射頻系統(tǒng)講座140304

射頻系統(tǒng)講座00-02XpeedIC技術講座何青松Qingsong.He@1射頻系統(tǒng)概述射頻部分是電子通信系統(tǒng)鏈路的一段，是電子信號鏈路中的電信號轉(zhuǎn)化為電磁波信號并在空中傳輸?shù)牟糠?，射頻信號用電磁波作為傳輸媒介，用電磁波的頻率、相位、幅度的變化來表達信號，用以代替?zhèn)鬏攲Ь€，實現(xiàn)遠距離低成本傳輸信號。一條完整的射頻鏈路，由發(fā)信機、空間信號、接收機三部分組成。發(fā)信機：電子信號變換到射頻信號，放大后由天線發(fā)射電磁波信號到空間。接收機：天線接收空間電磁波信號，放大后轉(zhuǎn)換問為電子信號。傳輸空間：地面大氣層環(huán)境，自由空間，傳輸線等。自由空間傳輸損耗公式：Ls=32.45+20lgF+20lgD（F頻率，單位為MHZ；D距離，單位為Km）距離增大一倍，信號減小6dB。移動通訊4G_LTE被分配在2到3GHz，但很想要回收利用以前廣播電視的UHF頻段(470_806MHz)，作為室內(nèi)覆蓋頻率。GPS衛(wèi)星離地高度約兩萬公里，L1信號頻率1575.42MHz，發(fā)射功率40W，天線增益6dBi，地面信號最強度多少dBm？-128.4dBm.02-102XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)現(xiàn)代射頻收發(fā)信機通常是數(shù)字超外差收發(fā)信機，基本架構如下圖：收發(fā)信機：天線，射頻放大，混頻，中頻放大，D/A變換+數(shù)字調(diào)制解調(diào)。RF前端指數(shù)字中頻之前的所有電路。AD變換器也劃歸到RF專業(yè)，是因為AD變換后的數(shù)字信號才利于較遠距離傳輸，AD變換器放置在RF單元之內(nèi)。射頻收發(fā)信機的基本結(jié)構10-153XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)射頻收發(fā)信機的基礎部件基礎部件：天線單元：

天線，雙工器/合路器，傳輸線。射頻放大單元：低噪聲放大器，射頻濾波器，驅(qū)動放大器，功率放大器?；祛l單元：混頻器，頻率源（晶體振蕩器，TCXO，鎖相環(huán)，VCO）中頻放大單元：中頻放大器，中頻濾波器，中頻AGC電路，調(diào)制解調(diào)單元：模擬調(diào)制解調(diào)器，A/D變換器，數(shù)字調(diào)制解調(diào)器。射頻鏈路中的線性器件：只實現(xiàn)信號幅度變化，器件為線性器件(伏安特性線為斜直線)。天線，放大器，衰減器，濾波器，AGC/ALC電路，傳輸線等。線性器件，都要考慮它的線性度，也就是在多大的信號幅度內(nèi)，正弦波不發(fā)生變形，不產(chǎn)生新的頻率。常用1dB壓縮點P1dB，三階交調(diào)截取點IP3來描述放大器的線性度。射頻鏈路中的非線性器件：利用器件的非線性特性，來實現(xiàn)信號頻率或相位變換?；祛l器，AD/DA變換器，調(diào)制解調(diào)器，VCO(頻率源)，倍頻器，移相器等。非線性器件都是按照一定三角函數(shù)數(shù)學模型設計的，信號頻率或相位按三角函數(shù)公式變化時，其幅度也會按照三角函數(shù)公式變化，單就幅度而言，也要求非線性器件對信號幅度的變換成線性，否則，也會產(chǎn)生新的非預期信號成分。要點：不產(chǎn)生非預期的新頻率的信號。

15-204XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)射頻系統(tǒng)的難點和頻域觀念射頻電路的最主要的特點是：

