100多年前，號稱“永不沉沒”的皇家巨輪“泰坦尼克號”與冰山相撞，而后折身墜入了大西洋海底。墜海前，泰坦尼克號上的電報員通過馬可尼初代通信技術(shù)與莫斯碼發(fā)起了SOS海上求救信號，接收到信號的“喀爾巴阡號”匆匆趕到，最終使得七百多人幸免于難……《泰晤士報》對此評價道：“我們感謝馬可尼發(fā)明的裝置，它使‘泰坦尼克號’能夠最快地發(fā)出求救信號。在這之前，很多船只沒有發(fā)出任何遇難信號就沉沒了。”

無獨(dú)有偶，2018年泰國少年足球隊被困積水巖洞的突發(fā)事故，成功救援的背后同樣依賴了無線技術(shù)的通信保障——以色列Maxtech Networks 公司17 臺關(guān)鍵性的無線電接收裝置在隧道內(nèi)建立起了基本的中繼網(wǎng)絡(luò)，而其采用的是高性能模擬技術(shù)公司ADI的高集成度RF捷變收發(fā)器AD9364也成為幕后英雄。

Maxtech Networks公司的通信設(shè)備扮演了通信終端與中繼節(jié)點

評價跨越百年的兩個事故救援，除了感動與惋惜，人不妨將目光聚焦于無線技術(shù)在其中發(fā)揮的積極作用以及該技術(shù)在未來的無限可能性。而帶來這種進(jìn)步的根本原因是接收器技術(shù)與無線電架構(gòu)的百年演進(jìn)與創(chuàng)新，真正由最初的三極管接收器走到如今的5G時代，技術(shù)的變革正如長江后浪推前浪，一浪高過一浪。

從火花隙裝置發(fā)射器到中頻采樣

馬可尼時代的無線電技術(shù)還比較原始：發(fā)射器采用火花隙裝置產(chǎn)生射頻，接收端系統(tǒng)卻完全是無源的——由天線、諧振式LC調(diào)諧器和某種檢波器組成。因此，該技術(shù)雛形的有效范圍受發(fā)射功率、接收器質(zhì)量、大氣干擾等影響而變得十分有限。馬可尼為了保證可靠的信息傳遞，通過合理預(yù)測有效范圍建立起了一個個網(wǎng)絡(luò)站點，在必要的地方提供中繼和冗余，從而填補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵空白，也因此實現(xiàn)了跨洋通信這一壯舉。

馬可尼展示他的技術(shù)

在通訊方面，還有一個重點便是對無線電信號的監(jiān)測。處在研究中的馬可尼與真空管發(fā)明者約翰•安布羅斯•弗萊明在當(dāng)時分析認(rèn)為，現(xiàn)有的技術(shù)足以檢測無線電信號，便放棄了對真空管技術(shù)的進(jìn)一步研究。這給了后來者無線電之父李•德•福雷斯特以及埃德溫•阿姆斯特朗巨大的發(fā)展機(jī)遇：前者發(fā)明了音頻三極管，后者則是開發(fā)出了再生式接收器以及研究合成了對后世影響巨大的超外差接收器。

第一個德•福雷斯特音頻三極管

上面幾位名人研究開發(fā)的新技術(shù)影響很大，一直被當(dāng)作主體架構(gòu)，直到20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了通用DSP和FPGA才使該主體架構(gòu)發(fā)生了微妙變化。緊接著，寬帶中頻采樣轉(zhuǎn)換器也上市了。但興起的DSP處理需要復(fù)雜數(shù)據(jù)，而這個在當(dāng)時可以通過ADI公司的數(shù)字下變頻器AD6624輕松抽取數(shù)據(jù)。

