射频收发机在2G到5G通信中的不断演进

你知道吗？你手中的智能手机，其实是一个强大的无线电收发器。它可以让你用手机打电话、发短信、上网、看视频、玩游戏；也可以帮助你用无人机拍摄美景、控制智能家居……这些都是无线通信的奇妙应用，给人类生活带来了无限的便利和乐趣。

无线通信是采用射频信号作为媒介进行信号传输的技术，要完成无线通信，就首先需要把信号先转换为射频信号。

“射频收发机（RF Transceiver）”就是这样一种装置，它负责把基带信号、模拟信号转化为射频信号，交给放大器、天线输出；还负责把接收到的射频信号还原为基带信号、模拟信号，让这些信息变成可看到的视频、可听到的声音。射频收发机是无线通信中的基础模块，是手机、卫星通信、雷达等无线通信设备中必要的构成部件。

射频收发机的历史可以追溯到19世纪末，当时人们利用电磁波进行无线电报通信。随着科技的进步，射频收发机也不断地演变和创新。从最早的晶体管收发机，到后来的集成威廉希尔官方网站 收发机，再到现在的多频多模收发机，射频收发机的性能、功能和规模都有了巨大的提升。

随着5G的到来，手机系统变的越来越复杂，对射频收发机也提出更高的要求。5G手机中的RF Transceiver芯片是如何一步步演进而来的，未来又有什么演进趋势？接下来，我们将详细介绍射频收发机的基本原理和结构，并探讨它在2G到5G通信中的不断演进。

** 射频收发机简介 **

“射频收发机”一词翻译自Radio Frequency Transceiver。Transceiver一词是发射机（Transmitter）与接收机（Receiver）的合成词，通过这个词的构成就可以看出，Transceiver的功能是完成信号的发射与接收。

在行业应用中，为了与收发机设备整机区分，射频收发机一般被直接称为Transceiver，有时也被简写为XCVR。在一些SoC芯片厂商中，Transceiver芯片因为是一颗射频芯片，所以也被称为RFIC。

虽然Transceiver也是负责信号的发射与接收，但其功能与同样具有发射与接收功能的“射频前端（RF Front-end）”不同。射频前端一般指天线之后，用于处理射频信号的通路、信号强度的部分，包含四大基本模块：功率放大器、低噪声放大器、开关、滤波器。而Transceiver负责将模拟信号和射频信号进行相互转换：在发射时将模拟信号转换为射频信号，在接收时将射频信号转换为模拟信号。

Transceiver与射频前端的关系就像是一对兄弟。哥哥Transceiver头脑清晰，是一家之主，不断地将信息放置在合适的射频通道上；再把合适的射频通道的信号取下来，转换成有用的信息。弟弟射频前端身体条件好，可以把哥哥转换好的射频信号用强大的力气发射出去；同时还可以把非常微小的射频信号小心放大，交给哥哥处理。

哥哥和弟弟一定要配合紧密，才能完成信号的完美收发。如果需要设计和使用好射频前端芯片，就一定要对Transceiver芯片的工作原理有所了解。

Transceiver芯片与基带芯片、调制解调芯片、射频前端芯片在系统中的构成如下图所示。

图：射频系统构成

** 为什么要进行射频传输 **

Transceiver的主要功能是完成模拟信号到射频信号的传输，在了解Transceiver之前，首先要回答的第一个问题就是：为什么要进行射频传输？

射频传输是利用电磁波在空气或其他介质传播的特性，将信息以射频信号形式进行无线传输的过程。射频信号的频率范围一般为3kHz到300GHz。

射频传输有以下几个优点：

• 射频传输可以克服有线传输的物理局限性，实现远距离、无障碍、移动和灵活的通信
• 射频传输可以实现多用户、多场景通信，利用多种调制、复用和编码技术，提高通信效率和质量
• 射频传输可以实现更复杂的组网，利用多种天线技术，如定向天线、智能天线、相控阵天线等，实现信号发射与接收方向的控制和优化
• 射频传输可以实现比有线传输更强的保密性，利用加密、扩频和跳频等技术，提高通信安全性

射频传输是无线通信技术的基础和核心，它为人类社会带来了巨大的便利和价值。为了实现射频传输，重要的一个步骤就是将日常中的图像、声音、视频等信号，转化为射频信号。模拟信号转换为射频信号的过程，就是射频收发机的主要功能。

