第1部分：初期

　　雖然很多人都對(duì)早期無(wú)線技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，但古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)卻是其中的佼佼者。雖然他以無(wú)線技術(shù)而聞名，但很多人并不熟悉他在19世紀(jì)末創(chuàng)建的無(wú)線技術(shù)事業(yè)。在20世紀(jì)的頭20年中，他建立了一項(xiàng)至關(guān)重要的事業(yè)，使無(wú)線世界走向了今天的方向。

　　圖1.馬可尼展示他的技術(shù)。

　　雖然他的商業(yè)化技術(shù)并不是最新的技術(shù)，而且技術(shù)發(fā)展迅速，但該技術(shù)已經(jīng)足夠好了，因?yàn)樗氲搅宿k法，知道如何利用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)創(chuàng)造一個(gè)新的行業(yè)。20世紀(jì)初，殖民主義走向終結(jié)，戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)難大規(guī)模爆發(fā)，1912年4月，皇家郵輪泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)；值此世界大亂之際，馬可尼著手部署一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)，以便以無(wú)線方式發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)信息。泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)后，無(wú)線技術(shù)在救援幸存者和傳播事故新聞方面發(fā)揮了積極作用，提升了這一新興技術(shù)的重要性。公眾和軍方都意識(shí)到了無(wú)線技術(shù)的重要性，尤其是后來(lái)成為美國(guó)海軍部長(zhǎng)的約瑟夫·丹尼爾斯(Joseph Daniels)。在美國(guó)及其他地區(qū)，像丹尼爾斯這樣的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為，軍方應(yīng)將無(wú)線電國(guó)有化，確保他們?cè)趹?zhàn)爭(zhēng)期間能使用無(wú)線電。必須記住，在此期間，唯一可用的頻譜低于200 kHz左右。至少有一段時(shí)間，事情是朝著這個(gè)方向發(fā)展的，但在第一次世界大戰(zhàn)之后，政府對(duì)無(wú)線技術(shù)的控制減弱，不過(guò)，這是在形成政府特許壟斷權(quán)并因此成立美國(guó)無(wú)線電公司(RCA)之后。1

　　根據(jù)我們的推測(cè)，馬可尼時(shí)代的無(wú)線電非常原始。發(fā)射器采用火花隙裝置（后來(lái)才使用機(jī)械交流發(fā)電機(jī)）產(chǎn)生射頻，但在接收端，系統(tǒng)完全是無(wú)源的，由天線、諧振式LC調(diào)諧器和某種檢波器組成。我們很快就會(huì)討論這些檢波器，但在當(dāng)時(shí)，它們可能是機(jī)械式的，也有可能是化學(xué)式的或有機(jī)式的。其中一些系統(tǒng)通過(guò)電池對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)單的偏置，但不提供任何電路增益，不同于今天。這些系統(tǒng)的輸出被提供給某種頭戴式耳機(jī)，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻，這種音頻總是非常弱，不過(guò)是簡(jiǎn)單的咔噠聲或嗡嗡聲。

　　因?yàn)檫@些系統(tǒng)未在接收端提供增益，所以其有效范圍取決于發(fā)射功率的大小、接收器的質(zhì)量、操作員在調(diào)整方面的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然還有大氣條件。馬可尼意識(shí)到，在可合理預(yù)測(cè)有效范圍的情況下，可以建立一個(gè)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在大洲和大洋之間可靠地傳遞信息。其中包括在陸上和海上安裝設(shè)備。馬可尼開(kāi)始在全球各地和海上安裝無(wú)線電臺(tái)，包括在客船和貨船上。通過(guò)在航海船只上安裝無(wú)線電系統(tǒng)，他不僅使這些船只能與其在岸上的商業(yè)利益相關(guān)者進(jìn)行溝通，而且還能在必要的地方提供中繼和冗余，從而馬可尼填補(bǔ)了其網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵空白。

　　馬可尼擁有的一項(xiàng)技術(shù)是早期的真空管。真空管公認(rèn)的發(fā)明者約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)曾為馬可尼公司工作，但弗萊明和馬可尼當(dāng)時(shí)分析認(rèn)為，他們現(xiàn)有的技術(shù)足以檢測(cè)無(wú)線電信號(hào)。此外，他們認(rèn)為，他的發(fā)現(xiàn)雖有好處，但尚不值得為閥管運(yùn)行投入額外的資金或電池。馬可尼已經(jīng)擁有了數(shù)種信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，與閥管不同，這些技術(shù)不需要高功率來(lái)運(yùn)行燈絲和加熱板。因此，他們開(kāi)始時(shí)放棄了這種技術(shù)。

