从两起震惊全球的灾难救援说起,且看通讯技术百年变革演进

2019-09-10 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

100多年前,号称“永不沉没”的皇家巨轮“泰坦尼克号”与冰山相撞,而后折身坠入了大西洋海底。坠海前,泰坦尼克号上的电报员通过马可尼初代通信技术与莫斯码发起了SOS海上求救信号,接收到信号的“喀尔巴阡号”匆匆赶到,最终使得七百多人幸免于难……《泰晤士报》对此评价道:“我们感谢马可尼发明的装置,它使‘泰坦尼克号’能够最快地发出求救信号。在这之前,很多船只没有发出任何遇难信号就沉没了。”

无独有偶,2018年泰国少年足球队被困积水岩洞的突发事故,成功救援的背后同样依赖了无线技术的通信保障——以色列Maxtech Networks 公司17 台关键性的无线电接收装置在隧道内建立起了基本的中继网络,而其采用的是高性能模拟技术公司ADI的高集成度RF捷变收发器AD9364也成为幕后英雄。

Maxtech Networks公司的通信设备扮演了通信终端与中继节点

评价跨越百年的两个事故救援,除了感动与惋惜,人不妨将目光聚焦于无线技术在其中发挥的积极作用以及该技术在未来的无限可能性。而带来这种进步的根本原因是接收器技术与无线电架构的百年演进与创新,真正由最初的三极管接收器走到如今的5G时代,技术的变革正如长江后浪推前浪,一浪高过一浪。

从火花隙装置发射器到中频采样

马可尼时代的无线电技术还比较原始:发射器采用火花隙装置产生射频,接收端系统却完全是无源的——由天线、谐振式LC调谐器和某种检波器组成。因此,该技术雏形的有效范围受发射功率、接收器质量、大气干扰等影响而变得十分有限。马可尼为了保证可靠的信息传递,通过合理预测有效范围建立起了一个个网络站点,在必要的地方提供中继和冗余,从而填补了网络中的关键空白,也因此实现了跨洋通信这一壮举。

马可尼展示他的技术

在通讯方面,还有一个重点便是对无线电信号的监测。处在研究中的马可尼与真空管发明者约翰•安布罗斯•弗莱明在当时分析认为,现有的技术足以检测无线电信号,便放弃了对真空管技术的进一步研究。这给了后来者无线电之父李•德•福雷斯特以及埃德温•阿姆斯特朗巨大的发展机遇:前者发明了音频三极管,后者则是开发出了再生式接收器以及研究合成了对后世影响巨大的超外差接收器。

第一个德•福雷斯特音频三极管

上面几位名人研究开发的新技术影响很大,一直被当作主体架构,直到20世纪70年代出现了通用DSP和FPGA才使该主体架构发生了微妙变化。紧接着,宽带中频采样转换器也上市了。但兴起的DSP处理需要复杂数据,而这个在当时可以通过ADI公司的数字下变频器AD6624轻松抽取数据。

最初这些中频采样转换器均为窄带,但到了90年代后期,宽带中频采样转换器开始上市,包括AD9042 等器件。这些新器件可以采样高达200 MHz的中频频率,并提供高达35 MHz的信号带宽。该技术的诸多优点之一是,一条接收器信号路径可以处理多个射频载波,这样就可以用一个无线电取代多个模拟窄带无线电,大幅降低许多电信应用的拥有成本。处理多个独立(或从属)射频信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。包括ADRF6612 和ADRF6655在内的集成混频器技术继续推动着中频采样外差无线电的发展,可与AD9684 和AD9694等新型中频采样转换器相结合,实现高度集成的低成本解决方案。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,还可以通过数字手段抽取I/Q分量。

典型的中频采样架构

百年通信史,无线电架构之变

上个世纪20年代,阿姆斯特朗认为随着接收信号强度的降低,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,无法接收到信号。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,将无线电的有效性扩展到更高频率,提高整体性能。因此,在三极管、再生管等早期工作的基础上,阿姆斯特朗通过转换输入频率,使其与现有检波器配合使用时能更高效地工作,另外应用增益以同时增加射频信号电平和提供给用户的音频信号电平。

在其专利中,他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反馈导致振荡——这个问题长期困扰着再生接收器等早期无线电架构。

阿姆斯特朗的超外差示意图

而在现代无线架构设计中,与100年前提出的原始设计有诸多相似。根据阿姆斯特朗的专利,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,把目标信号与LO的混频组合起来。阿姆斯特朗暗示,10 MHz为射频,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射频放大器,用于实现低噪声和高灵敏度,如低位信号链所示。这些器件通常采用低噪声FET设计,针对工作频率范围进行了优化。阿姆斯特朗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射频放大器。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。

管与现代超外差设计

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。现代设计要小得多,并且功率需求大大降低。虽然便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。在许多情况下,这同时包括接收器和发射器。随着无线电技术的继续演进,将会出现更多进步,可能带来目前无法实现的无线电架构或功能。今天,我们拥有高度集成的中频采样超外差架构和零中频架构。初露端倪的其他架构包括直接射频采样架构,在这一架构下,信号被直接转换为数字信号且无需模拟下变频。

结论

从马可尼搭建网络站点,以及后来对真空管技术研究做信号检测和超外差接收器框架研究的两位无线电开拓者来看,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。但制造技术从电子管到晶体管,一直发展到单晶片集成电路,这些变化带来了日常生活中的各种可能性。使这成为可能的关键因素之一是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改进带来了我们的互联世界,这正在改变着我们的日常生活和现代社会的结构。

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