電磁波信號載波是正弦波模擬量，頻率高信號微弱，很多空間電磁波疊加在一起，容易被干擾和扭曲，寄生出其他信號。

電磁波發(fā)射和接受經(jīng)過多次幅度放大和頻率變換，電路環(huán)節(jié)多結(jié)構復雜。

射頻電路參數(shù)要求多，要求高，而且參數(shù)之間相互制約。

射頻部件結(jié)構復雜尺寸大，高度集成比較困難。正因為空間中各種信號混雜，在時間軸上很難分辨，所以分析射頻信號采用頻域分析方法，頻域分析方法的基礎是傅立葉變換，要求射頻工程師建立起區(qū)別去其他電子工程師的頻域概念，用頻點，頻段的思維去研究電子信號。試問，用示波器和頻譜儀加上寬帶天線，觀察室內(nèi)電磁波信號，各是什么情況？畫出1Hz和2Hz的信號疊加在一起的波形，即Y=cosx+cos2X。限幅正弦波，分解在頻率軸上，可能會是什么情況？20-255XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)射頻分析參數(shù)S參數(shù)：

散射參數(shù)，基于入射波和出射波功率。S11:P1端口的反射波能量/P1端口的入射波能量(正向增益,衰減)S21:P2端口的獲得波能量/P1端口的入射波能量(反射比)S12:P1端口的獲得波能量/P2端口的入射波能量(反射比)S22:P2端口的反射波能量/P1端口的入射波能量(方向隔離度)S參數(shù)也是復數(shù)，包含了有波幅度和相位變化。實際常用S參數(shù)的絕對值(模)，表示有功功率的變化，并且常用dB記數(shù)。S參數(shù)也是隨頻率不同而不同的，S參數(shù)的頻率響應曲線是最常用的射頻電磁破描述方法。25-30Z參數(shù)，Z0=50ohm高頻電磁波，難以直接測量瞬時的電壓，但是可以通過檢波后，測量電壓。測量的電壓讀數(shù)與負載相關，為了便于測量和描述電磁波，就規(guī)定了負載值，計量電磁波的功率。。不同阻抗的端口相接，會有能量反射，為了實現(xiàn)電磁波最高效率被傳輸和利用，相連接的端接口必須阻抗匹配。對于射頻系統(tǒng)內(nèi)眾多的射頻系統(tǒng)和部件器件，逐步規(guī)定出統(tǒng)一的阻抗，當今最常見的是50歐姆阻抗，曾經(jīng)有300歐姆差分阻抗(平行雙向為傳輸線，現(xiàn)在已經(jīng)絕跡)，電視行業(yè)的75歐姆系統(tǒng)，現(xiàn)在也正在向50歐姆統(tǒng)一。但是實際上，每個射頻部件的端口雖然被設計成50歐姆，并不是完全是純電阻的50ohm,可能還有寄生的電感電容。還有好些器件，比如晶體管，不可能設計成輸入輸出端口是50歐姆，必須另外設計匹配電路，把它的端口變換為50歐姆。另外還有天線，空間特征阻抗時377歐姆，從阻抗匹配的角度看，天線是一個從50歐姆到377歐姆的阻抗變換器。Z參數(shù)不是純電阻，還有電感電容特性，它是一個復數(shù)阻抗。Z=R+jX端口阻抗有電感電容特性，那它在不同頻率的阻抗一定不同。因為感抗容抗都和頻率成比例：XL=2πfL

XC=1/2πfC

端口阻抗繪制在圓圖上，就是Smith阻抗圓圖。6XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)阻抗匹配和射頻信號傳輸

直流和低頻時，電磁波能量絕大部分被限制在導體，可以理解為導體電子內(nèi)運動攜帶能量或信號；高頻時，電磁場輻射出導體，在周邊空間也有很強的能力量，導體電子和周邊電磁波同時攜帶能量和信號。

