射頻是什么?
打個比方:
射頻電路一般由接收機(jī)射頻處理單元、發(fā)射機(jī)射頻處理單元和頻率合成單元組成。
射頻電路的最大特點是在射頻頻段內(nèi),導(dǎo)線的電阻、電感或電容的特性都會變得相當(dāng)復(fù)雜,有時完全喪失其原有特性。在射頻頻段內(nèi)電阻可以表現(xiàn)出電感和電容的特性。
1、趨膚效應(yīng)
舉例
好比農(nóng)村的土路上中間積滿了水,大家只好沿著路邊排隊通過,路邊緣處行人密度高,路中間處行人密度低。
而作為射頻來說,交流電就好比行人,導(dǎo)體就相當(dāng)于與道路(只不過道路是平面的,導(dǎo)體是立體的)。那導(dǎo)體的外表面就相當(dāng)于道路邊緣,導(dǎo)體的中心就相當(dāng)于道路的中間。
分析
從一個導(dǎo)體的橫截面看,導(dǎo)體中心的感抗對交流電的阻礙作用比外層或表面大很多。因此,交流電通過導(dǎo)體時,各部分的電流密度是不均勻的,導(dǎo)體表面電流密度大(減少了截面積,增大了損耗),而導(dǎo)體中心的電流密度小,這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。交流電的頻率越高,趨膚效應(yīng)越顯著;頻率高到一定程度,可以認(rèn)為電流完全從導(dǎo)體表面流過。
實際應(yīng)用
在實際應(yīng)用中,用空心導(dǎo)線代替實心導(dǎo)線,可節(jié)約材料;在高頻電路中,使用多股相互絕緣的細(xì)導(dǎo)線編織成束,來削弱趨膚效應(yīng)的影響。
2、峰均比、峰值因子——貧富差距有多大
舉例
若研究全國各自然村富翁的財富分布情況來說明不同省份的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,可以用峰均比的概念,即最有錢的村富翁的財富和所有村富翁財富的平均值相比。也就是說,峰均比指出是xxx峰值和xxx均值的比,單位是比值或比值的dB表達(dá)式。
分析
無線信號從時域上觀測是幅度不斷變化的正弦波,幅度并不恒定,一個周期內(nèi)的信號幅度峰值和其他周期內(nèi)的幅度峰值是不一樣的,因此每個周期的平均功率和峰值功率是不一樣的,所以峰均比要考察在一個較長的時間內(nèi)。
峰值功率也并不是某一最大值,而是一定概率的較大值的集合,通常取值為0.01%。在這個概率下的峰值功率跟系統(tǒng)總的平均功率的比就是峰均比(PAR)。
在概率為0.01%處的PAR,一般稱為峰值因子(Crest Factor,CF)。
理解
(1)功率的峰均比約為電壓峰均比的平方(從量級上看),PAR一般是指功率的峰均比,但也有書上把它當(dāng)做電壓的峰均比來用。
(2)如果功率幅值隨時間沒有變化,即“包絡(luò)的最大值”與“包絡(luò)的平均值”處處相等,那么“恒包絡(luò)”信號的峰均比為1或者是0dB。
(3)如果只考慮一個周期的無線信號純正弦波,功率峰均比就是2,即3dB;而其電壓的峰值因子(CF)就是功率峰均比的平方根,即1.414,也就是1.5dB。
(4)調(diào)制技術(shù)、多載波技術(shù)都可能帶來較大的峰均比會影響很多射頻器件的應(yīng)用效率。抑制過大的峰均比是在設(shè)計和使用射頻器件時必須考慮的。
二、噪聲,你了解多少?
