RF 基础知识解析

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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。 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：
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噪声相关概念
例如晶体的相位噪声可以这样描述：
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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：
Si NF Ni So No
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 Pni
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三阶截止点
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• 特征阻抗
•
传输线相关概念
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：
Pno表示输出噪声功率，Pni表示输入 噪声功率，G为单元增益。
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级联网络的噪声系数公式
G1、NF1
G2、NF2
Gn、NFn
NF总 NF1
NF2 G1
1
...
NFn
1
G1 G2 ... Gn 1
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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。
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• •
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），
频率和波 长 频率范围 波长范围
波段代号 L S C X Ku K Ka 1~2GHz 2~4GHz 4~8GHz 8~13GHz 13~18GHz 18~28GHz 28~40GHz 30~15cm 15~7.5cm 7.5~3.75cm 3.75~2.31cm 2.31~1.67cm 1.67~1.07cm 1.07~0.75cm
传播损耗小，通信距离远，信 号稳定可靠，渗入地层、海水 能力强
LF (低频)
MF (中频) HF (高频)
30 ~300
3 ~30
kHz
MHz
10~1
1~0.1 100~10
km
km m
用于导航、长距离通信
广播、船舶通信、飞行通信 广播、中远距离通信
ຫໍສະໝຸດ Baidu
300 ~3000 kHz
VHF (甚高频)
UHF (超高频) SHF (特高频)
通信系统组成
2018/10/8
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5
无线通信使用的频率和波段
• 无线电波波段划分
频段名称
ELF(极低频) VF (音频) VLF (甚低频)
频率范围
30~300 300 ~3000 3~30 Hz Hz kHz
波长范围
10,000~1000 km 1000~100 km 100~10 km
传播特性

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
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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
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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
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混频器的性能指标
(1)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
• 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：
VSWR 1 1
由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是0~1，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。
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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
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低噪声放大器(Low Noise Amplifier)的特点
• 位于接收机前端：
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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。
低通滤波器 本振
射频 输入
I Q 低通滤波器
90o
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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
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直接下变频方案
直流偏差示意图
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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：
pdBm 10
X 1000mW log 1mW
X W
pdBW 10 log 1W
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• 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。
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传输线相关概念
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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。
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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。
• 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。
• 二次变频方案——用于解决灵敏度和选择性的矛盾
频带选择 滤波器 镜像抑制 滤波器 信道选择 滤波器 信道选择 滤波器
V (t )
LO1
LO 2
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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
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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
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超外差式接收机
• 超外差式接收机的结构框图
BPF1 小信号 放大器 BPF2 中频 放大 BPF2 解调
VRF cos RF t
VLO cos LO t
V (t )
下变频器：混频，得到中频信号 IF RF LO
30~300 MHz
300 ~3000 MHz 3 ~30 GHz
10~1
100~10 10~1
m
cm cm
移动通信、电视、雷达、导航
EHF (极高频)
Decimillimeter 至高频
30 ~300 GHz
300~3000 GHz
1~0.1
1~0.1
cm
mm
与VHF类同，还用于散射通信、 卫星通信等
射频基础知识
1
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.
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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
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
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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
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射频系统组成
射频工程 师需要做 的事情
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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
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发射机和接收机
振荡器 调制器 基带信号 上变频 本振信号
高频 功率放大

Zl Zo Zl Zo
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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。
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传输线相关概念
例如：1W等于30dBm，等于0dBW。
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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。
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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。
带通
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。
基带信号 带通
低噪声 放大器
天馈
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。
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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
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
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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。
• 1dB压缩点
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1dB压缩点
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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。