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Dies hängt davon ab, welche Architektur unser HF-System wählt. Die am häufigsten verwendeten Architekturen von HF-Systemen sind die Superheterodyn-Architektur und die Zero-If-Architektur.

Superheterodyn-Architektur Nr. 1

Derzeit nutzen die meisten drahtlosen Kommunikationssysteme eine Superheterodyn-Struktur. In 2G-, 3G- und 4G-Kommunikationssystemen ist diese Art von Superheterodyn-Transceiver beispielsweise am häufigsten anzutreffen. Im Vergleich zu anderen Strukturen weist diese Struktur eine bessere Leistung auf. Bei 5g wird jedoch häufiger die einfachere Null-IF-Struktur verwendet, weil.

Schauen wir uns zunächst die Geschichte der Superheterodyn-Architektur an. Es wurde von Edwin Howard Armstrong während und kurz nach dem Ersten Weltkrieg erfunden und 1918 patentiert. Das Erstaunlichste an diesem Mann war, dass er begann, Radio zu studieren, als er noch in der High School war. Am Haus seiner Eltern in Yonkers, New York, wurde ein 125 Fuß hoher Funkmast errichtet, um damals schwache Funksignale zu empfangen. Als er 1912 noch am College war, erfand er die Rückkopplungsschaltung auf der Grundlage der dreipoligen Audioröhre von Lee de Forest, lieferte den ersten verfügbaren elektrischen Verstärker, reichte 1913 das Patent für einen regenerativen Empfänger ein, erfand 1918 den Superheterodynempfänger und erfand den UKW-Rundfunk .

Apropos Superheterodyn-Architektur: Vielleicht verstehen viele Studenten das Wort „Superheterodyn“ nicht ganz. Ich habe mich immer gefragt, warum man das Extrapolation nennt und ob es eine Interpolation gibt. Das Wort „Heterodyn“ wurde 1901 von Reginald Aubrey Fessenden vorgeschlagen. Er nannte die Idee des Mischens zur Erzeugung neuer Signale „Heterodyn“, und es wird eine Empfängerarchitektur mit primärer Mischstruktur angegeben, die als Heterodyn-Empfänger bezeichnet wird, wie in gezeigt Die Abbildung unten: Es ist ein Mischer erforderlich, um das modulierte HF-Signal in das modulierte ZF-Signal zu bringen, das an den I/Q-Demodulator angelegt wird, um das modulierte Nieder- und Mittelfrequenzband in das Basisband von Null zu bringen.

Armstrong verbesserte den Heterodyn-Empfänger und erfand den Superheterodyn-Empfänger. Superheterodyn ist ein Empfänger mit zwei oder mehr Mischstrukturen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. In einem Superheterodyn-Empfänger werden zwei Mischer benötigt, um das modulierte HF-Signal in ein moduliertes ZF-Signal umzuwandeln. Der erste Mischer bringt das HF-Signal in das Hoch-ZF-Signal und der zweite Mischer bringt das Hoch-ZF-Signal in das Niedrig-ZF-Signal. Dies gilt für den I/Q-Demodulator, der das Niedrig-ZF-Signal in ein Null-ZF-Basisbandsignal umwandelt. Wenn es ums Mischen geht, sind wir damit vertraut: Wenn das vom Empfänger empfangene Signal vom Antenne und das vom lokalen Oszillator erzeugte Signal werden in den Mischer eingegeben, um das ZF-Signal zu erhalten, oder das ZF-Signal wird im Sender in ein HF-Signal gemischt, es handelt sich um Superheterodyn. In der Superheterodyn-Struktur wandeln wir das Signal durch einen Mischer um. Dieser Frequenzumwandlungsprozess kann mehr als einmal erfolgen. Die Superheterodyn-Architektur verfügt über mehrere ZF-Frequenzen und ZF-Module.

Nachdem wir die Grundstruktur von Heterodyn und Superheterodyn verstanden haben, stellen wir das Strukturdiagramm des Superheterodyn-Transceivers vor, der üblicherweise in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet wird, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Superheterodyn-Empfängerverbindung umfasst normalerweise einen HF-Teil, einen Teil und einen Basisband-BB-Teil.

Der HF-Teil des Empfängers umfasst einen Duplexer als Frequenzvorwähler, einen rauscharmen Verstärker (LNA), einen HF-Bandpassfilter (BPF), einen HF-Verstärker als Mischvorverstärker und einen HF-zu-ZF-Abwärtswandler (Mischer). .

Dem Abwärtswandler folgt ein ZF-Verstärker (FA), gefolgt von einem ZF-BPF zur Kanalauswahl und Unterdrückung unerwünschter Mischprodukte.

Der I/Q-Demodulator ist der zweite Frequenzumsetzer, der die Signalfrequenz von if auf BB herunterkonvertiert. Der Demodulator besteht aus zwei Mischern. Er wandelt das ZF-Signal in I- und Q-Signale um - zwei um 90" phasenverschobene BB-Signale. Tiefpassfilter (LPF) Der Mischer wird im I und Q jedes Kanals nachgeschaltet, um unerwünschte Mischprodukte herauszufiltern und die gefilterten I- und Q-BB-Signale werden vom BB-Verstärker verstärkt, und dann wandelt der ADC das verstärkte BB-Signal zur weiteren Verarbeitung im digitalen Basisband um setzt sich auch aus BB, if und BB zusammen.

