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1、射频基础知识,射频基础知识,课程目标,1.熟悉射频基本概念.2.熟悉射频基本器件和架构.3.熟悉一般射频测试项.,2,课程目标1.熟悉射频基本概念.2,课程内容,第一章 射频基本概念第二章 射频基本器件和架构第三章 一般射频测试项,3,课程内容第一章 射频基本概念3,第一章,无线通信系统 无线通信使用的频率和波段 射频常用单位 射频常用概念,4,第一章 无线通信系统4,通信系统组成,5,5,10/9/2022,通信系统组成5510/9/2022,无线通信使用的频率和波段,无线电波波段划分,6,无线通信使用的频率和波段无线电波波段划分6,在一些欧、美、日等西方国家常常把部分微波波段分为L、S、C
2、、X、Ku、K、Ka等波段（或称子波段），,7,在一些欧、美、日等西方国家常常把部分微波7,功率单位简介,绝对功率的dB表示射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：,例如：1W等于30dBm，等于0dBW。,8,功率单位简介绝对功率的dB表示例如：1W等于30dBm，等于,功率单位简介,相对功率用dB表示射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。,9,功率单位简介相对功率用dB表示9,天线传播相关单
3、位简介,天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole 的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。,10,天线传播相关单位简介天线和天线增益10,噪声相关概念,噪声定义噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。,11,噪声相关概念噪声定义11,相位噪声,相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标，在时
4、域表现为信号过零点的抖动。理想的单音信号，在频域应为一脉冲，而实际的单音总有一定的频谱宽度，如下面所示。一般的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声。相位噪声在频域的可以这样定量描述：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内的功率与总信号功率相比。,12,相位噪声12,噪声相关概念,例如晶体的相位噪声可以这样描述：,13,噪声相关概念例如晶体的相位噪声可以这样描述：13,噪声系数,噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力，通常这样定义：单元输入信噪比除输出信噪比，如下图：,对于线性单元，不会产生信号与噪声的互调产物及信号的失真，这时噪声系数可以用下式表
5、示：,Pno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。,14,噪声系数对于线性单元，不会产生信号与噪声的互调产物Pno表,级联网络的噪声系数公式,15,级联网络的噪声系数公式15,线性相关,信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。,16,线性相关信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信,非线性幅度失真,非线性幅度失真常用1dB压缩点
6、、三阶交调、三阶截止点等指标衡量，下面分别讨论这三个指标。1dB压缩点例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。如下图：,17,非线性幅度失真17,1dB压缩点,18,1dB压缩点18,三阶交调,三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则
7、放大器的输出频谱大致如下：,三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比。,19,三阶交调三阶交调常用dBc表19,三阶截止点,任一微波单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力。,20,三阶截止点20,三阶截止点,21,三阶截止点21,传输线相关概念,特征阻抗解释：特征阻抗是微波传
8、输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。在做射频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时则会产生反射，造成失真和功率损失。反射系数(此处指电压反射系数)可以由下式计算得出：,22,传输线相关概念特征阻抗22,传输线相关概念,在目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，如军用的微波、毫米波通讯系统，雷达，我们目前开发的蜂窝通讯系统GSM、WCDMA等；另一种是75欧姆系统，这种系统相对比较少，如我们目前使用的有线电视系统。,23,传输线相关概念在目前世界