往來汽車的滴滴聲(人類之外的噪聲、人群的嘈雜聲(人類的噪聲),都是人們正常交流時可碰到的聲波噪聲。這些噪聲隨著環(huán)境的不同,噪聲大小不同,影響程度也不同,我們無法對特定時刻某個具體噪聲的大小進(jìn)行預(yù)測,但它有一定的統(tǒng)計規(guī)律。
1、白噪聲、高斯白噪聲、噪聲譜密度
白噪聲是指功率譜密度為常數(shù)、能量在整個頻域內(nèi)均勻分布的隨機(jī)信號或隨機(jī)過程。理想白噪聲的帶寬無限大,因而其能量也無限大,這在現(xiàn)實世界中是不可能存在的,只是為了讓我們在數(shù)學(xué)分析上更加方便。
高斯白噪聲:如果一個噪聲,它的幅度分布服從高斯分布,而它的功率譜密度又是均勻分布的,則稱之為高斯白噪聲。
兩個正交高斯噪聲信號之和的包絡(luò)服從瑞利分布。
單位帶寬內(nèi)分布的噪聲功率稱為噪聲譜密度。由于高斯白噪聲的功率譜密度是均勻分布的,理論上在無限帶寬范圍內(nèi)的噪聲功率是無窮大的,但幸好一切接收設(shè)備都只能接收一定帶寬范圍內(nèi)的噪聲,否則這些設(shè)備都會被噪聲沖擊而喪失功能。
2、相位噪聲
相位噪聲就是指系統(tǒng)(如各種射頻器件)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機(jī)變化,正如航班因為天氣的變化無法正常起飛或降落進(jìn)而導(dǎo)致之后的航班安排的混亂。
描述無線電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下,固定頻率的無線信號波動周期是固定的,正如飛機(jī)的正常航班一樣,起飛時間是固定的。頻域內(nèi)的一個脈沖信號(頻譜寬度接近0)在時域內(nèi)是一定頻率的正弦波。
正如延誤的航班可能擠占其他航班的時間使航班安排變得混亂,偏離中心頻率很遠(yuǎn)處的信號(邊帶信號)可能會被擠到相鄰的頻率中去。這個邊帶信號就叫做相位噪聲。
如何描述相位噪聲的大小呢?在偏移中心頻率一定范圍內(nèi),單位帶寬內(nèi)的功率與總信號功率的比。好比評估某一天天氣對航班的影響,定義晚點1小時以上的航班和航班總數(shù)的比例,當(dāng)然這個比例越小越好。射頻器件系統(tǒng)內(nèi)的熱噪聲可能導(dǎo)致相位噪聲的產(chǎn)生。
相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優(yōu)劣。在設(shè)計和使用射頻器件時,要注意射頻器件對相位噪聲的抑制能力。相位噪聲越小,射頻器件越好。
3、信噪比
說明
無線通信領(lǐng)域的信噪比,簡單地說,就是有用信號和噪聲(主要是加性噪聲)的功率之比,就好比我們所說的性價比一樣,通常以SNR表示。有用信號的可靠傳送是我們想要獲得的好處;有用信號在傳輸?shù)倪^程中,必然會引入各種噪聲(最起碼的會有熱噪聲)。
理解:
(1)在不考慮成本的前提下,信噪比越大越好。
(2)有用信號↑、干擾和噪聲↓,信噪比↑。
(3)在極少的應(yīng)用場合中(如相機(jī)、MP3等),以有用信號和噪聲的電壓之比表示信噪比。
4、噪聲系數(shù)
射頻器件的噪聲系數(shù)=輸入端信噪比與輸出端信噪比之比。
噪聲系數(shù)可以衡量接收機(jī)、放大器等射頻器件的射頻(RF)性能。它表示經(jīng)過射頻器件后,信號有用功率的相對損失和噪聲功率的相對放大。
5、加性噪聲
不管有沒有有用信號,加性噪聲始終存在于射頻器件中,或多或少地影響著正常通信的質(zhì)量。
一般通信中把隨機(jī)的加性噪聲看成是系統(tǒng)的背景噪聲。內(nèi)部熱噪聲由電子器件不規(guī)則的熱運動引起,在數(shù)學(xué)上可以用隨機(jī)過程來描述,又可稱為隨機(jī)噪聲??赏ㄟ^保證通風(fēng)條件,降低環(huán)境溫度來降低干擾。
6、乘性噪聲
引言
在相互聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)中,一個微小的初始輸入信號的差別,可能引發(fā)一系列連鎖反應(yīng);這些連鎖反應(yīng)超出了系統(tǒng)的線性工作范圍,導(dǎo)致巨大的輸出問題。這個現(xiàn)象類似蝴蝶效應(yīng)或者是多米諾骨牌效應(yīng)。
