無線電系統調制和解調的主要方法

今天簡要介紹實現無線電系統調制和解調的主要方法，這在軟件定義無線電(SDR)的背景下很重要。

外差和超外差

無線電發射機有兩種主要架構——一種是從基帶頻率直接調制到射頻頻率（稱為外差），而第二種超外差是通過兩個調制階段來實現這種轉換：第一個是從基帶到中頻（IF），第二個是從中頻到射頻(RF)。

圖1 外差方案中的調制和解調

上圖1展示了外差方案中的調制和解調。在這種情況下，單級調制用于將信號從基帶轉換到RF頻率，而單級解調狀態則進行相反的轉換，從RF回到基帶。

超外差方案如圖2所示，顯示了發生的頻移。特別要注意的是，中頻信號通常被調制到幾十到幾百MHz的頻率范圍內，而最終的射頻頻段可能要高得多——高達數十GHz。

圖2?使用中頻（IF）的調制和解調

采樣率的影響

SDR中數字處理元件可以實現的采樣率，特別是無線電的ADC和DAC的采樣率，決定了無線電的實現方式——特別是哪些部分可以實現數字，哪些部分需要模擬電路。這是因為數字處理只能在滿足奈奎斯特準則的情況下使用，換句話說，當采樣率大于信號中存在的最大頻率分量的兩倍時，根據用于傳輸信號的射頻頻帶，有可能實現所有調制和解調的數字化，具體而言，如果滿足下面條件：

其中，fs是ADC和DAC的采樣率，frfmax是RF調制信號中存在的最大頻率。如果滿足上述條件，那么所有的模擬信號處理都可以在數字域中完成，從而實現所謂的直接射頻（Direct-RF）或幾乎全數字（Almost-All-Digital）無線電架構。

如果不能滿足上式的條件，另一種選擇是在數字域中實現基帶和中頻（IF）之間的調制和解調階段，而IF和RF之間的轉換則通過模擬電路來處理。在這種情況下，ADC位于IF頻段，所需的采樣率可能從幾十MHz到幾百MHz不等。

現在，可以繼續考慮三種不同的無線電架構，它們是基于DAC和ADC的位置而產生的。請注意，所有這些模型都是簡化的表示，省略了一些所需的濾波階段。

直接RF（幾乎全數字）SDR

通過這些不同的無線電架構，我們可以看到，隨著ADC和DAC技術的進步，特別是采樣率的提高，越來越多的頻帶可以實現幾乎全數字的無線電。這種幾乎全數字的無線電需要非常少的模擬處理——主要包括天線、前端濾波器和放大器。從SDR的角度來看，幾乎所有功能都通過數字實現是非常重要的，這意味著無線電的操作可以通過軟件來控制，如圖3所示。

圖3?Direct-RF軟件定義無線電（RFSoC）的架構

中頻采樣SDR

對于射頻（RF）頻率高于可用的DAC和ADC采樣率的情況，可以使用超外差變頻架構，基帶與中頻（IF）之間的調制/解調在無線電的數字部分完成，而IF與RF之間的轉換則使用模擬電路處理。即便如此，通常仍然可以通過軟件對模擬混頻階段施加控制。當ADC位于IF頻率時，所需的采樣率可能從幾十兆赫茲（MHz）到幾百兆赫茲（MHz）不等。這種類型的SDR架構如圖4所示。

圖4：數字中頻軟件定義無線電的架構

基帶采樣SDR

另一類SDR，如圖5所示，具有基帶處理速率的ADC，所有調制和解調都在模擬域中執行，無論是使用單級還是兩級。從歷史上看，這種方法在DAC和ADC技術（特別是可實現的采樣率）的限制下被使用，因為這是A/D接口唯一可行的位置。這種“基帶采樣”架構也可能被用在低成本、低數據速率的設備中，以最小化對數字處理器的要求，或者在應用中采用最先進的多GSPS數據轉換器，用于發射和接收極寬頻帶的信號。