你知道嗎？你手中的智能手機，其實是一個強大的無線電收發(fā)器。它可以讓你用手機打電話、發(fā)短信、上網(wǎng)、看視頻、玩游戲；也可以幫助你用無人機拍攝美景、控制智能家居……這些都是無線通信的奇妙應用，給人類生活帶來了無限的便利和樂趣。

無線通信是采用射頻信號作為媒介進行信號傳輸?shù)募夹g，要完成無線通信，就首先需要把信號先轉(zhuǎn)換為射頻信號。

“射頻收發(fā)機（RF Transceiver）”就是這樣一種裝置，它負責把基帶信號、模擬信號轉(zhuǎn)化為射頻信號，交給放大器、天線輸出；還負責把接收到的射頻信號還原為基帶信號、模擬信號，讓這些信息變成可看到的視頻、可聽到的聲音。射頻收發(fā)機是無線通信中的基礎模塊，是手機、衛(wèi)星通信、雷達等無線通信設備中必要的構成部件。

射頻收發(fā)機的歷史可以追溯到19世紀末，當時人們利用電磁波進行無線電報通信。隨著科技的進步，射頻收發(fā)機也不斷地演變和創(chuàng)新。從最早的晶體管收發(fā)機，到后來的集成電路收發(fā)機，再到現(xiàn)在的多頻多模收發(fā)機，射頻收發(fā)機的性能、功能和規(guī)模都有了巨大的提升。

隨著5G的到來，手機系統(tǒng)變的越來越復雜，對射頻收發(fā)機也提出更高的要求。5G手機中的RF Transceiver芯片是如何一步步演進而來的，未來又有什么演進趨勢？接下來，我們將詳細介紹射頻收發(fā)機的基本原理和結(jié)構，并探討它在2G到5G通信中的不斷演進。

** 射頻收發(fā)機簡介 **

“射頻收發(fā)機”一詞翻譯自Radio Frequency Transceiver。Transceiver一詞是發(fā)射機（Transmitter）與接收機（Receiver）的合成詞，通過這個詞的構成就可以看出，Transceiver的功能是完成信號的發(fā)射與接收。

在行業(yè)應用中，為了與收發(fā)機設備整機區(qū)分，射頻收發(fā)機一般被直接稱為Transceiver，有時也被簡寫為XCVR。在一些SoC芯片廠商中，Transceiver芯片因為是一顆射頻芯片，所以也被稱為RFIC。

雖然Transceiver也是負責信號的發(fā)射與接收，但其功能與同樣具有發(fā)射與接收功能的“射頻前端（RF Front-end）”不同。射頻前端一般指天線之后，用于處理射頻信號的通路、信號強度的部分，包含四大基本模塊：功率放大器、低噪聲放大器、開關、濾波器。而Transceiver負責將模擬信號和射頻信號進行相互轉(zhuǎn)換：在發(fā)射時將模擬信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，在接收時將射頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

Transceiver與射頻前端的關系就像是一對兄弟。哥哥Transceiver頭腦清晰，是一家之主，不斷地將信息放置在合適的射頻通道上；再把合適的射頻通道的信號取下來，轉(zhuǎn)換成有用的信息。弟弟射頻前端身體條件好，可以把哥哥轉(zhuǎn)換好的射頻信號用強大的力氣發(fā)射出去；同時還可以把非常微小的射頻信號小心放大，交給哥哥處理。

