射频系统中：中频的优势

在之前的文章当中，我们已经从两个频段的角度讨论了射频信号：基带和射频频带。这种方法提供了一个直接的概念框架，其中射频电路本质上是一种将低频信息信号转换为高频发射信号，或将高频接收信号转换为低频信息信号的手段。这个思想并不错误，到目前为止学到的知识对于除了基带和射频信号外还具有“中频”信号的系统来说是完全相关的。

“IF”是什么？

缩写“IF”指的是中频，或者更广泛地说，是指基于中频的技术。顾名思义，中频位于基带频率和载波频率之间。中频电路可以集成到发射机和接收机中，但中频技术的优势与接收机更为相关。我们将在射频接收机设计的背景下讨论中频，但值得注意的是，这些有益的特性同样适用于发射机。

也许你听说过“外差式”或“超外差式”。这些术语指的是结合了中频的射频接收机。中频技术是在二十世纪上半叶发展起来的，现在基于中频的系统非常普遍。

多个载波，一个中频

中频的一个更为直观的优势在于，它允许设计一款接收机，其中更多的电路可以针对一个不变的频段进行设计。到目前为止，我们假设接收机可以针对一个不变的发射机频率进行设计，但任何使用过车载收音机的人都应该明白，这远非现实情况。事实上，射频接收机最熟悉的特点之一是，它只能向用户传递来自一个电台（对于广播）或一个频道（对于电视）的信息——换句话说，它可以针对不同的载波频率进行调整，这种调整过程使其能够选择其中一个传输信号并忽略所有其他信号。

如果可调谐接收机不使用中频，则所有高频电路都必须与可能的全载波频率范围兼容；这是不理想的，因为针对较小信号频率范围优化的射频元件和电路设计更为简单。此外，调整需要多个旋钮，因为需要根据所选频率调整多个子电路。异频接收机首先将接收到的频谱下移至以中频为中心的频段，然后剩余电路针对此频率范围进行优化。

高频处理

基于中频的接收机架构的另一个直观优势是，减少了必须在接收信号的高频——有时是非常高频——下工作的组件数量。随着频率攀升到GHz范围，一切都变得更加困难：晶体管的增益减少，无源组件与其理想化的低频模型之间的差异越来越大，传输线效应变得更为显著。

当然，我们始终需要至少几个与接收载波频率兼容的组件：我们需要一个混频器来执行从射频到中频的转换，并且混频器之前可能有一个低噪声放大器和镜像抑制滤波器。但是，中频方法允许我们仅在射频带中执行最必要的处理。

Q值

在所有类型的射频系统中，滤波都是一个普遍要求，但有些情况对滤波电路提出了特别高的要求。考虑以下场景：一个接收机必须从窄带射频信号中提取信息，而这些信号伴随着与所需信号频谱边缘频率相近的强干扰信号。

一个Q值不够的带通滤波器可能无法抑制干扰信号

带通滤波器用于抑制这些干扰信号，防止它们破坏解调后的数据；然而，在这些情况下设计一个有效的带通滤波器并不容易。

问题在于Q值，它对应于带通滤波器的选择性。举例来说：

高频与窄带的组合需要非常高的Q值，最终我们会达到一个临界点，此时设计一个具有足够选择性的带通滤波器变得不可行。带通滤波器的Q因子定义如下：

因此，我们可以看出，降低所需Q值的一个直接方法就是将中心频率降低，而中频技术正好可以实现这一点。信号的频谱宽度不会改变，但中心频率会向下移至中频。

简而言之，通过使用中频技术，我们可以在不改变信号频谱宽度的情况下，将中心频率降低到较低的频率，从而降低对高Q值带通滤波器的需求。

正交解调

正交解调是现代射频系统中的重要技术。控制正交解调和I/Q信号处理的数学关系总是假设存在完美的90°相位差。但在现实中，完美并不容易实现，正交电路也不例外。I和Q通道之间的幅度不匹配以及偏离理想90°相位差的偏差，会导致解调数据的错误。

这可能看起来是正交调制的一般问题；那么它与中频接收机有何关联？事实证明，这些误差源在非中频架构中更为突出，因为I/Q分离发生在更高频率，并且需要更多的分离后放大和滤波组件。

为什么不直接转换为基带？

如果中频接收机必须包含高频电路来执行从射频到中频的频率转换，那么为什么不直接使用基带频率，而不是中频呢？

一种将信号降至基带而不是中频的接收机被称为零中频架构。那么在现代射频系统的语境下，传统中频的优势是否仍然足以让我们选择中频而非直接转换的方法呢？这个问题的答案相当复杂，下次再谈。

总结

许多射频系统都包含一个低于载波频率且高于基带频率的中频（IF）。基于中频的接收机被称为异频接收机。

使用中频简化了可调接收机的设计，并减少了必须与高频兼容的组件数量。

中频架构简化了带通滤波器的设计，因为中心频率的降低导致了Q因子要求的降低。

基于中频的系统允许实现更稳健的正交解调。