Die Verstärkungsregelung des ZF-Teils macht etwa 75 % oder mehr des gesamten Verstärkungsregelungsbereichs aus. Im analogen BB-Teil dieser Funkarchitektur ist eine Verstärkungsregelung selten zu realisieren. Der Grund dafür ist, dass der BB-Teil im Empfänger oder Sender über I- und Q-Kanäle verfügt und es schwierig ist, das Amplitudenungleichgewicht der I- und Q-Kanäle innerhalb der zulässigen Toleranz innerhalb des Variationsbereichs der BB-Verstärkung zu halten.

Nr. 2 direkte Konvertierung / Null-IF-Architektur

Der Superheterodyn-Empfänger mit Mischmodul wird oben vorgestellt. Ist es möglich, das Mischmodul nicht zu verwenden? Daher begannen HF-Wissenschaftler um 1980 mit der Verwendung von Funktransceivern mit direkter Frequenzumwandlung. Direkte Frequenzumwandlung bedeutet, dass das HF-Signal direkt in die I/Q-Demodulation eintritt, ohne die ZF-Stufe zu durchlaufen, und in das Basisbandsignal umgewandelt wird und kein ZF-Signal erzeugt wird die Mitte. Daher wird er auch als Null-ZF-Empfänger bezeichnet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Wie in der Abbildung gezeigt, wird die lo-Frequenz (lokaler Oszillator) auf die erforderliche Frequenz eingestellt, sodass das empfangene Signal direkt in Basisband-I- (Inphase) und Q-Signale (Quadraturphase) umgewandelt wird. In dieser Architektur arbeiten sowohl DAC als auch ADC mit der Basisband-Abtastfrequenz. Der auf dieser Null-IF-Architektur basierende Transceiver wird als „Null-IF-Transceiver“ bezeichnet.

Die direkte Frequenzumwandlungsarchitektur weist viele überlegene Eigenschaften auf. Das vom Empfänger empfangene HF-Signal muss nicht die ZF-Stufe durchlaufen, sondern gelangt direkt zum I/Q-Demodulator und gelangt in den Basisbandteil, wodurch die teuren IF-Module in der Superheterodyn-Architektur wie Mischer und IF-Filter usw. reduziert werden Die Kosten und die Größe dieses Teils können reduziert werden. Wie in „Null-IF-Architektur, dieser Beitrag erklärt ausführlich“ beschrieben, lässt sich Null-IF-Architektur einfacher in einen RFIC integrieren.

Nr. 3 direkte HF-Abtastung

Können wir außerdem eine direkte HF-Abtastung durchführen und digitale Signale direkt in HF-Signale für die Übertragung und den Empfang umwandeln? Es kommt natürlich auf die Umrechnungsrate von AD/DA an. Wenn die HF-Berücksichtigung direkt erreicht werden kann, ist dies nicht unmöglich. Und auch die Conversion-Rate von AD/DA steigt. Die Abtastrate von Analog-Digital-Wandlern (ADC) und Digital-Analog-Wandlern (DAC) großer Halbleiterunternehmen ist um mehrere Größenordnungen schneller als die von Produkten vor zehn Jahren. Beispielsweise betrug im Jahr 2005 die Abtastrate des weltweit schnellsten ADC mit 12 Bit Auflösung 250 ms/S; Bis 2018 erreichte die Abtastrate des 12-Bit-ADC 6.4 GS/s. Aufgrund der Verbesserung dieser Leistungen kann der Konverter das HF-Frequenzsignal direkt digitalisieren und einen ausreichenden Dynamikbereich für moderne Kommunikations- und Radarsysteme bereitstellen.

Die obige Abbildung zeigt die Empfängerarchitektur der direkten HF-Abtastung, die nur aus einem rauscharmen Verstärker, einem geeigneten Filter und einem ADC besteht. Der Empfänger in Abb. 2 benötigt keinen Mischer und siehe da; Der ADC digitalisiert das HF-Signal direkt und sendet es an den Prozessor. In dieser Architektur können Sie viele analoge Komponenten des Empfängers durch digitale Signalverarbeitung (DSP) implementieren. Mithilfe der direkten Digitalwandlung (DDC) können Sie beispielsweise Klemmensignale isolieren, ohne einen Mischer zu verwenden. Darüber hinaus können Sie in den meisten Fällen zusätzlich zu Anti-Aliasing- oder Rekonstruktionsfiltern die meisten analogen Filter durch digitale Filter ersetzen.

Da keine analoge Frequenzumwandlung erforderlich ist, ist das gesamte Hardware-Design des Direkt-HF-Abtastempfängers viel einfacher, wodurch eine kleinere Kompositionsstruktur und geringere Designkosten erreicht werden können.

Ende

Zusätzlich zu den verschiedenen oben erwähnten gängigen RF-Transceiver-Architekturen gibt es viele andere, wie etwa die neutrale Architektur zwischen Superheterodyn- und Zero-If-Low-If-Architektur sowie die Software-Radio-SDR-Architektur, mit der wir schon seit langem Kontakt haben wurde noch nicht als Realität bezeichnet. Vielleicht können wir eines Tages das echte Softwareradio in der Anwendung drahtloser mobiler Basisstationen sehen.

Zurück zu der am Anfang des Artikels erwähnten 5g-AAU, wie man ein kleines Volumen und ein geringes Gewicht erreicht, möchte ich die Entwicklung der HF-Architektur verlassen, die ebenfalls ein Mythos ist.