9、上的微波通讯系统一般分为两种特性阻,传输线相关概念,驻波比解释：驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：,由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是01，而驻波系数的取值范围是1正无穷大。射频很多接口的驻波系数指标规定小于2.0。驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是说负载和传输线的匹配效果比较差。所以在一个系统中，如果驻波比很差，可能会使信号传输效果变差，通道增益下降。一个比较典型的例子就是灵敏度问题。,24,传输线相关概念驻波比由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值,驻波比反映了天馈系统的匹配情况，以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量的比来衡量天线性能。驻波比
10、是由天馈系统的阻抗决定。天线的阻抗与馈线的阻抗、接收机的阻抗一致，驻波比就小。驻波比高的天馈系统，信号在馈线中的损失很大。它与反射损耗可以通过一个公式转换。,25,驻波比反映了天馈系统的匹配情况，以天线作为发射天线时发射出去,传输线相关概念,回波损耗回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为： 回波损耗20log（）由公式可以计算：回波损耗为26dB时，对应的反射系数为0.05，驻波比为1.1。由此也可以估计一下，驻波为2时的回波损耗是多少（9.5dB），也就可以理解
11、对于功放后级的驻波要求为何严格。,26,传输线相关概念回波损耗26,第二章 射频系统组成和常用射频器件,一般射频系统组成 常用射频器件,27,第二章 射频系统组成和常用射频器件 一般射频系统组成27,射频系统组成,射频工程师需要做的事情,射频系统组成射频工程师需要做的事情,常用射频器件,发射机和接收机低噪声放大器混频器锁相与频率合成技术高频功率放大器,29,常用射频器件发射机和接收机29,发射机和接收机,发射机射频部分：完成基带信号对载波的调制，并搬移到适当的频段上以一定功率发射。,接收机射频部分：选出有用信号，经放大后由解调器解调，把频带信号变为基带信号。,30,发射机和接收机调制器上变频带
12、通高频功率放大振荡器基带信号本,发射机与接收机射频部分设计的关键问题,合适的调制、解调方法接收机需要能够选出有用信号，并抑制干扰接收机的灵敏度线性动态范围高效率的 不失真的功率放大器发射信号对相邻信道干扰要尽可能小天线转换器的损耗要小，隔离度要高,31,发射机与接收机射频部分设计的关键问题31,接收机方案,超外差式接收机直接下变频方案数字中频方案,32,接收机方案32,超外差式接收机,超外差式接收机的结构框图,下变频器：混频，得到中频信号,为什么使用超外差接收机中频段更容易选择信道中频段更容易实现高增益放大器中频段的解调及A/D变换更容易,33,超外差式接收机超外差式接收机的结构框图小信号放大
13、器BPF,超外差式接收机,缺点：组合干扰频率点多,存在寄生通道干扰原因：变频器不是理想乘法器,措施：用变频器前端的滤波器BPF1滤除干扰频率信号,34,超外差式接收机缺点：组合干扰频率点多,存在寄生通道干扰措施,超外差式接收机,中频选择灵敏度：中频高，镜像频率远离有用信号，利于抑制镜像频率干扰。选择性：等Q值时，中频低则带宽窄，选择性好二次变频方案用于解决灵敏度和选择性的矛盾,35,超外差式接收机中频选择信道选择滤波器频带选择滤波器镜像抑,直接下变频方案,直接下变频（零中频方案）取中频为零，即本振频率等于载频。这样就不会存在镜像频率，也不存在镜像频率干扰的问题。数字通信的直接下变频方案原理框图
14、,36,直接下变频方案直接下变频（零中频方案）本振90o低通滤波器,直接下变频方案,零中频方案的优点：无镜频干扰射频部分电路模块少，易满足线性动态范围要求。不需要中频滤波器零中频方案的缺点：本振泄漏低噪声放大器偶次谐波失真干扰直流偏差噪声,37,直接下变频方案零中频方案的优点：37,直接下变频方案,直流偏差示意图,38,直接下变频方案直流偏差示意图38,数字中频方案,第一次混频后的信号经放大直接进行A/D变换，然后采用两个正交的数字正弦信号作本振，采用数字相乘和滤波后得到基带信号。,优点：处理灵活缺点：对A/D要求高：速度、分辨率(量化噪声)、动态范围、线性度,39,数字中频方案第一次混频后的
