环的漏电是不变的,因此动态直流失调的补偿意义不大。

在传输端,由于不能有效降低带内噪声和失真,采用直接转换结构的射频发射机必须是由那些动态范围大的元器件构成。

在基站的相关应用中,由于面积和频道密度要被重点考虑,直接转换结构尤其被看好。因为从基站的角度看,带内阻断信号是不存在的(也就是说基站自己将处理带内阻断信号),所以,即使直接转换结构缺乏滤除带内阻断信号的功能也是可以接受的。

当然,选择何种射频电路结构应该由市场应用来决定。这些指导设计的因素包括:从设计到产品进入市场的时间、成本、外形、功能指标、灵活性、能否支持多种不同的应用模式等等。如何针对一个确定的应用去选择合适的射频结构不在本文的介绍范围之内。但是可以明确的是,如今一些射频器件制造商已经可以提供各种针对性的服务以帮助我们设计合适的射频系统,在整个结构设计的过程中,他们甚至可以提供几位富有经验的工程师为我们答疑解惑。

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