你知道嗎？你手中的智慧手機，其實是一個強大的無線電收發器。它可以讓你用手機打電話、發簡訊、上網、看視訊、玩遊戲；也可以幫助你用無人機拍攝美景、控制智慧家居……這些都是無線通訊的奇妙應用，給人類生活帶來了無限的便利和樂趣。
無線通訊是採用射頻信號作為媒介進行信號傳輸的技術，要完成無線通訊，就首先需要把信號先轉換為射頻信號。
「射頻收發機（RF Transceiver）」就是這樣一種裝置，它負責把基帶信號、模擬信號轉化為射頻信號，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，讓這些資訊變成可看到的視訊、可聽到的聲音。射頻收發機是無線通訊中的基礎模組，是手機、衛星通訊、雷達等無線通訊設備中必要的構成部件。
射頻收發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訊。隨著科技的進步，射頻收發機也不斷地演變和創新。從最早的電晶體收發機，到後來的積體電路收發機，再到現在的多頻多模收發機，射頻收發機的性能、功能和規模都有了巨大的提升。
隨著5G的到來，手機系統變的越來越複雜，對射頻收發機也提出更高的要求。5G手機中的RF Transceiver晶片是如何一步步演進而來的，未來又有什麼演進趨勢？接下來，我們將詳細介紹射頻收發機的基本原理和結構，並探討它在2G到5G通訊中的不斷演進。
射頻收發機簡介
「射頻收發機」一詞翻譯自Radio Frequency Transceiver。Transceiver一詞是發射機（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射與接收。
在行業應用中，為了與收發機設備整機區分，射頻收發機一般被直接稱為Transceiver，有時也被簡寫為XCVR。在一些SoC晶片廠商中，Transceiver晶片因為是一顆射頻晶片，所以也被稱為RFIC。
雖然Transceiver也是負責信號的發射與接收，但其功能與同樣具有發射與接收功能的「射頻前端（RF Front-end）」不同。射頻前端一般指天線之後，用於處理射頻信號的通路、信號強度的部分，包含四大基本模組：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換：在發射時將模擬信號轉換為射頻信號，在接收時將射頻信號轉換為模擬信號。
Transceiver與射頻前端的關係就像是一對兄弟。哥哥Transceiver頭腦清晰，是一家之主，不斷地將資訊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，轉換成有用的資訊。弟弟射頻前端身體條件好，可以把哥哥轉換好的射頻信號用強大的力氣發射出去；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。如果需要設計和使用好射頻前端晶片，就一定要對Transceiver晶片的工作原理有所了解。
Transceiver晶片與基帶晶片、調製解調晶片、射頻前端晶片在系統中的構成如下圖所示。
圖：射頻系統構成
為什麼要進行射頻傳輸
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：為什麼要進行射頻傳輸？
射頻傳輸是利用電磁波在空氣或其他介質傳播的特性，將資訊以射頻信號形式進行無線傳輸的過程。射頻信號的頻率範圍一般為3kHz到300GHz。
射頻傳輸有以下幾個優點：
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射頻傳輸可以克服有線傳輸的物理侷限性，實現遠距離、無障礙、移動和靈活的通訊
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射頻傳輸可以實現多使用者、多場景通訊，利用多種調製、複用和編碼技術，提高通訊效率和質量
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射頻傳輸可以實現更復雜的組網，利用多種天線技術，如定向天線、智慧天線、相控陣天線等，實現信號發射與接收方向的控制和最佳化
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射頻傳輸可以實現比有線傳輸更強的保密性，利用加密、擴頻和跳頻等技術，提高通訊安全性
射頻傳輸是無線通訊技術的基礎和核心，它為人類社會帶來了巨大的便利和價值。為了實現射頻傳輸，重要的一個步驟就是將日常中的圖像、聲音、視訊等信號，轉化為射頻信號。模擬信號轉換為射頻信號的過程，就是射頻收發機的主要功能。
歷史上重要的「Transceiver」電路
19世紀末：雛形顯現
自1864年馬克士威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裡才能用起來。1895年前後，馬可尼、波波夫、特斯拉等人均意識到電磁波可以用來實現有線通訊的無線化，並設計了無線電發射、接收器原型。1896年，義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訊快速發展的大門。
在馬可尼設計的射頻轉換電路中，發射機使用摩斯電碼鍵作為輸入，產生間歇性電流脈衝，脈衝信號連接至高頻振盪器，由此摩斯電碼就可以完成對高頻信號的調製，調製後的信號通過天線發射到空間中。在接收機中，馬可尼使用了金屬粉末檢波器，通過檢波，可以將無線信號轉換為可以聽見的聲音信號，並通過耳機輸出。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之一。
圖：馬可尼和他設計的射頻收發電路
隨後，馬可尼對此架構做了改進，加入了調諧電路，可以改變電路的震盪頻率，更加方便了無線電信號的發射與接收。馬可尼使用他發明的無線電系統，分別實現了跨英吉利海峽及跨大西洋的通訊。
