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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,射频基础知识培训,1,课程目标,熟悉和掌握射频基本概念和知识,了解无线射频系统结构,了解天馈系统的概念和知识,学习完本课程，您将能够：,2,课程内容,第一章 无线通信的基本概念,第二章 射频常用计算单位简介,第三章 射频常用概念辨析,第四章 射频系统介绍,第五章 天线传播基础知识简介,3,第一章 无线通信的基本概念,第一节 概述,第二节 无线通信使用的频率和波段,第三节 无线通信的电磁波传播,4,概述,利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式称之为无线电通信（Wireless Communication），也称之为无线通信。利用无线通信可以传送电报、电话、传真、数据、图像以及广播和电视节目等通信业务。,5,第一章 无线通信的基本概念,第一节 概述,第二节 无线通信使用的频段和波段,第三节 无线通信的电磁波传播,6,无线通信使用的频段和波段,目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段（包括亚毫米波以下），以至光波。无线通信使用的频率范围和波段见下表。,7,无线通信使用的频段和波段,无线通信使用的电磁波的频率范围和波段,8,无线通信使用的频段和波段,无线通信使用的电磁波的频率范围和波段（续）,由于种种原因，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、X、Ku、K、Ka等波段（或称子波段），具体,如表1 - 2所示。,9,无线通信使用的频段和波段,无线通信中所使用的部分微波波段的名称,10,第一章 无线通信的基本概念,第一节 概述,第二节 无线通信使用的频段和波段,第三节 无线通信的电磁波传播,11,无线通信的电磁波传输,无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点，下面按波长分述如下：,极长波（极低频,ELF,）传播,极长波是指波长为110万公里（频率为330Hz）的电磁波。理论研究表明，这一波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小。,12,无线通信的电磁波传输,超长波（超低频SLF）传播,超长波是指波长1千公里至1万公里（频率为30300Hz）的电磁波。这一波段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为75Hz时衰耗系数为0.3dB/m）对海水穿透能力很强，可深达100m以上。,甚长波（甚低频VLF）传播,甚长波是指波长10公里100公里（频率为330kHz）的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为1030kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球,。,13,无线通信的电磁波传输,长波（低频LF）传播,长波是指波长1公里10公里（频率为30300kHz）的电磁波。其可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。,中波（中频MF）传播,中波是指波长100米1000米（频率为3003000kHz）的电磁波。中波可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关。,14,无线通信的电磁波传输,短波（高频HF）传播,短波是指波长为10米100米（频率为330MHz）的电磁波。短波可沿地表面传播（地波），沿空间以直接或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波）。,超短波（甚高频VHF）传播,超短波是指波长为1米10米（频率为30300MHz）的电磁波。超短波难以靠地波和天波传播，而主要以直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。,15,无线通信的电磁波传播,微波传播,微波是指波长小于1米（频率高于300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波（特高频UHF）、厘米波（超高频SHF）、毫米波（极高频EHF）和亚毫米波（至高频THF）。,微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。利用这种散射作用可实现微波的超视距传播,。,WCDMA工作频段：上行19201980MHz，下行21102170MHz，属于微波波段，其电磁波传播方式为微波传播。,16,本章小结,本章主要讲述了无线通信的概念、无线通信的频段和波动的划分以及无线通信的电磁波传播方式及其特点，最后简要说明了WCDMA的工作频段和电磁波传播方式。,17,课程内容,第一章 无线通信的基本概念,第二章 射频常用计算单位简介,第三章 射频常用概念辨析,第四章 射频系统介绍,第五章 天线传播基础知识简介,18,第二章 射频常用计算单位简介,第一节 功率单位简介,第二节 天线传播相关单位简介,第三节 其他,19,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。