什麼是射頻？射頻系統架構？

一、認識射頻

1、射頻信號

射頻（Radio Frequency），即高頻交流變化電磁波的簡稱，可理解為無線電的代名詞，描繪那些依賴無線技術進行通信的系統，特指頻率範圍在3kHz~300GHz的具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波。

電磁波無處不在，根據頻率不同劃分成不同領域，從低頻到高頻依次有：無線電、微波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、伽馬射線等。射頻歸屬於無線電中，再高的的頻率便是微波，但隨着無線技術的巨大發展，射頻和微波的界限已經越來越不清晰。

交變電流通過導體形成電磁場產生電磁波，而頻率低於100hz的電磁波會被地表吸收，不能形成有效傳輸，只有頻率高於100hz電磁波才能在空氣中傳播，並經大氣層外緣的電離層反射，形成遠距離傳輸能力。

2、射頻電路

我們通常所認為的射頻即上述頻段的高頻模擬信號，但從電路層面來講，射頻指處理高頻模擬信號發射和接受的相關電路。一般當頻率高於30MHz時，電路的設計就必須考慮利用射頻電路理論。
只要涉及到信息傳輸，就要有發射方和接受方的存在，而在無線傳輸中，射頻電路就是用來負責高頻模擬信號發射和接受。

數字電路、低頻模擬電路、射頻電路區別：
1、用途不同：數字電路目的是傳輸和處理信號的狀態，就是“0”和“1”代表的低電平狀態和高電平狀態，如單片機點亮LED；低頻模擬電路為了傳輸電壓、電流和波形，如利用單片機進行模擬信號採集的電路；射頻電路應用於高頻電磁波，主要目的是傳輸和處理信號的頻率和功率。
2、衡量指標不同：數字電路的衡量指標是數字波形、重複頻率、電平、上升和下降時沿、穩定性等；低頻模擬電路的衡量指標主要基於電壓、電流和波形的測試；射頻電路衡量指標是功率、頻譜寬度、噪聲、非線性等。

二、射頻系統

原始的電信號被稱為基帶信號，有線信道可以直接傳輸基帶信號，但以自由空間為信道的射頻無線傳輸，卻無法傳輸基帶信號，需將基帶信號轉變成可以在無線信道中傳輸的頻帶信號，通過發射端進行信號發射，然後在接受端進行反變換，這個過程就是射頻系統發揮作用。

1、收發信機

一般情況下，一個完整射頻系統一定包括“發射”和“接受”兩部分，這個設備稱為收發信機，由發射機（TX）和接收機(RX)構成。

發射機負責把信號發射出去，通常還需要把信號進行頻率和功率上的放大後發射出去；
接收機則接受其他設備的信號，可以理解為發射機的逆過程；

2、射頻系統架構

射頻系統架構就是射頻系統發射和接受電路的結構框架。
常見的射頻系統架構由兩種：超外差架構、直接變頻架構。

目前大多數的無線通信系統都選用了超外差結構，比如在2G，3G和4G通信系統中，我們最常見的就是這種超外差收發機。這種結構相較於其他結構來説有着比較好的性能表現。但在5G上，更常用的是結構更簡單的零中頻結構。

超外差架構，外差這個詞是Reginald Aubrey Fessenden（加拿大發明家雷金納德·費森登）在1901年提出來的，他將混頻產生新的信號的想法稱為”外差“，並且給出了具有一次混頻結構的接收機架構稱為外差接收機，它需要一個混頻器將調製的射頻信號帶入調製的中頻信號，該信號應用於 I/Q 解調器，將調製的低中頻帶入零中頻的基帶。超外差，就是具有兩次和兩次以上混頻結構的接收機。在超外差接收機中，需要兩個混頻器將調製的射頻信號變成調製的中頻信號。
直接變頻架構，射頻科學家在1980年左右開始使用直接變頻的無線電收發機，直接變頻意味着射頻信號直接變換到高頻信號，中間不產生中頻信號，因此也叫做零中頻接收機

下面介紹典型射頻系統架構：

2.1 基帶電路

基帶頻帶是指沒有調製的原始信號，也就是頻率範圍在零頻附近的這段帶寬。

基帶電路首先會對需要發送的信號（如音頻信源信號、視頻信號等）進行編碼，編碼有信源編碼、信道編碼。

信源編碼，説白了，就是把聲音、畫面信號變成0或1的信息；
信道編碼是通過增加冗餘信息，對抗信道中的干擾和衰減，改善鏈路性能。

接下來為了讓“波”更好的表示“0”或“1”，就是對信號進行調製，將基地信號加載到載波信號，通過改變載波的某些特性來代表基帶信息。

調製可分為傳統的模擬信號調製和數字調製，傳統模擬信號調製有調頻（FM）、調幅（AM）、調相（PM）

在上述基礎上研製初多種調製，對應數字調製有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK），除此之外還有正交幅度調製（QAM）。另外，越高級的調製方式，所攜帶的信息就越多，最終通信速率也就越高。

2.2 收發信機電路

經過基帶電路的編碼和調製後，基帶傳來的信號仍是低頻信號，發射機要做的是繼續對信號進行調製，通過上變頻器將基帶信號從低頻調到指定的高頻頻段。

變頻器，有上變頻和下變頻，所謂變頻就是進行頻率上的加減法，對於發射機就是加法，也就是把基帶信號加上一個由本地振盪器產生的本振頻率，下變頻器則是做減法。

之後射頻信號通過增益可調的放大器進行初步放大，再送到功率放大器。因為經過高頻調製後，產生射頻信號的功率太小，還需要放大功率，以保證發射出去的功率滿足傳輸要求。

功率放大器，就是把弱信號進行放大，原理是把直流供電的功率轉換為交流射頻信號的功率。

經過變頻、增益、功率放大後射頻信號就可以很好的發送出去了，經過射頻開關或雙工器後發送到天線，通過天線把射頻信號轉換成電磁波輻射到空中。

天線主要負責射頻信號和電磁信號之間的相互轉換，不同無線系統都需要設計專門的天線。
射頻開關，用於判斷髮射機和接收機什麼時候接通天線，或者選擇不同的無線系統或頻段何時接通。
雙工器，是對發射和接受進行隔離的器件，其原理相當於兩個帶通濾波器。

接收機可以理解為發射機的逆過程。

接受機的低噪聲放大器的作用和發射機的功率放大器相對應。
對於接收機，從天線上接受的信號非常弱，必須對信號進行放大，這個關鍵任務就由低噪聲放大器實現。
低噪聲放大器是指噪聲係數很低的放大器，在放大微弱信號的地方，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。

天線接收到電磁波後，把電磁波轉換成射頻信號，經過天線開關或雙工器後送到低噪聲放大器經過放大後的信號送到變頻器進行下變頻（下變頻就是對信號進行頻率上的減法）；經過下變頻後射頻信號變成頻率很低的信號，再經過低通濾波與放大，然後經過解調器解調；解調後的信號送到編解碼器進行解碼（經常還會有音頻放大器進行放大），解碼後的音頻信號送給揚聲器。