射频电路设计
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射频电路设计 (RF Circuits Design) Chapter 1 简介
STUCC K.H. Cheng
Chapter Outline
1.1 射频概念 1.2 射频通信电路应用简介 1.3 无线通道中的电波传播 1.4 无线通道的特徵 1.5 干扰与噪音 1.6 射频电路的特点
STUCC K.H. Cheng
1.1 射频概念
Heinrich Rudolf Hertz 1864年,Maxwell 提出描述 was a German physicist 电磁场之 Maxwell 方程,用 who clarified and expanded 四个偏微分方程概括一切电 the electromagnetic theory 磁现象,事实上他由此计算 of light that had been put 出电磁波传递的速度等同於 forth by Maxwell. He was 光速,因此断言光是一种电 the first to satisfactorily 磁波. demonstrate the existence of electromagnetic waves by building an apparatus to produce and detect VHF or UHF radio waves.
发射天线
接收天线
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
都卜勒效应(The Doppler Effect) 都卜勒效应
在无线移动的通信环境中,由於移动物体与周遭环境中许多反射体总是处於 不断运动中,因此所接收到的信号往往都会产生一些频率上的误差,这种变 化现象就称为"都卜勒效应,这是任何波动过程都会具有的普遍特性. 假设使用的是单路径接收,则都卜勒频移一般规定为:
STUCC K.H. Cheng
1.2 射频通信电路应用简介
GSM900 频段范围 上行频带/MHz(手机发射) 下行频带/MHz(基地台发 射) 双工间隔/MHz 占用频谱/MHz 通道数 ARFCN 同时用户数 通道间隔 调变方式 数据传输速率 Bit rate持续期 P band 935~960 890~915 45 2X25 124 1~124 992 G1abnd 880~890 925~935 55 2X10 49 975~1023 392 200KHz GMSK(BXT)=0.3 270.88kbps 2.69uS GSM1800 Lband 1710~1785 1805~1880 95 2X75 374 512~885 2992
http://episte.math.ntu.edu.tw/people/p_maxwell/index.html
1901年,Guglielmo Marconi 利用电磁波实现了横跨大西 洋的无线通讯.
STUCC K.H. Cheng
1.1 射频概念—IEEE 频谱
频段 ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 频率 波长 P L S C X Ku K Ka 毫米波 微米波 频段 频率 0.23~1GHz 1~2GHz 2~4GHz 4~8GHz 8~12.5GHz 12.5~18GHz 波长 30~130cm 15~30cm 7.5~15cm 3.75~7.5cm 2.4~3.25cm 1.67~2.4cm 30~300Hz 1000~10000km 300~3000Hz 3~30KHz 300k~3MHz 3~30MHz 30~300MHz 300M~3GHz 3~30GHz 30~300GHz 300~3000GHz 100~1000km 10~100km 1~10km 0.1~1Km 10~100m 1~10m 10~100cm 1~10cm 0.1~1cm
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
慢衰落特性
发生原因: 发生原因: 由於通信的过程中周围地形,地物对信号的反射,导致信 号电位在传输的范围内有大幅的变化,即接收信号幅度随时间的不规 则变化(见图).
影响: 影响: (1)传输信号的品质 (2)传输可靠度 严重者会产生通信中断
衰落主因:(1)多径干涉 由於地面,大气不均匀层或天线 天线附近的地形地物 衰落主因:(1)多径干涉 由於地面,大气不均匀层或天线附近的地形地物 :(1)
的反射,也可能是由於电离层多次反射,电离层 的反射,也可能是由於电离层多次反射, 电离层多次反射 中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现. 中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现.
(2)非正常衰减 (2)非正常衰减 降水衰减和次折射引起的绕射衰减
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
当频率>30MHz时,典型的传波路径有三种:
1. 直接波:信号是从发射天线直接到达接收天线的电波, 为VHF及UHF频段的主要传波方式.
