RF测试原理小结

RF 测试原理小结
本文旨在阐述RF 测试项目的有关原理性知识，基本不涉及具体的测试方法，测试方法请参照相关文档。

首先学习射频离不开天线，要对天线知识有所了解。

天线（antenna ）是RF 系统中最关键的零件，发送的时候它负责将线路中的电信号转化为电波发射出去，接收的时候它负责将电波转化为电信号。

根据洛伦兹定理，变化的电场会产生磁场，因施加在天线上的电流不同，就会产生电波；当无线电波遇到天线时，电子就会流入天线导体而产生电流。

天线分为全向型和定向型两种。

全向型天线收发所有方向的信号，定向性天线只收发天线所指向方向上的信号，可以将能量传送到更远的距离，信号也比较清楚，实际上根本没有真正意义上的全向天线。

天线的长度取决于频率：频率越高，天线越短。

根据经验，一般的简易型天线为其波长的一般。

波长和频率的计算公式是：8(310/)c
c m s f
λ=
=⨯其中，例如使用830KHz 的调幅广播电台，其电波的波长约为360米，因此必须使用约180米的大型天线。

当然天线工程师可以运用一些技巧，进一步缩短天线，甚至可以做到随身携带的程度。

一般在天线的前端还会有个功率放大器PA(power amplifier)，其实将功率提升到做大功率后发送。

然后具体了解RF 测试中各个参数的含义及其影响因素。

一、调制带宽：
调制子载波占用的频带宽度，有20MHz （11b/g ）和40MHz （11n ）的,我们从频谱模板的波形中也可以看出来。

二、EVM ：Error Vector Magnitude ，误差矢量幅度： 其是调制后的射频信号与理想原始信号的矢量差，反映了调制的精度，是衡量信号质量的重要参数。

原理上是接收到的码片信号，经过解调、解扰、解扩之后，再重复一遍发射端点的过程，即调制、加扰、扩频，然后再拿这个码矢量信号与接收到的矢量信号做矢量差，将其做统计平均，即为EVM 值。

EVM 越大，说明信号受到的干扰越大，接收到的信号质量越差；反之，干扰小，接收到的信号质量就好。

EVM 有幅度偏差、频率偏差、相位偏差之分。

功率放大器的非线性失真影响幅度偏差，I/Q 信号同步影响相位偏差，本振的噪声和电源噪声影响频率偏差，
影响EVM 因素主要有功率放大器的非线性失真、噪声、以及供电环境。

EVM 标准有IEEE 标准和一些国家电信的标准，下面列出IEEE 的标准供参考。

三、调制速率：
调制传送基带信号所用的码流率，它反映在被调子载波变化的快慢上，有6Mbps、12 Mbps、18 Mbps、24 Mbps、36 Mbps……
四、发射功率：
有天线口发射功率（PA输出功率减去线损，尽量减少线损）和空口发射功率（用等效全向发射功率EIRP描述，天线口发射功率+天线增益）之分，用功率谱密度描述，取RMS值衡量。

五、频率偏移：Frequency Error
指发射信道中心频率的偏差，其反映了中心频率的精度，一般取决于本振的精度，可以通过调整本振的匹配电容来纠正偏差。

其中11b：要求频率偏移在±25ppm以内；11a/g：要求频率偏移在±20ppm以内。

六、接收灵敏度：
指接收机能解调的最小信号电平，就是信号的最小功率值，换句话说就是在保证所要求的误比特率的情况下，接收机所需要的最小输入功率。

一般我们用误码率来衡量接收灵敏度，而不能用直接进入接收通道的信号来衡量，因为在满足一定的信噪比SNR的情况下，非常小的信号都可以解调，而当伴随信号的噪声和接收通道的噪声增加时，此时信噪比就会下降，误码率迅速增加。

一般情况下要求误码率在百分之十左右，测试的时候要求发1000个包，11b时接收到920以上，11g/n接收900个包以上时的最小信号功率，就是要测量的接收灵敏度。

从下面接收灵敏度IEEE标准中可以看出，当数据率越高，接收器所接收到的信号就越容易被损毁，接收灵敏度要求的功率电平就越大。

11b
11g
七、最大接收电平
是接收机能解调的最大信号电平，由于接收机前端有低噪放LNA，其工作点电平受限，过大的信号会导致其饱和，形成信号阻塞。

八、频谱模板Spectrum Mask
其描述了发射信号的频谱分布，反映了信号能量的集中范围，如果带外的能量多的话，会影响到相邻信道的通信，一般用包含被调制信道的调制带宽及其信道外的电平分布来衡量。