,20,功率单位简介,相对功率的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。,21,第二章 射频常用计算单位简介,第一节 功率单位简介,第二节 天线传播相关单位简介,第三节 其他,22,天线传播相关单位简介,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。,23,第二章 射频常用计算单位简介,第一节 功率单位简介,第二节 天线传播相关单位简介,第三节 其他,24,其他,电阻：,阻挡电流通过的物体或物质，从而把电能转化为热能或其它形式的能量，单位：欧姆，,电压：,电位或电位差，单位：伏特，,V,电流：,单位时间内通过电路上某一确定点的电荷数，单位：安培，,A,电感：,线圈环绕着的东西，通常是导线，由于电磁感应的原因，线圈可产生电动势能，单位：亨利，,H,电容：,一个充电的绝缘导电物体潜在具有的最大电荷率,，单位：法拉，F,25,本章小结,本章简单介绍了各种射频常用计算单位，是深入地理解射频概念的必备基础知识之一。,26,课程内容,第一章 无线通信的基本概念,第二章 射频常用计算单位简介,第三章 射频常用概念辨析,第四章 射频系统介绍,第五章 天线传播基础知识简介,27,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,28,功率相关概念,信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR,解释：很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%。,29,功率相关概念,30,功率相关概念,信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR,解释：平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如PAR=9.%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。,在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子。,31,功率相关概念,32,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,33,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地球大气层外银河系产生的噪声、大气干扰和电暴、人为噪声，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。,34,噪声相关概念,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。,35,噪声相关概念,例如晶体的相位噪声可以这样描述：,36,噪声相关概念,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示：,NF = Pno/(G*KTB),Pno表示输出端的噪声功率，G为单元增益,KTB为热噪声功率。,37,噪声相关概念,级联网络的噪声系数公式：,38,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,39,线性相关概念,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。,40,线性相关概念,线性失真,线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真,，从频域可以很方便表示这些失真，如下图：,幅频特性,相频特性,41,线性相关概念,非线性失真,非线性失真与线性失真相似，可以分成非线性幅度失真和非线性相位失真，图形表示如下：,42,线性相关概念,非线性幅度失真,非线性幅度失真常用1dB压缩点、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,：,43,线性相关概念,44,线性相关概念,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。,45,线性相关概念,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。,46,线性相关概念,47,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,48,传输线相关概念,传输线,从电子学概念上来说能够传输电磁能量的线路都叫传输线，在射频和微波频段由于信号波长很短，传输线的长度可以和波长相比拟，线上各点的电压和电流都不再相同，整个传输线也不再是等效电路中的一点，这个意义上的传输线叫长线，如无特殊说明射频和微波信号的传输线都是指长线传输线。常见的射频传输线有平行线、同轴线、波导、带状线、微带线等不同形式。特性阻抗和传播常数是任何微波传输线的最主要两个参量。