2. 地面反射波:信号是经由地面反射到达接收天线. 3. 地表波:信号沿地球表面传播的电波.由於地表波的损耗随著频率的
升高而快速增加,传播距离会迅速减少,因此UHF与VHF频段地表波 的传播可以忽略不计.
fd =
v f c cos α c
其中,v为移动物体的速度;c为光速;fc为载波频率; α为运动方向与发射机连线 间的夹角. 在多路径接收的情况中,通过多路径到达的接收信号常常由於α的不同,会产生 不同的都卜勒频移,导致接收频谱被展宽.假定在入射角均匀分布的情况下,则 被展宽的功率密度频谱可以透过下列公式计算出: 1 1 P( f ) = fd为最高都卜勒频移 π f2 f2
STUCC K.H. Cheng
http://en.wikipedia.org/wiki/ARFCN
1.2 射频通信电路应用简介
STUCC K.H. Cheng
资料来源:http://www.sony.net/Products/SCHP/cx_news/vol28/pdf/gsm.pdf
1.3 无线通道中的电波传播--电波传递路径
1.4 无线通道的特徵
多径效应 对抗措施
抗多径干扰主要有如下几个方面措施: (1)提高接收机的距离测量精度, 如窄相关码 相关码跟踪环,相位测距,平滑伪距 平滑伪距等; 相关码 平滑伪距 (2)抗多径天线:智慧天线 智慧天线利用多个天线阵元 智慧天线 的组合进行信号处理,自动调整发射和接收方 方 向图,以针对不同的信号环境达到最优性能. 向图 (3)抗多径信号处理与自适应抵消技术等. 多径干扰是由於在多用户系统中采用传统单用户接收方案而造成的恶果.单用 滤波器作为相关判决的工具,并不考虑多址干扰的存在,每 户接收机采用匹配滤波器 滤波器 个用户的检测都不考虑其他用户的影响,是一种针对单用户检测的策略.一般说 来,单个用户传输时不存在多址干扰,但在多用户环境中,当干扰用户数增加或 者他们的发射功率增加时,多径干扰 多径干扰将不容忽视.因此多用户检测技术应允而生, 多径干扰 其演算法有最优检测演算法和次优检测演算法.
STUCC K.H. Cheng
1.5 干扰与杂讯
在移动通道中的杂讯来自: 1. 内部杂讯
内部杂讯主要由热杂讯( Noise)所产生: 内部杂讯主要由热杂讯(Thermal Noise)所产生:此种杂讯的来源来 热杂讯 自电阻性元件内部电子移动随机所生的,其强度与电阻的环境绝对 温度成正比. noise:所有的半导体放大器都会有1/f杂讯,也称 1/f 杂讯 flicker noise: 为闪烁杂讯(flicker noise),它是由於材料而产生的一种基本现象. 与频率相反,在一个特定的杂讯拐点以下,杂讯密度将呈指数增加, 而且在低频时变得有非常大. 电源哼声: 电源哼声:为射频回路乱窜,而这射频回路如果像是电源线路一样因 为二极体有开关的动作,便会出现哼声杂讯.要解决这哼声杂讯, 很简单,通 常以共模扼流圈就可以很有效地解决掉.
ຫໍສະໝຸດ Baidu
18~26.5GHz 1.13~1.67cm 26.5~40GHz 0.75~1.13cm 40~300GHz 300~3000GHz 1~7.5mm 0.1~1mm
频率高於多少时即需要考虑 射频电路分布参数的影响?
STUCC K.H. Cheng
1.1 射频概念—为何采用高频通信?
1.工作频率越高,频宽越大.举例: 假设传输讯号时所需要的频宽为工作频率的10%,当工作频率为 1MHz时,其频宽为1MHzX10%=0.1MHz;当工作频率为1GHz时,其频 宽为1GHzX10%=100MHz. 2.工作频率越高,天线尺寸越小.波长=光速÷频率.电磁波的速度 在空气或真空中皆为光速,即每秒行走3X108m .举例: 以蓝芽或是无线网路2.4GHz为例 波长 波长=3X108m/2.4X109=12.5公分 3. 射频电路中电感,电容等元件的尺寸变小,这使得射频设备的 体积可以进一步减小. 4.通信频道之间的频率间隙增大,减少了频道间的互相干扰. 5.射频通讯可以提供更多的可用频谱,解决频率资源日益紧张的问 题.