理解
乘性噪聲是由于無線環(huán)境的不理想或者射頻器件的非線性,伴隨著無線信號的接收和傳送過程而產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲與信號的關(guān)系是相輔相成的,有信號就有它,沒有信號它也就不存在了。
在射頻器件非線性范圍內(nèi)無線信號的微小變化,可能導(dǎo)致巨大的信息失真。提高射頻器件的線性程度,避免射頻器件工作在非線性范圍,可以減弱乘性噪聲的影響。
三、失真
失真,就是失去真實。信號經(jīng)過射頻收發(fā)通道的時候,由于有加性噪聲和乘性噪聲引入,或多或少會對所傳信號有一定程度的歪曲,這種情況就是無線信號的失真。
無線信號的失真可分為線性失真和非線性失真。
1、線性失真
線性失真可以分為線性幅度失真和線性相位失真,是由該電路的線性電抗元件對不同頻率的響應(yīng)不同而引起的,所以叫線性失真。由于是射頻器件對不同頻率的信號處理結(jié)果上的偏差,又叫頻率失真。線性失真主要是由濾波器等無源器件產(chǎn)生的。
2、非線性失真
非線性失真也可以分成非線性幅度失真和非線性相位失真。非線性失真主要是由一些放大器、混頻器等有源器件產(chǎn)生的。非線性失真產(chǎn)生了新的諧波成分,改變了原來的信號頻譜。
在設(shè)計和選擇有源射頻器件的時候,常用的衡量非線性幅度失真的指標(biāo)有1dB壓縮點、三階交調(diào)、三階截止點等,這些指標(biāo)都表明系統(tǒng)遠(yuǎn)離了線性工作范圍,進(jìn)入了器件的飽和區(qū),會產(chǎn)生較大的信號失真。
3、1dB壓縮點
當(dāng)輸入信號較小時,在射頻放大器的線性工作范圍內(nèi),輸出信號與輸入信號可以保證線性關(guān)系。輸入信號的幅度增加1dB(即26%)時,輸出也相應(yīng)增加1dB。但是進(jìn)入了放大器的飽和區(qū),開始了非線性幅度失真,即輸入電平增加1dB,輸出將增加不到1dB,輸出增加值開始減少。在某一點的實際輸出值比理想的仍然線性增長時的值減少了26%(即1dB),這一點叫做1dB壓縮點(這一點在射頻器件中表示為P1dB點),
4、放大器功率回退
就如同水桶水位不斷增加。放大器的輸入和輸出關(guān)系就像注水和水桶水位之間關(guān)系一樣,有一個線性動態(tài)范圍,在這個范圍內(nèi),放大器的輸出功率隨輸入功率的增加而線性增加。放大器超出線性范圍進(jìn)入飽和區(qū),當(dāng)放大器工作在1dB壓縮點時輸入一波動,輸出就容易失真很多(就像水桶滿了一樣,水桶滿了一晃動水就容易溢出)。
水桶不能裝太滿,同樣的道理,放大器的工作范圍要遠(yuǎn)離1dB壓縮點,遠(yuǎn)離飽和區(qū),這就是放大器的功率回退。一般要求輸出功率比1dB壓縮點回退6~10dB,使功率放大器能可靠地工作在線性區(qū)域。
5、三階交調(diào)
一般射頻器件的接觸不好、器件老化,都可能引起器件的非線性。交調(diào)從字面上理解就是相互(兩個及兩個以上)影響,交調(diào)產(chǎn)物就是互相影響的產(chǎn)物。兩個或兩個以上頻率的無線電波在非線性射頻器件中傳播時,或者在空中傳播碰上金屬物體的時候,可能產(chǎn)生其他頻率的交調(diào)干擾信號,就像恐慌的傳遞一樣,群鹿的驚慌傳到了羊群(三階交調(diào)),但是恐慌程度可能降低,羊群的恐慌傳到小鳥(五階交調(diào)),恐慌的程度又有所降低。
交調(diào)干擾信號有三階、五階、七階或者更多階的分量,但是三階交調(diào)分量最大。三階交調(diào)是用來衡量射頻器件非線性的重要指標(biāo) = 交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號的比,單位是dBc。在選擇射頻器件時,三階交調(diào)指標(biāo)的絕對值越大越好。
6、三階截止點
一個射頻器件,當(dāng)輸入信號增加到主輸出信號和輸出的三階交調(diào)產(chǎn)物幅度相等時,交調(diào)產(chǎn)物將會嚴(yán)重影響主信號的質(zhì)量,這一點稱為三階截止點。工作時往往遠(yuǎn)離三階截止點。
四、收發(fā)射頻指標(biāo)
怎樣衡量無線通信系統(tǒng)“說、聽”的能力呢?
