多年来，我们目睹了建构无线电介质的多次变化，技术也从电子管到晶体管，一直发展到单芯片电路。这些变化带来了各种可能性，但在无线电发展初期的先驱眼中，这些不过是白日梦，但欲与我们的日常生活紧密地联系在一起...
虽然许多人士都对早期的无线技术发展具有着杰出贡献，但Guglielmo Marconi却可称为其中的佼佼者。虽然他是以无线技术而闻名，但很多人对于他在19世纪末所创建的无线技术事业并不熟悉。在1900年代的前20年中，他建立了一项非常重要的事业，并促使无线世界走向了今日的方向。
图1：Guglielmo Marconi展示他的技术
虽然Marconi的商业化技术并不是最新的，而且技术的发展相当迅速，但是该技术已经够好了，因为他想到了办法，知道如何利用现有技术来创造一个新的产业。1900年代初，殖民主义走向终结，战争和灾难大规模爆发，甚至还有1912年4月皇家邮轮铁达尼号(RMS Titanic)沉没；值此世界大乱之际，Marconi着手部署了一个全球网络，以无线方式发送和转发信息。铁达尼号邮轮沉没后，无线技术在救援幸存者和传播事故新闻方面发挥了重要作用，提升了这一新兴技术的重要性。
公众和军方都意识到了无线技术的重要性，尤其是后来成为美国海军部长的Joseph Daniels。在美国及其他地区，像Daniels这样的领导者认为军方应将无线电国有化，以确保他们在战争期间能使用无线电。必须记住的是，在此期间，唯一可用的频谱是低于200kHz左右——至少有一段时间是朝着这个方向发展的，但在第一次世界大战(World War I；WWI)之后，政府对无线技术的控制减弱，不过，这是在形成政府特许垄断权并以此成立美国无线电公司(RCA)之后。
根据我们的推测，Marconi时代的无线电非常原始。发射器采用火花隙装置(后来才使用机械交流发电机)产生射频(RF)，但在接收端，系统完全是被动的，并由天线、谐振式LC调谐器和某种检波器组成。我们很快就会讨论这些检波器，但在当时，它们可能是机械式的，或者可能是化学式或有机式的。其中一些系统是透过电池为它们进行简单的偏置，但不提供任何电路增益。这些系统的输出可提供至某种头戴式耳机，以将讯号转换成音频——这种音频总是非常微弱，不过是简单的咔哒声或嗡嗡声。
因为这些系统未在接收端提供增益，所以其有效范围取决于发射功率的大小、接收器的质量、操作员在调整方面的经验，当然还有大气条件。Marconi意识到，在可合理预测有效范围的情况下，可以建立一个基地台网站，在大洲和大洋之间可靠地传递信息。其中还包括在陆上和海上安装设备。Marconi开始在全球各地和海上安装无线电台，包括在客船和货船上。透过在航海船只上安装无线电系统，他不仅使这些船只能与其在岸上的商业利益相关者进行沟通，而且还能在必要的地方提供中继和冗余，从而使Marconi填补了其网络中的关键空白。
Marconi所拥有的一项技术是早期的真空管。真空管公认的发明者John Ambrose Fleming曾为Marconi Corporation工作，但Fleming和Marconi当时分析认为，他们现有的技术足以检测无线电讯号。此外，他们认为他的发现虽有好处，但尚不值得为阀管运作投入额外的资金或电池。Marconi已经拥有了数种讯号检测技术，与阀管不同，这些技术不需要高功率来运行灯丝和加热板，因此，他们在一开始时即放弃了这种技术。
图2：首批Fleming管原型
然而，所谓的无线电之父(Father of Radio)——Lee de Forest捡回了这项技术，并实现其巨大的潜力。透过在灯丝和加热板之间插入帘闸极，让他不仅可以整流讯号，还能控制加热板中的电流量，从而实现了放大。尽管有证据表明，他并不理解其三极管的工作原理，但他确实意识到了其巨大的潜力，并尽力发挥这一发明的优势，不但将其作为一项技术，同时也作为与Marconi发明类似的一种增值服务。透过建立各种企业，de Forest尝试制造和销售其真空管，并建立了与Marconi类似的无线网络。然而，这些企业注定要失败，这并不是因为技术不好，而是因为de Forest的商业伙伴往往不够诚实，而且常常让他独自为别人的错误承担责任。最后，de Forest不得不卖掉自己发明的权利，让其他人享受该发明带来的利润。
