射频基础知识资料PPT课件

.,1,射频基础知识,培训,北京星地恒通科技有限公司,.,2,射频基础知识讲义提纲,1、射频基本概念,2、接收机系统,3、发射机系统,1、射频基本概念,4、无线传输,5、天线辐射场,.,3,射频基本概念,波长和频率,本振相位噪声,功率和增益差损,阻抗的概念,驻波比和传输功率、Smith圆图,.,4,真空中电磁波传播速度近似等于光速：,波长和频率,为真空中电磁波的波长，定义为电磁波在一个周期内于真空中传输的距离。,传输媒介相对介电常数大于1时，电磁波传播速度小于光速为：,为传输媒介中电磁波的等效传输线波长。,真空中BD发射波长约为18.5cm，接收波长约为12cm。实际传输线中以上两项的传输波长要略小于所给值。,.,5,当电路尺寸或传输路径可与工作频段的四分之一波长相比拟时，需要考虑分布参数带来的影响，即传输路径上电压与电流这种传统的集总参数不再适用，主要原因是传输路径上电压或电流是震荡的波形，其周期与工作频率相关，这样导致在同一根导线上不同点的电压值(电流值)是不一样的，这就是射频电路与低频电路分析中的最大不同点之一。一般认为当传输线长度远小于工作波长时(),可以忽略分布参数的影响。,波长和频率,.,6,为电磁波的频率，电磁波频谱划分：,波长和频率,.,7,信号下变频或上变频时，需要输出一个单频点的本振信号，与输入信号混频。理想的本振信号为一单频点载波，但实际情况下是没有这样的理想本振信号。实际的本振信号多是在本振频点集中最多的能量(功率)，而在本振频点的左右边带快速衰落，当然这种边带能量越低，表明点频信号性能越高。为表征本振信号的这一特性好坏，引入相位噪声的指标。单边带相位噪声表示距离本振频点左边带(或右边带)一定频率偏移处1Hz带宽内的功率比本振频点功率的衰减量。这是表征本振信号频谱纯度的指标。,本振相位噪声,.,8,一个10MHz振荡器的相位噪声指标:-115dBc/Hz100Hz;-135dBc/Hz1kHz;-145dBc/Hz10kHz;-145dBc/Hz100kHz。,本振相位噪声,.,9,功率的一般定义：P=UI。单位W、mW等。在射频频率下，使用的功率值往往范围(差距)较大，如0.00001mW和1000mW，这样一来使用十进制的功率表述时带来不便。将十进制的功率(称之为线性功率Linearpower)表示成对数功率形式(logarithmicpower),以便于使用。定义：,功率和增益差损,.,10,功率和增益差损,.,11,功率和增益差损,.,12,增益GAIN或差损InsertLose表述的是功率的差值，输出大于输入为增益GAIN，反之为差损InsertLose。对数功率的差值单位为dB。,功率和增益差损,.,13,功率可以理解为传输路径上某点信号的强度，如输入端口点功率、输出端口点功率等，而增益(或差损)则表示一段传输距离上两个端点间功率的差值。利用网络分析仪的power测量可以测量单端口port2的输入功率，注意网络分析仪的power读数实际上port2端口点的功率，当我们测试放大器时，一般有连线到port2端口，只有加上这段线损才是放大器的真实输出功率。,功率和增益差损,.,14,利用网络分析仪可以测量增益(或差损)，它是通过选择Transmission或S21，测量的是两个端口port1和port2间的功率差值。平常我们将两个端口做功率校准，实际上是网络分析仪将校准时测得两个端口port1和port2间的功率差值IL1记录下来，然后在下次测量时，将这差值IL1由实际测试中port1和port2间的功率差值IL_real中减去得到读数值：IL_read=IL_real-IL1。,功率和增益差损,.,15,我们知道阻抗的定义是电压与电流的比值：,阻抗的概念,在直流电路中，阻抗的定义中只包含幅度信息，即是纯粹电压与电流幅度值的比值。在交流电路中，由于传输中的电压与电流是一多个正弦波的形态传输的，而一个正弦波的电压与电流除了有幅度信息外还有工作频率与相位。因此交流电路的电压与电流的比值包含幅度比值和相位差值。