射频信号基础知识

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射频:

交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,称为电磁波。在电磁波频率低于100khz时,电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输,但电磁波频率高于100kHz时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频;射频技术在无线通信领域中被广泛使用,有线电视系统就是采用射频传输方式。

载波信号:载波是无线通信的基础,是被调制以传输信号的无线电波(相当于输出信号)。

基带信号:一般而言,信源输出的原始信号的频谱一般从零频开始,且能量主要集中在低频部分,称为基带信号(原始信号)。

为了使基带信号适合信道传输,将基带信号加载到载波上。

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载波的频率应该远远高于原始信号的带宽,否则会发生混叠,造成信号会失真。

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调制:用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化生成已调信号传输的过程(基带信号+调制信号=已调载波信号)。

解调:解调就是调制的逆过程,通过具体的方法从已调信号的参量变化中恢复原始的基带信号。

(1)被调信号的种类

 正弦波调制 脉冲调制 光波调制 WLAN 采用的调制方式OFDM调制属于正弦波调制。所以主要说正弦波调制 

(2)正弦波调制基本方式

 幅度调制:调幅是使载波信号的振幅随调制信号的变化而变化,即用调制信号来改变载波信号的振幅大小,使得调制信号的信息包含到载波信号中,接受端通过分析已调信号的振幅变化情况,可将调制信号解调出来,从而完成解调。 频率调制:调频是使载波信号的频率随调制信号频率的变化而变化,即用调制信号来改变载波信号的频率大小,变化的周期由调制信号的频率决定。与调幅信号不通,调频信号振幅保持不变,调频波的波形就行是个不均匀压缩的弹簧。 相位调制:载波的相位对其参考相位的偏离值随着调制信号的瞬时值随比例变化的调制方式称之为相位调试,或称调相。 

数字信号:是指幅度的取值是离散的,幅值表示被限制在有限个数值之内(01)。

模拟信号:是指在时域上数学形式为连续函数的信号。

模拟信号和数字信号的最主要的区别是一个是连续的,一个是离散的。

不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输:

模拟数据一般采用模拟信号,例如用一系列连续变化的电磁波(如广播中的电磁波),或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示; 当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时,电磁波本身既是信号载体,同时作为传输介质;而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时,它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。

数字数据则采用数字信号,例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1,用恒定的负电压表示二进制数0),或光脉冲来表示。 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时,一般则需要用双绞线,和光纤介质等将通信双方连接起来,才能将信号从一个节点传到另一个节点。

数字信号一般通过对载波进行移相(PhaseShift)的方法转换为模拟信号。

时域(信号对时间的函数)和频域(信号对频率的函数)的变换在数学书上是通过积分变换实现的。

对周期信号可以直接使用傅里叶变换;对非周期信号则要进行周期扩展,使用拉普拉斯变换。

信号在频率域的表现:

在频域中,频率越大说明原始信号变化速度越快;频率越小说明原始信号越平缓。当频率为0时,表示直流信号,没有变化。因此,频率的大小反应了信号的变化快慢。高频分量解释信号的突变部分,而低频分量决定信号的整体形象。

高通滤波器:让图像使低频分量抑制,高频分量通过

低通滤波器:与高通相反,让图像使高频分量抑制,低频分量通过

带通滤波器:使图像在某一部分的频率信息通过,其他过低或过高都抑制

还有个带阻滤波器,是带通的反。

傅里叶变换的实质是将一个信号分离为无穷多多正弦/复指数信号的加成,也就是说,把信号变成正弦信号相加的形式。

傅里叶变换之后,横坐标即为分离出的正弦信号的频率,纵坐标对应的是加权密度。

傅里叶变换可以将一个时域信号转换成在不同频率下对应的振幅及相位,其频谱就是时域信号在频域下的表现,而反傅里叶变换可以将频谱再转换回时域的信号。

傅立叶变换的物理意义是将图像的灰度分布函数变换为图像的频率分布函数,傅立叶逆变换是将图像的频率分布函数变换为灰度分布函数,频率谱上越亮能量越高,频率越低,图像差异越小/平缓。

们想让计算机能处理信号 但由于信号都是连续的、无限的,计算机不能处理,于是就有了傅里叶级数、傅里叶变换,将信号由时域变到频域,把一个信号变为有很多个不同频率不同幅度的正弦信号组成,这样计算机就能处理了,但又由于傅里叶变换中要用到卷积计算,计算量很大,计算机也算不过来,于是就有了快速傅里叶变换,大大降低了运算量,使得让计算机处理信号成为可能。快速傅里叶变换是傅里叶变换的快速算法而已,主要是能减少运算量和存储开销,对于硬件实现特别有利。