哥哥和弟弟一定要配合緊密，才能完成信號的完美收發(fā)。如果需要設計和使用好射頻前端芯片，就一定要對Transceiver芯片的工作原理有所了解。

Transceiver芯片與基帶芯片、調(diào)制解調(diào)芯片、射頻前端芯片在系統(tǒng)中的構成如下圖所示。

圖：射頻系統(tǒng)構成

** 為什么要進行射頻傳輸 **

Transceiver的主要功能是完成模擬信號到射頻信號的傳輸，在了解Transceiver之前，首先要回答的第一個問題就是：為什么要進行射頻傳輸？

射頻傳輸是利用電磁波在空氣或其他介質(zhì)傳播的特性，將信息以射頻信號形式進行無線傳輸?shù)倪^程。射頻信號的頻率范圍一般為3kHz到300GHz。

射頻傳輸有以下幾個優(yōu)點：

• 射頻傳輸可以克服有線傳輸?shù)奈锢砭窒扌?，實現(xiàn)遠距離、無障礙、移動和靈活的通信
• 射頻傳輸可以實現(xiàn)多用戶、多場景通信，利用多種調(diào)制、復用和編碼技術，提高通信效率和質(zhì)量
• 射頻傳輸可以實現(xiàn)更復雜的組網(wǎng)，利用多種天線技術，如定向天線、智能天線、相控陣天線等，實現(xiàn)信號發(fā)射與接收方向的控制和優(yōu)化
• 射頻傳輸可以實現(xiàn)比有線傳輸更強的保密性，利用加密、擴頻和跳頻等技術，提高通信安全性

射頻傳輸是無線通信技術的基礎和核心，它為人類社會帶來了巨大的便利和價值。為了實現(xiàn)射頻傳輸，重要的一個步驟就是將日常中的圖像、聲音、視頻等信號，轉(zhuǎn)化為射頻信號。模擬信號轉(zhuǎn)換為射頻信號的過程，就是射頻收發(fā)機的主要功能。

** 歷史上重要的“Transceiver”電路 **

19世紀末：雛形顯現(xiàn)

自1864年麥克斯韋提出電磁波理論以來，人類一直想象著這個看不見、摸不著的神奇物體在哪里才能用起來。1895年前后，馬可尼、波波夫、特斯拉等人均意識到電磁波可以用來實現(xiàn)有線通信的無線化，并設計了無線電發(fā)射、接收器原型。1896年，意大利天才無線電工程師馬可尼獲得了世界上第一個無線電專利，由此也打開了無線電通信快速發(fā)展的大門。

在馬可尼設計的射頻轉(zhuǎn)換電路中，發(fā)射機使用摩斯電碼鍵作為輸入，產(chǎn)生間歇性電流脈沖，脈沖信號連接至高頻振蕩器，由此摩斯電碼就可以完成對高頻信號的調(diào)制，調(diào)制后的信號通過天線發(fā)射到空間中。在接收機中，馬可尼使用了金屬粉末檢波器，通過檢波，可以將無線信號轉(zhuǎn)換為可以聽見的聲音信號，并通過耳機輸出。由此，馬可尼完成了人類歷史上首個“Transceiver”電路。這篇專利也成為馬可尼獲得諾貝爾物理學獎的重要依據(jù)之一。

圖：馬可尼設計的射頻收發(fā)電路

隨后，馬可尼對此架構做了改進，加入了調(diào)諧電路，可以改變電路的震蕩頻率，更加方便了無線電信號的發(fā)射與接收。馬可尼使用他發(fā)明的無線電系統(tǒng)，分別實現(xiàn)了跨英吉利海峽及跨大西洋的通信。

如果說馬可尼的發(fā)明只是帶領人類簡單領教無線電的功能的話，1907年，美國工程師德·福雷斯特（De Forest）發(fā)明的真空三極管就使得全球范圍內(nèi)的廣播、電話、通信成為了可能。德·福雷斯特發(fā)現(xiàn)在真空二極管的基礎上，增加一個柵極可以進行對二極管電流的控制，根據(jù)這個特性，德·福雷斯特發(fā)明了放大器、振蕩器等電路，使無線信號的放大和振蕩成為可能，進而幫助了無線電廣播和遠程電話的實現(xiàn)。

外差與超外差：走向現(xiàn)代

外差收發(fā)機的英文名是Heterodyne，是人類Transceiver歷史上的偉大發(fā)明。

外差是通過混頻技術，將兩個頻率的信號混合而創(chuàng)建新的頻率信號的技術。兩個輸入信號通過一個非線性器件（如真空管、晶體管或二極管）進行混頻，如兩個頻率為f1與f2的信號，混頻之后會產(chǎn)生f1+f2與f1-f2兩個新頻率的信號。這種現(xiàn)象叫混頻處理，用于實現(xiàn)混頻的非線性器件被稱為混頻器。

