RF射频知识详细介绍.ppt

RF交流 一电磁频谱 1 全部电磁频谱显示了各种业务的大约位置 2 频谱从次声频 几赫兹 延伸到宇宙射线 10 22Hz 3 频谱进一步划分成小组或频带 每个频带具有一个描述性的名称和带宽号 4 国际无线电咨询委员会 CCIR 的频率名称如右表 极低频 Extremelylowfrequencies 极低频 ELF 是30Hz到300Hz范围内的信号 并包含交流配电信号 50Hz 和低频遥测信号 话音频率 Voicefrequencies 话音频率 VF 是300Hz到3000Hz范围内的信号并包含通常与人类语音相关的频率 标准电话信道带宽为300Hz到3000Hz 通称话音频率或话音频带信道 甚低频 VeryLowFrequencies 甚低频 VLF 是3kHz到30kHz范围内的信号 它包括人类听觉范围的高端 VLF用于某些特殊的政府或军事系统 比如潜艇通信 低频 LowFrequencies 低频 LF 是30kHz到300kHz范围内的信号 主要用于船舶和航空导航 中频 Mediumfrequencies 中频 MF 是300kHz到3MHz范围内的信号 主要用于商业AM无线电广播 535kHz到1605kHz 高频 HighFrequencies 高频 HF 是3MHz到30MHz范围内的信号 常称为短波 shortwave 大多数双向无线电通信使用这个范围 美国之音和自由欧洲无线广播在HF频带内 业余无线电和民用波段 CB 无线电也使用HF范围内的信号 甚高频 Veryhighfrequencies 甚高频 VHF 是30MHz到300MHz范围内的信号 常用于移动通信 船舶和航空通信 商业FM广播 88MHz到108MHz 及频道2 13 54MHz到216MHz 的商业电视广播 特高频 Ultrahighfrequencies 特高频 UHF 是300MHz到3GHz范围内的信号 由商业电视广播的频道14 83 陆地移动通信业务 蜂窝电话 某些雷达和导航系统 微波及卫星无线电系统所使用 一般说来 1GHz以上的频率被认为是微波频率 它包含UHF范围的高端 超高频 Superhighfrequencies 超高频 SHF 是3GHz到30GHz范围内的信号 包括主要用于微波及卫星无线电通信系统的频率 极高频 Extremelyhighfrequencies 极高频 EHF 是30GHz到300GHz范围内的信号 除了十分复杂 昂贵及特殊的应用外 很少用于无线电通信 红外 Infrared 红外频率是0 3T到300THz范围内的信号 通常不认为是无线电波 红外归入电磁辐射 通常与热有关系 红外信号常用于热寻的制导系统 电子摄影及天文学 可见光 Visiblelight 可见光包括落入人类可见范围 0 3PHz到3PHz 内的电磁频率 光波通信常与光纤系统一起使用 近年来它已成为电子通信系统的一种主要传输介质 二 选用800MHz 900MHz做移动通信的历史必然性20世纪60年代 贝尔实验室为预研和规划高级移动电话系统选用了800 900MHz频率范围 在这个较高频率范围内工作的移动电话公认的优点之一就是可提高频谱利用能力 例如 在35MHz时 1 带宽仅为350kHz 而在800MHz时 1 带宽约为8MHz 另一个优点是电路元件的尺寸可大为降低 实现小型化手持系统 但 对于移动电话应用来说 扩展到更高的范围内也有实际限制 主要考虑的是多径衰落的严重程度随信道频率增高而大大增加 当高于10GHz的频率时 除引起严重路径损耗的其他原因外 降雨成为一个重要的衰减因素 由于这个原因 10GHz以上的频率对于移动无线电话通信是不适用的 在实际应用中 频率超过1GHz以上的移动通信 就必须充分考虑风云雨雪等气候变化带来的多径衰落 三 射频 RF 模拟电路与基带 BB 模拟电路的实质区别所在频率越高 意味着电信号波长越小 应用于射频电路 其波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟 电压和电流不再保持空间不变 必须把它们看作是传输的波 应用于基带电路 因传输信号的波长远大于分立的电路元件的尺寸 电压和电流基本保持空间不变 一般情况下 当分立的电路元件的平均尺寸大于工作信号波长的十分之一时 必须以 射频 的眼光来看待 四 