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接收器百年创新发展史…

时间:2018-11-28 作者:Brad Brannon, ADI系统架构师 阅读:
随着超外差无线电的百年发展,带来了当今可能尚不为人所知的各种新型无线技术进展。如同这些技术发明为过去100年带来巨大潜力一般,在接下来的100年中,下一代无线技术定将造就无限可能...

多年来,我们目睹了建构无线电介质的多次变化,技术也从电子管到晶体管,一直发展到单芯片电路。这些变化带来了各种可能性,但在无线电发展初期的先驱眼中,这些不过是白日梦,但欲与我们的日常生活紧密地联系在一起...

第1部份:初期

虽然许多人士都对早期的无线技术发展具有着杰出贡献,但Guglielmo Marconi却可称为其中的佼佼者。虽然他是以无线技术而闻名,但很多人对于他在19世纪末所创建的无线技术事业并不熟悉。在1900年代的前20年中,他建立了一项非常重要的事业,并促使无线世界走向了今日的方向。

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图1:Guglielmo Marconi展示他的技术

虽然Marconi的商业化技术并不是最新的,而且技术的发展相当迅速,但是该技术已经够好了,因为他想到了办法,知道如何利用现有技术来创造一个新的产业。1900年代初,殖民主义走向终结,战争和灾难大规模爆发,甚至还有1912年4月皇家邮轮铁达尼号(RMS Titanic)沉没;值此世界大乱之际,Marconi着手部署了一个全球网络,以无线方式发送和转发信息。铁达尼号邮轮沉没后,无线技术在救援幸存者和传播事故新闻方面发挥了重要作用,提升了这一新兴技术的重要性。

公众和军方都意识到了无线技术的重要性,尤其是后来成为美国海军部长的Joseph Daniels。在美国及其他地区,像Daniels这样的领导者认为军方应将无线电国有化,以确保他们在战争期间能使用无线电。必须记住的是,在此期间,唯一可用的频谱是低于200kHz左右——至少有一段时间是朝着这个方向发展的,但在第一次世界大战(World War I;WWI)之后,政府对无线技术的控制减弱,不过,这是在形成政府特许垄断权并以此成立美国无线电公司(RCA)之后。

根据我们的推测,Marconi时代的无线电非常原始。发射器采用火花隙装置(后来才使用机械交流发电机)产生射频(RF),但在接收端,系统完全是被动的,并由天线、谐振式LC调谐器和某种检波器组成。我们很快就会讨论这些检波器,但在当时,它们可能是机械式的,或者可能是化学式或有机式的。其中一些系统是透过电池为它们进行简单的偏置,但不提供任何电路增益。这些系统的输出可提供至某种头戴式耳机,以将讯号转换成音频——这种音频总是非常微弱,不过是简单的咔哒声或嗡嗡声。

因为这些系统未在接收端提供增益,所以其有效范围取决于发射功率的大小、接收器的质量、操作员在调整方面的经验,当然还有大气条件。Marconi意识到,在可合理预测有效范围的情况下,可以建立一个基地台网站,在大洲和大洋之间可靠地传递信息。其中还包括在陆上和海上安装设备。Marconi开始在全球各地和海上安装无线电台,包括在客船和货船上。透过在航海船只上安装无线电系统,他不仅使这些船只能与其在岸上的商业利益相关者进行沟通,而且还能在必要的地方提供中继和冗余,从而使Marconi填补了其网络中的关键空白。

Marconi所拥有的一项技术是早期的真空管。真空管公认的发明者John Ambrose Fleming曾为Marconi Corporation工作,但Fleming和Marconi当时分析认为,他们现有的技术足以检测无线电讯号。此外,他们认为他的发现虽有好处,但尚不值得为阀管运作投入额外的资金或电池。Marconi已经拥有了数种讯号检测技术,与阀管不同,这些技术不需要高功率来运行灯丝和加热板,因此,他们在一开始时即放弃了这种技术。