通過混頻，就可以將原來在空間傳播的電磁波，變換為人耳朵可聽到的較低的頻率范圍信號，再通過簡單的檢波器，就完成了信息的接收。

1901年，雷金納德·費森登（Reginald Fessenden）展示了這種架構的收發(fā)機，雖然此時三極管還未發(fā)明，振蕩器的工作頻率還無法穩(wěn)定，但這種架構為現(xiàn)代Transceiver奠定了堅實的基礎。

圖：費森登發(fā)明的外差接收電路

在發(fā)明這個架構后，費森登從希臘單詞“Hetero-”（不同的，差異的）和“dyn-”（動力、能力）得到靈感，將此種架構取名為Heterodyne，中文翻譯為“外差”。

發(fā)現(xiàn)了“外差”現(xiàn)象后，工程師們繼續(xù)探索。工程師們發(fā)現(xiàn)采用更高頻率的電磁波傳輸時，對于某些應用場景有幫助，但工作于高頻率的放大器極難設計。工程師就想，既然原來外差的思路是把聲音頻率的信號，通過混頻搬移到高頻電磁波頻率，那對高頻率信號放大的時候，是不是也可以先在比較低的射頻頻率進行放大，然后再通過頻率搬移的方式，將放大后的信號搬移到高頻率呢？這樣不就可以省去對高頻高線性的放大器需求了嗎？

以上這個設計理念就是美國工程師愛德華·阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）等人在1918年提出的想法。頻率搬移過程中，中間預先設定的固定射頻頻率被稱為“中頻”（中間頻率，IF，Intermediate Frequency），由于這個頻率超出了聲音可聽的范圍，是“超聲波”（supersonic），所以被命名為“超外差”（Super-Heterodyne）。

圖：超外差架構

相比于高頻放大式收發(fā)機，超外差架構具有高靈敏度、高選擇性和穩(wěn)定性，能適應遠程通信對高頻率、弱小信號的接收需要。在過去100年時間里，超外差結(jié)構在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

零中頻：方案簡化，難度增加

零中頻的思路是不再經(jīng)過IF頻率，而是直接將射頻信號轉(zhuǎn)化為0Hz頻率范圍的基帶信號。由于相當于在超外差結(jié)構中將IF頻率設為了0，所以稱為零中頻方案（Zero IF），又稱為直接變頻方案（Direct Conversion），以及零差方案（Homodyne）。

圖：零中頻方案

零中頻方案有其獨特的優(yōu)點，比如：

• 零中頻方案可以簡化設計，不需要先將信號搬移至中頻
• 零中頻方案可以解決超外差方案中的鏡像抑制問題
• 零中頻方案不需要中頻濾波器等電路，便于做單芯片集成

零中頻方案再也不需要經(jīng)過一次中頻轉(zhuǎn)換了，看起來非常簡潔，但這會給實際設計帶來諸多問題：

• 沒有中頻的預處理后，基帶輸出電平會因為接收信號強度的不同出現(xiàn)很大范圍的波動
• 本振頻率與射頻頻率相同，可能造成信號泄露干擾
• 混頻后的信號在0頻率附近，可能會發(fā)生DC偏移
• 本地振蕩器需要有精確的鎖相，才能使射頻頻率準確搬移至0頻率附近

正因為以上挑戰(zhàn)，零中頻架構在1924年被提出后，并沒有得到大規(guī)模的推廣。在1932年，工程師們采用本地振蕩器與射頻頻率二者相比較的方式，修正本地振蕩器的頻率，可以讓本地振蕩器頻率與射頻頻率鎖定，這個電路也就成為了當今鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）的雛形。