CMU上常见几个物理表征单位辨析 dBmdBm是一个考征功率绝对值的值 计算公式为 10lgP 功率值 1mw 例1 如果发射功率P为1mw 折算为dBm后为0dBm 例2 对于2W的功率 按dBm单位进行折算后的值应为 10lg 2W 1mw 10lg 2000 10lg2 10lg1000 33dBmdBdB是一个表征相对值的值 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时 按下面计算公式 10lg 甲功率 乙功率 例3 甲功率比乙功率大一倍 那么10lg 甲功率 乙功率 10lg2 3dB 也就是说 甲的功率比乙的功率大3dB 例4 通常我们使用GSM900射频线损耗约为0 5dB 例5 如果甲的功率为33dBm 乙的功率为27dBm 则可以说 甲比乙大6dB dBc有时也会看到dBc 它也是一个表示功率相对值的单位 与dB的计算方法完全一样 一般来说 dBc是相对于载波 Carrier 功率而言 在许多情况下 用来度量与载波功率的相对值 如用来度量干扰 同频干扰 互调干扰 交调干扰 带外干扰等 以及耦合 杂散等的相对量值 在采用dBc的地方 原则上也可以使用dB替代 dBuV根据功率与电平之间的基本公式V 2 P R 可知dBuV 90 dBm 10 log R R为电阻值 载PHS系统中正确应该是dBm dBuv 107 因为其天馈阻抗为50欧 五 引入VSWR VoltagestandingWaveRatio 的物理意义 沿PCB板上传输的射频信号必须看做 行进或反射 中的电磁波 电磁波在PCB板上传播的路径 一般统称传输线 传输线上只有向前行进 入射到传输线上没被反射 的电磁波 称为行波 当入射到传输线上的电磁波完全被反射 传输线上没有向前传输的电磁波 形成纯驻波 由于传输线阻抗 介质的不连续性等因素 入射到传输线上的电磁波必然有一小部分被反射回去形成驻波 而绝大部分向前传输形成行波 驻波比是联系两者关系的重要纽带之一 通常传输线上既有向前传输的波 行波 也有被反射的波 驻波 二者叠加的结果形成行驻波 从上面看问题的角度出发 驻波比定义为 行波的模值 驻波的模值 行波的模值 驻波的模值 当传输线上没有反射时 也就是驻波为0 这时驻波比为1 当传输线上电磁波完全被反射 这时入射的波 行波 等于反射的波 驻波 驻波比为无穷大 六 反射系数反射系数是表征行波和驻波之间关系的另外一个物理表示量 反射系数定义为反射的波 驻波 与入射的波 行波 的比 反射系数越大 驻波比也越大 二者是同比例关系 工程上 为了便于直观使用 又引入了回波损耗 returnloss 的概念 回波损耗的定义 反射系数的模值的倒数 然后再取对数 回波损耗的单位为dB 七 驻波比 反射系数 回波损耗之间的关系经常会混淆这三个概念 或错误的使用它们 从数学角度上讲 这三个概念量之间是可以换算的 从物理意义角度讲 这三个概念出发点不同 驻波比是从行波和驻波形成的合成波 行驻波 的角度出发来阐释自己的 从驻波比的数值可以直观到传输线上合成波的最大值和最小值的比 反射系数是从能量得失的角度出发来阐释自己的 从反射系数可直观得到能量向前传递的情况 回波损耗是从反射波 驻波 的出发来阐释自己的 从回波损耗可直观得到反射波的损耗情况 Forexample 假如反射系数为1 3 表示有 1 3 1 3 的能量 既入射能量1 9被反射掉 换算成驻波为2 表示合成波的最大值与最小值之比为2 在换算成回波损耗 为9 4dB 从反射系数衍生出另外一个物理量 插入损耗 InsertionLoss 插入损耗定义为向前传输的功率与入射到传输线上的功率之比 反射系数越小 插入损耗也就越小 八 实际使用的RFcable线VSWR情况分析 每条RF在出厂前 都有一个标定的插入损耗 例如 通常我们使用的RFcable线的插入损耗为GSM9000 5dB DCS18000 9dB 若RFcable线使用时间过长材质老化 或不恰当的使用 如经常扭曲 弯折造成传输线上的不连续点 cable线的插入损耗会变大 相应的反射系数和VSWR也会变大 如果你还用原来的loss设置来使用VSWR变大的线 校准出来的功率就会不准确 另一方面 cable线VSWR的增大 射频PA的工作状态也会受到一定程度的影响 同样会导致校准出来的功率有偏差 不准确 从以上两点可以看出 