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)換器開始上市，包括AD9042 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的信號帶寬。該技術(shù)的諸多優(yōu)點之一是，一條接收器信號路徑可以處理多個射頻載波，這樣就可以用一個無線電取代多個模擬窄帶無線電，大幅降低許多電信應(yīng)用的擁有成本。處理多個獨(dú)立（或從屬）射頻信號的任何應(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。包括ADRF6612 和ADRF6655在內(nèi)的集成混頻器技術(shù)繼續(xù)推動著中頻采樣外差無線電的發(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)，不僅可以對不需要的頻譜進(jìn)行數(shù)字濾波，還可以通過數(shù)字手段抽取I/Q分量。

典型的中頻采樣架構(gòu)

百年通信史，無線電架構(gòu)之變

上個世紀(jì)20年代，阿姆斯特朗認(rèn)為隨著接收信號強(qiáng)度的降低，所有檢波器都會迅速失去靈敏度，而當(dāng)高頻振蕩的強(qiáng)度低于某一點時，檢波器的響應(yīng)會變得十分微弱，無法接收到信號。隨著振幅下降或頻率增加，檢波器的靈敏度會降低。他和其他人試圖找到一種方法，將無線電的有效性擴(kuò)展到更高頻率，提高整體性能。因此，在三極管、再生管等早期工作的基礎(chǔ)上，阿姆斯特朗通過轉(zhuǎn)換輸入頻率，使其與現(xiàn)有檢波器配合使用時能更高效地工作，另外應(yīng)用增益以同時增加射頻信號電平和提供給用戶的音頻信號電平。

在其專利中，他指出可以應(yīng)用多個外差級，其優(yōu)點是能提供額外的選項和更高的增益水平，不用擔(dān)心不受控制的反饋導(dǎo)致振蕩——這個問題長期困擾著再生接收器等早期無線電架構(gòu)。

阿姆斯特朗的超外差示意圖

而在現(xiàn)代無線架構(gòu)設(shè)計中，與100年前提出的原始設(shè)計有諸多相似。根據(jù)阿姆斯特朗的專利，第一電子管級包括一個真空管整流系統(tǒng)。該第一級利用電子管的整流屬性生成典型混頻積，把目標(biāo)信號與LO的混頻組合起來。阿姆斯特朗暗示，10 MHz為射頻，一方面是因為，這超出了他那個時代的檢波器可以響應(yīng)的范圍，另一方面是因為，在他開發(fā)超外差接收器期間，這對他來說是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代接收器通常在混頻器之前包括至少一個射頻放大器，用于實現(xiàn)低噪聲和高靈敏度，如低位信號鏈所示。這些器件通常采用低噪聲FET設(shè)計，針對工作頻率范圍進(jìn)行了優(yōu)化。阿姆斯特朗最初申請的專利和現(xiàn)代設(shè)計之間唯一的根本區(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，很容易發(fā)現(xiàn)一些電子管設(shè)計，其采用的前端放大器與今天的FET前端相當(dāng)。

管與現(xiàn)代超外差設(shè)計

雖然電子管和晶體管版本的無線電都能實現(xiàn)類似的結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)計具有一系列的優(yōu)點。現(xiàn)代設(shè)計要小得多，并且功率需求大大降低。雖然便攜式電子管無線電從一開始就存在，但晶體管帶來了袖珍型無線電。集成電路實現(xiàn)了單芯片無線電，從短距離無線電應(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，這同時包括接收器和發(fā)射器。隨著無線電技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)，將會出現(xiàn)更多進(jìn)步，可能帶來目前無法實現(xiàn)的無線電架構(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，信號被直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號且無需模擬下變頻。

結(jié)論

從馬可尼搭建網(wǎng)絡(luò)站點，以及后來對真空管技術(shù)研究做信號檢測和超外差接收器框架研究的兩位無線電開拓者來看，超外差無線電的百年發(fā)展史上，除了實施技術(shù)之外，架構(gòu)上幾乎沒有變化。但制造技術(shù)從電子管到晶體管，一直發(fā)展到單晶片集成電路，這些變化帶來了日常生活中的各種可能性。使這成為可能的關(guān)鍵因素之一是在當(dāng)今的無線電技術(shù)中由高速ADC實現(xiàn)的檢波器。過去幾年在數(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)代社會的結(jié)構(gòu)。