芯耀
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本文将对发射机和接收机进行比较，重点介绍它们之间的差异以及不同的类型。
一、发射机具体介绍
发射机是一种用于将信号从一个地方传输到另一个地方的设备。该信号包含以语音、视频或数据等形式存在的信息。发射机使用天线将信号发送到空中，并根据系统设计采用调制技术，以便在特定距离上传输信号。它还使用放大器来增强信号的幅度，确保信号能够到达所需的传输距离。
在传输系统中使用的典型调制方案大致可分为模拟调制和数字调制两类：
模拟调制：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）、单边带（SSB）等。
数字调制：移幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）、四相移相键控（QPSK）、正交幅度调制（QAM）等。
发射的信号在传播一定距离后，会由于信道特性而出现衰减和损伤。随后，这个衰减后的信号会被接收机接收。
以下是基于调制方案和转换技术划分的不同类型的发射机。
1、调幅（AM）发射机
2、调频（FM）发射机
3、单边带（SSB）发射机
4、直接变频发射机
5、超外差发射机
AM发射机
上图展示了一个调幅（AM）发射机系统的典型方框图。调幅无线电系统使用的频率范围是540KHz至1700KHz，其中频（IF）约为455KHz。频率以10KHz的间隔分布。
调幅发射机采用调幅调制方式，将音频信息转换为调幅调制信号。调幅调制把音频信号作为调制信号，把高频信号作为载波。载波信号的幅度会根据调制音频信号的幅度而变化，从而实现调幅调制输出。
AM调制示意图如下图所示。
FM发射机
上图描绘了一个调频（FM）发射机系统的方框图。调频无线电系统使用的频率范围是88MHz至108MHz，其中频约为10.7MHz。
调频发射机采用调频调制方式，将音频信息转换为调频调制信号。调频调制把音频信号作为调制信号（Fm），把高频信号作为载波。通过改变载波信号的瞬时频率来传递信息，而载波的幅度保持不变。
FM调制示意图如下图所示：
SSB发射机
调幅（AM）发射机同时传输上边带和下边带。上边带是载波频率（Fc）与调制信号频率（Fm）之和，而下边带则是载波频率（Fc）与调制信号频率（Fm）之差。
单边带（SSB）发射机只传输一个边带（上边带或下边带），并非两个边带都传输。正因如此，与调幅发射机相比，单边带发射机节省了带宽和功率。
SSB调制示意图如下图所示：
直接变频（Direct Conversion）发射机
让我们来了解一下直接变频发射机的工作原理。使用这种类型的发射机所得到的信号星座图被称为四相移相键控（QPSK）（这里以QPSK调制信号为例）。
1、首先，要传输的数字数据被分成同相（I）信号和正交（Q）信号。
2、I信号和Q信号通过数模转换器（DAC）。
3、数模转换器的输出经过低通滤波后被输入到混频器中。
4、这种架构使用了一个本地振荡器（LO）。在混频过程之前，本地振荡器信号会给其中一个混频器提供90°的相移。
5、将混合后的I分量和Q分量相加，从而得到四相移相键控（QPSK）调制信号（这里以QPSK调制信号为例）。
6、在将四相移相键控（QPSK）调制信号发射到空中之前，先使用功率放大器（PA）对其进行放大。
QPSK星座图如下所示：
优点
结构简单：没有复杂的中频处理环节，减少了大量的中频滤波器、中频放大器等元件，因此体积小、重量轻，成本也相对较低。
频谱纯度高：直接将基带信号变频到射频，避免了多次变频过程中产生的杂散信号，从而具有较高的频谱纯度，有利于提高通信质量。
相位噪声低：由于本地振荡器直接产生射频信号，相比超外差发射机，减少了中频到射频的变频环节，从而降低了相位噪声的积累，提高了信号的稳定性。
缺点
频率范围受限：受限于本地振荡器的频率范围和性能，直接变频发射机通常难以覆盖很宽的频率范围，在一些需要宽频带通信的应用中可能受到限制。
直流偏移问题：在混频过程中，由于器件的非理想特性，容易产生直流偏移，这会影响信号的正常传输和接收，需要采用复杂的直流抵消技术来解决。
功率放大器要求高：直接变频发射机输出的射频信号通常需要较高的功率才能满足通信距离等要求，这对功率放大器的线性度和效率提出了较高的要求，设计难度较大。
超外差（Superheterodyne）发射机
这种架构在通过直接变频发射机获得调制信号之后，会使用一个额外的混频组件。在混频前后，信号都要经过带通滤波。这就要求在设计中多使用一个本地振荡器（LO），相当于调制信号会经过两次变频以后才会输入到后级的功放。
和其他发射机系统一样，这种类型的发射机在发射之前也会使用功率放大器（PA）。自动增益控制（AGC）被用于通过增益控制来实现输出信号幅度的变化。
优点
频率覆盖范围广：通过改变中频到射频的混频器本振频率，可以方便地实现较宽频率范围的射频输出，适用于多种不同频段的通信系统。
抗干扰能力强：在中频阶段可以采用高性能的滤波器对信号进行滤波，有效地抑制各种干扰信号，提高信号的抗干扰能力。
功率放大器设计相对容易：由于中频信号的频率相对较低，对功率放大器的要求相对较低，设计难度较小，且可以采用成熟的中频功率放大器技术。
缺点
结构复杂：包含多个混频器、中频放大器、滤波器等元件，电路结构复杂，体积大、重量重，成本也较高。