因此交流阻抗根据定义为相量形式：,.,16,阻抗的概念,阻抗包括电阻和电抗：,理想无耗交流电容为纯电抗：,理想无耗交流电感为纯电抗：,实际的电容和电感都有电阻，只是在大多数情形下，其电阻值远小于电抗值。,.,17,我们通常所讲到的选用50欧姆同轴线，所指的就是该同轴线的特性阻抗为50欧姆。通常普通通信系统中一般只采用50欧姆或75欧姆两种标准。我们BD是50欧姆系统。特性阻抗不同于低频段的电阻的概念，其推导公式较为复杂，这里不作详述。只列举一下概念，比如直流系统中一般电阻的概念，当5V/1A的直流通过串行1欧姆电阻会变成4V/1A；当5V/1A的直流通过并行10欧姆电阻会变成5V/0.5A；但是通过一段串行导线或电感，和并行电容，则不变仍为5V/1A(一般意义)。,阻抗的概念,什么是特性阻抗？,.,18,而射频通信系统中，理想的无耗传输的50欧姆同轴线，电路板上的理想的50欧姆阻抗匹配微带线均可以看成在直流状态下的一段串行导线，即功率在理想的50欧姆阻抗系统上传输时是无耗的，没有功率损失。但实际情形是一般传输线是有耗的，这类损耗主要源于加工工艺中对于导体的半径和铜内径的光泽度不能加工到理想状态所至，即只是接近50欧姆阻抗，因而有很多反射和吸收损耗。,阻抗的概念,什么是特性阻抗？,.,19,阻抗的概念,什么是特性阻抗？,特性阻抗标准公式,对于无耗传输线,对于同轴线,b、a为内外导体半径，常用50欧姆、75欧姆。,.,20,电压驻波比VSWR(voltagestandingwaveratio)是衡量发射信号强度的指标。其具体定义为射频波传输到某一截面处(同轴线上某点或接头)，传输线上电压最大值与最小值之比称为电压驻波比。,驻波比和传输功率、Smith圆图,其中为该截面的反射系数定义为反射波和入射波的电压比。,.,21,可见电压驻波比VSWR实际上是入射波与反射波波峰值的和值和差值之比。驻波比越小，反射波越小，传输效率越高。理想的驻波比为1，即反射系数为0，没有反射波只有入射波和传输波，信号没有反射损失。如一个电压驻波比VSWR为1.5的，则反射系数为0.2，回波损耗为-20lg0.2=13.98dB;传输功率为传输功率降低,驻波比和传输功率、Smith圆图,.,22,一个电压驻波比VSWR为2.0的，则反射系数为0.335，回波损耗为-20lg0.335=9.5dB，传输功率降低,驻波比和传输功率、Smith圆图,.,23,驻波比和传输功率、Smith圆图,在非理想状态下，由于源阻抗、传输线上的特性阻抗、负载阻抗都不可能是纯粹的50欧姆。因此存在源阻抗与负载阻抗的失配。根据最大功率传输定理：工作于正弦稳态的单口网络向一个负载供电，如果该单口网络可用戴维宁等效电路(其中为源输出阻抗)代替，则在负载阻抗等于含源单口网络输出阻抗的共轭复数（即）时，负载可以获得最大平均功率。,.,24,驻波比和传输功率、Smith圆图,根据反射系数的定义：,表示传输线长度。,.,25,根据最大功率传输条件下的阻抗匹配，在使用公式时往往涉及复数运算，比较麻烦，使用不方便。利用史密斯圆图（SmithChart）可简便求解，并且容易看出准确结果的趋向，而其作图误差在工程允许范围内，常用于复杂网络的初调计算。要使信号源传送到负载的功率最大，需要负载匹配。用smith圆图设计匹配网络，即使得负载阻抗变换到源端时匹配到源特性阻抗如50欧姆。这就等于要求信号源经过匹配网络到负载的输出阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即：,驻波比和传输功率、Smith圆图,.,26,负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数定义为：,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,.,27,驻波比和传输功率、Smith圆图,阻抗圆图是表示在复平面上的反射系数和归一化阻抗轨迹图，包括两个曲线坐标系统和四簇曲线。