　　圖2.首批弗萊明管原型。

　　然而，所謂的無(wú)線電之父李·德·福雷斯特(Lee de Forest)撿起這種技術(shù)，意識(shí)到了其巨大的潛力。通過(guò)在燈絲和加熱板之間插入簾柵極，他不僅可以整流信號(hào)，還能控制加熱板中的電流量。這就實(shí)現(xiàn)了放大。盡管有證據(jù)表明，他并不理解其三極管的工作原理，但他確實(shí)意識(shí)到了其巨大的潛力，并盡力發(fā)揮這一發(fā)明的優(yōu)勢(shì)，不但將其作為一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也作為與馬可尼的發(fā)明類似的一種增值服務(wù)。通過(guò)建立各種企業(yè)，德·福雷斯特嘗試制造和銷售他的真空管，并建立了與馬可尼類似的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。然而，這些企業(yè)注定要失敗，并不是因?yàn)榧夹g(shù)不好，而是因?yàn)榈隆じ＠姿固氐纳虡I(yè)伙伴往往不夠誠(chéng)實(shí)，而且常常讓他獨(dú)自為別人的錯(cuò)誤承擔(dān)責(zé)任。最后，德·福雷斯特不得不賣掉自己發(fā)明的權(quán)利，讓其他人享受該發(fā)明帶來(lái)的利潤(rùn)。

　　圖3.第一個(gè)德·福雷斯特音頻三極管。

　　埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)是早期率先認(rèn)識(shí)到真空管各種可能性的人之一。他還在上高中的時(shí)候，家里一位朋友就送了一個(gè)德·福雷斯特三極管給他玩。阿姆斯特朗已經(jīng)獲得了無(wú)線技術(shù)專家的聲譽(yù)，還在家里建了自己的無(wú)線電臺(tái)，他很快就想到辦法，知道如何利用該裝置開(kāi)發(fā)出更好的接收器。在大學(xué)期間，他繼續(xù)開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出了再生式接收器，與當(dāng)時(shí)所有無(wú)線電臺(tái)采用的無(wú)源系統(tǒng)相比，該接收器具有卓越的性能。

　　大衛(wèi)·沙諾夫(David Sarnoff)是美國(guó)馬可尼公司的高級(jí)人物。與馬可尼本人長(zhǎng)期建立的合作關(guān)系，專注的敬業(yè)精神，使他在公司快速崛起。剛開(kāi)始時(shí)，沙諾夫就在AMC跑跑腿，在馬可尼一次訪美時(shí)，偶然遇到了馬可尼。沙諾夫給馬可尼留下了深刻印象，馬可尼為他在公司的發(fā)展創(chuàng)造了條件，最終，沙諾夫先后成為AMC和RCA的高級(jí)領(lǐng)導(dǎo)。在參觀紐約工程實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他偶然遇到了阿姆斯特朗。得益于阿姆斯特朗淵博的無(wú)線技術(shù)知識(shí)及其再生式接收器的強(qiáng)大功能，二人建立起了長(zhǎng)期的職業(yè)合作關(guān)系和個(gè)人關(guān)系。

　　第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)，阿姆斯特朗感到責(zé)任的召喚，應(yīng)征入伍。但當(dāng)時(shí)，他已經(jīng)享有無(wú)線技術(shù)專家的聲譽(yù)，因而沒(méi)有被派往作戰(zhàn)崗位，而是被派往法國(guó)，為各地的作戰(zhàn)軍種檢修和安裝無(wú)線電臺(tái)。他的職責(zé)使他能使用設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室和各種技術(shù)，還能附帶地繼續(xù)從事研究活動(dòng)。在1918年初的一次空襲中，他獲得一系列發(fā)現(xiàn)，使他合成了超外差接收器。整個(gè)1918年，他全力發(fā)展自己的概念，到11月，他與一群親密的朋友會(huì)面，展示了超外差無(wú)線電的原型。朋友們印象深刻，敦促他繼續(xù)開(kāi)發(fā)。到1918年底，戰(zhàn)爭(zhēng)行將結(jié)束，在返回美國(guó)之前，阿姆斯特朗于1918年12月30日申請(qǐng)了法國(guó)專利?；氐矫绹?guó)后，他用了幾周時(shí)間才從一場(chǎng)疾病中恢復(fù)過(guò)來(lái)，使他推遲了提交美國(guó)專利申請(qǐng)。最終，1919年2月8日，他為超外差接收器申請(qǐng)了美國(guó)專利。