图3：第一个de Forest音讯三极管
Edwin Armstrong是早期率先体认到真空管各种可能性的其中一人。当他还在念高中的时候，家里一位朋友就送了一个de Forest三极管给他。Armstrong不仅建立了无线技术专家的声誉，还在家里创建了自己的无线电台，他很快地想到办法，知道如何利用该装置开发出更好的接收器。在大学期间，他继续开发这项技术，并开发出了再生式接收器，相较于当时所有无线电台采用的被动系统，该接收器具有卓越的性能。
David Sarnoff是American Marconi Corporation (AMC)的资深人员。与Marconi本人长期建立了合作关系，其专注的敬业精神，使他在公司快速崛起。刚开始时，Sarnoff的工作只是在AMC跑跑腿，后来在Marconi一次访美行程中两人偶遇。Sarnoff让Marconi留下了深刻的印象，因而协助让他管理公司的发展，最终，Sarnoff先后成为AMC和RCA的高阶领导者。在参观纽约工程实验室时，他还偶然遇到了Armstrong。Armstrong渊博的无线技术知识及其再生式接收器的强大功能让Sarnoff获益颐浅，二人便建立起了长期的专业合作关系和个人关系。
第一次世界大战爆发时，Armstrong感到责任的召唤而应征入伍。但当时，他已经享有无线技术专家的声誉，因而没有被派往作战岗位，而是被派往法国，为各地的作战军种检修和安装无线电台。他的职责使他能使用设备、实验室和各种技术，还能附带地继续从事研究活动。在1918年初的一次空袭中，他得到了一系列的新发现，使他合成了超外差接收器。整个1918年，他全力发展自己的概念，到11月时，他与一群亲密的朋友会面，展示了超外差无线电的原型。朋友们为之印象深刻，因而敦促他继续开发。到1918年底，战争行将结束，在返回美国之前，Armstrong于1918年12月30日申请了法国专利。回到美国后，他经过了几周时间才从一场疾病中恢复过来，使他推迟了提交美国专利申请。一直到1919年2月8日，才为超外差接收器申请了美国专利。
虽然Marconi在无线技术愿景方面只关注两方电报承载的商业信息，Sarnoff的愿景则更广阔得多——将讯号发给多方。刚开始时，Sarnoff的愿景并未得到广泛认同，但其他人最终意识到，这项新技术提供了一种方法，借助该方法可以轻松实现新闻和娱乐节目的远距离传送，包括传送到美国的农村地区。为了推动实现这一愿景，Sarnoff和他的团队想到一个办法，准备于1921年7月2日广播Dempsey与Carpentier的拳击比赛，而最后此次广播活动的成功，也使其他人看到了今日我们所熟知之广播无线电的巨大潜力。
然而，当时的真正挑战是技术性的。早期的收音机很难使用，并且功能不佳。Armstrong、Sarnoff和RCA的故事便是从这里延续下去。透过之前发展的关系和RCA获得的专利，包括超外差接收器专利，无线电技术已经大幅地获得了简化，而能实现可携、人人都可轻松使用。当从技术面的角度来看，超外差架构是这一成就的关键，时至今日，也是如此。
图4：Edwin Armstrong和妻子Marion带着第一台可携式收音机度蜜月
检波器
无线电必须透过某种方式，产生承载着有意义的信息的输出讯号。在早期，这就是在接收环形天线中产生的共振火花。人们很快就意识到，需要用一种更敏感的方式，将辐射能转换成有意义的讯号。早期的技术存在着很大的局限性，期通常利用了多种属性，包括化学、机械和电气等。