** 历史上重要的“Transceiver”威廉希尔官方网站 **

19世纪末：雏形显现

自1864年麦克斯韦提出电磁波理论以来，人类一直想象着这个看不见、摸不着的神奇物体在哪里才能用起来。1895年前后，马可尼、波波夫、特斯拉等人均意识到电磁波可以用来实现有线通信的无线化，并设计了无线电发射、接收器原型。1896年，意大利天才无线电工程师马可尼获得了世界上第一个无线电专利，由此也打开了无线电通信快速发展的大门。

在马可尼设计的射频转换威廉希尔官方网站 中，发射机使用摩斯电码键作为输入，产生间歇性电流脉冲，脉冲信号连接至高频振荡器，由此摩斯电码就可以完成对高频信号的调制，调制后的信号通过天线发射到空间中。在接收机中，马可尼使用了金属粉末检波器，通过检波，可以将无线信号转换为可以听见的声音信号，并通过耳机输出。由此，马可尼完成了人类历史上首个“Transceiver”威廉希尔官方网站 。这篇专利也成为马可尼获得诺贝尔物理学奖的重要依据之一。

图：马可尼设计的射频收发威廉希尔官方网站

随后，马可尼对此架构做了改进，加入了调谐威廉希尔官方网站 ，可以改变威廉希尔官方网站 的震荡频率，更加方便了无线电信号的发射与接收。马可尼使用他发明的无线电系统，分别实现了跨英吉利海峡及跨大西洋的通信。

如果说马可尼的发明只是带领人类简单领教无线电的功能的话，1907年，美国工程师德·福雷斯特（De Forest）发明的真空三极管就使得全球范围内的广播、电话、通信成为了可能。德·福雷斯特发现在真空二极管的基础上，增加一个栅极可以进行对二极管电流的控制，根据这个特性，德·福雷斯特发明了放大器、振荡器等威廉希尔官方网站 ，使无线信号的放大和振荡成为可能，进而帮助了无线电广播和远程电话的实现。

外差与超外差：走向现代

外差收发机的英文名是Heterodyne，是人类Transceiver历史上的伟大发明。

外差是通过混频技术，将两个频率的信号混合而创建新的频率信号的技术。两个输入信号通过一个非线性器件（如真空管、晶体管或二极管）进行混频，如两个频率为f1与f2的信号，混频之后会产生f1+f2与f1-f2两个新频率的信号。这种现象叫混频处理，用于实现混频的非线性器件被称为混频器。

通过混频，就可以将原来在空间传播的电磁波，变换为人耳朵可听到的较低的频率范围信号，再通过简单的检波器，就完成了信息的接收。

1901年，雷金纳德·费森登（Reginald Fessenden）展示了这种架构的收发机，虽然此时三极管还未发明，振荡器的工作频率还无法稳定，但这种架构为现代Transceiver奠定了坚实的基础。

图：费森登发明的外差接收威廉希尔官方网站

在发明这个架构后，费森登从希腊单词“Hetero-”（不同的，差异的）和“dyn-”（动力、能力）得到灵感，将此种架构取名为Heterodyne，中文翻译为“外差”。

发现了“外差”现象后，工程师们继续探索。工程师们发现采用更高频率的电磁波传输时，对于某些应用场景有帮助，但工作于高频率的放大器极难设计。工程师就想，既然原来外差的思路是把声音频率的信号，通过混频搬移到高频电磁波频率，那对高频率信号放大的时候，是不是也可以先在比较低的射频频率进行放大，然后再通过频率搬移的方式，将放大后的信号搬移到高频率呢？这样不就可以省去对高频高线性的放大器需求了吗？

以上这个设计理念就是美国工程师爱德华·阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）等人在1918年提出的想法。频率搬移过程中，中间预先设定的固定射频频率被称为“中频”（中间频率，IF，Intermediate Frequency），由于这个频率超出了声音可听的范围，是“超声波”（supersonic），所以被命名为“超外差”（Super-Heterodyne）。

图：超外差架构

相比于高频放大式收发机，超外差架构具有高灵敏度、高选择性和稳定性，能适应远程通信对高频率、弱小信号的接收需要。在过去100年时间里，超外差结构在无线通信系统中得到了广泛的应用。