如果說馬可尼的發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）發明的真空三極體就使得全球範圍內的廣播、電話、通訊成為了可能。德·福雷斯特發現在真空二極體的基礎上，增加一個柵極可以進行對二極體電流的控制，根據這個特性，德·福雷斯特發明了放大器、振盪器等電路，使無線信號的放大和振盪成為可能，進而幫助了無線電廣播和遠端電話的實現。
外差與超外差：走向現代
外差收發機的英文名是Heterodyne，是人類Transceiver歷史上的偉大發明。
外差是通過混頻技術，將兩個頻率的信號混合而創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、電晶體或二極體）進行混頻，如兩個頻率為f1與f2的信號，混頻之後會產生f1+f2與f1-f2兩個新頻率的信號。這種現象叫混頻處理，用於實現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範圍信號，再通過簡單的檢波器，就完成了資訊的接收。
1901年，雷金納德·費森登（Reginald Fessenden）展示了這種架構的收發機，雖然此時三極體還未發明，振盪器的工作頻率還無法穩定，但這種架構為現代Transceiver奠定了堅實的基礎。
圖：費森登和其發明的外差接收電路
在發明這個架構後，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」。
發現了「外差」現象後，工程師們繼續探索。工程師們發現採用更高頻率的電磁波傳輸時，對於某些應用場景有幫助，但工作於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訊率的信號，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，然後再通過頻率搬移的方式，將放大後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），由於這個頻率超出了聲音可聽的範圍，是「超音波」（supersonic），所以被命名為「超外差」（Super-Heterodyne）。
圖：超外差架構
相比於高頻放大式收發機，超外差架構具有高靈敏度、高選擇性和穩定性，能適應遠端通訊對高頻率、弱小信號的接收需要。在過去100年時間裡，超外差結構在無線通訊系統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過IF頻率，而是直接將射頻信號轉化為0Hz頻率範圍的基帶信號。由於相當於在超外差結構中將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點，比如：
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零中頻方案可以簡化設計，不需要先將信號搬移至中頻
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零中頻方案可以解決超外差方案中的映象抑制問題
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零中頻方案不需要中頻濾波器等電路，便於做單晶片集成
零中頻方案再也不需要經過一次中頻轉換了，看起來非常簡潔，但這會給實際設計帶來諸多問題：
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沒有中頻的預處理後，基帶輸出電平會因為接收信號強度的不同出現很大範圍的波動
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本振頻率與射頻頻率相同，可能造成信號洩露干擾
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混頻後的信號在0頻率附近，可能會發生DC偏移
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本地振盪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，零中頻架構在1924年被提出後，並沒有得到大規模的推廣。在1932年，工程師們採用本地振盪器與射頻頻率二者相比較的方式，修正本地振盪器的頻率，可以讓本地振盪器頻率與射頻頻率鎖定，這個電路也就成為了當今鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）的雛形。
零中頻的其他一些問題也隨著1958年世界上第一款積體電路被髮明之後而被逐漸解決。積體電路的發展使得鎖相環電路得以實現更復雜的功能，高動態範圍、高補償特性的電路使得電路可以應對空間大範圍波動的射頻信號。同時，零中頻方案便於單晶片集成的特性使得其與積體電路的快速發展相得益彰。目前，零中頻方案在手機、航空電子設備及軟體定義無線電系統中得到廣泛應用。
從2G到5G：Transceiver不斷演進
經過百年發展，射頻Transceiver從原來只能發射/接收一個電火花，發展到如今支持全球頻段、多功能、多模式的複雜晶片系統。進入21世紀後，通訊協議仍在不斷發展，也促使Transceiver技術不斷演進。
2G：CMOS湧現，單片集成
2G蜂窩標準（以GSM為例）的主要應用是語音通訊，2G於1990年後，在全球開始大規模商用。
2G手機的普及伴隨著積體電路的快速發展而來。隨著摩爾定律的演進，1995年前後CMOS工藝的特徵尺寸已經縮小至1um量級。而0.6um特徵長度的CMOS器件已經可以用於設計2.4GHz的射頻電路，0.35um的器件甚至可以使5GHz的電路實現成為可能[2]。
僅僅具備單個射頻模組的構建能力還不足以展示出CMOS工藝在射頻應用中的優勢，吸引大家關注CMOS工藝的還是其提供的大規模單片集成可能性。CMOS工藝原來是為數字工藝準備的，並且也可以做一部分類比電路，如果連射頻也能攻克下來，就可以實現複雜的模數、射頻混合電路，同時做到單晶片的集成。因為這一特性，CMOS工藝實現的2G Transceiver成為當時的研究熱點[2][3] 。