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图2:首批Fleming管原型

然而,所谓的无线电之父(Father of Radio)——Lee de Forest捡回了这项技术,并实现其巨大的潜力。透过在灯丝和加热板之间插入帘闸极,让他不仅可以整流讯号,还能控制加热板中的电流量,从而实现了放大。尽管有证据表明,他并不理解其三极管的工作原理,但他确实意识到了其巨大的潜力,并尽力发挥这一发明的优势,不但将其作为一项技术,同时也作为与Marconi发明类似的一种增值服务。透过建立各种企业,de Forest尝试制造和销售其真空管,并建立了与Marconi类似的无线网络。然而,这些企业注定要失败,这并不是因为技术不好,而是因为de Forest的商业伙伴往往不够诚实,而且常常让他独自为别人的错误承担责任。最后,de Forest不得不卖掉自己发明的权利,让其他人享受该发明带来的利润。

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图3:第一个de Forest音讯三极管

Edwin Armstrong是早期率先体认到真空管各种可能性的其中一人。当他还在念高中的时候,家里一位朋友就送了一个de Forest三极管给他。Armstrong不仅建立了无线技术专家的声誉,还在家里创建了自己的无线电台,他很快地想到办法,知道如何利用该装置开发出更好的接收器。在大学期间,他继续开发这项技术,并开发出了再生式接收器,相较于当时所有无线电台采用的被动系统,该接收器具有卓越的性能。

David Sarnoff是American Marconi Corporation (AMC)的资深人员。与Marconi本人长期建立了合作关系,其专注的敬业精神,使他在公司快速崛起。刚开始时,Sarnoff的工作只是在AMC跑跑腿,后来在Marconi一次访美行程中两人偶遇。Sarnoff让Marconi留下了深刻的印象,因而协助让他管理公司的发展,最终,Sarnoff先后成为AMC和RCA的高阶领导者。在参观纽约工程实验室时,他还偶然遇到了Armstrong。Armstrong渊博的无线技术知识及其再生式接收器的强大功能让Sarnoff获益颐浅,二人便建立起了长期的专业合作关系和个人关系。

第一次世界大战爆发时,Armstrong感到责任的召唤而应征入伍。但当时,他已经享有无线技术专家的声誉,因而没有被派往作战岗位,而是被派往法国,为各地的作战军种检修和安装无线电台。他的职责使他能使用设备、实验室和各种技术,还能附带地继续从事研究活动。在1918年初的一次空袭中,他得到了一系列的新发现,使他合成了超外差接收器。整个1918年,他全力发展自己的概念,到11月时,他与一群亲密的朋友会面,展示了超外差无线电的原型。朋友们为之印象深刻,因而敦促他继续开发。到1918年底,战争行将结束,在返回美国之前,Armstrong于1918年12月30日申请了法国专利。回到美国后,他经过了几周时间才从一场疾病中恢复过来,使他推迟了提交美国专利申请。一直到1919年2月8日,才为超外差接收器申请了美国专利。

虽然Marconi在无线技术愿景方面只关注两方电报承载的商业信息,Sarnoff的愿景则更广阔得多——将讯号发给多方。刚开始时,Sarnoff的愿景并未得到广泛认同,但其他人最终意识到,这项新技术提供了一种方法,借助该方法可以轻松实现新闻和娱乐节目的远距离传送,包括传送到美国的农村地区。为了推动实现这一愿景,Sarnoff和他的团队想到一个办法,准备于1921年7月2日广播Dempsey与Carpentier的拳击比赛,而最后此次广播活动的成功,也使其他人看到了今日我们所熟知之广播无线电的巨大潜力。

然而,当时的真正挑战是技术性的。早期的收音机很难使用,并且功能不佳。Armstrong、Sarnoff和RCA的故事便是从这里延续下去。透过之前发展的关系和RCA获得的专利,包括超外差接收器专利,无线电技术已经大幅地获得了简化,而能实现可携、人人都可轻松使用。当从技术面的角度来看,超外差架构是这一成就的关键,时至今日,也是如此。

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图4:Edwin Armstrong和妻子Marion带着第一台可携式收音机度蜜月

检波器

无线电必须透过某种方式,产生承载着有意义的信息的输出讯号。在早期,这就是在接收环形天线中产生的共振火花。人们很快就意识到,需要用一种更敏感的方式,将辐射能转换成有意义的讯号。早期的技术存在着很大的局限性,期通常利用了多种属性,包括化学、机械和电气等。