,49,传输线相关概念,特征阻抗,解释：特征阻抗是微波传输线的固有特性，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：,50,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。,51,传播常数,传播常数,g=,a+,j,b,表示行波每经过单位长度振幅和相位的变化。,a,为衰减常数，单位为奈培,/,米（,Np/m,）或分贝,/,米（,dB/m,），表示每经过单位长度行波振幅衰减,e,a,倍。,b,为相移常数，单位为径,/,米（,rad/m,），表示每经过单位长度相位滞后的弧度数。,对于有耗传输线,g,，,对于均匀无耗传输线，,R0=0,，,G0=0,，,其衰减常数,a a,0,相移常数,b,表明在传输过程中振幅不衰减，相位按线性关系滞后。,传输线相关概念,52,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。,行波系数,K,解释：行波系数与驻波比互为倒数，反映反射波的大小。,53,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），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。,54,相互,关系表,传输线相关概念,55,信号在传输线上的传播状态,信号在传输线上的传播可以分为三种状态：,（,1,）行波状态。产生行波的条件是,ZL=Z0,，其特征是线上无反射，,L=0,。,（,2,）纯驻波状态。产生纯驻波的条件是,ZL=0,或,ZL=,，表现为线上信号全反射，,L=-1,或,L=1,。,（,3,）当负载阻抗介于上述两种条件之间时，传输线上既有行波也有驻波，这种状态称为行驻波状态，这是最为普遍的传输状态。,传输线相关概念,56,传输线的损耗,介质损耗。当电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格来回碰撞，而产生热损耗。为了减少这部分的损耗，应选择性能优良的介质。,导体损耗。传输线均具有有限的电导率，电流流过时必然引起热损耗。在高频情况下，趋肤效应减少了导体的有效截面积，增加了导体损耗。,辐射损耗。例如由微带线场结构的半开放性所引起。,传输线相关概念,57,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,58,下行通道射频指标,邻道泄漏（ACLR）,邻道泄漏指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：,射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，,领道泄漏必须尽可能的小，WCDMA的要求是：第一邻道（偏离载频5MHz）的ACLR45dBC ；第二邻道（偏离载频10MHz）的ACLR 50dBC 。,59,下行通道射频指标,频谱发射,模板,对于WCDMA而言，频谱发射模板用于限制偏离发射载波中心频率2.5MHz12.5MHz频段内的杂散发射功率，下面以WCDMA协议,3,GPP TS 25.141 V3.6.0 (2001-06),中规定的NodeB发射机的频谱发射模板指标要求为例来说明：,60,下行通道射频指标,61,下行通道射频指标,杂散辐射,杂散辐射是指发信机在频谱发射模板规定的频率范围之外的频段内发射的、信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。这些杂散辐射都会对其他的无线通信系统造成干扰，对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统（如GSM）共存，当然这也保证了系统自身的正常运行，,下面以WCDMA协议,3,GPP TS 25.141 V3.6.0 (2001-06),中规定的NodeB发射机的杂散辐射模板指标要求之一为例来说明：,62,下行通道射频指标,63,下行通道射频指标,64,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,65,上行通道射频指标,接收灵敏度,用功率表示Smin=10,log（,KTB）+ Ft +（S/N），单位：dBm,K是波尔兹曼常数，单位：J/K(焦耳/K),T表示绝对温度，单位：K,B表示信号带宽，单位：Hz,Ft表示系统的噪声系数，单位：dB,（S/N）表示解调所需信噪比，单位：dB,当B1Hz时，10,log（,KTB）-174dBm/Hz,66,上行通道射频指标,杂散响应,杂散响应也称为寄生响应、寄生灵敏度。无线环境中存在多干扰信号，这些信号本身可以被系统滤波器虑掉，但是由于现在系统采用的接收机大都是超外差接收机，接收机接收到的能够与本振组合产生中频的信号很多，这样的中频信号和系统接收的中频信号是同一频率，系统的后级中频滤波器是无法虑掉这些干扰的。其中除主接收信号外的其他频点称为寄生波道，该频点产生的响应称为寄生响应。,左式中，当m=n=1，假设取负号时，fr为所要信号，则m、n的其他组合所得到的fr为寄生波道。,67,上行通道射频指标,杂散响应的对系统的影响表现为：虽然系统工作的频带内没有任何干扰频率，但系统的灵敏度就是变差。