最开始时，使用的首批检波器中有一款被称为金属屑检波器，这款检波器是以一个名叫 Édouard Branly的法国人的发现为基础开发的。该金属屑检波器由两块金属板构成，金属板之间的间距很小，同时注入一定份量的金属粉。当RF讯号到达金属板时，金属粉会吸附到金属板上，使电路闭合。这种方式对检波非常有效，但是，一旦RF讯号撤离，金属粉会继续吸附在金属板上。为解决这个问题，安排了某种敲击器，用于敲击装置侧面，强制去除金属板上的金属粉。由于这个原因，这种原始检波器虽然有效，但使用起来却非常笨重。尽管如此，到了1907年，人们还在使用这种检波器。
图5：金属屑检波器
图6：金属屑接收器原理图
而另一种更实用的解决方案是电解检波器。这种装置由浸入硫酸或硝酸溶液的一条超细铂丝组成。透过电池将该电路偏置到电解点，会在铂丝表面上形成气泡，使电流下降。如果RF电流耦合到该电路中，它将调变电解点并使电流随耦合RF讯号的强弱变化。这项技术由Fessenden开发，1903年至1913年间被人们广泛使用。de Forest基于这种技术开发了一种变体，被称为应答器(responder)，这是由浸入过氧化铅溶液中的两块金属板所构成。
图7：电解检波器
图8：电解无线电接收器
Marconi更喜欢被称为磁检波器的另一种方案。这些装置被用户亲切地称为‘Maggie’。它们的工作原理是，形成一个无端钢丝环，使钢丝环呈圆形旋转的同时借助永磁体使其磁化。钢丝磁化部份透过与天线相连的线圈。该线圈中的RF场根据存在的接收讯号电平对钢丝去磁。然后，透过另一个线圈拾取钢丝磁场的变化，该线圈连接到耳机，耳机负责提供听得见的RF讯号。直到1912年，所有Marconi装置都使用这种方案，包括铁达尼号上的装置。
图9：像Marconi那样使用的磁检波器
图10：磁检波器无线电原理图
另一类常见的检波器是晶体检波器，一直流行到1925年。这类流行组件通常被称为晶须(cat whisker)，基本上这是由各类矿物制成的早期半导体结。典型的矿物包括方铅矿(PbS)、黄铁矿(FeS2)、辉钼矿(MoS2)和碳化硅(SiC)。在金属杯制作这些岩石的小样，透过细线在岩石上形成点接触。可以移动该点接触，放在岩石的各个位置，以发现最佳工作点。当今的市场上仍有晶体收音机销售；电路与100年前的电路完全相同，只是半导体二极管制成品取代了晶须。晶体检波器的一个优点，是这些装置提供更多的线性检波，这在AM广播发展之初变得非常重要。这使语音通讯成为可能，而早期的传输仅由摩斯(Morse)电码发送。
图11：方铅矿晶须检波器
图12：典型晶体管收音机原理图
另一类检波器是由一名为Marconi工作的工程师在1904年构建的。John Ambrose Fleming发现，透过在爱迪生(Edison)白炽灯泡上添加一块板，就形成了一个通常被称为整流器或整流阀的装置。Marconi和Ambrose认为，他们现有的检波方案(通常为‘Maggie’)的效果优于Fleming整流阀，于是，他们暂时停止寻找更好方案的努力，直到1912年之后才重启此项工作。然而，包括de Forest在内的其他人却看到了该方案的直接价值，他们在Fleming和Marconi的基础上继续探索，在灯丝与加热板之间添加了一个帘闸极。这项工作成功的申请了专利，并于1906年正式发表。虽然de Forest意识到他的发明对改进收音机的价值，但他无法利用这一点，部分是因为商业伙伴的不端行为，部份是因为针对其专利的各种侵权案件。
像de Forest和Armstrong这些无线电技术早期的先驱们都明白一个关键点：他们的成功离不开坚固可靠的检波器；早期时，这主要靠无线电报员，他们的技术实力和听力使其成为可能。然而，随着产业的发展，其他方面的重要性也逐渐突显，例如线性度、带宽等。
1912年，为了解决这些问题，de Forest想出了再生方案以及这种技术可能为接收器带来哪些好处。几乎在同一时间，Armstrong取得了类似的发现，他指出，如果从加热电路把能量耦合回帘调谐器，当放大器响应在自由振荡之前达到峰值时会产生明显的放大效果。这些发现引发了一场长达数十年的专利纠纷，因为每位发明家都声称首先问世的，是自己的发明。