CMOS實現全集成的GSM Transceiver並不順利，早期GSM Transceiver採用BJT技術，並且需要大量的外部器件[4]。隨後，一些CMOS工藝設計的單頻段的GSM Transceiver被設計出來[5][6]，隨後才逐漸開始設計出現多頻段全集成的CMOS Transceiver晶片。文章[7]中展示了採用0.25um CMOS設計的全集成4頻段GSM Transceiver設計，設計採用直接轉換的接收機架構，和偏移本振的發射機結構，集成PLL、VCO、混頻器、中頻濾波器及放大器，晶片面積3.2×3.3mm。
圖：採用0.25um CMOS工藝設計的四頻GSM收發機
3G：FDD收發同時，單片集成更大挑戰
3G時代代表的通訊制式是WCDMA，WCDMA是一種FDD頻分利用系統，發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。
在FDD系統中，接收機的接收靈敏度受以下四種情況影響，分別是：接收機的噪聲係數；Rx接收帶內的Tx噪聲；Tx大信號的混頻噪聲；Tx信號的IM2產物。以上幾種情況的影響中，有三項與發射機與接收機之間的隔離直接相關。
在3G Transceiver的設計中，可以採用增強LNA IIP2、增加陷波網路的方法解決阻塞問題，提升收發機的接收性能。文章[8]展示了採用0.18um設計的單片集成WCDMA/HSDPA Transceiver，文章利用數字信號處理和可調諧濾波器來消除外部元件，從而實現了高度集成和高收發抑制度的WCDMA收發器。
圖：採用0.18um CMOS工藝設計的WCDMA/HSDPA收發機
4G：頻段碎片，CA增加
4G與智慧手機幾乎在同一時代出現，為了滿足智慧手機對高資料速率蜂窩通訊的需求，越來越多的頻段被開闢出來。運營商也在頻率資源上展開激烈競爭，結果使得每個運營商掌握的都是非連續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，在設計中，必須考慮充分的複用，來使子模組的數目維持在合理範圍內。
4G Transceiver另一個更大的挑戰是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，Ch1為2.1GHz信號，Ch2為2.3GHz信號，Ch3為700MHz信號。由於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到來使得無線通訊的速率再次提升，Transceiver需要實現Gb/s吞吐量的收發功能。為此5G NR系統中引入了大規模的MIMO、高達200MHz的CA來實現。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提供了一種採用12nm CMOS工藝設計的5G Transceiver系統，該系統最多支持2個帶間上行CA，6個帶間下行CA，支持4×4 MIMO，並且支持NR 200MHz的CA。為了實現以上功能，該Transceiver集成了20個Rx路徑，頻率覆蓋600MHz至6GHz頻段。即使經過了內部的LNA複用技術，內部LNA還是達到了28個。Transceiver還使用了大量數位電路，來達到200MHz的頻寬支持。在NR 200MHz/4×4 MIMO/256QAM下，可達到5Gb/s的吞吐量。
圖：採用12nm CMOS工藝設計的5G Transceiver
總結
隨著協議演進，對終端的通訊能力要求越來越高，射頻Transceiver的功能從最早只需要完成一個電火花的接收與發射，到現在必須要完成每秒數Gb資料量的傳輸。這些需求給Transceiver設計帶來極大挑戰。
CMOS射頻積體電路的發展使得這一切成為可能，基於不斷演進的CMOS工藝，可以在單顆晶片上實現不同電路模組的集成，進而實現多個頻段、多個模式，甚至多個通道的電路集成，使無比複雜的射頻收發功能，都集成於方寸之間。
Transceiver的複雜實現，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之後，移動終端的射頻Transceiver已被頭部SoC平臺公司所壟斷，如高通、聯發科等。
隨著Transceiver功能的複雜，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。在高通及聯發科最新的5G Transceiver使用手冊中，除了介紹基本的性能之外，大量篇幅用於介紹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、更高頻寬、更低功耗、更高集成度等要求。為了滿足這些要求，射頻Transceiver可能會採用更先進的工藝、更靈活的架構、更智慧的控制等技術創新，同時也對Transceiver的應用和使用提出了較高的要求。
期待和您一起，更深入的了解射頻Transceiver系統，更好的實現5G射頻系統。
參考文獻：
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[9]. Menzel, W., & Lee, K. (2015). A Rel-12 2G/3G/LTE-Advanced 3CC Cellular Receiver. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 50(1), 54-68.
[10]. Ming-Da Tsai et al., “A 12nm CMOS RF Transceiver Supporting 4G/5G UL MIMO,” 2020 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2020, pp. 180-182, doi: 10.1109/ISSCC19947.2020.9062939.