这一方面是由于系统本身的抗杂散响应能力不够；另一方面是由于环境的带外干扰太强。,68,上行通道射频指标,阻塞与互调抑制,阻塞指标也是来考核接收机抗干扰能力，它描述的是接收机在接收的频道外存在单音或调制信号干扰，但干扰信号不在相邻频道或杂散响应频点上的情况，具体指标要求根据不同系统而定。阻塞指标一般要求接收机前端要有较高的三阶截止点（即大的线性动态），同时要求中频滤波器有较好的选择性。,互调抑制同样是指接收机在工作时，同时有两个干扰信号进入接收机，这两个信号的三阶交调产物正好落在带内。互调抑制主要要求接收机前端有较高的三阶截止点。,69,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,70,常见干扰的机理,常见的四种干扰的机理:,杂散或宽带噪声干扰,-,由发射机产生，包括功放产生和放大的热噪声,多载频工作产生的互调产物，混频器产生的杂散信号等。,阻塞干扰,-,一般指接收带外的强干扰信号，会引起接收机饱和，导致增益下降；也会与本振信号混频后产生落在中频的干扰；还会由于接收机的带外抑制度有限而直接造成干扰。,71,常见干扰的机理,接收互调干扰,-,当频率不同的两个或更多的干扰信号同时进入接收机时，由于接收机的非线性而产生的互调产物若落在接收机的工作带内，就形成了接收互调干扰。,发射互调干扰,-,当一个强的信号从发射机的输出端“反灌”到发射机时，由于发射机的非线性，会与发射机的发射信号一起产生互调产物。,-,当频率不同的两个或更多强信号同时作用在某些金属上时，由于金属的非线性会产生互调产物。,72,常见干扰的机理,杂散或宽带噪声干扰,-系统A的杂散信号通过空间耦合进入系统B的接收机,-系统B的接收机对杂散干扰无能为力，因为落在它的工作带内,-杂散干扰的解决方式：在系统A发射机的输出端增加抑制滤波器，或调整天线的位置来提高系统A与B之间的天线隔离度。,73,常见干扰的机理,阻塞干扰,-接收机通常工作在线性区，当有一个强干扰信号进入接收机时，接收机会工作在非线性状态下或严重时导致接收机饱和，称这种干扰为阻塞干扰。,-阻塞干扰可以导致接收机增益的下降与噪声的增加。,74,常见干扰的机理,接收互调干扰,-GSM1800 与 WCDMA共站址的一个例子,-GSM1800的发射频率为 1824MHz 与 1873MHz,-在WCDMA接收机里在1922MHz频点会产生三阶互调产物，该互调产物如果足够高会直接干扰WCDMA接收机,75,常见干扰的机理,接收互调干扰的解决方式,(1) 在接收机的输入端增加抑制滤波器，来抑制干扰信号,(2)调整天线的位置来提高干扰系统与被干扰系统间的天线隔离度,(3)提高接收机的线性度,76,常见干扰的机理,发射互调干扰,-互调产物产生于发射机的内部,77,常见干扰的机理,发射互调干扰,-互调产物产生于发射机的外部,78,常见干扰的机理,发射互调的解决方式:,(1)避免系统间的天线近距离的面对面现象发生,(2)避免天线前方近距离内存在金属物,79,第三章 射频基本概念辨析,第一节 功率相关概念,第二节 噪声相关概念,第三节 线性相关概念,第四节 传输线相关概念,第五节 下行通道射频指标,第六节 上行通道射频指标,第七节 干扰相关概念,第八节 射频电路特点,80,射频电路的最大特点是分布参数的影响很大，无论是一根导线、一只电阻或一只电容，在射频频段其特性都会变得很复杂，有时甚至完全丧失其原有的特性。下面介绍一下导线、电阻、电容和电感的RF特点。,导线：随着流过导线的信号频率增加，趋肤效应会很明显，这种效应的直接后果是导线的有效使用截面积减小，因此导线的交流电阻增加，在RF频段这种电阻影响会很大。在RF频段还需考虑导线的电感。导线的电感值可以通过下面公式计算：,其中L为电感量（nH），l为线的长度（cm），D为圆形导线直径。,射频电路的特点（,1,）,射频电路特点,81,常见干扰的机理,阻塞干扰的解决方式:,(1) 在接收机的输入端增加抑制滤波器，来抑制干扰信号,(2)调整天线的位置来提高干扰系统与被干扰系统间的天线隔离度,(3)提高接收机的线性度,82,射频电路的特点（,2,）,电阻：在,RF,频段电阻的等效电路可以描述如下：,其中,R,是电阻本身，,L,是引线电感，,C,是分布电容。由于电感、电容的作用，在高频情况下电感的交流电阻是不同的，而且电阻种类不同时其特性也有差别。比如碳电阻由于有比较大的分布电容导致高频特性很差；线绕电阻的交流阻抗在不同频率下也有很大的变化，因为这种电阻有较大的电感量，在一定的频率上电感还可能与分布电容谐振；金属膜电阻因为分布参数较小高频特性比以上两种电阻好些；片状电阻由于没有引脚在,RF,频段的表现最好,射频电路特点,83,射频电路的特点（,3,）,电容： 严格说来，一只电容所表现出来的不仅仅是电容特性，它同样有一定的电阻和电感量，等效电路如下图所示。,图中电感是引脚电感；电阻,RS,是描述电容功率耗散因数；电阻,RP,是电容的绝缘电阻，电容的直流电阻即指这个电阻；,C,就是电容本身。可以预料，随着频率的增加电容的容值会改变，在某一频率上还后还会谐振，超过这个频率电容就表现出一个电感的特性。通常容值较大的电容内部电感也比较大。,射频电路特点,84,射频电路的特点（,4,）,电感：在射频频率，一个导线绕成的电感中除有一定的电感量外导线上还存在着电阻，一圈圈导线之间还有分布电容，因此其等效电路如下：,与电容一样，电感随着频率增加电感量下降，在自谐振频率上谐振，超过自谐振频率表现出电容特性，而且同类型电感中电感量越大自谐振频率越低。