无论如何，再生式接收器的关键优势，在于除了取得非常高的增益水平之外，接收器还有助于将输出连接到扬声器，而不是像之前那样，连接到音讯输出很弱的小型耳机上。Armstrong指出，透过此种安排，他可以从纽约实验室轻松复制Marconi在爱尔兰的装置，而Marconi通常需要一个中继站来实现跨大西洋的覆盖。得到满意结果后，Armstrong邀请Sarnoff来到实验室，分享他的发现。借助再生设置，他们整个晚上都在接收远程无线电讯号，并轻松地接收到了来自西海岸和太平洋的讯号。这是检波器技术的一次重大提升。再生式接收器面临的最大挑战是调整回馈以确保正常运行；即使是经验丰富的电报员也很难做得好。随着再生式和超再生式无线电的早期型号被投入生产，这一挑战变得非常明显，因为需要在无线电技术普及之前找到解决办法。
第一次世界大战最终迫使美国参战，Armstrong在法国领受任务，负责在现场安装无线电装置。这使他有机会继续研究工作；1918年2月，与法国和英国的同事合作之后，他提出了超外差架构。最终，这种架构解决了许多问题，无需像超再生等以前的架构那样进行繁琐的调整，而且不会牺牲性能。
整个1918年，Armstrong继续开发超外差架构，解决了再生和超再生接收器面临的许多难题。这一项发展实现了简单易用的无线电，与目前的量产型无线电一致。虽然超外差接收器不是严格意义上的检波器，但它具有增益功能和额外的选项，提供固定IF，不受被监控RF频率影响，有助于提高检波性能和一致性。这样就可以优化检波器，无需担心所需RF频率会导致性能下降，而这正是早期无线电面临的一个巨大挑战，并且继续挑战着今天的无线电设计师，只是频率要高得多而已。即使我们已经继续探索ZIF、直接RF采样等新型架构，但挑战仍然存在。
图13：超外差专利数据
这些优势巩固了外差架构的重要性，并且目前仍在持续。虽然实施技术已从电子管走向晶体管，并且再走向了集成电路，但是该架构仍然是许多现代系统的关键。
除了技术类型的转变以外，无线电架构几乎未发生变化，直到1970年代，通用型DSP和FPGA的出现才改变了这种状况。检波器的功能从线性检波器组件(如二极管、鉴频器和PLL)转向模拟数字转换器，然后是数字讯号处理，而这为旧技术无法实现的许多功能创造了条件。虽然数据转换器加DSP确实能执行传统的AM和FM5解调，但运用数字处理技术可以实现广泛用于数字电视的复杂数字解调，比如美国的HD Radio以及欧洲和世界其他地区的DAB。
在早期的数字系统中，通常会透过I/Q解调器把中频(IF)级转换为基频讯号，然后以双低频ADC进行数字化，如图14所示。这些早期的ADC带宽相对较低，因此无线电通常是窄频系统。虽然这些系统可用于低带宽系统，但它们存在正交失配问题，结果会导致镜像抑制问题，必须透过模拟和后来的数字技术进行校正。由于早期系统没有高度整合，因此难以在I/Q之间保持平衡，结果导致镜像误差(正交)。由于必须仔细考虑时间和温度的变化，问题非常复杂。即使在高度整合的系统中，如果不采用某种校正算法，I/Q平衡通常限制在40dB，或者镜像抑制效果会变差。
图14：双通道转换基频采样
到1990年代中期时，转换器技术开始得到充份改进，而得以运用IF采样取代基频I/Q采样。这有几个好处。首先，可以省去解调器和基频转换器对，并用单个ADC代替，从而节省功耗和电路板空间。更重要的是，可以消除与模拟I/Q抽取相关的误差。当然，DSP处理仍然需要复杂资料，但可以透过使用类似ADI AD6624等数字下变频器(DDC)轻松抽取数据，这些数字下变频器可提供完美的正交性能，不随时间或温度漂移。
最初这些IF采样转换器均为窄频，但到了90年代后期，宽带IF采样转换器开始上市，包括AD9042、AD6645等组件。这些新组件可以采样高达200 MHz的IF频率，并提供高达35MHz的讯号带宽。结果变得非常有意思，许多高性能接收器开始采用IF采样以简化无线电设计并提高性能。该技术的诸多优点之一，是一条接收器讯号路径可以处理多个RF载波。这样就可以用一个无线电取代多个模拟窄频无线电，大幅降低许多电讯应用的拥有成本。