坏的射频线不但导致loss设置不准确 同样会影响PA工作状态 两者的叠加可能导致功率校准不确定的加剧 所以 你会看到 同一台机器 使用不同的RFcable线 校准出来的scalingfactor有时会相差很大 解决办法一 Insertionloss及VSWR过大的RFcable线就不要拿来做校准用 解决办法二 如果实在要使用这样的RFcable线 则必须借用 金机 但 金机 也未必可靠 九 RF系统框图 上行链路 发射机 GMSK调制和IQ调制 GSM使用一种称作0 3GMSK 高斯最小频移键控 的数字调制方式 0 3表示高斯滤波器带宽与比特率之比 GMSK是一种特殊的数字FM调制方式 给RF载波频率加上或者减去67 708KHz表示1和0 使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK 频移键控 在GSM中 数据速率选为270 833kbit sec 正好是RF频率偏移的4倍 这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率 比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK 最小频移键控 在GSM中 使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱 它可以降低频率转换速度 否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量 开关谱 0 3GMSK不是相位调制 也就是说不是像QPSK那样由绝对相位状态携带信息 它是由频率的偏移 或者说是相位的变化携带信息 GMSK可以通过I Q图表示 如果没有高斯滤波器 当传送一连串恒定的1时 MSK信号将保持在高于载波中心频率67 708KHz的状态 如果将载波中心频率作为固定相位基准 67 708KHz的信号将导致相位的稳步增加 相位将以每秒67 708次的速率进行360度旋转 在一个比特周期内 1 270 833KHz 相位将在I Q图中移动四分之一圆周 即90度的位置 数据1可以看作相位增加90度 两个1使相位增加180度 三个1是270度 依此类推 数据0表示在相反方向上相同的相位变化 IQ信号为通常四路 I路两信号差分 Q路两信号差分 I Q两路信号正交 通过IQ调制 可极大提高系统的抗干扰能力 针对上行的发射链路 三个频率区域的性能是十分关键的 信道内 信道外和频带外 信道内测试确定用户感觉到的链路质量 测试包括 相位误差和平均频率误差平均发射RF载波功率发射RF载波功率随时间的变化信道外测试确定用户给其他GSM用户带来多少干扰 包括 调制和宽带噪声频谱切换频谱Tx和Rx带内杂散信号带外测试确定用户给无线电频谱的非GSM用户 如军事 公安 航空等 带来了多少干扰 所有其他的杂散信号 谐波 宽带信号等等 都包含在这一项里 相位误差与频率误差相位误差是GSM中用来表示调制精确度的参数之一 相位误差较大通常表示发射机电路中的I Q基带发生器 滤波器 调制器或者放大器存在问题 频率误差表示频率合成器或锁相环的性能不够好 例如 在两次发射信号之间频率切换时合成器不能够很快的稳定下来 在GSM系统中 糟糕的频率误差可能使目标接收机不能锁定发射信号 同时发射机也可能给其他用户造成干扰 为了测量相位和频率误差 可以用一个测试装置对被测设备的发射输出信号进行采样来获得实际的相位轨迹 对采样信号解调然后以数学方法得到理想的相位轨迹 从一个轨迹减去另一个轨迹得到误差信号 这个信号的平均斜率 相位 时间 就是频率误差 信号的变化就是相位误差 用均方根 rms 和峰值表示 下图所示即为此测试过程 平均发射输出功率GSM系统使用动态功率控制确保每一个链路具有足够并且是最小的功率 这样可以使整个系统的干扰保持最小 对于MS来说 可以最大限度地延长电池的寿命 超出规范的功率测量结果通常表示功率放大器电路 校准表格或者供电电源有问题 GSM平均输出功率是在GSM突发脉冲的有用部分测量的 进行测量的时候 GSM测试设备通过解调输入信号获得正确的参考时序 并控制选通GSM突发脉冲的有用部分 发射RF载波功率随时间的变化在GSM系统中 发射机必须按照TDMA时序结构快速变化发射功率以避免对相邻时隙造成干扰 如果发射机开启太慢 