零中頻的其他一些問題也隨著1958年世界上第一款集成電路被發(fā)明之后而被逐漸解決。集成電路的發(fā)展使得鎖相環(huán)電路得以實現(xiàn)更復雜的功能，高動態(tài)范圍、高補償特性的電路使得電路可以應對空間大范圍波動的射頻信號。同時，零中頻方案便于單芯片集成的特性使得其與集成電路的快速發(fā)展相得益彰。目前，零中頻方案在手機、航空電子設備及軟件定義無線電系統(tǒng)中得到廣泛應用。

從2G到5G：Transceiver不斷演進

經(jīng)過百年發(fā)展，射頻Transceiver從原來只能發(fā)射/接收一個電火花，發(fā)展到如今支持全球頻段、多功能、多模式的復雜芯片系統(tǒng)。進入21世紀后，通信協(xié)議仍在不斷發(fā)展，也促使Transceiver技術不斷演進。

2G：CMOS涌現(xiàn)，單片集成

2G蜂窩標準（以GSM為例）的主要應用是語音通信，2G于1990年后，在全球開始大規(guī)模商用。

2G手機的普及伴隨著集成電路的快速發(fā)展而來。隨著摩爾定律的演進，1995年前后CMOS工藝的特征尺寸已經(jīng)縮小至1um量級。而0.6um特征長度的CMOS器件已經(jīng)可以用于設計2.4GHz的射頻電路，0.35um的器件甚至可以使5GHz的電路實現(xiàn)成為可能[2]。

僅僅具備單個射頻模塊的構建能力還不足以展示出CMOS工藝在射頻應用中的優(yōu)勢，吸引大家關注CMOS工藝的還是其提供的大規(guī)模單片集成可能性。CMOS工藝原來是為數(shù)字工藝準備的，并且也可以做一部分模擬電路，如果連射頻也能攻克下來，就可以實現(xiàn)復雜的模數(shù)、射頻混合電路，同時做到單芯片的集成。因為這一特性，CMOS工藝實現(xiàn)的2G Transceiver成為當時的研究熱點[2][3] 。

CMOS實現(xiàn)全集成的GSM Transceiver并不順利，早期GSM Transceiver采用BJT技術，并且需要大量的外部器件[4]。隨后，一些CMOS工藝設計的單頻段的GSM Transceiver被設計出來[5][6]，隨后才逐漸開始設計出現(xiàn)多頻段全集成的CMOS Transceiver芯片。文章[7]中展示了采用0.25um CMOS設計的全集成4頻段GSM Transceiver設計，設計采用直接轉(zhuǎn)換的接收機架構，和偏移本振的發(fā)射機結(jié)構，集成PLL、VCO、混頻器、中頻濾波器及放大器，芯片面積3.2x3.3mm。

圖：采用0.25um CMOS工藝設計的四頻GSM收發(fā)機

**3G：FDD收發(fā)同時，**單片集成更大挑戰(zhàn)

3G時代代表的通信制式是WCDMA，WCDMA是一種FDD頻分利用系統(tǒng)，發(fā)射機與接收機同時工作在不同頻率上，這對單片集成的Transceiver設計提出了更大的挑戰(zhàn)。

在FDD系統(tǒng)中，接收機的接收靈敏度受以下四種情況影響，分別是：接收機的噪聲系數(shù)；Rx接收帶內(nèi)的Tx噪聲；Tx大信號的混頻噪聲；Tx信號的IM2產(chǎn)物。以上幾種情況的影響中，有三項與發(fā)射機與接收機之間的隔離直接相關。

在3G Transceiver的設計中，可以采用增強LNA IIP2、增加陷波網(wǎng)絡的方法解決阻塞問題，提升收發(fā)機的接收性能。文章[8]展示了采用0.18um設計的單片集成WCDMA/HSDPA Transceiver，文章利用數(shù)字信號處理和可調(diào)諧濾波器來消除外部元件，從而實現(xiàn)了高度集成和高收發(fā)抑制度的WCDMA收發(fā)器。

