一文讲清楚射频收发器(RF Transceiver)

软件无线电那些事

于 2025-05-23 13:14:48 发布

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分类专栏：软件无线电（SDR）文章标签：软件无线电 SDR Transceiver

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一文讲清楚射频收发器(RF Transceiver)

1.为什么会出现射频收发器？

便于设计和维护，保证一致性和可靠性。消费电子高速发展，需要将射频单元电路集成到IC芯片内部，

现在的无线通信产品基本都包含一颗或几颗射频收发IC芯片，无线电子产品的射频系统架构通常用射频收发芯片为核心，再搭配一些外围射频前端电路构成。

2.功能、定义和分类

2.1 .定义

射频收发芯片的Transceiver，由两个英文单词组合而来，即Transmitter和Receiver，射频收发器能够实现发射机和接收机的功能，是射频收发系统的核心，完成变频、频率合成、信号放大、滤波、开关切换等功能。

2.2.射频接收机

射频接收机是指从接收天线到模数转换器ADC之间的电路。

在接收端，射频收发器的工作流程与发射端相反，是一个信号解调和还原的过程。天线接收到来自空间中的微弱射频信号后，首先进入低噪声放大器（LNA）。由于接收信号在传输过程中会受到各种噪声的干扰，且信号强度已经变得非常微弱，低噪声放大器的作用就是在尽可能减少引入额外噪声的前提下，对信号进行放大，提高信号的信噪比。放大后的射频信号再次经过混频器，与本地振荡器产生的高频载波信号进行混频，将射频信号的频率下变频到中频或基带频率，这个过程被称为解调。解调后的信号经过滤波器，去除不需要的频率成分，保留有用的信号。最后，经过模数转换器（ADC）将模拟信号转换回数字信号，再由数字信号处理单元进行解码、解调和数据恢复等处理，从而还原出原始的信息。

2.3. 射频发射机

射频发射机是指从数模转换器DAC到发射天线端口之间的部分。

在发射端，数字信号处理单元先将需要传输的信息，如语音、图像或数据，进行编码、调制等处理。这些经过处理的数字信号通常处于低频段，无法直接在空气中进行长距离传输，因此需要经过数模转换器（DAC）将其转换为模拟信号。接下来，模拟信号进入射频调制环节，该环节通过混频器将模拟信号与本地振荡器产生的高频载波信号进行混合，使信号的频率提升至射频频段。这一过程如同给信号“穿上”高频的“外衣”，让信号能够以电磁波的形式在空间中高效传播。经过调制后的射频信号还需经过功率放大器（PA）进行放大，以增强信号的强度，确保其能够在复杂的传输环境中克服各种损耗，准确地到达接收端。

2.4.功能

各种各样的通信系统，目前大多数是数字通信系统，而数字信号是无法直接在空气中进行远距离传播的，因此需要将数字信号调制到模拟的载波上进行无线传输，射频收发机就是实现数字信号与射频信号转换的功能。因此射频收发器在这过程中扮演着至关重要的角色，已然成为连接数字世界与无线信号空间的核心枢纽。

3.收发器的架构

3.1.超外差架构收发机

超外差（Superheterodyne ）结构具有较长的历史，源于1918年，其最初的应用竟然是为了解决500kHz频率以上的放大器较难设计的问题，既然没有高频的PA，那就在低频上先对信号进行放大，然后混频到更高的频率。目前超外差架构已经很多通信系统的设计中得到广泛的应用。

在超外差接收机中，从天线端口接收到的信号与本地的振荡信号一起输入到混频器中，得到输出的中频信号，然后再对中频信号进行处理以得到数字信号。

3.2.零中频架构收发机

零中频架构的收发机，也称之为直接变频收发机，指射频信号不经过中频阶段直接下变换到基带信号，或相反在发射端，基带信号直接上变频到射频频率。

零中频的架构相对于超外差架构看起来更简洁，而且由于信道低通滤波器的带宽是可调的，因此零中频架构的收发机更适合多模通信系统，比如蜂窝通信系统。

4.射频收发器的应用领域

4.1.智能手机、基站等设备无线通信

在智能手机中，射频收发器需要同时支持多种通信标准，如2G、3G、4G、5G以及Wi-Fi、蓝牙等。这就要求射频收发器具备多频段、多模式的工作能力，能够根据不同的网络环境和应用需求，快速切换工作模式和频段。随着5G技术的发展，对射频收发器的性能提出了更高的要求。5G采用了更高的频段和更复杂的调制技术，需要射频收发器具备更高的工作频率、更大的带宽和更低的功耗，以实现高速、低延迟的数据传输。