最开始时,使用的首批检波器中有一款被称为金属屑检波器,这款检波器是以一个名叫 Édouard Branly的法国人的发现为基础开发的。该金属屑检波器由两块金属板构成,金属板之间的间距很小,同时注入一定份量的金属粉。当RF讯号到达金属板时,金属粉会吸附到金属板上,使电路闭合。这种方式对检波非常有效,但是,一旦RF讯号撤离,金属粉会继续吸附在金属板上。为解决这个问题,安排了某种敲击器,用于敲击装置侧面,强制去除金属板上的金属粉。由于这个原因,这种原始检波器虽然有效,但使用起来却非常笨重。尽管如此,到了1907年,人们还在使用这种检波器。

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图5:金属屑检波器

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图6:金属屑接收器原理图

而另一种更实用的解决方案是电解检波器。这种装置由浸入硫酸或硝酸溶液的一条超细铂丝组成。透过电池将该电路偏置到电解点,会在铂丝表面上形成气泡,使电流下降。如果RF电流耦合到该电路中,它将调变电解点并使电流随耦合RF讯号的强弱变化。这项技术由Fessenden开发,1903年至1913年间被人们广泛使用。de Forest基于这种技术开发了一种变体,被称为应答器(responder),这是由浸入过氧化铅溶液中的两块金属板所构成。

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图7:电解检波器

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图8:电解无线电接收器

Marconi更喜欢被称为磁检波器的另一种方案。这些装置被用户亲切地称为‘Maggie’。它们的工作原理是,形成一个无端钢丝环,使钢丝环呈圆形旋转的同时借助永磁体使其磁化。钢丝磁化部份透过与天线相连的线圈。该线圈中的RF场根据存在的接收讯号电平对钢丝去磁。然后,透过另一个线圈拾取钢丝磁场的变化,该线圈连接到耳机,耳机负责提供听得见的RF讯号。直到1912年,所有Marconi装置都使用这种方案,包括铁达尼号上的装置。

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图9:像Marconi那样使用的磁检波器

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图10:磁检波器无线电原理图

另一类常见的检波器是晶体检波器,一直流行到1925年。这类流行组件通常被称为晶须(cat whisker),基本上这是由各类矿物制成的早期半导体结。典型的矿物包括方铅矿(PbS)、黄铁矿(FeS2)、辉钼矿(MoS2)和碳化硅(SiC)。在金属杯制作这些岩石的小样,透过细线在岩石上形成点接触。可以移动该点接触,放在岩石的各个位置,以发现最佳工作点。当今的市场上仍有晶体收音机销售;电路与100年前的电路完全相同,只是半导体二极管制成品取代了晶须。晶体检波器的一个优点,是这些装置提供更多的线性检波,这在AM广播发展之初变得非常重要。这使语音通讯成为可能,而早期的传输仅由摩斯(Morse)电码发送。

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图11:方铅矿晶须检波器

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图12:典型晶体管收音机原理图

另一类检波器是由一名为Marconi工作的工程师在1904年构建的。John Ambrose Fleming发现,透过在爱迪生(Edison)白炽灯泡上添加一块板,就形成了一个通常被称为整流器或整流阀的装置。Marconi和Ambrose认为,他们现有的检波方案(通常为‘Maggie’)的效果优于Fleming整流阀,于是,他们暂时停止寻找更好方案的努力,直到1912年之后才重启此项工作。然而,包括de Forest在内的其他人却看到了该方案的直接价值,他们在Fleming和Marconi的基础上继续探索,在灯丝与加热板之间添加了一个帘闸极。这项工作成功的申请了专利,并于1906年正式发表。虽然de Forest意识到他的发明对改进收音机的价值,但他无法利用这一点,部分是因为商业伙伴的不端行为,部份是因为针对其专利的各种侵权案件。

第2部份:接收器架构

像de Forest和Armstrong这些无线电技术早期的先驱们都明白一个关键点:他们的成功离不开坚固可靠的检波器;早期时,这主要靠无线电报员,他们的技术实力和听力使其成为可能。然而,随着产业的发展,其他方面的重要性也逐渐突显,例如线性度、带宽等。

1912年,为了解决这些问题,de Forest想出了再生方案以及这种技术可能为接收器带来哪些好处。几乎在同一时间,Armstrong取得了类似的发现,他指出,如果从加热电路把能量耦合回帘调谐器,当放大器响应在自由振荡之前达到峰值时会产生明显的放大效果。这些发现引发了一场长达数十年的专利纠纷,因为每位发明家都声称首先问世的,是自己的发明。