突发脉冲最开始的数据就可能丢失 降低了链路的质量 如果关闭得太慢 TDMA帧中下一个时隙的用户将受到干扰 因此 这个指标涉及的测试就是根据规定的功率变化模式评估载波功率在时域内的变化 同时还可以证实发射机的关闭是完好的 如果发射机没有通过发射RF载波功率随时间变化关系的测试 通常说明PA单元或者功率控制环路存在问题 邻信道功率 ACP ACP由两个指标定义 调制和宽带噪声频谱切换频谱这两个测量指标通常一起被称作 输出RF频谱 ORFS 调制与宽带噪声频谱发射机中的调制过程使连续载波发生频谱扩展 调制和宽带噪声频谱 测量指标用来保证调制过程不会造成过量的频谱扩展 因为这将对相邻信道用户造成干扰 将分析仪调谐到要进行测试的频率 然后在调制突发脉冲的部分时间里进行时域选通 用这种方式测量功率 然后分析仪重新调谐到下一个频率或者欲测量的频率偏移 持续这一过程直到所有频偏下的功率都被测量并与允许的限度进行对比 这样作的结果是得到了一组功率随频率变化的点 也就是信号的频谱 然而 由于信号的跳变部分不在选通范围之内 因此没有突发效果产生的频谱成分 测量结果的限制以dBc表示 所以测量的第一步是读取发射机调谐的中心频率 切换频谱GSM发射机RF功率变化非常快 之前描述的 发射RF载波功率随时间变化关系 测试指标确保功率的变化能够在正确的时间里并且足够快的发生 然而 如果RF功率变化得太快 发射信号中就会产生不希望出现的频谱成分 本测量指标就是用来确保这些成分能够保持在可接受的水平之下 为进行切换频谱测量 分析仪在零档模式下调谐到多个偏移频率进行测量 本测量中不在时域进行选通控制 十 RF系统框图 下行链路 灵敏度灵敏度是接收机性能的基本度量 它规范了在给定的解调信息错误百分比下最小的接收信号电平 所有接收机测量得到的结果都是BER 误比特率 或者其他与之有关的值 同信道抑制大多数接收机都要求信道内存在干扰信号时能够维持规定的BER 对于GSM系统 这一参数的测量如下 存在衰落和GMSK调制干扰 同信道测试 信号大于灵敏度20dB 数字调制信号功率设为高于接收机灵敏度20dB 频率位于接收机通带中心 存在GMSK调制干扰 在相同的频率 和经过衰落的特征 将此混合信号注入接收机的天线端 将干扰信号功率设置为使接收机的BER不超过接收机灵敏度规范的额定值 两个信号的功率之差就是干扰比例 接收机阻塞这个参数是接收机信道外测试参数之一 阻塞测试证明接收机在存在信道外信号时能够正常工作并监视接收机受内部产生的杂散响应影响的程度 接收机阻塞性能体现在三个关键的测试内容上 杂散干扰抵抗性互调失真邻信道选择性 十一 MTK平台RF电路介绍 射频单元电路介绍 Transceiver Transceiver为MTK的MT6129 特点如下 MT6129提供了GSM850 GSM900 1800MHz 1900MHz四频段的收发通道 包括接收电路 发射电路 频率合成电路 RX和TXVCO以及相应的控制电路 工作电压 3 1V 4 6V耗电流 RX模式 68mA typ TX模式 116mA GSM 110 DCS typ Warm up模式 33mA typ Idle模式 30uA typ 工作温度 20 80 MT6129结构图 射频功率放大单元介绍 射频PA为RFMD公司的RF3146 特点如下 采用集电极电压控制工作电压 3 1V 4 6V最大功率输出 GSM为35dBm DCS为33dBm 电压3 5V时 效率 GSM为60 DCS为55 VRAMP 0 4 2V工作温度 20 85 封装尺寸 7mm 7mm RF3146结构图 天线开关单元电路介绍 利用天线开关实现收发转换 接受信号从天线进入 输出到SAW 发射信号从PA过来 输出到天线 控制电压 低0 2V 高2 4 2 8V最大输入功率 天线端为20mW TX1为4W TX2为3W开关速度 5usec耗电流 RX模式 0 1mA max TX模式 10mA max 工作温度 30 85 天线开关结构图 声表面滤波器 SAWFilter 单元介绍 采用SAWFiter对天线开关接收来的射频信号进行带通滤波 输出到Transceiver带宽 GSM频段的SAWFilter为为35MHz DCS频段的为75MHz最大输入功率 15dBm工作温度 25 85 B7820 20 85 B7821 声表面滤波器结构图