收發(fā)好比我們的“說”和“聽”。
說,就相當(dāng)于無線通信系統(tǒng)的“發(fā)射”,從發(fā)射的角度看,盡量發(fā)射信道帶寬范圍內(nèi)的信號。衡量發(fā)射機(jī)帶內(nèi)輻射能力、帶外抑制能力的主要指標(biāo)就是鄰道泄漏比和雜散輻射。
聽,就相當(dāng)于無線通信系統(tǒng)的“接收”,從接收機(jī)的角度看,盡量接收信道帶寬范圍內(nèi)的信號。衡量接收機(jī)帶內(nèi)接收能力、帶外響應(yīng)抑制能力的主要指標(biāo)就是接收靈敏度和雜散響應(yīng)。
1、鄰道泄漏比
鄰道泄漏是用來衡量射頻器件對主工作頻率外的信道的影響特性,或稱帶外輻射特性,就像一年級學(xué)生的嘈雜聲可能會影響到二年級一樣。鄰道泄漏比(ACLR)就是泄漏在鄰道的功率與主信道功率之比,通常用dBc表示,其值越大,表明主信道功率比泄漏在鄰道的功率大得越多,說明對鄰道的影響越小。
2、雜散輻射
在發(fā)射無線信號的過程中,產(chǎn)生了很多非規(guī)定頻率范圍內(nèi)的信號,即發(fā)生了雜散輻射,就像探照燈照到了旁邊的生活小區(qū)。射頻發(fā)信機(jī)發(fā)射了非自己頻率范圍內(nèi)的信號,就可能對其他通信系統(tǒng)造成干擾,就像工地的探照燈影響了旁邊小區(qū)居民休息一樣。
雜散輻射可能是一些非線性元器件產(chǎn)生的諧波分量、交調(diào)信號等。為了防止一個系統(tǒng)的雜散輻射對其他無線通信系統(tǒng)造成干擾,需要提高系統(tǒng)的電磁兼容性能。
3、接收靈敏度
接收靈敏度就是接收機(jī)能夠正確地把有用信號拿出來的最小信號接收功率。它和3個因素有關(guān)系,即帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲、系統(tǒng)的噪聲系數(shù)、系統(tǒng)把有用信號拿出所需要的最小信噪比。
要想讓接收機(jī)“聽清楚”發(fā)射機(jī)“說的話”,信號電平強(qiáng)度一定要大于接收機(jī)的接收靈敏度S。當(dāng)然接收靈敏度S越小,說明接收機(jī)的接收性能越好;接收靈敏度S越大,說明接收機(jī)的接收性能越差。
4、雜散響應(yīng)
雜散響應(yīng)也稱寄生響應(yīng),就是在接收機(jī)中產(chǎn)生的,和接收到的有用信號頻率相近的、系統(tǒng)無法濾除的干擾信號。
從系統(tǒng)接收的角度看,由于環(huán)境的帶外干擾太大,且本身的抗雜散響應(yīng)能力弱,就會引起系統(tǒng)接收性能變差。
五、傳輸線相關(guān)——后勤線上的困惑
1、行波、駐波、行駐波——部隊前行
什么是行波?
行波就是行動的無線電波。無線電波在空氣或者射頻器件中傳播時其波形不斷向前推進(jìn),其能量隨波的傳播而不斷向前傳遞,傳播介質(zhì)的任何一處,通過的平均能量不為零,就像不斷前行的隊伍一樣。
什么是駐波?
駐波就是不再繼續(xù)推進(jìn)的無線電波,雖然電波上的任何一點都在上下震動,但波形沒有傳播出去,就像原地踏步的隊伍不再前進(jìn)一樣。兩列波(如入射波與反射波)振幅和頻率相同、傳播方向相反,疊加后波形不向前推進(jìn),就是駐波。
什么是行駐波?
傳輸線在阻抗不匹配的情況下,同時存在入射波和反射波,就像有前進(jìn)、有返回的隊伍一樣。反射波的振幅小于入射波,入射波和反射波相疊加,形成的合成波叫行駐波。
2、傳輸線、饋線——后勤補(bǔ)給線
射頻傳輸線是用來傳輸無線電波能量的導(dǎo)線,是射頻器件之間的連接器。
天線和基站機(jī)頂口之間的主要傳輸線,稱為饋線(Feeder)。
為了匹配射頻器件(主要是基站和天線)的接入端口,連接在饋線和射頻器件端口之間幾米內(nèi)的傳輸線,稱為跳線(Jumper)。
3、阻抗匹配
特性阻抗?