,射频电路特点,85,本章小结,本章主要介绍射频常用的基本概念，分为:功率相关概念、噪声相关概念、线性相关概念、传输线相关概念、下行通道射频指标、上行通道射频指标六个方面加以说明。,86,课程内容,第一章 无线通信的基本概念,第二章 射频常用计算单位简介,第三章 射频常用概念辨析,第四章 射频系统介绍,第五章 天线传播基础知识简介,87,第四章 射频系统介绍,第一节 射频系统组成,第二节 发信机简介,第三节 接收机简介,第四节 射频部件简介,88,射频系统组成,Data Source,Modulater,Upconverter,PA,Antenna,Preamplifier,Downconverter,IF,Demodulator,Output Data,Duplexer,射频系统组成框图,89,数字微波收发信机的技术指标,1.,总技术条件,传输容量,使用频段和波道配置,调制解调方式,中继方式,误码率,门限误码率时的归一,化信躁比,系统的特征曲线,系统的,MTBF,2.,微波口的参数,发信功率,收信机的躁声系数,收发信源的频率稳定度,收信电平,发信机的寄生辐射,微波输入、输出的,驻波比,射频系统组成,90,数字微波收发信机的技术指标,3.,中频口的参数,中频频率,中频阻抗,中频电平,解调机载波恢复,的捕获范围,中频的特性,幅频特性,群时延特性,4.,基带接口参数,5.,备用方式及倒换,6.,公务性能,7.,监控系统,8.,告警,射频系统组成,91,第四章 射频系统介绍,第一节 射频系统组成,第二节 发信机简介,第三节 接收机简介,第四节 射频部件简介,92,数字调制,数字调制的优点,大多数现代无线通信系统都使用数字调制,/,解调技术,.,数字,信号调制技术具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰落性能。,数字信号的调制方式,数字信号在无线信道上传输，首先必须将基带信号变换,到较高的频带上去。数字信号可以分别对本地振荡信号的三个,参数：振幅、频率和相位进行调制。从而得到幅度键控调制,（,ASK,）、频率键控调制（,FSK,）和相位键控调制（,PSK,）。,发信机简介,93,下图示出了二进制载波调制的波形,其中(a)为输入二进制数,字序列;(b)为ASK波形;(c)为FSK波形;(d)为PSK波形。除了这几种基本的调制方式以外，也有同时改变载频振幅和相位的调制，例如正交幅度调制QAM。ASK调制虽然简单，但由于抗衰落性能差、误码率大而在现代数字移动通信系统中几乎不采用。,发信机简介,94,这里主要介绍PSK调制以及相应的一些基本概念。,PSK,调制：,在,PSK,数字调制中最简单的一种调制为,BPSK,（二相相移健控），具有固定幅度的载波信号的相位在,0,和,180,两者之间变化。在状态图中，,I,有两个不同的值，有两种可能的位置。每个符号可以包含一比特的信息。,另一种是常用的,QPSK,（四相相移健控），这种调制目前应用比较广泛，例如,CDMA,，,WLL,，,DVB-S,等，,QPSK,信号有四个不同的相位，相位的改变以,90,的增量进行变化，它的每个相位代表一个符号，每个符号可以包含两比特的信息。,k,I,Q,I,Q,BPSK,One Bit Per Symbol,QPSK,Two Bits Per Symbol,发信机简介,95,QPSK,调制,可以用右式来表示,QPSK,的信号波形,其中0tT，i1,2,3,4 T为周期，A为载波幅度，fc为,载波频率，fi为载波相位。按照三角函数展开为：,上式可看成为两个正交载波分量之和，幅度分别为 和,前者称为同相分量，后者称为正交分量。在下面图中原始数据,流dk(t),可以划分为偶数比特流dI(t)（同相流）和奇数比特流dQ（t）（正,交流），它们的速率为dk(t)的一半。将同相流dI(t)和正交流dQ(t)分别对,cos和sin载波分量进行幅度调制后相加，即可得到QPSK已调信号。,可改写为：,发信机简介,96,QPSK,调制,dk(t),0,T,0,2T,0,2T,d0,d1,d3,d4,d5,d2,d6,d7,t,t,t,d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7,dI(t),dQ(t),发信机简介,97,QPSK,调制,d,I,(t),d,Q,(t),发信机简介,98,比特率（,Bit rate,）和符号率（,Symbol rate,）,比特率：一个系统比特流的频率；,符号率：等于比特率除每符号包含的比特数,symbol rate=,bit rate,the number of bits transmitted with each,symboi,频谱效率,频谱效率描述的是在单位时间和单位频率内传输信息比特的能力,为,X bit/s/Hz,。,发信机简介,99,目前数字移动通信系统主要采用了两大类调制技术,连续相位调制技术,也称为恒包络调制技术。其代表性的有,MSK,，,GMSK,和,TFM,。采用恒包络调制,因可工作于非线性放大,具有高的功率效率,但会引起大的带外辐射。,线性调制技术,其代表性的有,BPSK,QPSK,16QAM,等。,线性调制技术，可获得较高的带宽效率，但会使功率效率降低，而且已调波的包络变化大。