　　雖然馬可尼在無(wú)線技術(shù)愿景方面只關(guān)注兩方電報(bào)承載的商業(yè)信息，沙諾夫的愿景則要廣闊得多--把信號(hào)發(fā)給多方。開(kāi)始時(shí)，沙諾夫的愿景并未得到廣泛認(rèn)同，但其他人最終意識(shí)到，這項(xiàng)新技術(shù)提供了一種方法，借助該方法可以輕松實(shí)現(xiàn)新聞和娛樂(lè)節(jié)目的遠(yuǎn)距離傳送，包括傳送到美國(guó)的農(nóng)村地區(qū)。為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一愿景，沙諾夫和他的團(tuán)隊(duì)想到一個(gè)辦法，準(zhǔn)備于1921年7月2日廣播Dempsey與Carpentier的拳擊比賽。此次廣播活動(dòng)的成功使其他人看到了我們今天所熟知的這種廣播無(wú)線電的巨大潛力。

　　然而，當(dāng)時(shí)的真正挑戰(zhàn)是技術(shù)性的。早期的收音機(jī)很難使用，并且功能不佳。阿姆斯特朗、沙諾夫和美國(guó)無(wú)線電公司的故事就從這里繼續(xù)下去。通過(guò)之前發(fā)展的關(guān)系和RCA獲得的專利，包括超外差接收器專利，無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)大大簡(jiǎn)化，能實(shí)現(xiàn)便攜，人人都可輕松使用。從技術(shù)角度來(lái)看，超外差架構(gòu)是這一成就的關(guān)鍵，時(shí)至今日，也是基本如此。

　　圖4.埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)和妻子馬里昂(Marion)帶著第一臺(tái)便攜式收音機(jī)度蜜月。

　　檢波器

　　無(wú)線電必須通過(guò)某種方式，產(chǎn)生承載著有意義的信息的輸出信號(hào)。在早期，這就是在接收環(huán)形天線中產(chǎn)生的共振火花。人們很快就意識(shí)到，需要用一種更敏感的方式，把輻射能轉(zhuǎn)換成有意義的信號(hào)。早期的技術(shù)存在很大的局限性，通常利用多種屬性，包括化學(xué)、機(jī)械和電氣等屬性。

　　最開(kāi)始時(shí)，使用的首批檢波器中有一款被稱為金屬屑檢波器，這款檢波器是以一個(gè)名叫愛(ài)德華·布蘭里(?douard Branly)的法國(guó)人的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的。該金屬屑檢波器由兩塊金屬板構(gòu)成，金屬板之間的間距很小，注入一定量的金屬粉。當(dāng)射頻信號(hào)到達(dá)金屬板時(shí)，金屬粉會(huì)吸附到金屬板上，使電路閉合。這種方式對(duì)檢波非常有效，但是，一旦射頻信號(hào)撤離，金屬粉會(huì)繼續(xù)吸附在金屬板上。為解決這個(gè)問(wèn)題，安排了某種敲擊器，用于敲擊裝置側(cè)面，強(qiáng)制去除金屬板上的金屬粉。由于這個(gè)原因，這種原始檢波器雖然有效，但使用起來(lái)卻非常笨重。盡管如此，到了1907年，人們還在使用這種檢波器。

　　圖5.金屬屑檢波器。

　　圖6.金屬屑接收器原理圖。2

　　一種更實(shí)用的解決方案是電解檢波器。這種裝置由浸入硫酸或硝酸溶液的一條超細(xì)鉑絲組成。用電池將該電路偏置到電解點(diǎn)。這會(huì)在鉑絲表面上形成氣泡，使電流下降。如果射頻電流耦合到該電路中，它將調(diào)制電解點(diǎn)并使電流隨耦合射頻信號(hào)的強(qiáng)弱變化。這項(xiàng)技術(shù)由費(fèi)森登(Fessenden)開(kāi)發(fā)，1903年至1913年間被人們廣泛使用。德·福雷斯特基于這種技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種變體，被稱為應(yīng)答器，由浸入過(guò)氧化鉛溶液中的兩塊金屬板構(gòu)成。

　　圖7.電解檢波器。

　　圖8.電解無(wú)線電接收器。

　　馬可尼更喜歡被稱為磁檢波器的另一種方案。這些裝置被用戶親切地稱為瑪吉。它們的工作原理是，形成一個(gè)無(wú)端鋼絲環(huán)，使鋼絲環(huán)呈圓形旋轉(zhuǎn)的同時(shí)借助永磁體使其磁化。鋼絲磁化部分通過(guò)與天線相連的線圈。該線圈中的射頻場(chǎng)根據(jù)存在的接收信號(hào)電平對(duì)鋼絲去磁。然后，通過(guò)另一個(gè)線圈拾取鋼絲磁場(chǎng)的變化，該線圈連接到耳機(jī)，耳機(jī)負(fù)責(zé)提供聽(tīng)得見(jiàn)的射頻信號(hào)。直到1912年，所有馬可尼裝置都使用這種方案，包括泰坦尼克號(hào)上的裝置。