功率放大器PA的非线性失真和匹配都会影响到频谱模板，可能会超出其范围。

如果能够很好的控制相位噪声，比如预失真处理能够很好的降低带外噪声，同时提高EVM都会保证频谱模板的要求。

九、功率平坦度Spectral Flatness
反映信号子载波的功率变化，它测量每个子载波的平均功率对所有子载波的平均功率的偏移。

11b没有平坦度，是因为其采用的调制方式时单载波调制，11g/n采用的是OFDM调制方式。

十、星座图
星座图反映了各个速率时采用的调制方式、编码率、EVM等信息。

测试的过程中，我们可以看到不同速率下的星座图，接收信号的范围集中说明信号的质量就比较好，越是发散，说明信号的质量越差。

各种调制方式的星座图如下：
各种调制方式分别承载的数据位数为：BPSK：1bit/symbol；QPSK：2bits/symbol；16QAM：4bits/symbol；64QAM：6bits/symbol。

模拟调制方式有三种：调幅、调频、调相，就是载波随着调制信号的幅度、频率或相位的变化而变化，这样载波就承载了调制信号的信息，此时的信号成为已调信号，传入发信机发送出去。

与之相对应的数字调制方式也有三种：振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。

802.11中常用的调制方式是差分相位调制DPSK，而不是绝对相位调制PSK，因为PSK 对通信收发双方的同步性能要求很高，一旦同步被波坏，就难以恢复原有信号，导致相位颠倒，称为“倒π现象”，而DPSK是利用相邻载波的相位差就可以避免此问题的发生。

BPSK用前后载波的相位差为0时表示符号0，相差为半个周期π时表示符号1；因BPSK 只能编码一个位，可以采用一种差分正交相移键控DQPSK编码两个位，即是采用一个基波与三个偏移波，每个波偏移1/4个周期，如用相移π/2表示符号01，相移0表示符号00，相移π表示符号11，相移3π/2表示符号10，当然也可以用上面QPSK图中的四个正交的相位π/4，3π/4，5π/4，7π/4来表示。

802.11还采用正交调幅QAM技术来传送数目，能够承载更多的比特数，以此来提高调制的速率。

QAM是在单一载波上编码数据，该载波有同相信号Ｉ和落后其１/4周期的正交信号组成，当两种信号被限定在一组特定的电平时，就形成了所谓的星座图constellation。

星座图描绘了同乡和正交型号的可能值，星座图中的每个点代表一种符号symbol，每个符号代表特定的位置，如上面图中所示。

需要注意的是，QAM前面的数值表示总共的符号个数，其实每个符号的2的乘幂数，可以算出每个符号代表的比特数，比图64-QAM就是每个符号代表6bits信息，256-QAM就是每个符号代表8bits信息。

要提高数据的速率，只要使用点数更多的星座图即可，不过数据率提高，就要求接收信号的质量要足够好，否则就难以区分星座图中的相邻点。

如果距离太近，每个信号可以接收的误差范围就会缩小。

下面详细了解下802.11各个标准的编码和调制细节。

802.11b直接序列扩频PHY采用每秒1100万的碎片率，其将碎片流划分为一系列的11位的贝克码Barker word，每秒传送100万个Barker word。

每个word根据所使用的1.0Mbps 还是2Mbps的数据率，分别编码1或2个比特。

为了达到更高的传输速率，就要求每个word编码更多的字节，802.11采用了一种叫做补码键控CCK（Complementary code keying）的方式，就是将碎片流划分为一系列的由8个位构成的码符号，因此每秒要传送137.5万个码符号。