传输失真
发生原因: 发生原因: (1)随机多路径效应 (2)媒介色散效应 影响: 影响: 对数位信号而言,会造成误码率上升;对於类比信号而言,则是产生振幅 失真,相位失真 多路径效应: 多路径效应:当电波由2个或2个以上不同长度的路径传播到达接收点时,接收点 的讯号是由几个不同路径上的信号叠加起来.由於传播路径长度的不同,信号再 到达接收点的时间延迟是不同的.定义最大的传输延迟时间与最小传输延迟时间 的差值称为多路径延迟时间,以τ表示.过大的τ会引起较明显的信号失真. 色散效应: 色散效应: 是只由於各种电波在频率上的不同,会导致媒介中电波传播的速度不 一样,进一步引起讯号失真.在我们所需要传播的电波信号通常占据ㄧ定的频 宽,那当电波经过媒介传播到接收点时,会因为不同频率的电波在媒介中传播的 速度不一样,进而影响到信号到达接收点时的相位关系不同,从而引起波型失 真.
d
ㄧ般而言,物体在高速运动时,都卜勒效应常常会导致快速衰弱 因此移动的越快,衰弱变换频率越高,衰弱深度就越深
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
多路径效应(multipath effect) )
所谓多路径效应就是信号被反射并回送的现象.在大多数情况下,多路径效应会 使接收到的信号被削弱或是被完全抵消,造成一些本来应该充分传播信号的区域 几乎或根本没有射频信号覆盖. 影响: 多径会导致信号的衰落和相移 相移.瑞利衰落 相移 就是一种冲激响应幅度服从瑞利分布 瑞利分布的多径信 瑞利分布 道的统计学模型.对於存在直射信号的多径信 道,其统计学模型可以由莱斯衰落描述. 在电视信号传输中可以直观地看到多径对 於通信质量的影响.通过较长的路径到达接收 天线的信号分量比以较短路径到达天线的信号 电子枪扫描是由左到右,迟到 稍迟.因为电视电子枪 电子枪 的信号会在早到的信号形成的电视画面上叠加 一个稍稍靠右的虚像. 基於类似的原因,单个目标会由於地形反射在雷达接收机上产生 一个或多个虚像 虚像.这些虚像的运动方式与它们反射的实际物体相同, 虚像 因此影响到雷达对目标的识别.为克服这一问题,雷达 雷达接收端需要将 雷达 信号与附近的地形图相比对,将由反射 反射产生的看上去在地面以下或者 反射 在一定高度以上的信号去除. STUCC K.H. Cheng
STUCC K.H. Cheng
1.2 射频通信电路应用简介
系统名称 上行频带 下行频带 频宽(MHz) 多工技术 通道宽度 通道数 用户数 双工方式 Bit rate 调变方式 移动峰值功率 移动平均功率 IS-54 869~894MHz 824~849MHz 50 TDMA/FDMA 30KHz 832 2496 FDD 48.6kbps π/4QPSK 0.6~3w 0.6~3w IS-95 869~894MHz 824~849MHz 50 CDMA/FDMA 1250KHz 20 15960 FDD 288kbps BPSK/OQPSK 0.2~2w 0.2~2w GSM 890~915MHz 935~960MHz 50 TDMA/FDMA 200KHz 124 992 FDD 271 GMSK 2~20W 0.25~2.5W CT2 864~868MHz 864~868MHz 4 FDMA 100KHz 40 40 TDD 73 FSK 10mW 5mW DSC1800 1805~1880MHz 1710~1785MHz 150 TDMA/FDMA 200KHz 375 5984 FDD 271 GMSK 0.25~2W 0.03~0.25W DECT 1880~1900MHz 1880~1900MHz 20 TDMA 1728 10 120 TDD 1152 GMSK 250mW 10mW
STUCC K.H. Cheng
Chapter Outline
1.1 射频概念 1.2 射频通信电路应用简介 1.3 无线通道中的电波传播 1.4 无线通道的特徵 1.5 干扰与噪音 1.6 射频电路的特点
STUCC K.H. Cheng
1.1 射频概念
Heinrich Rudolf Hertz 1864年,Maxwell 提出描述 was a German physicist 电磁场之 Maxwell 方程,用 who clarified and expanded 四个偏微分方程概括一切电 the electromagnetic theory 磁现象,事实上他由此计算 of light that had been put 出电磁波传递的速度等同於 forth by Maxwell. He was 光速,因此断言光是一种电 the first to satisfactorily 磁波. demonstrate the existence of electromagnetic waves by building an apparatus to produce and detect VHF or UHF radio waves.