　　圖9.像馬可尼那樣使用的磁檢波器。3

　　圖10.磁檢波器無(wú)線電原理圖。

　　另一類常見(jiàn)的檢波器是晶體檢波器，一直流行到1925年。這類流行器件通常被稱為晶須(cat whisker)，基本上是由各類礦物制成的早期半導(dǎo)體結(jié)。典型的礦物包括方鉛礦(PbS)、黃鐵礦(FeS2)、輝鉬礦(MoS2)和碳化硅(SiC)。在金屬杯制作這些巖石的小樣，用細(xì)線在巖石上形成點(diǎn)接觸?？梢砸苿?dòng)該點(diǎn)接觸，放在巖石的各個(gè)位置，以發(fā)現(xiàn)最佳工作點(diǎn)。當(dāng)今的市場(chǎng)上仍有晶體收音機(jī)銷售；電路與100年前的電路完全相同，只是半導(dǎo)體二極管制成品取代了晶須。晶體檢波器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這些裝置提供更多的線性檢波，這在AM廣播發(fā)展之初變得非常重要。這使語(yǔ)音通信成為可能，而早期的傳輸僅由莫爾斯電碼發(fā)送。

　　圖11.方鉛礦晶須檢波器。

　　圖12.典型晶體管收音機(jī)原理圖。4

　　另一類檢波器是由一名為馬可尼工作的工程師在1904年構(gòu)建的。約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在愛(ài)迪生白熾燈泡上添加一塊板，就形成了一個(gè)通常被稱為整流器或整流閥的裝置。馬可尼和安布羅斯認(rèn)為，他們現(xiàn)有的檢波方案（通常為瑪吉）的效果優(yōu)于弗萊明整流閥，于是，他們暫時(shí)中止了尋找更好方案的努力，直到1912年之后才重啟此項(xiàng)工作。然而，包括德·福雷斯特在內(nèi)的其他人卻看到了該方案的直接價(jià)值，他們?cè)诟トR明和馬可尼的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索，在燈絲與加熱板之間添加了一個(gè)簾柵極。這項(xiàng)工作成功申請(qǐng)專利，并于1906年正式發(fā)布。雖然德·福雷斯特意識(shí)到了他的發(fā)明對(duì)改進(jìn)收音機(jī)的價(jià)值，但他無(wú)法利用這一點(diǎn)，部分是因?yàn)樯虡I(yè)伙伴的不端行為，部分是因?yàn)獒槍?duì)其專利的各種侵權(quán)案件。

　　第2部分：接收器架構(gòu)

　　像德·福雷斯特和阿姆斯特朗這些無(wú)線電技術(shù)早期的先驅(qū)們都明白一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：他們的成功離不開(kāi)堅(jiān)固可靠的檢波器；早期時(shí)，這主要靠無(wú)線電報(bào)員，他們的技術(shù)實(shí)力和聽(tīng)力使其成為可能。然而，隨著行業(yè)的發(fā)展，其他方面的重要性也逐漸突顯，例如線性度、帶寬等。

　　1912年，為了解決這些問(wèn)題，德·福雷斯特想出了再生方案以及這種技術(shù)可能給接收器帶來(lái)哪些好處。幾乎在同一時(shí)間，阿姆斯特朗取得了類似的發(fā)現(xiàn)，他指出，如果從加熱電路把能量耦合回簾調(diào)諧器，當(dāng)放大器響應(yīng)在自由振蕩之前達(dá)到峰值時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的放大效果。這些發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的專利糾紛，因?yàn)槊课话l(fā)明家都聲稱首先問(wèn)世的是自己的發(fā)明。

　　無(wú)論如何，再生式接收器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，除了取得非常高的增益水平之外，接收器還有助于將輸出連接到揚(yáng)聲器，而不是像之前那樣，連接到音頻輸出很弱的小型耳機(jī)上。阿姆斯特朗指出，通過(guò)這種安排，他可以從紐約實(shí)驗(yàn)室輕松復(fù)制馬可尼在愛(ài)爾蘭的裝置，而馬可尼通常需要一個(gè)中繼站來(lái)實(shí)現(xiàn)跨大西洋的覆蓋。得到滿意結(jié)果后，阿姆斯特朗邀請(qǐng)沙諾夫來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，分享他的發(fā)現(xiàn)。借助再生設(shè)置，他們整個(gè)晚上都在接收遠(yuǎn)程無(wú)線電信號(hào)，輕松地接收到了來(lái)自西海岸和太平洋的信號(hào)。這是檢波器技術(shù)的一次重大改進(jìn)。再生式接收器面臨的最大挑戰(zhàn)是調(diào)整反饋以確保正常運(yùn)行；即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的電報(bào)員也很難做好。隨著再生式和超再生式無(wú)線電的早期型號(hào)被投入生產(chǎn)，這一挑戰(zhàn)變得非常明顯，需要在無(wú)線電技術(shù)普及之前找到解決辦法。