零中频：方案简化，难度增加

零中频的思路是不再经过IF频率，而是直接将射频信号转化为0Hz频率范围的基带信号。由于相当于在超外差结构中将IF频率设为了0，所以称为零中频方案（Zero IF），又称为直接变频方案（Direct Conversion），以及零差方案（Homodyne）。

图：零中频方案

零中频方案有其独特的优点，比如：

• 零中频方案可以简化设计，不需要先将信号搬移至中频
• 零中频方案可以解决超外差方案中的镜像抑制问题
• 零中频方案不需要中频滤波器等威廉希尔官方网站 ，便于做单芯片集成

零中频方案再也不需要经过一次中频转换了，看起来非常简洁，但这会给实际设计带来诸多问题：

• 没有中频的预处理后，基带输出电平会因为接收信号强度的不同出现很大范围的波动
• 本振频率与射频频率相同，可能造成信号泄露干扰
• 混频后的信号在0频率附近，可能会发生DC偏移
• 本地振荡器需要有精确的锁相，才能使射频频率准确搬移至0频率附近

正因为以上挑战，零中频架构在1924年被提出后，并没有得到大规模的推广。在1932年，工程师们采用本地振荡器与射频频率二者相比较的方式，修正本地振荡器的频率，可以让本地振荡器频率与射频频率锁定，这个威廉希尔官方网站 也就成为了当今锁相环（Phase Locked Loop，PLL）的雏形。

零中频的其他一些问题也随着1958年世界上第一款集成威廉希尔官方网站 被发明之后而被逐渐解决。集成威廉希尔官方网站 的发展使得锁相环威廉希尔官方网站 得以实现更复杂的功能，高动态范围、高补偿特性的威廉希尔官方网站 使得威廉希尔官方网站 可以应对空间大范围波动的射频信号。同时，零中频方案便于单芯片集成的特性使得其与集成威廉希尔官方网站 的快速发展相得益彰。目前，零中频方案在手机、航空电子设备及软件定义无线电系统中得到广泛应用。

从2G到5G：Transceiver不断演进

经过百年发展，射频Transceiver从原来只能发射/接收一个电火花，发展到如今支持全球频段、多功能、多模式的复杂芯片系统。进入21世纪后，通信协议仍在不断发展，也促使Transceiver技术不断演进。

2G：CMOS涌现，单片集成

2G蜂窝标准（以GSM为例）的主要应用是语音通信，2G于1990年后，在全球开始大规模商用。

2G手机的普及伴随着集成威廉希尔官方网站 的快速发展而来。随着摩尔定律的演进，1995年前后CMOS工艺的特征尺寸已经缩小至1um量级。而0.6um特征长度的CMOS器件已经可以用于设计2.4GHz的射频威廉希尔官方网站 ，0.35um的器件甚至可以使5GHz的威廉希尔官方网站 实现成为可能[2]。

仅仅具备单个射频模块的构建能力还不足以展示出CMOS工艺在射频应用中的优势，吸引大家关注CMOS工艺的还是其提供的大规模单片集成可能性。CMOS工艺原来是为数字工艺准备的，并且也可以做一部分模拟威廉希尔官方网站 ，如果连射频也能攻克下来，就可以实现复杂的模数、射频混合威廉希尔官方网站 ，同时做到单芯片的集成。因为这一特性，CMOS工艺实现的2G Transceiver成为当时的研究热点[2][3] 。

CMOS实现全集成的GSM Transceiver并不顺利，早期GSM Transceiver采用BJT技术，并且需要大量的外部器件[4]。随后，一些CMOS工艺设计的单频段的GSM Transceiver被设计出来[5][6]，随后才逐渐开始设计出现多频段全集成的CMOS Transceiver芯片。文章[7]中展示了采用0.25um CMOS设计的全集成4频段GSM Transceiver设计，设计采用直接转换的接收机架构，和偏移本振的发射机结构，集成PLL、VCO、混频器、中频滤波器及放大器，芯片面积3.2x3.3mm。

图：采用0.25um CMOS工艺设计的四频GSM收发机

**3G：FDD收发同时，**单片集成更大挑战

3G时代代表的通信制式是WCDMA，WCDMA是一种FDD频分利用系统，发射机与接收机同时工作在不同频率上，这对单片集成的Transceiver设计提出了更大的挑战。