发射天线
接收天线
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1.4 无线通道的特徵
都卜勒效应(The Doppler Effect) 都卜勒效应
在无线移动的通信环境中,由於移动物体与周遭环境中许多反射体总是处於 不断运动中,因此所接收到的信号往往都会产生一些频率上的误差,这种变 化现象就称为"都卜勒效应,这是任何波动过程都会具有的普遍特性. 假设使用的是单路径接收,则都卜勒频移一般规定为:
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1.2 射频通信电路应用简介
GSM900 频段范围 上行频带/MHz(手机发射) 下行频带/MHz(基地台发 射) 双工间隔/MHz 占用频谱/MHz 通道数 ARFCN 同时用户数 通道间隔 调变方式 数据传输速率 Bit rate持续期 P band 935~960 890~915 45 2X25 124 1~124 992 G1abnd 880~890 925~935 55 2X10 49 975~1023 392 200KHz GMSK(BXT)=0.3 270.88kbps 2.69uS GSM1800 Lband 1710~1785 1805~1880 95 2X75 374 512~885 2992
http://episte.math.ntu.edu.tw/people/p_maxwell/index.html
1901年,Guglielmo Marconi 利用电磁波实现了横跨大西 洋的无线通讯.
STUCC K.H. Cheng
1.1 射频概念—IEEE 频谱
频段 ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 频率 波长 P L S C X Ku K Ka 毫米波 微米波 频段 频率 0.23~1GHz 1~2GHz 2~4GHz 4~8GHz 8~12.5GHz 12.5~18GHz 波长 30~130cm 15~30cm 7.5~15cm 3.75~7.5cm 2.4~3.25cm 1.67~2.4cm 30~300Hz 1000~10000km 300~3000Hz 3~30KHz 300k~3MHz 3~30MHz 30~300MHz 300M~3GHz 3~30GHz 30~300GHz 300~3000GHz 100~1000km 10~100km 1~10km 0.1~1Km 10~100m 1~10m 10~100cm 1~10cm 0.1~1cm
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1.4 无线通道的特徵
慢衰落特性
发生原因: 发生原因: 由於通信的过程中周围地形,地物对信号的反射,导致信 号电位在传输的范围内有大幅的变化,即接收信号幅度随时间的不规 则变化(见图).
影响: 影响: (1)传输信号的品质 (2)传输可靠度 严重者会产生通信中断
衰落主因:(1)多径干涉 由於地面,大气不均匀层或天线 天线附近的地形地物 衰落主因:(1)多径干涉 由於地面,大气不均匀层或天线附近的地形地物 :(1)
的反射,也可能是由於电离层多次反射,电离层 的反射,也可能是由於电离层多次反射, 电离层多次反射 中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现. 中的寻常波和非常波或天波和地波的同时出现.
(2)非正常衰减 (2)非正常衰减 降水衰减和次折射引起的绕射衰减
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
当频率>30MHz时,典型的传波路径有三种:
1. 直接波:信号是从发射天线直接到达接收天线的电波, 为VHF及UHF频段的主要传波方式.
