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。

圖5：基帶采樣軟件定義無線電的架構

數字化實施的優勢

比較圖3~圖5可以清楚地看出，ADC使用的采樣率越高，可以進行數字處理的量就越大。

使用數字實現進行調制和解調有幾個優點，包括更高的操作精度，減少組件公差的影響和更強的抗老化效應，更小的物理尺寸和簡化的物料清單，功耗也可能更低。

在SDR的背景下也有額外的好處，特別是由于軟件控制無線電操作的范圍增加，以及由此帶來的靈活性。在使用FPGA或Soc的情況下，還可以提供硬件處理的可重編程性，從而實現更基礎的升級和功能變化。

關鍵無線電術語和參數

在繼續后面的章節之前，有必要定義一些關鍵術語和概念，這些術語和概念將在討論SDR以及一般無線電系統的背景下頻繁出現。這些在圖6中進行了說明，并在后面進行了描述。

圖6：信號和射頻帶寬，以及調諧范圍（圖示了頻率、幅度、0Hz頻率、RF帶寬、采樣率fs、調諧范圍、信號帶寬等概念。）

射頻(RF)帶寬（收發器）

RF帶寬這個術語描述了無線電收發器能夠產生或捕獲的頻率范圍。在SDR（以及一般數字無線電）的背景下，這與ADC和DAC采樣率有關。

如圖6所示，RF帶寬是ADC和DAC使用的采樣頻率的一半。這假設使用的是單個ADC和DAC，代表的是實信號（與復信號相對）。如果使用復輸入/輸出，則RF帶寬可以翻倍至完整的采樣頻率，但這需要一對ADC和DAC。復信號的主題將在第7章中介紹。

信號帶寬

當提到無線電信號時，帶寬是指在傳輸信號中存在的頻率范圍。注意圖6中綠色信號頻譜標注的信號帶寬。

當使用SDR時，信號的帶寬是實現設計的一個特征（可以在軟件中定義）。例如，設計的發射機可能產生帶寬為10kHz或100MHz的信號，具體取決于其配置。一般來說，更大帶寬的信號可以以更快的速率傳輸數據。

最大信號帶寬受限于SDR的射頻帶寬，這是實現SDR所使用的物理硬件設備的屬性。

調諧范圍

術語調諧范圍是指當使用中頻采樣或基帶采樣架構時，射頻帶寬可以移動的頻率范圍，其中部分或全部調制/解調在模擬域中進行。適用的調諧范圍取決于模擬電路，因此，通常包含調諧階段的SDR的數據手冊將指定較低和較高的調諧頻率。對于Direct-RF架構，由于調制和解調完全在數字域中進行，所以不涉及模擬調諧。

審核編輯：黃飛

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