CCK采用复杂的数学转换函数，可以使用若干这8bit序列在每个码字中编码4或8个位是吞吐量达到5.5Mbps和11Mbps。

注意一点的是：CCK方式所采用的扩频码是由数据本身经过函数推演得出来的，而之前扩频是采用类似Barker word之类的静态且具有重复性的码字。

802.11g是基于正交频分复用OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）技术的。

OFDM是将一个较宽的信道分割成若干子信道，每个子信道均用来传输数据，就是用多路副载波进行单一传送的方式，用这些较慢的子信道复合成较快的信道。

OFDM正交性的含义是指在频域中，OFDM各个子载波的频谱的波峰互补重叠，这样所选用的副载波就不会被其他副载波所干扰，其实正交性的本质所在。

802.11g无线信道总容量的计算方法：子信道乘以每个信道的位数。

比如使用64-QAM 调制方式时，每个子信道承载6bits，802.11G使用48个子信道，故每个信道的容量为288个bits。

表中每个OFDM符号承载的数据位有编码数据率乘以每个符号编码的位数得到。

802.11n是在OFDM的基础上，引入了多进多出MIMO（multiple-input multiple-output）技术。

其支持当前的20MHz带宽的同时，还支持40MHz带宽，以此来提升吞吐量。

在采用MIMO多天线技术之前，一般都是单独采用一根天线进行首发的，即使是采用了多根天线也只是为了天线分集使用，802.11n采用多根天线同时进行收发，来提高数据率。

我们注意到,20M带宽在MCS7时65Mbps，在40M带宽时达到130Mbps，其实一根天线可以达到的理论速率，当使用两根天线同时收发时，MCS8-MCS15可以达到更高的数据速率。

下面是通信原理的一般性知识，对了解天线的发送和接收有好处。

20世纪60年代以后，数字通信迅速发展起来，大有取代模拟通信技术的趋势，究其原因有以下几个方面：1.数字传输抗干扰能力强；2.传输差错可以控制，改善了传输质量；3.便于使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理，比如FFT等；4.易于加密处理；5.可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。

下图是数字通信系统的一般模型。

数字通信系统模型
数字通信系统包括信源编解码、信息加密/解密、信道编解码、调制解调、信道、同步以及数字复接与多址等各个部分，下面分别进行介绍。

1.信源编码与译码
信源编码主要有两个作用：一是完成模拟信源的数字化，如果信源产生的信号是模拟信号时，首先需要对模拟信号进行数字化后才能够在数字通信系统中传输。

模拟信源的数字化包括采样、量化和编码三个过程，电话系统中话音信号的数字化就是典型的模拟信源数字化的过程。

信源编码的另外一个作用是为提高信息传输的有效性而采用适当的压缩技术减小信息速率。

如电话系统中采用PCM编码的语音速率为64kbps，而如果采用压缩编码后，单路话音的速率则可以降低到32kbps或更低，这样在同样的信道中能够同时传输的话路就增加了。

2.信道编码与译码
信道编码的目的是为了增强通信信号的抗干扰能力。

由于信号在信道传输时受到噪声和干扰的影响，接收端恢复数字信息时可能会出现差错，为了减小接收差错，信道编码器对传输的信息按照一定的规则加入保护成分（监督元），组成差错控制编码。

接收端的信道译码器按照相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的抗干扰性。

在计算机中广泛使用的奇偶校验码就是最简单的一种差错控制编码，它具有一比特差错的检错能
力。

3.加密和解密
在需要实现保密通信的情况下，为了保证所传输信息的安全，人为地将被传输信息的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程称为加密。

接收端（通常是授权或指定的接收机）对接收到的数字序列解密，恢复明文信息。

4.数字调制和解调
基本的数字调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原基带信号，此外还有在三种基本调制方法上发展起来的其它数字调制方式，如QPSK、QAM、OQPSK、MSK、GMSK等。

5.同步
同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确和可靠工作的前提条件。

按照同步的不同作用，可以将同步分为位同步、帧同步和网同步。

同步分散在系统的各个部分，如码元同步主要在调制和基带处理部分，而帧同步通常是处在调制解调之后。

需要指出的是，图中给出的只是点到点数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括所有的环节，例如数字基带传输系统无需调制和解调；实际通信系统也有可能增加部分处理环节，如在信道编码或调制之前经过时分复用处理，在解调或信道解码之后加入时分解复用处理等环节。

最后了解下衡量通信系统性能好坏的指标：有效性和可靠性。

有效性是指传输速率的大小，可靠性是指传输质量的问题，其是一对矛盾的统一体，同时做到完美是不现实的，具体表现为若要提高系统的可靠性，可能引起有效性的下降；若要提高系统的有效性，则有可能引起可靠性的下降。

因此通常需要根据实际要求有所侧重，互相兼顾达到矛盾的统一。

如在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度；或者，在维持一定有效性指标下，尽量提高消息的传输质量。