　　第一次世界大戰(zhàn)最終迫使美國(guó)參戰(zhàn)，阿姆斯特朗在法國(guó)領(lǐng)受任務(wù)，負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)安裝無(wú)線電裝置。這使他有機(jī)會(huì)繼續(xù)研究工作；1918年2月，與法國(guó)和英國(guó)的同事合作之后，他提出了超外差架構(gòu)。最終，這種架構(gòu)解決了許多問(wèn)題，無(wú)需像超再生等以前的架構(gòu)那樣，進(jìn)行繁瑣的調(diào)整，而且不會(huì)犧牲性能。

　　整個(gè)1918年，阿姆斯特朗繼續(xù)開(kāi)發(fā)超外差架構(gòu)，解決了再生和超再生接收器面臨的許多難題。這一發(fā)展實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單易用的無(wú)線電，與目前的量產(chǎn)型無(wú)線電一致。雖然超外差接收器不是嚴(yán)格意義上的檢波器，但它具有增益功能和額外的選項(xiàng)，提供固定中頻，不受被監(jiān)控射頻頻率影響，有助于提高檢波性能和一致性。這樣就可以優(yōu)化檢波器，無(wú)需擔(dān)心所需射頻頻率會(huì)導(dǎo)致性能下降，而這正是早期無(wú)線電面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，并且繼續(xù)挑戰(zhàn)著今天的無(wú)線電設(shè)計(jì)師，只是頻率要高得多而已。即使我們已經(jīng)繼續(xù)探索零中頻、直接射頻采樣等新型架構(gòu)，挑戰(zhàn)仍然存在。

　　圖13.超外差專利數(shù)據(jù)。

　　這些優(yōu)勢(shì)鞏固了外差架構(gòu)的重要性，并且今天仍在繼續(xù)。雖然實(shí)施技術(shù)已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構(gòu)仍然是許多現(xiàn)代系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　除了技術(shù)類型的轉(zhuǎn)變以外，無(wú)線電架構(gòu)幾乎未發(fā)生變化，直到20世紀(jì)70年代，通用型DSP和FPGA的出現(xiàn)才改變了這種狀況。檢波器的功能從線性檢波器元件（如二極管、鑒頻器和PLL）轉(zhuǎn)向模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后是數(shù)字信號(hào)處理。這為舊技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多功能創(chuàng)造了條件。雖然數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器加DSP確實(shí)能執(zhí)行傳統(tǒng)的AM和FM5解調(diào)，但運(yùn)用數(shù)字處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廣泛用于數(shù)字電視的復(fù)雜數(shù)字解調(diào)，比如美國(guó)的HD Radio?以及歐洲和世界其他地區(qū)的DAB。

　　在早期的數(shù)字系統(tǒng)中，通常會(huì)通過(guò)I/Q解調(diào)器把中頻級(jí)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，然后用雙低頻ADC進(jìn)行數(shù)字化，如圖14所示。這些早期的ADC帶寬相對(duì)較低，因此無(wú)線電通常是窄帶系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)可用于低帶寬系統(tǒng)，但它們存在正交失配問(wèn)題，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致鏡像抑制問(wèn)題，必須通過(guò)模擬和后來(lái)的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行校正。由于早期系統(tǒng)沒(méi)有高度集成，因此難以在I/Q之間保持平衡，結(jié)果導(dǎo)致鏡像誤差（正交）。由于必須仔細(xì)考慮時(shí)間和溫度的變化，問(wèn)題非常復(fù)雜。即使在高度集成的系統(tǒng)中，如果不采用某種校正算法，I/Q平衡通常限制在40 dB，或者鏡像抑制效果會(huì)變差。