1、反射系数曲线坐标（极坐标）：等反射系数模值圆、反射系数相角射线；2、归一化阻抗曲线坐标：等归一化电阻圆、等归一化电抗圆。,建立smith圆图,.,28,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,反射系数曲线坐标,.,29,特点：z变化/4，变化，z变化/2，变化2，故绕圆一周相当于考察点在线上移动/2。旋转方向：向电源移动，z增加，顺时针旋转；向负载移动，z减小，逆时针旋转。电刻度起点的约定：(1,0)点。,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,.,30,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,归一化阻抗曲线坐标，这里Zc(特性阻抗)通常为常数并且是实数，是常用的归一化标准值，如50欧姆、75欧姆。于是我们可以定义归一化的负载阻抗：,据此，将反射系数的公式重新写为：,.,31,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,；,从上式我们可以看到负载阻抗与其反射系数间的直接关系。但是这个关系式是一个复数，所以并不实用。我们可以把史密斯圆图当作上述方程的图形表示。为了建立圆图，方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式(如圆或射线)。,令实部和虚部相等，得到两个独立的关系式：,.,32,第一个方程是在复平面(，)上，参考圆的参数方程。它是以(,0)为圆心，半径为的一组圆。圆心都在实轴上；圆心坐标与半径之和恒等于1；均与直线1在(1,0)相切；实轴交点的对称性。代表0也就是没有电阻(r=0)的圆是最大的圆。无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1,0)，实际中没有负的电阻，如果出现负阻值，有可能产生振荡。选择一个对应于新电阻值的圆周就等于选择了一个新的电阻。,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,.,33,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,.,34,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,第二个方程是在复平面(，)上，参考圆的参数方程。它是以(1,)为圆心，半径为的一组圆。圆心都在直线1上；圆心纵坐标与半径相等；与实轴在(1,0)相切；圆周上的点表示具有相同虚部的阻抗。例如，=1的圆以(1,1)为圆心，半径为1。所有的圆(为常数)都包括点(1,0)。与实部圆周不同的是，既可以是正数也可以是负数。这说明复平面下半部是其上半部的镜像。所有圆的圆心都在一条经过横轴上1点的垂直线上。,.,35,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,.,36,驻波比和传输功率、Smith圆图,建立smith圆图,完成圆图：为了完成史密斯圆图，我们将两簇圆周放在一起。可以发现一簇圆周的所有圆会与另一簇圆周的所有圆相交。若已知阻抗为r+jx，只需要找到对应于r和x的两个圆周的交点就可以得到相应的反射系数。上半圆阻抗为感抗，下半圆阻抗为容抗；单位圆为纯电抗；实轴为纯电阻；实轴的右半轴为电压波腹，左半轴为电压波节；匹配点、开路点和短路点。,.,37,射频基础知识讲义提纲,1、射频基本概念,2、接收机系统,3、发射机系统,2、接收机系统,4、无线传输,5、天线辐射场,.,38,接收机系统,信噪比、载噪比,噪声系数,接收机系统框图,通带宽度、带外抑制、带内波动,接收机自动增益控制AGC,.,39,我们知道信号功率与噪声功率的对数比值称为信噪比。由于扩频通信的特性，允许其输入信噪比为负值，即信号功率往往比噪声功率低很多。