无论如何,再生式接收器的关键优势,在于除了取得非常高的增益水平之外,接收器还有助于将输出连接到扬声器,而不是像之前那样,连接到音讯输出很弱的小型耳机上。Armstrong指出,透过此种安排,他可以从纽约实验室轻松复制Marconi在爱尔兰的装置,而Marconi通常需要一个中继站来实现跨大西洋的覆盖。得到满意结果后,Armstrong邀请Sarnoff来到实验室,分享他的发现。借助再生设置,他们整个晚上都在接收远程无线电讯号,并轻松地接收到了来自西海岸和太平洋的讯号。这是检波器技术的一次重大提升。再生式接收器面临的最大挑战是调整回馈以确保正常运行;即使是经验丰富的电报员也很难做得好。随着再生式和超再生式无线电的早期型号被投入生产,这一挑战变得非常明显,因为需要在无线电技术普及之前找到解决办法。

第一次世界大战最终迫使美国参战,Armstrong在法国领受任务,负责在现场安装无线电装置。这使他有机会继续研究工作;1918年2月,与法国和英国的同事合作之后,他提出了超外差架构。最终,这种架构解决了许多问题,无需像超再生等以前的架构那样进行繁琐的调整,而且不会牺牲性能。

整个1918年,Armstrong继续开发超外差架构,解决了再生和超再生接收器面临的许多难题。这一项发展实现了简单易用的无线电,与目前的量产型无线电一致。虽然超外差接收器不是严格意义上的检波器,但它具有增益功能和额外的选项,提供固定IF,不受被监控RF频率影响,有助于提高检波性能和一致性。这样就可以优化检波器,无需担心所需RF频率会导致性能下降,而这正是早期无线电面临的一个巨大挑战,并且继续挑战着今天的无线电设计师,只是频率要高得多而已。即使我们已经继续探索ZIF、直接RF采样等新型架构,但挑战仍然存在。

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图13:超外差专利数据

这些优势巩固了外差架构的重要性,并且目前仍在持续。虽然实施技术已从电子管走向晶体管,并且再走向了集成电路,但是该架构仍然是许多现代系统的关键。

除了技术类型的转变以外,无线电架构几乎未发生变化,直到1970年代,通用型DSP和FPGA的出现才改变了这种状况。检波器的功能从线性检波器组件(如二极管、鉴频器和PLL)转向模拟数字转换器,然后是数字讯号处理,而这为旧技术无法实现的许多功能创造了条件。虽然数据转换器加DSP确实能执行传统的AM和FM5解调,但运用数字处理技术可以实现广泛用于数字电视的复杂数字解调,比如美国的HD Radio以及欧洲和世界其他地区的DAB。

在早期的数字系统中,通常会透过I/Q解调器把中频(IF)级转换为基频讯号,然后以双低频ADC进行数字化,如图14所示。这些早期的ADC带宽相对较低,因此无线电通常是窄频系统。虽然这些系统可用于低带宽系统,但它们存在正交失配问题,结果会导致镜像抑制问题,必须透过模拟和后来的数字技术进行校正。由于早期系统没有高度整合,因此难以在I/Q之间保持平衡,结果导致镜像误差(正交)。由于必须仔细考虑时间和温度的变化,问题非常复杂。即使在高度整合的系统中,如果不采用某种校正算法,I/Q平衡通常限制在40dB,或者镜像抑制效果会变差。

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图14:双通道转换基频采样

到1990年代中期时,转换器技术开始得到充份改进,而得以运用IF采样取代基频I/Q采样。这有几个好处。首先,可以省去解调器和基频转换器对,并用单个ADC代替,从而节省功耗和电路板空间。更重要的是,可以消除与模拟I/Q抽取相关的误差。当然,DSP处理仍然需要复杂资料,但可以透过使用类似ADI AD6624等数字下变频器(DDC)轻松抽取数据,这些数字下变频器可提供完美的正交性能,不随时间或温度漂移。