,发信机简介,100,各种调制类型的应用,发信机简介,101,发信机构成,BaseBand,I,BaseBand,Q,COS,w,c,t,SIN,w,c,t,PA,Duplexer,直接变频发信机,发信机简介,102,BaseBand,I,BaseBand,Q,COS,w1,t,SIN,w1,t,Duplexer,两次变频发信机,BPF1,BPF2,PA,COS,w,c,t,发信机简介,103,发信机基本组成介绍,发信部分由发信激励、功率放大器和频率源组成。,发信激励作用是调制，上变频变换到发信频段上，经滤波放大到一定的功率电平。,功率放大器将发信激励输入的信号放大到所需的功率电平，具有功率控制、保护等功能以适应对发射输出频谱，静态和动态功率控制，时域模板的要求。,发信频率源是为调制器和上变频器提供合乎要求的本振信号。,发信机简介,104,发信机部分技术指标（GSM）,发射功率等级,载波平均发射功率：,RF,发射机最大所能发射的功率。,测试目的：验证各级功率下,RF,载波平均发射功率的准确性，实现功率控制的能力。,0,静态,0,动态输出功率：,43dBm,6,级静态功率等级：,12dB,的控制。每相邻两级功率电平差为,2 1dB,15,级动态功率等级：,30dB,的控制。每相邻两级功率电平差为,2 1.5dB,发信机简介,105,发信机部分技术指标（GSM）,相位误差和平均频率误差,发射机的相位误差和频率误差是指频率、相位的实测值与理论期望值之差。,测试目的：验证,GMSK,脉冲波形滤波是否正确；确保发射信号能使手机正确识别。,相位误差不应超过：均方根值,5,。（,RMS,），峰值：,20,。,平均频率误差：,0.05ppm,（,1ppm=10,-6,）；对,900MHz,是,45Hz,，对,1800MHz,是,90Hz,。,发信机简介,106,发信机部分技术指标（GSM）,RF,载波发射功率时间包络,平均发射,RF,载频功率指在无线信道上的输出功率。,测试目的：（,1,）验证发射功率包络稳定（时隙的有用部分）的时间。（,2,）验证稳定性极限。（,3,）验证时隙间停止发射时的最大发射功率。,输出功率与 时间的关系应满足,GSM,规范所给出的模板限值：有用部分输出功率,1dB,，无用部分功率,Pidle,Pmax,或,Pmin-30dB,。,应满足所有功率等级的输出功率与时间模板。,发信机简介,107,发信机部分技术指标（GSM),邻道功率和调制频谱,调制谱指由于调制和宽带噪声而在标称载频的邻近频带上产生的射频频带。领道功率即邻近射频频带的电平。,测试目的：验证由于调制和宽带噪声产生的输出,RF,频谱不超过规定电平。,对偏离载频,0,6000KHz,，以,200KHz,为步进的各个频点均有严格的要求，必须小于一定的值。,调制频谱也可以表示为达到所要求的模板。,应满足所有功率等级的调制谱模板。,发信机简介,108,发信机部分技术指标（GSM）,切换瞬态频谱,切换瞬态频谱是由于功率切换而在标称载频的邻近频带上产生的射频频谱。,测试目的：验证由于功率切换而在标称载频的邻近频带上产生的射频频谱不超过规定限值。,对偏离载频,400,1800KHz,，以,200KHz,为步进的各个频点均有严格的要求，必须小于一定的值。,调制频谱也可以表示为达到所要求的模板。,应满足所有功率等级的切换谱模板。,发信机简介,109,发信机部分技术指标（GSM）,杂散辐射,杂散辐射是指在除载频和与正常调制和功率切换相关的边带以外频率上的辐射，发射机的杂散辐射是指由,BSS,发射机在工作时产生的杂散辐射。,测试目的：保证发射机不对其他射频设备产生干扰。,要求：,BTS,发射带内：,-36dBm,；,BTS,发射带外：,接收带内杂散：,-98dBm,；,OUTSIDE TX&RX,的杂散：,-30dBm,发信机简介,110,发信机部分技术指标（GSM）,互调衰减,BSS,内互调衰减：,BSS,在相关,RX,和,TX,带内（由于多个发射机合路到单一天线或由于相互接近而导致相互之间,RF,功率的泄露）产生的互调产物电平。,测试目的：互调产物不超过规定的限值。,偏离载波频率,0.6MHz,至,6MHz,以内的频率范围，要求同连续调制谱的要求。偏离载波频率,6MHz,至相关发射频带边缘范围内，测得的互调产物不应超过,-70dBc,和,-36dBm,中的较大值。在相应的接收带内，测得的互调产物不应超过,-98dBm,。,发信机简介,111,第四章 射频系统介绍,第一节 射频系统组成,第二节 发信机简介,第三节 接收机简介,第四节 射频部件简介,112,直接变频,RF VCO,ANT,I,LNA,BPF,BPF,AGC RF AMPLIFIER,0,90,DEMODULATOR,Q,直接变频接收机,接收机简介,113,二次变频,I,二次变频接收机,ANT,LNA,BPF,BPF,AGC IF AMPLIFIER,0,90,VCO,DEMODULATOR,Q,BPF,RF VCO,RF MIXER,RX FILTER,IMAGE FILTER,IF FILTER,接收机简介,114,多次变频,I,多次变频接收机,ANT,LNA,BPF,BPF,AGC IF AMPLIFIER,0,90,IF2 VCO,DEMODULATOR,Q,BPF,RF VCO,RF MIXER,RX FILTER,IMAGE FILTER,BPF,IF1 FILTER,IF2 FILTER,IF1 VCO,IF MIXER,接收机简介,115,数字接收机设计考虑方面,频率选择；,通道噪声功率；,级联噪声系数；,噪声系数和,ADC,；,增益和灵敏度；,ADC,杂散信号和抖动；,IP3,；,ADC,时钟抖动；,相位噪声；,RF,部分,IP3,；,接收机简介,116,接收机技术指标,噪声系数与灵敏度,噪声系数与灵敏度是衡量接收机对微弱信号的接收能力的两种表现方法。