这就使得我们无法准确测试标准信号通过射频通道后的信噪比的恶化程度。而信噪比是决定接收性能的指标，为了能够准确测量射频通道对信噪比影响的性能，可以用载噪比指标替代信噪比来衡量射频通道的好坏。,信噪比、载噪比,.,40,载噪比是指输入载波功率与噪声功率的对数比值。由于射频通道对信噪比的影响是通过输入端信噪比和输出端信噪比的变化差值来衡量的，而同样利用一个较强的输入载波功率替代信号功率，这样输入端和输出端载噪比的变化差值与信噪比的变化差值实际是一样大的。,信噪比、载噪比,.,41,例如：输入信号功率-127dBm8MHz，噪声功率-109dBm8MHz。输入信噪比为-18dBc8MHz。经过射频信道后信号增益104dB，噪声增益105.5dB。输出信号功率-23dBm8MHz，噪声功率-3.5dBm8MHz。输出信噪比为-19.5dBc8MHz。信噪比恶化1.5dB。,信噪比、载噪比,.,42,利用载波功率计算：输入载波功率-105dBm，噪声功率-109dBm8MHz。输入载噪比为4dBc8MHz。经过射频信道后信号增益104dB，噪声增益105.5dB。输出载波功率-1dBm，噪声功率-3.5dBm8MHz。输出载噪比为2.5dBc8MHz。载噪比恶化1.5dB。,信噪比、载噪比,.,43,信噪比、载噪比,实际测试过程中，我们的噪声功率是全8MHz带宽下。相对频谱分析仪利用噪声测量平均功率时测量的是1Hz带宽下的平均功率，实际测量噪声功率为：-109dBm8MHz-69=-178dBm1Hz，因此，载波功率-105dBm时，载噪比73dBc。单独测量输出载噪比时，要求标明测试条件输入载波功率为-105dBm。即：73dBc-105dBm与78dBc-100dBm是一样的。,.,44,在接收机系统中，主要依靠信噪比(载噪比)来判断接收通道的性能好坏。而在射频通道的各个指标中，低噪放的噪声系数的指标是对接收机信噪比(载噪比)影响最大的指标。首先来看一下噪声，噪声是一种随机变量，它来源于电路中的各个元器件。电路中的噪声主要来源于电阻内电子的热运动和晶体管中带电粒子的不规则运动。这些噪声是电路器件所固有的，其频谱占据整个无线电频谱，噪声谱密度是均匀的，因此噪声的功率是正比于接收机带宽的。如对于同样的噪声源，10MHz带宽接收机大约是1MHz带宽接收机接收噪声功率的10倍。,噪声系数,.,45,噪声系数定义为系统输入信噪比与输出信噪比的比值：其表示信号通过射频网络通道后，电路对信噪比的恶化程度。噪声系数最小为1，实际中不存在这样的电路网络。噪声系数是一个比值，比值，表示成常用的对数形式为,噪声系数,.,46,对于级联网络的噪声系数计算如下：对于多个网络接收信号依次通过增益，噪声系数，(比值，30dB)，的三个网络，此三个网络总的噪声系数为：可见当第一级网络的增益足够大时，多个网络级联的噪声系数主要取决于第一级网络的噪声系数。,噪声系数,.,47,接收机系统框图,接收机灵敏度=-109dBm+NF+SNRo,.,48,接收机通带宽度即接收机的带宽，在超外差式接收机中，带宽通常由中频带宽滤波器来决定。带外抑制：是指接收机对通带外的干扰的抑制能力，一般如果没有特别的干扰信号，对于接收机没有特殊的带外抑制要求，通常对于远离带宽的信号，一般滤波器都能很好的抑制，不需要特别的处理。有两类情形特殊：一是干扰信号距离带宽内很近，二是远离带宽信号的干扰信号很强。这两类情形都需要对接收机的前端低噪放LNA部分的滤波器带外抑制作特殊要求。,通带宽度、带外抑制、带内波动,.,49,例如对于BD系统，就存在第二类情形，发射信号约为46dBm,去除天线的隔离度19dB左右，则到达低噪放的输入发射干扰约为27dBm，而接收噪声功率仅为-109dBm,收发相差达136dB。目前我们使用的低噪放带外抑制达到80100dB。带内波动：是指接收机对通带内不同频点的增益差别。接收机带内波动太大会对接收信号的质量有影响，一般较好射频组部件的带内波动指标要求都小于1dB。