圖：采用0.18um CMOS工藝設計的WCDMA/HSDPA收發(fā)機

4G：頻段碎片，CA增加

4G與智能手機幾乎在同一時代出現(xiàn)，為了滿足智能手機對高數(shù)據(jù)速率蜂窩通信的需求，越來越多的頻段被開辟出來。運營商也在頻率資源上展開激烈競爭，結(jié)果使得每個運營商掌握的都是非連續(xù)和碎片化的多個窄頻段。在4G手機中，需要支持的頻段可能多達40個。

頻段的增加給Transceiver設計帶來極大的挑戰(zhàn)，在設計中，必須考慮充分的復用，來使子模塊的數(shù)目維持在合理范圍內(nèi)。

4G Transceiver另一個更大的挑戰(zhàn)是CA（Carrier Aggregation，載波聚合）的支持。CA要求多個射頻通路同時工作，而這些同時工作的信號之間不可避免的會產(chǎn)生耦合。在設計中，需要將射頻通路有效分組。如下圖所示支持3CC的LTE接收機系統(tǒng)，Ch1為2.1GHz信號，Ch2為2.3GHz信號，Ch3為700MHz信號。由于Ch1為Ch3信號的三倍頻，所以二者之間需要分配至不同的混頻器組[9]。

圖：支持3CC CA的4G LTE Transceiver設計

5G：MIMO/EN-DC，更多通路

5G到來使得無線通信的速率再次提升，Transceiver需要實現(xiàn)Gb/s吞吐量的收發(fā)功能。為此5G NR系統(tǒng)中引入了大規(guī)模的MIMO、高達200MHz的CA來實現(xiàn)。另外，加上LTE+NR雙連接（EN-DC）的需求，5G NR Transceiver的設計難度大大增加。

文章[10]中，MediaTek提供了一種采用12nm CMOS工藝設計的5G Transceiver系統(tǒng)，該系統(tǒng)最多支持2個帶間上行CA，6個帶間下行CA，支持4x4 MIMO，并且支持NR 200MHz的CA。為了實現(xiàn)以上功能，該Transceiver集成了20個Rx路徑，頻率覆蓋600MHz至6GHz頻段。即使經(jīng)過了內(nèi)部的LNA復用技術，內(nèi)部LNA還是達到了28個。Transceiver還使用了大量數(shù)字電路，來達到200MHz的帶寬支持。在NR 200MHz/4x4 MIMO/256QAM下，可達到5Gb/s的吞吐量。

圖：采用12nm CMOS工藝設計的5G Transceiver

** 總**** 結(jié)**

隨著協(xié)議演進，對終端的通信能力要求越來越高，射頻Transceiver的功能從最早只需要完成一個電火花的接收與發(fā)射，到現(xiàn)在必須要完成每秒數(shù)Gb數(shù)據(jù)量的傳輸。這些需求給Transceiver設計帶來極大挑戰(zhàn)。

CMOS射頻集成電路的發(fā)展使得這一切成為可能，基于不斷演進的CMOS工藝，可以在單顆芯片上實現(xiàn)不同電路模塊的集成，進而實現(xiàn)多個頻段、多個模式，甚至多個通道的電路集成，使無比復雜的射頻收發(fā)功能，都集成于方寸之間。

Transceiver的復雜實現(xiàn)，也使得Transceiver設計的門檻不斷拉高。在早期3G時代，還存在多家設計射頻Transceiver的第三方公司，到5G之后，移動終端的射頻Transceiver已被頭部SoC平臺公司所壟斷，如高通、聯(lián)發(fā)科等。

隨著Transceiver功能的復雜，也對Transceiver的使用及射頻前端其他電路的配合提出了更高的要求。在高通及聯(lián)發(fā)科最新的5G Transceiver使用手冊中，除了介紹基本的性能之外，大量篇幅用于介紹Transceiver在CA、EN-DC下使用的注意事項，射頻前端配合時需要的注意事項。

在未來，射頻Transceiver將面臨更多頻段、更高帶寬、更低功耗、更高集成度等要求。為了滿足這些要求，射頻Transceiver可能會采用更先進的工藝、更靈活的架構、更智能的控制等技術創(chuàng)新，同時也對Transceiver的應用和使用提出了較高的要求。