A/D是模拟量到数字量的转换,依靠的是模数转换器(Analog to Digital Converter),简称ADC。

D/A是数字量到模拟量的转换,依靠的是数模转换器(Digital to Analog Converter),简称DAC。

模拟量就是指变量在一定范围内连续变化的量,总之,任何两个数字之间都有无限个中间值,所以称之为连续变化的量,也就是模拟量。ADC就是起到把连续的信号用离散的数字表达出来的作用

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信道可以分为有线信道(电话线,网线,光纤等)和无线信道(无线电波,光波等)。

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信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率,也就是限定了一个频率通带。

一个基带信号波形的占空比越小,那么他所占据的带宽越大。

3dB带宽通常指功率谱密度的最高点下降到1/2时界定的频率范围。
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天线的作用:在发送端通过发射天线将射频电信号转换成电磁波,以在自由空间中进行传输,在接收端通过接收天线将电磁波转换回射频电信号。

远小于10Mbps的数字信号为低速数字信号;

大于等于10Mbps的数字信号为高速数字信号。

  1. Rx Sensitivity(接收灵敏度):是表示接收机能够在不超过一定误码率的情况下识别的最低信号强度。
  2. BW:Band Width,带宽;
  3. NF:Noise Figure,系统的噪声系数(dB),一般指第一个低噪放的噪声系数;

如何判断噪声是内部噪声:

(1)设定输出与输入之间的增益为1,看噪底是否变化

(2)若输出与输入之间的增益不是1,通过噪声因子来判断
噪声因子–Noise Factor的指标,定义为输入信噪比和输出信噪比
噪声系数只是噪声因子的对数值
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  1. CNRmin:Minimum Carrier Noise Ratio Allowed,系统解调所允许的最小载波噪声比;
  2. SNR(信噪比):把接收机的解调信噪比定义为不超过一定误码率的情况下解调器能够解调的最低信噪比门限;
  3. Tx Power(发射功率):

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  1. ACLR/ACPR:表征的实际上是“发射机噪声”的一部分,只是这些噪声不是在发射信道之内,而是发射机泄漏到临近信道中去的部分,可以统称为“邻道泄漏”。这一指标的设计目的是考量发射机泄漏的信号,对相同或相似制式的设备接收机的干扰——干扰信号以同频同带宽的模式落到接收机带内,形成对接收机接收信号的同频干扰。

ACPR代表相邻信道功率比,ACLR代表相邻信道泄漏比,两者基本可以等同。

ACLR/ACPR定义很简单,它是主信道与主通道相邻的那些信道之间的功率之比,ACAR/ACPR越小越好。

  1. 功率电平(dB):用于描述信号

    功率电平与功率(瓦特)的转换如下:

    最大输出功率指的是增益为最大时,满足系统其他所有指标要求时,系统所能达到的最大功率电平。

  2. 带内波动:又称增益平坦度,指有效频带内或信道内最大增益与最小增益的差值。
  3. 峰均比(PAR)定义为某个概率下的峰值功率与平均功率的比。计算公式如下:

放大器的非线性特性,最常见的指标是IP3(三阶截点)和1 dB压缩点。

  1. 1dB压缩点:定义为增益压缩1dB时,输入或输出的功率值。(由于器件的非线性,实际的增益曲线(real)并不是一条直线。实际的输出功率不可能随输入功率的增加一直成比例的放大,当输入信号增大到一定程度,器件会饱和,输出不再增加。)
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  2. 三阶交调:两个频率为f1和f2(基频信号)信号,在经过一个非线性系统后,产生频率分量mf1±nf2(m,n=0,1,2,……)的现象。其中m+n的值称为分量的阶,比如f1+f2称为2阶分量,2f1-f2称为3阶分量。

IP3,Third-order Intercept Point,3阶截获点,是一个理论值,定义为基频增益变化曲线与3阶交调信号增益变化曲线相等时的功率。

IIP3,Input Third-order intercept point,即输入3阶截获点,定义为基频增益曲线与3阶增益曲线的相等时的输入功率。

OIP3,Output Third-order intercept point,即输出3阶截获点,定义为基频增益曲线与3阶增益曲线的相等时的输出功率。

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  1. 信噪比(SNR): 用来衡量信号的质量

SINAD (Signal to Noise And Distortion Ratio)