在FDD系统中，接收机的接收灵敏度受以下四种情况影响，分别是：接收机的噪声系数；Rx接收带内的Tx噪声；Tx大信号的混频噪声；Tx信号的IM2产物。以上几种情况的影响中，有三项与发射机与接收机之间的隔离直接相关。

在3G Transceiver的设计中，可以采用增强LNA IIP2、增加陷波网络的方法解决阻塞问题，提升收发机的接收性能。文章[8]展示了采用0.18um设计的单片集成WCDMA/HSDPA Transceiver，文章利用数字信号处理和可调谐滤波器来消除外部元件，从而实现了高度集成和高收发抑制度的WCDMA收发器。

图：采用0.18um CMOS工艺设计的WCDMA/HSDPA收发机

4G：频段碎片，CA增加

4G与智能手机几乎在同一时代出现，为了满足智能手机对高数据速率蜂窝通信的需求，越来越多的频段被开辟出来。运营商也在频率资源上展开激烈竞争，结果使得每个运营商掌握的都是非连续和碎片化的多个窄频段。在4G手机中，需要支持的频段可能多达40个。

频段的增加给Transceiver设计带来极大的挑战，在设计中，必须考虑充分的复用，来使子模块的数目维持在合理范围内。

4G Transceiver另一个更大的挑战是CA（Carrier Aggregation，载波聚合）的支持。CA要求多个射频通路同时工作，而这些同时工作的信号之间不可避免的会产生耦合。在设计中，需要将射频通路有效分组。如下图所示支持3CC的LTE接收机系统，Ch1为2.1GHz信号，Ch2为2.3GHz信号，Ch3为700MHz信号。由于Ch1为Ch3信号的三倍频，所以二者之间需要分配至不同的混频器组[9]。

图：支持3CC CA的4G LTE Transceiver设计

5G：MIMO/EN-DC，更多通路

5G到来使得无线通信的速率再次提升，Transceiver需要实现Gb/s吞吐量的收发功能。为此5G NR系统中引入了大规模的MIMO、高达200MHz的CA来实现。另外，加上LTE+NR双连接（EN-DC）的需求，5G NR Transceiver的设计难度大大增加。

文章[10]中，MediaTek提供了一种采用12nm CMOS工艺设计的5G Transceiver系统，该系统最多支持2个带间上行CA，6个带间下行CA，支持4x4 MIMO，并且支持NR 200MHz的CA。为了实现以上功能，该Transceiver集成了20个Rx路径，频率覆盖600MHz至6GHz频段。即使经过了内部的LNA复用技术，内部LNA还是达到了28个。Transceiver还使用了大量数字威廉希尔官方网站 ，来达到200MHz的带宽支持。在NR 200MHz/4x4 MIMO/256QAM下，可达到5Gb/s的吞吐量。

图：采用12nm CMOS工艺设计的5G Transceiver

** 总**** 结**

随着协议演进，对终端的通信能力要求越来越高，射频Transceiver的功能从最早只需要完成一个电火花的接收与发射，到现在必须要完成每秒数Gb数据量的传输。这些需求给Transceiver设计带来极大挑战。

CMOS射频集成威廉希尔官方网站 的发展使得这一切成为可能，基于不断演进的CMOS工艺，可以在单颗芯片上实现不同威廉希尔官方网站 模块的集成，进而实现多个频段、多个模式，甚至多个通道的威廉希尔官方网站 集成，使无比复杂的射频收发功能，都集成于方寸之间。

Transceiver的复杂实现，也使得Transceiver设计的门槛不断拉高。在早期3G时代，还存在多家设计射频Transceiver的第三方公司，到5G之后，移动终端的射频Transceiver已被头部SoC平台公司所垄断，如高通、联发科等。

随着Transceiver功能的复杂，也对Transceiver的使用及射频前端其他威廉希尔官方网站 的配合提出了更高的要求。在高通及联发科最新的5G Transceiver使用手册中，除了介绍基本的性能之外，大量篇幅用于介绍Transceiver在CA、EN-DC下使用的注意事项，射频前端配合时需要的注意事项。

在未来，射频Transceiver将面临更多频段、更高带宽、更低功耗、更高集成度等要求。为了满足这些要求，射频Transceiver可能会采用更先进的工艺、更灵活的架构、更智能的控制等技术创新，同时也对Transceiver的应用和使用提出了较高的要求。