处理多个独立(或从属) RF讯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。可以在数字数据流中轻松分出各个RF载波，并根据需要对其进行独立处理。可以使用唯一的信息对每个讯号进行不同的调制，也可以扩展讯号带宽以增加数据吞吐量。包括ADRF6612和ADRF6655在内的整合式混频器技术继续推动着IF采样外差无线电的发展，可与AD9684和AD9694等新型IF采样转换器相结合，实现高度整合的低成本解决方案。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，还可以透过数字手段抽取I/Q分量。
图15：典型的IF采样架构
Armstrong的7号专利称：「众所周知，随着接收讯号强度的降低，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，无法接收到讯号。」 Armstrong声称，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，来将无线电的有效性扩展到更高频率，提高整体性能。
在三极管、再生管等早期工作的基础上，Armstrong意识到，可以转换输入频率，使其与现有检波器配合使用时能更高效地工作。另外，可以应用增益，以同时增加RF讯号电平和提供给用户的音频讯号位准。
图16所示为该专利的示意图之一，「详细说明了如何透过调谐放大器系统，利用[Armstrong的]方法，其中，21是输入振荡(讯号)的来源，真空管整流系统22-23-25转换输入讯号和独立外差器件24 (本振)的组合振荡。电路26-27被调谐到两个振荡的转换组合(目标混频器乘积)。多管高频放大器28放大由真空管系统29进行外差处理并检波的所得能量，由电话30指示。」透过使用这种方法，Armstrong得以取得RF能量并将频率转换为可以轻松有效地检波的频率，同时提供充份的放大，使音讯位准达到令人舒适的水平。在专利中，他继续指出，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回馈导致振荡——这个问题长期困扰着再生接收器等早期无线电架构。
图16：Armstrong的超外差示意图
以下两个图有助于我们能更清楚地比较电子管技术与现代实施方案，同时向我们展示了现代设计与100年前提出的原始设计有多相似之处：
图17：电子管与现代超外差设计
图17对两个电路进行了并排比较。根据Armstrong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，将目标讯号与LO的混频组合起来。Armstrong暗示，10MHz (如图18所示)为RF，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RF放大器，用于实现低噪声和高灵敏度，如低位讯号链所示。这些组件通常采用的是低噪声FET设计，而其针对操作频率范围进行了优化。Armstrong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RF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。
图18：(a) 管式前端，(b) 前端
他暗示，该输RF讯号可以与大约10.1MHz的LO组合，在第一级产生0.1MHz的新单音。我们认为，这是典型混频器的和差积，如图19所示。在图18的管示意图中，LO直接耦合到输入电路中，其中，电子管的非线性行为导致了这些积。这种原创设计所带来的一个挑战，是LO会因直接耦合到天线而发生意外辐射。现代设计发生这种辐射的可能性很低，不过也不是完全不可能，因为如图19所示，LO被耦合到透过前端放大器与输入隔离的混频器中。Armstrong提出的一个改善方案，是除了检波器以外，利用从板到闸极电路的回馈，也可以将放大器1作为本振，就像他和de Forest用再生式接收器所做的。如此，将可形成精小的前端功能。在今天的电路中，混频器、本振以及RF和IF放大器通常包含在单个IC中，这些组件被广泛用于从消费性需求到工业需求的众多不同应用之中。