频谱杂散较多：多次变频过程中容易产生各种杂散信号，需要采用复杂的滤波和抑制技术来保证频谱纯度，否则会对其他通信系统产生干扰。
相位噪声性能相对较差：多个本地振荡器的使用以及多次变频过程会导致相位噪声的积累，影响信号的相位精度和稳定性。
二、接收机具体介绍
接收机是一种从接收到的信号中解码出所传输信息的设备。和发射机一样，接收机也使用天线从空中接收信号。与发射机中的功率放大类似，接收机也会对接收到的信号进行放大，不过其重点是低噪声放大。
以下是基于发射机架构划分的不同类型的接收机：
1、直接变频接收机
2、超外差接收机
3、直接射频采样接收机
4、基于调制方案的调幅（AM）、调频（FM）接收机
直接变频（Direct Conversion）接收机
该图描绘了一个直接变频接收机的简单架构。如图所示，它使用一个混频器将接收到的已调制信号转换为基带信号。然后基带信号被输入到一个同相/正交（IQ）解调器中，以恢复出同相（I）信号和正交（Q）信号。由于I信号和Q信号之间存在90度的相移，这个IQ解调器也被称为四相移相键控（QPSK）解调器（这里以QPSK调制信号为例），其中I和Q信号再被输入到对应的ADC，转换成数字信号。
优点
结构简单：没有中频处理环节，减少了大量的中频滤波器、放大器等元件，电路结构相对简单，体积小、重量轻，成本较低。
不存在中频干扰：由于直接将射频信号变频到基带，不存在超外差接收机中因中频频率固定而可能出现的中频干扰问题，对不同频率的信号具有较好的适应性。
相位信息保留完整：在直接变频过程中，信号的相位信息能够得到较好的保留，有利于对相位调制信号的解调，提高解调精度。
缺点
直流偏移问题：混频器的非理想特性会导致输出信号中出现直流偏移，这会影响后续基带信号处理的准确性，需要采用专门的直流偏移消除技术。
本振泄漏：本地振荡器的信号可能会泄漏到射频输入端，形成本振泄漏信号，对接收信号产生干扰，降低接收机的灵敏度和动态范围。
镜像干扰：如果射频信号中存在与本振频率相差基带信号带宽的镜像频率信号，直接变频接收机无法像超外差接收机那样通过中频滤波器进行抑制，需要在射频前端采用高性能的滤波器来抑制镜像干扰。
超外差（Superheterodyne）接收机
该图展示了超外差接收机的架构。如图所示，在获取基带信息之前，它使用了两个混频器。通过和LO信号进行两次混频，使得RF信号频率变得很低，再经过ADC转换成数字信号。
优点
抗干扰能力强：通过中频滤波器可以有效地抑制各种干扰信号，特别是对于镜像频率干扰有很好的抑制作用，提高了接收机的抗干扰能力和选择性。
灵敏度高：中频放大器可以对中频信号进行高增益放大，提高了接收机的灵敏度，能够接收微弱的信号。
频率稳定性好：由于中频频率是固定的，本地振荡器只需在一个相对较窄的频率范围内进行调谐，频率稳定性较好，有利于提高接收机的性能。
缺点
结构复杂：包含多个混频器、中频放大器、滤波器等元件，电路结构复杂，体积大、重量重，成本较高。
存在中频干扰：如果外界存在与中频频率相同或相近的干扰信号，容易进入接收机并对有用信号产生干扰，需要采用专门的抗中频干扰措施。
相位噪声积累：多个本地振荡器的使用以及多次混频过程会导致相位噪声的积累，影响信号的相位精度和稳定性，对高精度的相位调制信号解调可能产生不利影响。
直接射频采样
在这种类型的接收机中，接收到的信号在经过低噪声放大后，直接被传送到射频模数转换器（RF ADC），经过RF ADC转换后直接变成数字信号。直接射频采样接收机的设计只需要很少的组件（RF信号不需要进行混频处理），这使其成为一种简单且低成本的架构。
优点
高集成度和灵活性：数字信号处理部分可以集成在一个芯片上，通过软件编程可以方便地实现不同的信号处理算法和功能，适应不同的通信标准和信号格式，具有很强的灵活性和可重构性。
宽带特性好：能够直接对宽带射频信号进行采样和处理，不需要复杂的模拟前端来进行频段选择和滤波，有利于实现宽带通信和多频段通信，能够同时接收多个不同频率的信号。
不存在模拟中频处理的非理想特性：避免了超外差接收机中模拟中频处理环节存在的诸如增益不平衡、相位失真等非理想特性，提高了信号处理的精度和稳定性。
缺点
对ADC要求高：需要高速、高精度的ADC来对射频信号进行采样，目前ADC的性能还存在一定限制，高速高精度ADC的成本也较高，并且会带来较大的功耗。
数字信号处理量大：对采样后的数字信号进行处理需要大量的数字信号处理运算，对处理器的性能要求高，需要高性能的数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）来实现，增加了系统的复杂度和成本。
抗干扰能力有待提高：在射频前端直接采样，对射频干扰较为敏感，需要在前端设计良好的滤波和抗干扰措施，否则强干扰信号可能会使ADC饱和，影响接收机的性能。
AM接收机和FM接收机
调幅（AM）接收机接收由调幅发射机发送的信号。它对调幅调制信号进行处理，并输出音频信号。同样地，调频（FM）接收机对调频发射机发送的信号进行处理和解码。图中展示了一个调幅/调频接收机的方框图。
总结：
本文对比了发射机和接收机，重点介绍了其差异与类型。发射机用于信号传输，有模拟调制和数字调制方案，类型包括AM、FM、SSB、直接变频和超外差发射机，各有优缺点。接收机用于解码接收信号，类型有直接变频、超外差、直接射频采样接收机及AM、FM接收机，同样存在不同架构特点。直接变频结构简单但存在直流偏移等问题，超外差抗干扰能力强但结构复杂，直接射频采样集成度高但对ADC要求高。
