无线电系统调制和解调的主要方法

今天简要介绍实现无线电系统调制和解调的主要方法，这在软件定义无线电(SDR)的背景下很重要。

外差和超外差

无线电发射机有两种主要架构——一种是从基带频率直接调制到射频频率（称为外差），而第二种超外差是通过两个调制阶段来实现这种转换：第一个是从基带到中频（IF），第二个是从中频到射频(RF)。

图1 外差方案中的调制和解调

上图1展示了外差方案中的调制和解调。在这种情况下，单级调制用于将信号从基带转换到RF频率，而单级解调状态则进行相反的转换，从RF回到基带。

超外差方案如图2所示，显示了发生的频移。特别要注意的是，中频信号通常被调制到几十到几百MHz的频率范围内，而最终的射频频段可能要高得多——高达数十GHz。

图2 使用中频（IF）的调制和解调

采样率的影响

SDR中数字处理元件可以实现的采样率，特别是无线电的ADC和DAC的采样率，决定了无线电的实现方式——特别是哪些部分可以实现数字，哪些部分需要模拟电路。这是因为数字处理只能在满足奈奎斯特准则的情况下使用，换句话说，当采样率大于信号中存在的最大频率分量的两倍时，根据用于传输信号的射频频带，有可能实现所有调制和解调的数字化，具体而言，如果满足下面条件：

其中，fs是ADC和DAC的采样率，frfmax是RF调制信号中存在的最大频率。如果满足上述条件，那么所有的模拟信号处理都可以在数字域中完成，从而实现所谓的直接射频（Direct-RF）或几乎全数字（Almost-All-Digital）无线电架构。

如果不能满足上式的条件，另一种选择是在数字域中实现基带和中频（IF）之间的调制和解调阶段，而IF和RF之间的转换则通过模拟电路来处理。在这种情况下，ADC位于IF频段，所需的采样率可能从几十MHz到几百MHz不等。

现在，可以继续考虑三种不同的无线电架构，它们是基于DAC和ADC的位置而产生的。请注意，所有这些模型都是简化的表示，省略了一些所需的滤波阶段。

直接RF（几乎全数字）SDR

通过这些不同的无线电架构，我们可以看到，随着ADC和DAC技术的进步，特别是采样率的提高，越来越多的频带可以实现几乎全数字的无线电。这种几乎全数字的无线电需要非常少的模拟处理——主要包括天线、前端滤波器和放大器。从SDR的角度来看，几乎所有功能都通过数字实现是非常重要的，这意味着无线电的操作可以通过软件来控制，如图3所示。

图3 Direct-RF软件定义无线电（RFSoC）的架构

中频采样SDR

对于射频（RF）频率高于可用的DAC和ADC采样率的情况，可以使用超外差变频架构，基带与中频（IF）之间的调制/解调在无线电的数字部分完成，而IF与RF之间的转换则使用模拟电路处理。即便如此，通常仍然可以通过软件对模拟混频阶段施加控制。当ADC位于IF频率时，所需的采样率可能从几十兆赫兹（MHz）到几百兆赫兹（MHz）不等。这种类型的SDR架构如图4所示。

图4：数字中频软件定义无线电的架构

基带采样SDR

另一类SDR，如图5所示，具有基带处理速率的ADC，所有调制和解调都在模拟域中执行，无论是使用单级还是两级。从历史上看，这种方法在DAC和ADC技术（特别是可实现的采样率）的限制下被使用，因为这是A/D接口唯一可行的位置。这种“基带采样”架构也可能被用在低成本、低数据速率的设备中，以最小化对数字处理器的要求，或者在应用中采用最先进的多GSPS数据转换器，用于发射和接收极宽频带的信号。

图5：基带采样软件定义无线电的架构

数字化实施的优势

比较图3~图5可以清楚地看出，ADC使用的采样率越高，可以进行数字处理的量就越大。

使用数字实现进行调制和解调有几个优点，包括更高的操作精度，减少组件公差的影响和更强的抗老化效应，更小的物理尺寸和简化的物料清单，功耗也可能更低。

在SDR的背景下也有额外的好处，特别是由于软件控制无线电操作的范围增加，以及由此带来的灵活性。在使用FPGA或Soc的情况下，还可以提供硬件处理的可重编程性，从而实现更基础的升级和功能变化。

关键无线电术语和参数

在继续后面的章节之前，有必要定义一些关键术语和概念，这些术语和概念将在讨论SDR以及一般无线电系统的背景下频繁出现。这些在图6中进行了说明，并在后面进行了描述。

图6：信号和射频带宽，以及调谐范围（图示了频率、幅度、0Hz频率、RF带宽、采样率fs、调谐范围、信号带宽等概念。）

射频(RF)带宽（收发器）

RF带宽这个术语描述了无线电收发器能够产生或捕获的频率范围。在SDR（以及一般数字无线电）的背景下，这与ADC和DAC采样率有关。

如图6所示，RF带宽是ADC和DAC使用的采样频率的一半。这假设使用的是单个ADC和DAC，代表的是实信号（与复信号相对）。如果使用复输入/输出，则RF带宽可以翻倍至完整的采样频率，但这需要一对ADC和DAC。复信号的主题将在第7章中介绍。

信号带宽

当提到无线电信号时，带宽是指在传输信号中存在的频率范围。注意图6中绿色信号频谱标注的信号带宽。

当使用SDR时，信号的带宽是实现设计的一个特征（可以在软件中定义）。例如，设计的发射机可能产生带宽为10kHz或100MHz的信号，具体取决于其配置。一般来说，更大带宽的信号可以以更快的速率传输数据。

最大信号带宽受限于SDR的射频带宽，这是实现SDR所使用的物理硬件设备的属性。

调谐范围

术语调谐范围是指当使用中频采样或基带采样架构时，射频带宽可以移动的频率范围，其中部分或全部调制/解调在模拟域中进行。适用的调谐范围取决于模拟电路，因此，通常包含调谐阶段的SDR的数据手册将指定较低和较高的调谐频率。对于Direct-RF架构，由于调制和解调完全在数字域中进行，所以不涉及模拟调谐。

审核编辑：黄飞