　　圖14.雙通道轉(zhuǎn)換基帶采樣。

　　到90年代中期，轉(zhuǎn)換器技術(shù)開(kāi)始得到充分改進(jìn)，可以用中頻采樣取代基帶I/Q采樣。這有幾個(gè)好處。首先，可以省去解調(diào)器和基帶轉(zhuǎn)換器對(duì)，并用單個(gè)ADC代替，從而節(jié)省功耗和電路板空間。更重要的是，可以消除與模擬I/Q抽取相關(guān)的誤差。當(dāng)然，DSP處理仍然需要復(fù)雜數(shù)據(jù)，但可以通過(guò)使用AD6624 等數(shù)字下變頻器(DDC)輕松抽取數(shù)據(jù)，這些數(shù)字下變頻器可提供完美的正交性能，不隨時(shí)間或溫度漂移。

　　最初這些中頻采樣轉(zhuǎn)換器均為窄帶，但到了90年代后期，寬帶中頻采樣轉(zhuǎn)換器開(kāi)始上市，包括AD9042 、AD6645 等器件。這些新器件可以采樣高達(dá)200 MHz的中頻頻率，并提供高達(dá)35 MHz的信號(hào)帶寬。結(jié)果變得非常有意思，許多高性能接收器開(kāi)始采用中頻采樣以簡(jiǎn)化無(wú)線電設(shè)計(jì)并提高性能。該技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)之一是，一條接收器信號(hào)路徑可以處理多個(gè)射頻載波。6 這樣就可以用一個(gè)無(wú)線電取代多個(gè)模擬窄帶無(wú)線電，大幅降低許多電信應(yīng)用的擁有成本。處理多個(gè)獨(dú)立（或從屬）射頻信號(hào)的任何應(yīng)用都可以從這種類型的架構(gòu)中受益，從而達(dá)到降低成本、減小尺寸和降低復(fù)雜性的目的?？梢栽跀?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中輕松分出各個(gè)射頻載波，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立處理?？梢允褂梦ㄒ坏男畔?duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行不同的調(diào)制，也可以擴(kuò)展信號(hào)帶寬以增加數(shù)據(jù)吞吐量。包括ADRF6612 和ADRF6655 在內(nèi)的集成混頻器技術(shù)繼續(xù)推動(dòng)著中頻采樣外差無(wú)線電的發(fā)展，可與AD9684和AD9694 等新型中頻采樣轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高度集成的低成本解決方案。這些新型ADC包括數(shù)字下變頻器(DDC)，不僅可以對(duì)不需要的頻譜進(jìn)行數(shù)字濾波，還可以通過(guò)數(shù)字手段抽取I/Q分量。

　　圖15.典型的中頻采樣架構(gòu)。

　　并排比較：過(guò)去與現(xiàn)在

　　阿姆斯特朗的7號(hào)專利稱：“眾所周知，隨著接收信號(hào)強(qiáng)度的降低，所有檢波器都會(huì)迅速失去靈敏度，而當(dāng)高頻振蕩的強(qiáng)度低于某一點(diǎn)時(shí)，檢波器的響應(yīng)會(huì)變得十分微弱，無(wú)法接收到信號(hào)?！卑⒛匪固乩事暦Q，隨著振幅下降或頻率增加，檢波器的靈敏度會(huì)降低。他和其他人試圖找到一種方法，將無(wú)線電的有效性擴(kuò)展到更高頻率，提高整體性能。

　　在三極管、再生管等早期工作的基礎(chǔ)上，阿姆斯特朗意識(shí)到，可以轉(zhuǎn)換輸入頻率，使其與現(xiàn)有檢波器配合使用時(shí)能更高效地工作。另外，可以應(yīng)用增益，以同時(shí)增加射頻信號(hào)電平和提供給用戶的音頻信號(hào)電平。

　　圖16所示為該專利的示意圖之一，“詳細(xì)說(shuō)明了如何通過(guò)調(diào)諧放大器系統(tǒng)，利用[阿姆斯特朗的]方法，其中，21是輸入振蕩（信號(hào)）的來(lái)源，真空管整流系統(tǒng)22-23-25轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)和獨(dú)立外差器件24（本振）的組合振蕩。電路26-27被調(diào)諧到兩個(gè)振蕩的轉(zhuǎn)換組合（目標(biāo)混頻器積）。多管高頻放大器28放大由真空管系統(tǒng)29進(jìn)行外差處理并檢波的所得能量，由電話30指示?！? 通過(guò)使用這種方法，阿姆斯特朗得以取得射頻能量并將頻率轉(zhuǎn)換為可以輕松有效地檢波的頻率，同時(shí)提供充分的放大，使音頻電平達(dá)到令人舒適的水平。在專利中，他繼續(xù)指出，可以應(yīng)用多個(gè)外差級(jí)，其優(yōu)點(diǎn)是能提供額外的選項(xiàng)和更高的增益水平，不用擔(dān)心不受控制的反饋導(dǎo)致振蕩--這個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著再生接收器等早期無(wú)線電架構(gòu)。