在大多数射频领域,我们更频繁地使用信噪比,在音频信号分析等领域,我们更频繁地使用SINAD。

在频域上,SNR和SINAD的主要区别在于计算中是否包含谐波。SINAD包含谐波,而SNR不包含谐波。

SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio)

SINR是信号(期望信号)和不需要的噪声的比值。 不需要的噪声包括所有的外部干扰和内部产生的噪声。

区别: SNR:信号/外部噪声;
SINR:信号/(外部噪声+内部噪声)
SINAD:(信号+谐波+外部噪声)/(谐波+外部噪声)

  1. 相位噪声(Phase noise)

相位噪声在时序上(示波器看到的)是抖动,在频域上看到的是宽裙边(会淹没信号),是我们不希望看到的噪声。

相位噪声出现在发射本振(TX LO)中会严重影响星座图的EVM,接收本振(RX LO)中会严重影响信号的解调。

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  1. 功率放大器PA(Power Amplifier)(放大所需能量来源于外部电源vdd)

增益表示放大器对输入信号的放大程度,即输入信号与输出信号功率之比。

效率这一术语指的是放大器实现所需振幅的能量有多小。

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  1. 混频器(Mixer)

混频器可称为“变频器”或“频率转换器”。它将输入信号的频率转换成另一个频率。

混频器的一个输入端口用于RF输入,另一个端口用于本地osciallator(振荡器),将两个频率不同的信号相乘,会产生一个具有两个频率的复合信号,一个是输入频率的和,另一个是输入频率的差。

通过改变LO的频率,你可以把输入的RF频率改变成任何你想要的频率(至少在理论上),这是混频器的主要功能。

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混频器的损耗:

(1)具有非线性工作区;

(2)LO分量直接作用到RF输入端的损耗。

  1. 滤波器(Filter)

低通滤波器是一种对低频信号进行滤波,对高频信号进行滤波的滤波器。频率应该多低取决于滤波器的规格。

高通滤波器是对高频信号进行滤波,对低频信号进行滤波的一种滤波器。频率应该有多高取决于滤波器的规格。

带通滤波器是一种通过一定频率范围的滤波器,在指定的范围内对较低和较高的区域进行滤波。通过滤波器的频率范围由规范决定。

带阻滤波器是一种能通过除极窄频率范围外的大部分频率的滤波器。其他类型的滤波器的目的是通过一定范围内的信号,而带阻滤波器的目的是阻挡选定频率的信号。

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  1. 双工器(Duplexer)

双工器能够将 TX路径和 RX路径连接到一个共用天线,而不会相互干扰。

当发射机和接收机的频率不同时,可以是两个滤波器组合在一起。 一个滤波器用于接收,另一个用于发射。(可以防止相邻信道泄露)

当发射机和接收机的频率相同时,滤波方法不起作用。 在这种情况下,我们使用回环器(circultor),可以通过信号只有一个方向。

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  1. 天线(Antenna)

天线是一种将电能(电信号)转换成电磁波并传送到太空的装置。

辐射模型

根据我们设计天线的思路,电磁波在空气中传播的方向是不同的。 天线在某些方向上传输很强的能量,在某些方向上传输少量的能量,在某些方向上传输中等范围的能量等,这种能量传输方式被称为“辐射方向图”。

天线增益的定义是指在某一方向上发射的功率与某一参考点的比值(不是总能量比值)。 这通常用 db、dbi 或 dbd 表示。这是用来表示“天线在指定方向上传输能量的效率”的指示器。

  1. 振荡器(Oscillator)

振荡器的功能非常简单(至少在理论上是这样)。 它只是创造一个纯正的正弦波

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常见问题:

振荡器中的频率随温度变化(例如,锁相环,温补控制等)

振荡器存在相位噪声

面试常问的小问题:

1,怎样理解相位噪声?

参考答案:在时域波形来看,就是非规律出现的时钟抖动,在频域显示的时候不管出现的概率是多少,都会在频域体现出来;而如果信号周期固定偏移,那就是频偏而不是是相位噪声了。

2,在通讯系统中,和振荡器密切相关的参数有哪些?

频率误差,相位误差,EVM等参数和振荡器密切相关。

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