最初这些IF采样转换器均为窄频,但到了90年代后期,宽带IF采样转换器开始上市,包括AD9042、AD6645等组件。这些新组件可以采样高达200 MHz的IF频率,并提供高达35MHz的讯号带宽。结果变得非常有意思,许多高性能接收器开始采用IF采样以简化无线电设计并提高性能。该技术的诸多优点之一,是一条接收器讯号路径可以处理多个RF载波。这样就可以用一个无线电取代多个模拟窄频无线电,大幅降低许多电讯应用的拥有成本。

处理多个独立(或从属) RF讯号的任何应用都可以从这种类型的架构中受益,从而达到降低成本、减小尺寸和降低复杂性的目的。可以在数字数据流中轻松分出各个RF载波,并根据需要对其进行独立处理。可以使用唯一的信息对每个讯号进行不同的调制,也可以扩展讯号带宽以增加数据吞吐量。包括ADRF6612和ADRF6655在内的整合式混频器技术继续推动着IF采样外差无线电的发展,可与AD9684和AD9694等新型IF采样转换器相结合,实现高度整合的低成本解决方案。这些新型ADC包括数字下变频器(DDC),不仅可以对不需要的频谱进行数字滤波,还可以透过数字手段抽取I/Q分量。

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图15:典型的IF采样架构

从过去到现在

Armstrong的7号专利称:「众所周知,随着接收讯号强度的降低,所有检波器都会迅速失去灵敏度,而当高频振荡的强度低于某一点时,检波器的响应会变得十分微弱,无法接收到讯号。」 Armstrong声称,随着振幅下降或频率增加,检波器的灵敏度会降低。他和其他人试图找到一种方法,来将无线电的有效性扩展到更高频率,提高整体性能。

在三极管、再生管等早期工作的基础上,Armstrong意识到,可以转换输入频率,使其与现有检波器配合使用时能更高效地工作。另外,可以应用增益,以同时增加RF讯号电平和提供给用户的音频讯号位准。

图16所示为该专利的示意图之一,「详细说明了如何透过调谐放大器系统,利用[Armstrong的]方法,其中,21是输入振荡(讯号)的来源,真空管整流系统22-23-25转换输入讯号和独立外差器件24 (本振)的组合振荡。电路26-27被调谐到两个振荡的转换组合(目标混频器乘积)。多管高频放大器28放大由真空管系统29进行外差处理并检波的所得能量,由电话30指示。」透过使用这种方法,Armstrong得以取得RF能量并将频率转换为可以轻松有效地检波的频率,同时提供充份的放大,使音讯位准达到令人舒适的水平。在专利中,他继续指出,可以应用多个外差级,其优点是能提供额外的选项和更高的增益水平,不用担心不受控制的回馈导致振荡——这个问题长期困扰着再生接收器等早期无线电架构。

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图16:Armstrong的超外差示意图

以下两个图有助于我们能更清楚地比较电子管技术与现代实施方案,同时向我们展示了现代设计与100年前提出的原始设计有多相似之处:

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图17:电子管与现代超外差设计

图17对两个电路进行了并排比较。根据Armstrong的专利,第一电子管级包括一个真空管整流系统。该第一级利用电子管的整流属性生成典型混频积,将目标讯号与LO的混频组合起来。Armstrong暗示,10MHz (如图18所示)为RF,一方面是因为这超出了他那个时代的检波器可以响应的范围,另一方面是因为在他开发超外差接收器期间,这对他来说是一个技术挑战。现代接收器通常在混频器之前包括至少一个RF放大器,用于实现低噪声和高灵敏度,如低位讯号链所示。这些组件通常采用的是低噪声FET设计,而其针对操作频率范围进行了优化。Armstrong最初申请的专利和现代设计之间,唯一的根本区别是放置在混频器之前的独立RF放大器。到二战时,很容易发现一些电子管设计,其采用的前端放大器与今天的FET前端相当。

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图18:(a) 管式前端,(b) 前端

他暗示,该输RF讯号可以与大约10.1MHz的LO组合,在第一级产生0.1MHz的新单音。我们认为,这是典型混频器的和差积,如图19所示。在图18的管示意图中,LO直接耦合到输入电路中,其中,电子管的非线性行为导致了这些积。这种原创设计所带来的一个挑战,是LO会因直接耦合到天线而发生意外辐射。现代设计发生这种辐射的可能性很低,不过也不是完全不可能,因为如图19所示,LO被耦合到透过前端放大器与输入隔离的混频器中。Armstrong提出的一个改善方案,是除了检波器以外,利用从板到闸极电路的回馈,也可以将放大器1作为本振,就像他和de Forest用再生式接收器所做的。如此,将可形成精小的前端功能。在今天的电路中,混频器、本振以及RF和IF放大器通常包含在单个IC中,这些组件被广泛用于从消费性需求到工业需求的众多不同应用之中。