　　圖16.阿姆斯特朗的超外差示意圖

　　以下兩圖有助于我們更好地比較電子管技術(shù)與現(xiàn)代實(shí)施方案，同時(shí)向我們展示了，現(xiàn)代設(shè)計(jì)與100年前提出的原始設(shè)計(jì)有多相似。

　　圖17.管與現(xiàn)代超外差設(shè)計(jì)。

　　圖17對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行了并排比較。根據(jù)阿姆斯特朗的專利，第一電子管級(jí)包括一個(gè)真空管整流系統(tǒng)。該第一級(jí)利用電子管的整流屬性生成典型混頻積，把目標(biāo)信號(hào)與LO的混頻組合起來(lái)。阿姆斯特朗暗示，10 MHz（如圖18所示）為射頻，一方面是因?yàn)?，這超出了他那個(gè)時(shí)代的檢波器可以響應(yīng)的范圍，另一方面是因?yàn)?，在他開(kāi)發(fā)超外差接收器期間，這對(duì)他來(lái)說(shuō)是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代接收器通常在混頻器之前包括至少一個(gè)射頻放大器，用于實(shí)現(xiàn)低噪聲和高靈敏度，如低位信號(hào)鏈所示。這些器件通常采用低噪聲FET設(shè)計(jì)，針對(duì)工作頻率范圍進(jìn)行了優(yōu)化。阿姆斯特朗最初申請(qǐng)的專利和現(xiàn)代設(shè)計(jì)之間唯一的根本區(qū)別是放置在混頻器之前的獨(dú)立射頻放大器。到二戰(zhàn)時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)一些電子管設(shè)計(jì)，其采用的前端放大器與今天的FET前端相當(dāng)。

　　圖18.(a) 管式前端，(b) 前端。

　　他暗示稱，該輸入射頻信號(hào)可以與大約10.1 MHz的LO組合，在第一級(jí)產(chǎn)生0.1 MHz的新單音。我們認(rèn)為，這是典型混頻器的和差積，如圖19所示。在圖18的管示意圖中，LO直接耦合到輸入電路中，其中，電子管的非線性行為導(dǎo)致了這些積。這種原創(chuàng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的一個(gè)挑戰(zhàn)是，LO會(huì)因直接耦合到天線而發(fā)生意外輻射?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)生這種輻射的可能性很低，不過(guò)也不是完全不可能，因?yàn)槿鐖D19所示，LO被耦合到通過(guò)前端放大器與輸入隔離的混頻器中。阿姆斯特朗提出的一個(gè)改進(jìn)方案是，除了檢波器以外，利用從板到柵極電路的反饋，也可以將放大器1作為本振，就像他和德·福雷斯特用再生式接收器所做的那樣。這樣將形成緊湊型的前端功能。在今天的電路中，混頻器、本振以及射頻和中頻放大器通常包含在單個(gè)IC中。這些器件被廣泛用于從消費(fèi)者需求到工業(yè)需求的眾多不同應(yīng)用之中。

　　圖19.中頻放大器級(jí)。

　　對(duì)于電子管和單片前端，混頻過(guò)程會(huì)產(chǎn)生射頻與LO的和與差。在阿姆斯特朗的案例中，這意味著0.1 MHz和20.1 MHz。此外，通常也會(huì)將射頻和LO泄漏到輸出端。必須濾除混頻器形成的、不必要的項(xiàng)，以便接收目標(biāo)信號(hào)。由于檢波器的帶寬有限，所以，阿姆斯特朗專注于差項(xiàng)，即100 kHz。除了他所包含的諧振LC結(jié)構(gòu)之外，他的2級(jí)中頻放大器很可能還能對(duì)其他項(xiàng)進(jìn)行一些濾波處理?，F(xiàn)代中頻放大器也將包括某類中頻濾波器。圖19所示為基本LC濾波器，但通常要采用某種形式的高Q濾波器。窄帶無(wú)線電通常在中頻級(jí)中使用石英或陶瓷濾波器；更寬的頻帶設(shè)計(jì)通常根據(jù)需要運(yùn)用SAW或BAW。通常，這種濾波器被稱為修平濾波器，用于保護(hù)后續(xù)級(jí)免受強(qiáng)帶外信號(hào)的影響。