对于接收机来说，都是将躁声系数和灵敏度作为一个重要指标来衡量的。,噪声系数定义：在前面已经介绍。,灵敏度定义：,灵敏度是指用标准测试音调制时，在接收机输出端得到规定的信纳比（,S+N+D,）,/,（,N+D,）或信噪比（,S+N+D,）,/N,，接收机输入端所需要的最小电平。 以,uV,、,dBuV,或,dBm,表示。,灵敏度与噪声系数的关系,Sensitivity(dBm,)=,NF,receiver,(dB)+CNR,output,(dB)+NFloor(dBm,),NFloor(dBm,),（,173.8,10*,lg(B,) (,dBm,),接收机简介,117,大信号信躁比,接收机大信号信躁比是射频输入信号足够强时，在接收机输出端,测得的信躁比值。,阻塞,接收机的阻塞是指，在有用信号频率的一定范围内存在一个未调,的干扰信号，从而使接收机的输出信纳比降低的现象，它用干扰信,号与灵敏度的相对电平（,dB,数）表示。,邻道选择性,邻道选择性是指，在相邻频道上存在已调无用信号时，接收机接,收已调有用信号的能力，它用无用信号与可用灵敏度的相对电平,（,dB,）来表示。,接收机简介,118,杂散辐射,杂散辐射是指任何由接收机引起的辐射，杂散辐射的电平测量应包括,:,1,）它们在天线端的功率电平；,2,）机箱辐射,调制接收带宽,接收机的调制接收带宽直接反映了接收机工作时的动态带宽，它不仅与中频滤波器的带宽有关，而且和解调失真，本振频率和中频滤波器中心频率的准确度有关。,限幅特性,接收机的限幅特性是指输入射频电平在一个规定范围内变化时，输出音频电平的稳幅性能。,抗互调干扰,接收机抗互调干扰性能是指，接收机对与有用信号的频率有特定关系的两个或更多个无用信号的抑制能力，它用干扰信号与灵敏度的相对电平（,dB,）来表示。,接收机简介,119,第四章 射频系统介绍,第一节 射频系统组成,第二节 发信机简介,第三节 接收机简介,第四节 射频部件简介,120,LNA(,低噪声放大器）,噪声系数,根据前面介绍的级联噪声系数公式，可以清楚地看到,LNA,噪声系数指标的重要性，每增加,1dB,就会使系统噪声系数指标恶化,1dB,。,功率增益,G,POUT/PIN,增益平坦度,增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益和最低增益之差，即,DG,来表示。,工作频带,功率增益满足平坦要求的频率范围，而且还要求全频带内噪声要满足要求。,射频部件简介LNA,121,动态范围,动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下限受噪声性能所限。在接收机中通常我们把接收机的灵敏度值指为,LNA,的下限。上限是受非线性指标限制的，有时定义为放大器输出功率在,1dB,压缩点时的输入功率，有时则更严格些，达到指定三阶交调系数时的输入功率值。,匹配特性,1,、回波损耗,输入输出端的回波损耗为,2,、输入输出驻波比,射频部件简介-LNA,122,稳定性,一个微波管的射频绝对稳定条件是,式中，D=S11S22-S12S21;K为稳定性系数，K大于1是稳定系数。,满足上述条件为绝对稳定。,绝对稳定是指当信源阻抗和负载阻抗为任何值时，放大器都能,稳定工作。,射频部件简介-LNA,123,混频器,变频损耗,Lm,Lm=10*,lg,(,微波输入信号功率,/,中频输出信号功率）,变频增益,Gm,Gm,10*,lg,(,中频输出信号功率,/,微波输入信号功率）,动态范围,动态范围是混频器正常工作时的微波输入功率,1,、下限,下限指信号与噪声电平相比拟时的功率,2,、上限,受中频输出饱和功率的限制，通常指,1dB,压缩点的微波输入信号功率，也有时给出的是,1dB,压缩点的中频输出功率，这时与前一种参数相差值为变频损耗。,射频部件简介-混频器,124,噪声系数,Fm=(,Psi/Pni)/(Pso/Pno,)=Lm*(,Pno/Pni,),另一种定义方式：,NF=No/(KTB*G),双频三阶交调,如果有两个频率相近的信号发生,fs1,、,fs2,和本振信号,fp,一起输入到混频器中，会产生很多的组合频率，其中,fp,（,mfs1nfs2),称为双频交调分量，当,m=1,n=2,或,m=2,n=1,时是三阶交调，三阶交调分量出现在中频附近，很容易落入中频放大器的工作频带内，造成很大干扰。混频器的三阶交调系数为一项重要的指标。,M3,10*,lg,(,三阶交调分量功率,/,中频有用信号功率）,隔离度,混频器隔离度是指各频率端口之间的隔离度，该指标包括三项：信号与本振之间的隔离度，信号与中频之间的隔离度，本振与中频之间的隔离度。如,PL,是本振功率，,PSL,为本振泄漏到信号端的隔离度，则本振端信号端的隔离度为：,LLS=10*,lg(PL,/PSL) dB,射频部件简介-混频器,125,工作频率,混频器是多频率器件，除了应指明信号工作频带以外，还应该注明 本振功率可用范围及中频频率范围。