,通带宽度、带外抑制、带内波动,.,50,接收机提供给AD采样的模拟信号由于受到AD采样的模拟电压制约，为了获得最优的采样信噪比，需要一个固定的功率输出。这就需要对输出信号功率作自动增益控制。,接收机自动增益控制AGC,.,51,射频基础知识讲义提纲,1、射频基本概念,2、接收机系统,3、发射机系统,3、发射机系统,4、无线传输,5、天线辐射场,.,52,发射机系统,发射功率和载波抑制,相位偏差,发射机系统框图,通带宽度、带外抑制、带内波动,发射对接收的干扰,.,53,发射机的一个主要指标是发射功率，除去天线无线辐射的影响，发射机的有线功率就直接关系到发射信号能否完整的传输到指定目的地(接收机)。考虑到天线的影响，对发射功率影响的主要因素包括功放输出的P-1功率，天线输入驻波，天线增益方向图、极化方向图。对于我们的BD通信系统，还要考虑对发射的功率控制，根据接收信号的强弱，会对发射功率作06dB衰减后发射。这个衰减控制是由中频程序控制，和上位机的数字控制设置共用一个模拟数字衰减器的设置。,发射功率和载波抑制,.,54,对于发射机功率控制字的计算：板级0dB数字衰减时输出6dBm功率，考虑线损为IL,多工器计算损耗为ILd(带有GPS的多工器计算损耗为13dB,无GPS的多工器计算损耗为7dB,无多工器此项计0dB),选用功放增益为Ga(30W为46dB,50W为58dB)则数字功率控制字设置应为Ga-IL-ILd-(45dBm-6dBm),发射功率和载波抑制,.,55,载波抑制指发射的载波功率与有用信号功率的比值。主要来源于调制器本振的泄漏。该项指标是与发射信号的有效功率辐射效率有关，同时也是关系到发射信号的质量，还关系到对其他接收机的干扰。,发射功率和载波抑制,.,56,相位偏差表示BPSK信号通过发射机后信号质量的恶化程度。如果相位偏差过大会影响接收机对该信号的解调。,相位偏差,.,57,发射机系统框图,.,58,发射机通带宽度即发射机的带宽，带宽由射频带宽滤波器来保证。该项带宽滤波主要是滤出带外信号，以提高发射机的效率，同时减小对其他接收机的干扰。发射机带外抑制是指发射机对通带外的杂散的抑制能力。由发射带宽滤波器、多工器带外抑制、功放带外抑制和发射滤波器共同决定。发射机的带内波动同接收机一样是影响发射信号质量的一个指标，是指发射机对通带内不同频点的增益差别。一般要求发射信道的组部件的带内波动小于1dB。,通道带宽、带外抑制和带内波动,.,59,收发一体的机器一般都存在收发隔离的问题。由于发射信号功率很大，而接收信号的功率则很低，因此收发功率很大的差值，使得发射信号很容易影响到接收机的性能。,发射对接收的干扰,.,60,发射机对接收机的干扰主要包括三个方面：一是发射机的杂散落在接收机的带内，造成接收机的噪声功率增加而使得接收机的输入信噪比下降。解决此列问题的方法可通过增加发射机到接收机的隔离度和增加滤波器滤除发射的杂散，使杂散在安全的范围内。二是发射机的泄漏功率(通过天线或其他途经)造成接收机的某级放大器饱和，其中发射机的泄漏功率既包括带内功率也包含带外杂散。可以通过增加发射机到接收机的隔离度和增大接收机的前端滤波器的带外抑制来改善此类问题。三是接收机带外抑制不够，没能对发射机的泄漏功率有足够的滤波，导致后级混频时产生的多次谐波落到接收机带内从而降低接收信噪比。改善此类问题可以通过增大接收机前端的带外抑制。,发射对接收的干扰,.,61,5、天线辐射场,4、无线传输,射频基础知识讲义提纲,1、射频基本概念,2、接收机系统,3、发射机系统,4、无线传输,.,62,无线传输,大气中无线信号传输衰减,阻挡介质损耗、反射与绕射,多径干扰,多普勒效应,慢衰落与传输失真,.,63,大气中无线信号传输衰减,真空中无线传输损耗公式：,手机的无线发射功率：CDMA手机的线性平均发射功率为2.4dBm（1.72mW）,以最大功率（23dBm,0.2W）发射的概率为0.2%。GSM手机的线性平均发射功率为28.9dBm（773mW），以最大功率（33dBm,2W）发射的概率为21.8%。