　　有了經(jīng)過(guò)良好濾波的強(qiáng)大中頻信號(hào)，阿姆斯特朗現(xiàn)在可以輕松檢測(cè)到曾經(jīng)處于其檢波器帶寬之外的微弱射頻信號(hào)?，F(xiàn)在，在中頻下，這些信號(hào)能輕松匹配檢波器的功能。在采用電子管的情況下，這些信號(hào)被整流然后放大，因此可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，至少對(duì)于調(diào)幅信號(hào)是這樣。在現(xiàn)代接收器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬中頻采樣并產(chǎn)生數(shù)字等效信號(hào)，然后以數(shù)字方式進(jìn)行處理（包括解調(diào)）。在音頻應(yīng)用的情況下，該信號(hào)可以通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，以便在必要時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

　　圖20.檢波器。

　　雖然電子管和晶體管版本的無(wú)線電都能實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)計(jì)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，現(xiàn)代設(shè)計(jì)要小得多，并且功率需求大大降低。雖然便攜式電子管無(wú)線電從一開(kāi)始就存在，但晶體管帶來(lái)了袖珍型無(wú)線電。集成電路實(shí)現(xiàn)了單芯片無(wú)線電，從短距離無(wú)線電應(yīng)用（如ADF7021 ）到高性能應(yīng)用（如AD9371 ），應(yīng)用范圍十分廣泛。在許多情況下，這同時(shí)包括接收器和發(fā)射器。

　　圖21.ADF7021短距離無(wú)線（簡(jiǎn)化版）。

　　圖22.AD9371 ZIF收發(fā)器。

　　由于單片無(wú)線電通常采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因此借助這些無(wú)線電很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)制。管式無(wú)線電歷來(lái)局限于基本調(diào)制類型，例如AM和FM。當(dāng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器添加到無(wú)線電中時(shí)，單片無(wú)線電通常就是這樣做的，就可以通過(guò)數(shù)字技術(shù)引入新的調(diào)制形式，包括擴(kuò)頻和OFMD，它們是我們每天都離不開(kāi)的大多數(shù)現(xiàn)代通信的核心（數(shù)字電視、高清無(wú)線電、DAB、手機(jī)）。

　　隨著無(wú)線電技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)，將會(huì)出現(xiàn)更多進(jìn)步，可能帶來(lái)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的無(wú)線電架構(gòu)或功能。今天，我們擁有高度集成的中頻采樣超外差架構(gòu)和零中頻架構(gòu)。初露端倪的其他架構(gòu)包括直接射頻采樣架構(gòu)，在這一架構(gòu)下，信號(hào)被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)且無(wú)需模擬下變頻。隨著無(wú)線電技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)，可用選項(xiàng)的數(shù)量將會(huì)增加。然而，某種形式的外差架構(gòu)可能會(huì)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)與我們相伴。

　　結(jié)論

　　在超外差無(wú)線電的百年發(fā)展史上，除了實(shí)施技術(shù)之外，架構(gòu)上幾乎沒(méi)有變化。多年來(lái)，我們目睹了用于構(gòu)建無(wú)線電的介質(zhì)的多次變化，我們看到，技術(shù)從電子管到晶體管，一直發(fā)展到單片集成電路。這些變化帶來(lái)了各種可能性，在無(wú)線電發(fā)展初期的先驅(qū)眼中，這些不過(guò)是白日夢(mèng)，但我們的日常生活卻與這些可能性緊密地聯(lián)系在一起。

　　使這成為可能的關(guān)鍵因素之一是在當(dāng)今的無(wú)線電技術(shù)中由高速ADC實(shí)現(xiàn)的檢波器。過(guò)去幾年在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他技術(shù)方面的改進(jìn)帶來(lái)了我們的互聯(lián)世界，這正在改變著我們的日常生活和現(xiàn)代社會(huì)的結(jié)構(gòu)。令人興奮的是，這項(xiàng)核心技術(shù)正在不斷發(fā)展，將繼續(xù)帶來(lái)當(dāng)今可能尚不為人所知的新型無(wú)線解決方案。就像阿姆斯特朗和利維(Levy)的發(fā)明為過(guò)去100年帶來(lái)巨大潛力一樣，在接下來(lái)的100年中，下一代無(wú)線技術(shù)定將當(dāng)仁不讓，造就無(wú)盡可能。

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　　Brad Brannon[brad.brannon@analog.com]自北卡羅來(lái)納州立大學(xué)畢業(yè)至今，已在ADI公司工作32年。在ADI公司，他先后在設(shè)計(jì)、測(cè)試、應(yīng)用和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域擔(dān)任多個(gè)職位。Brad撰寫(xiě)過(guò)大量論文和應(yīng)用筆記，主題涉及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器計(jì)時(shí)、無(wú)線電設(shè)計(jì)、ADC測(cè)試等。目前，Brad負(fù)責(zé)4G和5G接收架構(gòu)系統(tǒng)工程的工作。