良導體沒有消耗能量，導體外的電磁場會在導體上形成交變電場，這個交變電場又在良導體周邊形成電磁場，就形成了電磁波反射。

對于任何電磁波位置，電磁波能量被反射，或者繼續(xù)往前傳輸，或者被消耗（轉(zhuǎn)化成熱能量，其實也是電磁波，是電子無序運動，并通過所謂的熱傳導通道轉(zhuǎn)移能量。能量守恒）。沒匹配的端口，看上去就是上訴三種情況的綜合，如果從很寬的頻段來看，某些頻率的電磁波恰好滿足電磁反射的條件（波長和相位都正好）就反射，被傳輸或者被轉(zhuǎn)化成熱也一樣。對于確定頻率的信號，波長已經(jīng)不能改變，只能改變相位，滿足條件。讓反射回來再次被反射調(diào)頭，或者被消耗成熱，不同相位的同頻率波相加拂去也會改變。插接在兩個原本不匹配的端口間的這個部件，就是匹配電路。一般都是LC電路，L延時C超前，恰當?shù)慕M合，實現(xiàn)了摸個頻率的電磁波的相位和幅度的改變，實現(xiàn)前后端口電波順利傳輸。有時也有R電阻，用于消耗不需要的頻率信號，或者消耗反射回來的信號。雙端口部件級聯(lián)，一般先匹配輸出再匹配輸入，就如疏通堵車。再調(diào)整其他參數(shù)。網(wǎng)絡分析儀只有一個端口接在3dB衰減器的一端，3dB衰減器的另一端開路，試問，測量到的回波損耗S11為多少值？30-357XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)射頻收發(fā)信機的關鍵指標表征信號功率：熱噪聲功率，信號功率，載波功率，接收靈敏度，干擾容忍度等。表征信號頻率和相位：工作頻率帶寬，調(diào)頻調(diào)相調(diào)制度，相位噪聲，時延群時延等。表征信號放大：增益和衰減，噪聲系數(shù)，線性度，濾波特性，AGC動態(tài)等。表征信號保真的：器件線性度P1/IP2/IP3/IM3，濾波器特性，上下行隔離度，帶內(nèi)EMI等，

帶內(nèi)平坦度，相位時延，相位誤差，頻率抖動，多徑干擾，多普勒效應等。表征信號轉(zhuǎn)換的：天線增益和方向圖，混頻器增益和隔離度，本振穩(wěn)定度，A/D分辨率等。射頻電路的所有指標，都是為了保真：盡可能保持，在雜亂的空間長途跋涉后的電磁波信號，和發(fā)射時的信號形狀完全一樣。關于分貝：dB=10lgP1/P2(一般用來描述功率，在電子學的射頻專業(yè)和聲學里面應用較多)描述信號絕對功率：dBm，dBw，dBuV（dBuV=dBm+107,Z0=50ohm)描述信號功率相對值：dB，dBc，(相對于Carrier)描述天線增益：dBi，dBd(i:initial原始d:dipole偶極子，0dBd=2.15dBi)分貝是一個記數(shù)方法，是歷史產(chǎn)物，正在被科學記數(shù)法和國際單位制代替。還有類似的術語，也正在被代替。例如電壓駐波比VSWR，dBuV，匹馬力，英制單位等等。35-508XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)射頻信號變換射頻電路部件，實現(xiàn)正弦波Asin(ωt+φ)的幅度頻率相位，按預想規(guī)則進行變化，以傳遞信息。在實際的通信系統(tǒng)中，從時間軸上看，射頻信號一段時間內(nèi)是一串完全相同的正弦波，調(diào)制只發(fā)生在一瞬間，正弦波發(fā)生了變化，并按新的波形持續(xù)一段時間，直到下一次調(diào)制。

45-50三角函數(shù)公式里，兩個或多個正弦波，進行數(shù)學運算后，會產(chǎn)生新的頻率的正弦波。射頻電路中，為了實現(xiàn)頻率變換，常用的三角函數(shù)公式：混頻器：cosA*cosB=[cos(A+B)+cos(A-B)]/2

倍頻器：sin2A=2sinA*cosA調(diào)制解調(diào)器：cosA*cosB-sinA*sinB=cos(A+B)正交信號產(chǎn)生：SinA=cos(A+π/4)任何實物都有器兩面性，如果這些變換產(chǎn)生的信號是不需要的，就是干擾，甚至正好落在工作信號的頻帶上，形成致命干擾。

9XpeedIC技術講座射頻系統(tǒng)技術講座射頻系統(tǒng)射頻收發(fā)信機的指標分解和推算射頻電路分析有很多公式和分析軟件，特別是Agilent的系統(tǒng)級分析軟