图19：IF放大器级
对于电子管和单芯片前端，混频过程会产生RF与LO的和与差。在Armstrong的案例中，这意味着0.1MHz和20.1MHz。此外，通常也会将RF和LO泄漏到输出端。必须滤除混频器形成的、不必要项，以便接收目标讯号。由于检波器的带宽有限，所以，Armstrong专注于差项，即100kHz。除了他所包含的谐振LC结构之外，他的2级IF放大器很可能还能对其他项进行一些滤波处理。现代IF放大器也将包括某类IF滤波器。图19所示为基本LC滤波器，但通常要采用某种形式的高Q滤波器。窄频无线电通常在IF级中使用石英或陶瓷滤波器；更宽的频段设计通常根据需要运用SAW或BAW。通常，这种滤波器被称为修平滤波器，用于保护后续级免受强带外讯号的影响。
藉由经过良好滤波的强大IF讯号，Armstrong现在可以轻松检测到曾经处于其检波器带宽之外的微弱RF讯号。现在，在IF下，这些讯号能轻松匹配检波器的功能。在采用电子管的情况下，这些讯号被整流，然后放大，因此可以直接驱动扬声器，至少对于调幅讯号是这样的。在现代接收器中，模拟数字转换器对模拟IF采样并产生数字等效讯号，然后以数字方式进行处理(包括解调)。在音频应用的情况下，该讯号可以透过数字模拟转换器转换回模拟讯号，以便在必要时驱动扬声器。
图20：检波器
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。值得注意的是，现代设计要小得多，并且功率需求大大降低。虽然可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。而在许多情况下，这同时包括了接收器和发射器。
由于单芯片无线电通常采用模拟数字转换器和数字模拟转换器，因此借助这些无线电很容易实现复杂的调变。管式无线电历来局限于基本调变类型，例如AM和FM。当将数据转换器添加到无线电中时，单芯片无线电通常就是这样做的，而能透过数字技术引入新的调变形式，包括展频和OFMD，它们是我们每天都离不开的大多数现代通讯的核心(数字电视、高解析无线电、DAB、手机)。
随着无线电技术的继续演进，更多进步将会陆续出现，而可能带来目前无法实现的无线电架构或功能。今天，我们拥有高度整合的IF采样超外差架构和零IF架构。初露端倪的其他架构包括直接RF采样架构，在这一架构下，讯号被直接转换为数字讯号且无需模拟下变频。随着无线电技术的继续演进，可用选项的数量将会增加。然而，某种形式的外差架构可能会在未来一段时间内与我们相随。
在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。多年来，我们目睹了用于构建无线电的介质的多次变化，我们看到，技术从电子管到晶体管，一直发展到单芯片电路。这些变化带来了各种可能性，在无线电发展初期的先驱眼中，这些不过是白日梦，但我们的日常生活却与这些可能性紧密地联系在一起。
使这成为可能的关键因素之一，是透过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提升，带来了我们的互连世界，这正也在改变着我们的日常生活和现代社会的结构。令人兴奋的是，这项核心技术正不断发展着，其将继续带来当今可能尚不为人所知的新型无线解决方案。就如同阿Armstrong和Levy的发明为过去100年带来巨大潜力一般，在接下来的100年中，下一代无线技术定将当仁不让，造就无限可能。
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