大规模多输入多输出（MIMO）技术是5G基站的关键技术之一，它通过在基站和终端设备上部署多个天线，利用空间复用和分集技术，提高了系统的容量和性能。射频收发器需要支持多个天线通道的信号处理，实现对多个数据流的同时发射和接收，这对射频收发器的集成度、功耗和线性度都提出了巨大的挑战。

4.2.物联网

物联网设备通常具有数量庞大、分布广泛、功耗低、成本敏感等特点。例如，智能家居中的各种传感器、智能电表、智能门锁等设备，都需要通过射频收发器实现与网关或云端的通信。这些设备通常采用低功耗广域网技术，如NB-IoT、LoRa等，以满足长距离通信和低功耗的需求。射频收发器在这些应用中需要具备极低的功耗，以延长设备的电池寿命；同时，还需要具备高集成度和低成本的特点，以满足大规模部署的要求。

4.3.汽车电子

在车载通信方面，射频收发器支持车与车（V2V）、车与基础设施（V2I）之间的通信，即车联网（V2X）技术。通过V2X技术，车辆可以实时获取周围车辆和道路的信息，如交通状况、路况预警、红绿灯信息等，从而提高驾驶的安全性和效率。例如，当前方车辆紧急刹车时，通过V2V通信，后方车辆能够及时收到预警信息，提前采取制动措施，避免追尾事故的发生。在智能驾驶领域，射频收发器是毫米波雷达的核心组件。毫米波雷达利用射频收发器发射和接收毫米波信号，通过测量信号的时间延迟和多普勒频移，实现对目标物体的距离、速度和角度的精确检测。毫米波雷达具有探测距离远、分辨率高、不受天气和光照条件影响等优点，被广泛应用于汽车的自适应巡航控制、自动紧急制动、盲点监测等驾驶辅助系统中。随着自动驾驶技术的不断发展，对毫米波雷达的性能要求越来越高，这也推动着射频收发器技术的不断创新和进步。

4.4. 智能家居

5.射频收发器的参数

5.1.支持的工作频段（Band）

每个无线通信系统都有自己的工作频率范围，这个频率范围就是大家常说的频段，如2G 移动通信有4个频段，Wi-Fi有2.4GHz附近和5GHz附近两个频段。对于射频收发芯片，最关心的就是支持哪些工作频段。

5.2.TX（Transmitter）参数

输出功率、增益、频谱模板、调制质量、非线性产物指标、功耗等。

5.3.RX（Receiver）参数

灵敏度、动态范围、非线性产物等指标。

5.4.电源

需要几路电源，分别是多少伏。

5.5.功耗

每路电源功耗大小，总功耗大小。

5.6.控制逻辑电平

控制逻辑电压是多少。

5.7.时钟类型

时钟是多少赫兹（Hz）的，是无源晶体还是有源晶振。

5.8.接口类型

处理器或 MODEM 的通信接口是什么。

6.射频收发芯片的选型

通常射频收发芯片和处理器或MODEM、电源管理芯片等作为一整套方案（套片），而一个平台的套片是固定的，选定了平台也就确定了射频收发芯片。射频收发器的性能指标直接决定了其在不同应用场景中的适用性和可靠性。其中，工作频率范围是一个关键指标，它决定了射频收发器能够覆盖的通信频段。不同的通信标准和应用场景对工作频率有着不同的要求。发射功率也是衡量射频收发器性能的重要参数。发射功率越大，信号的覆盖范围就越广，但同时也会带来功耗增加、电磁干扰增大等问题。因此，在实际应用中，需要根据具体的通信距离和环境要求，合理选择发射功率。此外，接收灵敏度反映了射频收发器接收微弱信号的能力，接收灵敏度越高，说明设备能够在更恶劣的环境下接收到有用信号，从而保证通信的稳定性和可靠性。除此之外，噪声系数是衡量射频收发器内部噪声水平的指标，它直接影响着信号的信噪比。较低的噪声系数意味着设备能够在接收信号时引入更少的噪声，从而提高信号的质量。线性度则表征了射频收发器在处理不同强度信号时的失真程度，良好的线性度能够确保信号在放大和处理过程中保持原始的波形和信息，避免出现信号失真和干扰。