15、信号经放大直接进行A/D变换，然后,低噪声放大器(Low Noise Amplifier)的特点,位于接收机前端：噪声要小；要有一定的增益属于小信号放大器：要有足够好的线性范围，增益应该可以调节与天线或天线滤波器相连接：要有良好的匹配特性具有一定的选频功能：有效抑制带外干扰和镜像频率干扰,40,低噪声放大器(Low Noise Amplifier)的特点,混频器,混频：在本振信号参与下，将输入信号的频率或已调信号的载频变换为某一个固定的新频率，而保持调制类型和调制参数都不变，这样的频率变换过程称为混频。,41,混频器混频：在本振信号参与下，将输入信号的频率或已调信号的,混频器的性能指标,(1)
16、增益：输出中频信号大小与输入射频信号大小之比电压增益AV=VIF/VIN .AV越大，接收机灵敏度越高。 功率增益GP=PIF/PIN 由于端口特性阻抗不同，其dB值会与电压增义值不同。(2)噪声 混频器处于整个接收机的前端，它的噪声系数对整个接收机来讲是相当重要的。(3)线性范围 混频器对输入小信号而言，是线性网络，随着信号的增加会出现非线性失真。指标: 1dB压缩点 三阶互调截点 线性动态范围,42,混频器的性能指标42,混频器的性能指标,(4)失真由各种组合频率所形成的干扰，,最强的互调通道为三阶互调：,43,混频器的性能指标(4)失真最强的互调通道为三阶互调：43,混频器的性能指标,(
17、5)口间隔离 本振向射频泄漏：影响LNA工作，甚至通过天线辐射;射频向本振泄漏：强干扰信号影响本振，出现频率牵引;本振向中频泄漏：使中频放大器过载; (4)阻抗a.阻抗匹配射频口与其滤波器相匹配，特性阻抗一般为50W;中频口与中频滤波器相匹配，特性阻抗一般大于50W;(声表面波200W 陶瓷滤波器330W 晶体滤波器1kWb. 每个口对其他两个口的信号力求短路，以减少口间干扰。,44,混频器的性能指标(5)口间隔离 本振向射频泄漏：影响LNA,锁相环,45,锁相环45,频率合成,46,频率合成46,PA的主要技术指标,47,PA的主要技术指标47,PA的主要技术指标,48,PA的主要技术指标4
18、8,第三章 射频测试指标,49,第三章 射频测试指标49,无线发射接收机的性能指标,GSM系统的基本参数:1)频段：935-960MHz (基站发，下行) 890-915MHz (移动台发，上行) DCS1800:1805-1815 (BSMS) 1710-1720 (MSBS) DCS系统以GSM为工作平台，仅改变了无线工作频率，故称为GSM900/1800系统。2)频带宽度：25MHz3)载波间隔：200KHz4)信道总速率：270.83Kbit/s5)调制方式：GMSK(高斯最小频移键控)6)数据速率：2.4, 4.8, 9.6Kbps,50,无线发射接收机的性能指标GSM系统的基本参数
19、:50,无线发射接收机的性能指标,7)通信方式： TDMA/FDMA/FDD 25MHz频段分为125个频道(FDMA：Frequency Division Multiple Access频分多址)； 每个载波含8个时隙(TDMA：Time Division Multiple Access时分多址)； 一对双工载波各用一个时隙构成一个双向信道(FDD：Frequency Division Duplex 频分双工)。8)语音编码： RPE-LTP(规则脉冲激励长时预测编码) 。 速率13Kbps。 20ms分段，分别进行：线性预测分析、长周期预测、激励分析，分别得到36,36,188比特，共26
20、0比特。,51,无线发射接收机的性能指标7)通信方式：51,无线发射接收机的性能指标,9)信道编码： 182个差错敏感比特3奇偶校验比特4尾比特码率为1/2，约束长度为5的卷积码 (182+3+4)2=378bit 78个误差不敏感比特直接传输 总码率=378+78=456bit 为抗突发性干扰，还要进行交织处理，把40ms中的语音比特(2*456=912)组成8*114矩阵，按水平写入垂直读出的原则，获得8个114比特的信息段，占用一个时隙逐帧进行传输。收端按垂直写入水平读出的原则解交织(去交织)，恢复数据。,52,无线发射接收机的性能指标9)信道编码：52,无线发射接收机的性能指标,1 发
21、信机技术指标 （1）平均载频功率 （2）发信载频包络 （3）射频功率控制 （4）射频输出频谱 （5）杂散辐射 （6）互调衰减 （7）相位误差 （8）频率精度,53,无线发射接收机的性能指标1 发信机技术指标53,无线发射接收机的性能指标,2 接收机指标 （1）灵敏度 （2）阻塞和杂散响应抑制 （3）互调响应抑制 （4）邻道干扰抑制 （5）杂散辐射,54,无线发射接收机的性能指标2 接收机指标54,无线发射接收机的性能指标,3 系统指标分配与计算 对各功能单元电路的要求：（1）天线双工器的插入损耗必须小;（2）低噪声放大器必须具有很低的噪声、合适的增益、高的三阶互调截点及低的功耗;（3）混频器应有高的三阶互调截点及低的噪声;（4）频率合成器应有低的相位噪声、切换速度快;（5）滤波器的中心频率的热漂移要小、频率响应误差小.,55,无线发射接收机的性能指标3 系统指标分配与计算55,Thanks！,Thanks！,