2. 地面反射波:信号是经由地面反射到达接收天线. 3. 地表波:信号沿地球表面传播的电波.由於地表波的损耗随著频率的
升高而快速增加,传播距离会迅速减少,因此UHF与VHF频段地表波 的传播可以忽略不计.
fd =
v f c cos α c
其中,v为移动物体的速度;c为光速;fc为载波频率; α为运动方向与发射机连线 间的夹角. 在多路径接收的情况中,通过多路径到达的接收信号常常由於α的不同,会产生 不同的都卜勒频移,导致接收频谱被展宽.假定在入射角均匀分布的情况下,则 被展宽的功率密度频谱可以透过下列公式计算出: 1 1 P( f ) = fd为最高都卜勒频移 π f2 f2
STUCC K.H. Cheng
http://en.wikipedia.org/wiki/ARFCN
1.2 射频通信电路应用简介
STUCC K.H. Cheng
资料来源:http://www.sony.net/Products/SCHP/cx_news/vol28/pdf/gsm.pdf
1.3 无线通道中的电波传播--电波传递路径
1.4 无线通道的特徵
多径效应 对抗措施
抗多径干扰主要有如下几个方面措施: (1)提高接收机的距离测量精度, 如窄相关码 相关码跟踪环,相位测距,平滑伪距 平滑伪距等; 相关码 平滑伪距 (2)抗多径天线:智慧天线 智慧天线利用多个天线阵元 智慧天线 的组合进行信号处理,自动调整发射和接收方 方 向图,以针对不同的信号环境达到最优性能. 向图 (3)抗多径信号处理与自适应抵消技术等. 多径干扰是由於在多用户系统中采用传统单用户接收方案而造成的恶果.单用 滤波器作为相关判决的工具,并不考虑多址干扰的存在,每 户接收机采用匹配滤波器 滤波器 个用户的检测都不考虑其他用户的影响,是一种针对单用户检测的策略.一般说 来,单个用户传输时不存在多址干扰,但在多用户环境中,当干扰用户数增加或 者他们的发射功率增加时,多径干扰 多径干扰将不容忽视.因此多用户检测技术应允而生, 多径干扰 其演算法有最优检测演算法和次优检测演算法.
STUCC K.H. Cheng
1.5 干扰与杂讯
在移动通道中的杂讯来自: 1. 内部杂讯
内部杂讯主要由热杂讯( Noise)所产生: 内部杂讯主要由热杂讯(Thermal Noise)所产生:此种杂讯的来源来 热杂讯 自电阻性元件内部电子移动随机所生的,其强度与电阻的环境绝对 温度成正比. noise:所有的半导体放大器都会有1/f杂讯,也称 1/f 杂讯 flicker noise: 为闪烁杂讯(flicker noise),它是由於材料而产生的一种基本现象. 与频率相反,在一个特定的杂讯拐点以下,杂讯密度将呈指数增加, 而且在低频时变得有非常大. 电源哼声: 电源哼声:为射频回路乱窜,而这射频回路如果像是电源线路一样因 为二极体有开关的动作,便会出现哼声杂讯.要解决这哼声杂讯, 很简单,通 常以共模扼流圈就可以很有效地解决掉.
ຫໍສະໝຸດ Baidu
18~26.5GHz 1.13~1.67cm 26.5~40GHz 0.75~1.13cm 40~300GHz 300~3000GHz 1~7.5mm 0.1~1mm
频率高於多少时即需要考虑 射频电路分布参数的影响?
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1.1 射频概念—为何采用高频通信?
1.工作频率越高,频宽越大.举例: 假设传输讯号时所需要的频宽为工作频率的10%,当工作频率为 1MHz时,其频宽为1MHzX10%=0.1MHz;当工作频率为1GHz时,其频 宽为1GHzX10%=100MHz. 2.工作频率越高,天线尺寸越小.波长=光速÷频率.电磁波的速度 在空气或真空中皆为光速,即每秒行走3X108m .举例: 以蓝芽或是无线网路2.4GHz为例 波长 波长=3X108m/2.4X109=12.5公分 3. 射频电路中电感,电容等元件的尺寸变小,这使得射频设备的 体积可以进一步减小. 4.通信频道之间的频率间隙增大,减少了频道间的互相干扰. 5.射频通讯可以提供更多的可用频谱,解决频率资源日益紧张的问 题.