,本振功率与工作点,本振功率是指最佳工作状态下所需的本振功率。,本振功率不同时，混频二极管工作电流不同，阻抗也不同，这就会使本振、信号、中频三个端口的匹配状态变坏，也将改变动态范围和交调系数。原则上本振功率愈大，混频器的动态范围增大，线性度改善，,1dB,压缩点上升，三阶交调系数改善。,端口驻波比,由于混频器的各个端口的相互牵制，实现较好的宽带匹配是相当困难的。比如中频端口失配，其反射波再混成信号，可能使信号口驻波比变坏。本振功率变化,4,5dB,时，混频管的阻抗可能有,50,欧姆变到,100,欧姆，从而引起三个端口的驻波比发生明显变化。,射频部件简介-混频器,126,滤波器,滤波器的应用,1.,分离信号、抑制干扰,2.,阻抗变化,3.,阻抗匹配,4.,延迟信号,滤波器按对频率的选择性分为,1.,低通滤波器,2.,高通滤波器,3.,带通滤波器,4.,带阻滤波器,射频部件简介滤波器,127,滤波器,A,F,fc,通带,过渡带,阻带,F,A,F,fc,通带,过渡带,阻带,A,通带,阻带,f1,f2,阻带,过渡带,过渡带,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,低通滤波器,A,通带,阻带,f1,f2,通带,过渡带,过渡带,F,射频部件简介滤波器,128,滤波器的技术指标,频率范围,即滤波器通过或截断信号的频率界限。,通带衰减,由滤波器残存的反射以及滤波器元件的损耗所引起，一般希望尽可能小。,阻带衰减,一般希望尽可能大，希望在通带以外，衰减值能陡峭地上升，一般取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值作为此项指标。有时也可在阻带内某段频率内衰减值来表示特定的阻带衰减值。,寄生通带,为微波滤波器特有的指标，由于分布参数的传输线段频率响应的周期性所引起，其结果使得在离开设计通带一定距离处又产生了通带,（通常各通带中心频率之间成整数倍的关系），即称为寄生通带。,射频部件简介滤波器,129,群时延特性,我们知道，相位延迟、相位和角频率间有以下关系：,欲不产生相位失真，则要求相位特性是线性的。,此外，还常用到群时延的概念：,显然，对群时延而言，无相位失真条件为,: td=,常数。,如相位特性为非线性，则群时延特性也是非线性，如群时延特性的非线性严重，则脉冲信号通过后将发生显著的畸变。,在传输单一频率信号时，多采用相位延迟的概念。而在传输具有一定带宽信号时，多采用群时延的特性。尤其在中频滤波器的技术指标中，它的群时延特性是一项重要的指标。,射频部件简介滤波器,130,频率特性,工作频带是指放大器满足全部性能指标的连续频率范围。,功率特性,饱和输出功率,当功率放大器的输入功率加大到一定的值后，输出功率不再随输入功率的增加而增加，这时的输出功率称为饱和输出功率。饱和输出功率是一个表征放大器功率输出能力的量。,1dB,压缩点输出功率,P,1dB,功率放大器功率增益压缩,1dB,时的输出功率称为,1dB,压缩点输出功率，记为,P1dB,。,1dB,功率压缩点是一个非常重要的指标，直接表征放大器的线性特性。,射频部件简介功率放大器,131,功率效率,放大器的功率效率为功率放大器的射频输出功率与直流功耗之比。,功率附加效率,功率附加效率为：,（射频输出功率射频输入功率）,/,直流输入功率。,既反映了直流功率转换成射频功率的能力，又反映了放大器对射频功率的放大能力，在工程实际中更为常用。,交调特性,由于功率放大器的非线性特性，不同频率的两个或多个信号输入放大器时会产生多个频率分量的输出信号，这种现象称为交调。用交调系数表征交调特征。,射频部件简介功率放大器,132,三阶交调系数,三阶交调系数是度量微波功率放大器线性的一项重要指标，由于三阶交调分量,2fi,fj,或,2fj-fi,（,ij,）与基波频率,fi,、,fj,非常接近，很难把它们从信道中滤除，因此三阶交调信号就成为干扰信号。三阶交调系数为：,M3,10*lg(P3/Pi),10*lg(P3/Pj) (,dBc,),式中，,P3,为交调分量的功率；,Pi,，,Pj,为基波功率。,二阶交调系数,M2,10*lg(P2/Pi),10*lg(P2/Pj) (,dBc,),式中，,P2,为交调分量的功率；,Pi,，,Pj,为基波功率。,射频部件简介功率放大器,133,调幅调相转换特性,微波信号通过功率放大器时，在幅度被放大的同时，相位也会发生相移。相移的大小随输入信号的大小而变化，这种现象称为调幅调相效应。调幅调相效应会引起相位失真和群时延的变化。常用调幅调相系数来衡量相位失真的大小。,（,deg/dB),Pin,为输入信号功率（,mW,）；,q,为对输入功率,Pin,的输出信号相移。,谐波失真特性,谐波失真的大小用谐波失真系数,HDn,衡量,HDn,10*,lg(Pn/Ps)(dBc,),式中，,Ps,为基波信号的功率；,Pn,为,n,次谐波的功率,射频部件简介功率放大器,134,频率特性,频率准确度,频率准确度是指振荡器实际工作频率与标称频率之间的偏差，常用绝对频率准确度和相对频率准确度两种表示方法。,绝对频率准确度：,Df,=f-f0(f,为实际工作频率，,f0,为标称值）,相对频率准确度：,Df/f0,频率稳定度,频率稳定度是指在规定的时间间隔内，频率准确度变化的最大值，也可以用绝对频率稳定度或相对频率稳定度来表示，常