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图19:IF放大器级

对于电子管和单芯片前端,混频过程会产生RF与LO的和与差。在Armstrong的案例中,这意味着0.1MHz和20.1MHz。此外,通常也会将RF和LO泄漏到输出端。必须滤除混频器形成的、不必要项,以便接收目标讯号。由于检波器的带宽有限,所以,Armstrong专注于差项,即100kHz。除了他所包含的谐振LC结构之外,他的2级IF放大器很可能还能对其他项进行一些滤波处理。现代IF放大器也将包括某类IF滤波器。图19所示为基本LC滤波器,但通常要采用某种形式的高Q滤波器。窄频无线电通常在IF级中使用石英或陶瓷滤波器;更宽的频段设计通常根据需要运用SAW或BAW。通常,这种滤波器被称为修平滤波器,用于保护后续级免受强带外讯号的影响。

藉由经过良好滤波的强大IF讯号,Armstrong现在可以轻松检测到曾经处于其检波器带宽之外的微弱RF讯号。现在,在IF下,这些讯号能轻松匹配检波器的功能。在采用电子管的情况下,这些讯号被整流,然后放大,因此可以直接驱动扬声器,至少对于调幅讯号是这样的。在现代接收器中,模拟数字转换器对模拟IF采样并产生数字等效讯号,然后以数字方式进行处理(包括解调)。在音频应用的情况下,该讯号可以透过数字模拟转换器转换回模拟讯号,以便在必要时驱动扬声器。

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图20:检波器

虽然电子管和晶体管版本的无线电都能实现类似的结果,但现代设计具有一系列的优点。值得注意的是,现代设计要小得多,并且功率需求大大降低。虽然可携式电子管无线电从一开始就存在,但晶体管带来了袖珍型无线电。集成电路实现了单芯片无线电,从短距离无线电应用(如ADF7021)到高性能应用(如AD9371),应用范围十分广泛。而在许多情况下,这同时包括了接收器和发射器。

由于单芯片无线电通常采用模拟数字转换器和数字模拟转换器,因此借助这些无线电很容易实现复杂的调变。管式无线电历来局限于基本调变类型,例如AM和FM。当将数据转换器添加到无线电中时,单芯片无线电通常就是这样做的,而能透过数字技术引入新的调变形式,包括展频和OFMD,它们是我们每天都离不开的大多数现代通讯的核心(数字电视、高解析无线电、DAB、手机)。

随着无线电技术的继续演进,更多进步将会陆续出现,而可能带来目前无法实现的无线电架构或功能。今天,我们拥有高度整合的IF采样超外差架构和零IF架构。初露端倪的其他架构包括直接RF采样架构,在这一架构下,讯号被直接转换为数字讯号且无需模拟下变频。随着无线电技术的继续演进,可用选项的数量将会增加。然而,某种形式的外差架构可能会在未来一段时间内与我们相随。

结论

在超外差无线电的百年发展史上,除了实施技术之外,架构上几乎没有变化。多年来,我们目睹了用于构建无线电的介质的多次变化,我们看到,技术从电子管到晶体管,一直发展到单芯片电路。这些变化带来了各种可能性,在无线电发展初期的先驱眼中,这些不过是白日梦,但我们的日常生活却与这些可能性紧密地联系在一起。

使这成为可能的关键因素之一,是透过在当今的无线电技术中由高速ADC实现的检波器。过去几年在数据转换器和其他技术方面的提升,带来了我们的互连世界,这正也在改变着我们的日常生活和现代社会的结构。令人兴奋的是,这项核心技术正不断发展着,其将继续带来当今可能尚不为人所知的新型无线解决方案。就如同阿Armstrong和Levy的发明为过去100年带来巨大潜力一般,在接下来的100年中,下一代无线技术定将当仁不让,造就无限可能。

 

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