传输失真
发生原因: 发生原因: (1)随机多路径效应 (2)媒介色散效应 影响: 影响: 对数位信号而言,会造成误码率上升;对於类比信号而言,则是产生振幅 失真,相位失真 多路径效应: 多路径效应:当电波由2个或2个以上不同长度的路径传播到达接收点时,接收点 的讯号是由几个不同路径上的信号叠加起来.由於传播路径长度的不同,信号再 到达接收点的时间延迟是不同的.定义最大的传输延迟时间与最小传输延迟时间 的差值称为多路径延迟时间,以τ表示.过大的τ会引起较明显的信号失真. 色散效应: 色散效应: 是只由於各种电波在频率上的不同,会导致媒介中电波传播的速度不 一样,进一步引起讯号失真.在我们所需要传播的电波信号通常占据ㄧ定的频 宽,那当电波经过媒介传播到接收点时,会因为不同频率的电波在媒介中传播的 速度不一样,进而影响到信号到达接收点时的相位关系不同,从而引起波型失 真.
d
ㄧ般而言,物体在高速运动时,都卜勒效应常常会导致快速衰弱 因此移动的越快,衰弱变换频率越高,衰弱深度就越深
STUCC K.H. Cheng
1.4 无线通道的特徵
多路径效应(multipath effect) )
所谓多路径效应就是信号被反射并回送的现象.在大多数情况下,多路径效应会 使接收到的信号被削弱或是被完全抵消,造成一些本来应该充分传播信号的区域 几乎或根本没有射频信号覆盖. 影响: 多径会导致信号的衰落和相移 相移.瑞利衰落 相移 就是一种冲激响应幅度服从瑞利分布 瑞利分布的多径信 瑞利分布 道的统计学模型.对於存在直射信号的多径信 道,其统计学模型可以由莱斯衰落描述. 在电视信号传输中可以直观地看到多径对 於通信质量的影响.通过较长的路径到达接收 天线的信号分量比以较短路径到达天线的信号 电子枪扫描是由左到右,迟到 稍迟.因为电视电子枪 电子枪 的信号会在早到的信号形成的电视画面上叠加 一个稍稍靠右的虚像. 基於类似的原因,单个目标会由於地形反射在雷达接收机上产生 一个或多个虚像 虚像.这些虚像的运动方式与它们反射的实际物体相同, 虚像 因此影响到雷达对目标的识别.为克服这一问题,雷达 雷达接收端需要将 雷达 信号与附近的地形图相比对,将由反射 反射产生的看上去在地面以下或者 反射 在一定高度以上的信号去除. STUCC K.H. Cheng
STUCC K.H. Cheng
1.2 射频通信电路应用简介
系统名称 上行频带 下行频带 频宽(MHz) 多工技术 通道宽度 通道数 用户数 双工方式 Bit rate 调变方式 移动峰值功率 移动平均功率 IS-54 869~894MHz 824~849MHz 50 TDMA/FDMA 30KHz 832 2496 FDD 48.6kbps π/4QPSK 0.6~3w 0.6~3w IS-95 869~894MHz 824~849MHz 50 CDMA/FDMA 1250KHz 20 15960 FDD 288kbps BPSK/OQPSK 0.2~2w 0.2~2w GSM 890~915MHz 935~960MHz 50 TDMA/FDMA 200KHz 124 992 FDD 271 GMSK 2~20W 0.25~2.5W CT2 864~868MHz 864~868MHz 4 FDMA 100KHz 40 40 TDD 73 FSK 10mW 5mW DSC1800 1805~1880MHz 1710~1785MHz 150 TDMA/FDMA 200KHz 375 5984 FDD 271 GMSK 0.25~2W 0.03~0.25W DECT 1880~1900MHz 1880~1900MHz 20 TDMA 1728 10 120 TDD 1152 GMSK 250mW 10mW