特性阻抗,是射頻傳輸線影響無線電波電壓、電流的幅值和相位變化的固有特性,等于各處的電壓與電流的比值,用表示。在射頻電路中,電阻、電容、電感都會阻礙交變電流的流動,合稱阻抗。電阻是吸收電磁能量的,理想電容和電感不消耗電磁能量。
什么是阻抗匹配?
傳輸線和射頻器件相連的時候,要求二者阻抗匹配。阻抗匹配就是在分界處只有入射波,沒有反射波;也就是傳輸線和射頻器件在無線電波傳送時如同沒有分界面一樣,正如左手使用左手剪刀,雖然是兩個事物在一起,感覺上沒有任何不適。
那么,什么情況下,阻抗匹配呢?
傳輸線所接射頻器件的阻抗Z1等于傳輸線的特性阻抗Z0時,就是阻抗匹配了。匹配時,能夠保證傳輸線的下一級射頻器件得到全部的信號功率,而沒有損失。
在選擇射頻器件的時候,一定要看各器件的特征阻抗是否匹配。衡量阻抗匹配程度的參量有反射系數(shù)、回波損耗、反射損耗、駐波比、行波系數(shù),等等。
4、反射系數(shù)
電壓反射系數(shù)就是指反射波電壓和入射波電壓幅度之比。
在射頻器件安裝調(diào)試的時候,我們希望器件的連接處盡量沒有反射,即反射系數(shù)接近0,這樣無線電波在器件的連接處就可以全部傳送過去,沒有反射損耗。
5、駐波比、行波系數(shù)——高速公路上的車速比
在射頻系統(tǒng)傳送的無線電波,我們總是希望駐波越小越好,行波越大越好。
反映駐波大小的是駐波比。駐波比越大,駐波所占的比例越大,系統(tǒng)無線電波的傳送問題就越大;
反映行波大小的是行波系數(shù),行波系數(shù)越大,行波所占的比例越大,系統(tǒng)無線電波傳送就越順暢。
駐波比用來描述阻抗的匹配情況,駐波比越大,說明無線信號的傳輸效果越差。駐波比的倒數(shù)可以稱為行波系數(shù)。
在無線通信工程中,駐波比是衡量傳輸線和射頻器件之間阻抗匹配程度的重要指標(biāo),有專門的駐波比測試儀,一般要求駐波比小于1.5,當(dāng)然越接近1越好。
6、回波損耗
回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比,以對數(shù)形式來表示,單位是dB,一般是負(fù)值,其絕對值可以稱為反射損耗。
反射系數(shù)是反射波和入射波電壓之比;
回波損耗是反射波和入射波的功率之比。
7、衰減系數(shù)——新疆的坎兒井
衰減系數(shù):單位長度產(chǎn)生的損耗大小。
應(yīng)用
為了使傳輸線損耗控制在合理范圍內(nèi),工程上應(yīng)該合理選用傳輸線的類型,盡量減少傳輸線使用的長度。通過合理的信號轉(zhuǎn)換,用光纖來代替射頻傳輸線傳送無線信號,就會大大減少衰減;光纖可以稱為無線信號的“坎兒井”,使信號傳得更遠(yuǎn),損耗更小。
8、傳播常數(shù)——睡眠質(zhì)量越來越差
傳播常數(shù)是指行波每經(jīng)過單位長度的傳輸線,振幅和相位的變化。
六、干擾——我上網(wǎng)聊會兒天再說
無線通信的干擾是指對無線信號接收質(zhì)量有影響的一切因素,它包括各種噪聲的影響,但不只是噪聲的影響,可能是其他無線系統(tǒng)的影響,也有可能是系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)的同頻或異頻信號對一個信號的影響。
1、雜散干擾——孟子遷離墓地
雜散干擾是一個系統(tǒng)頻段外的雜散輻射落入到另外一個系統(tǒng)的接收頻段內(nèi)造成的干擾,就像墓地嚎哭的聲音(雜散干擾)對小孟子(接收方)的影響。雜散干擾直接影響了系統(tǒng)的接收靈敏度,要想減弱雜散干擾的影響,要么在發(fā)射機(jī)上過濾干擾(在墓地周圍圍上一堵墻),要么遠(yuǎn)離干擾(搬離此地)。
雜散干擾是由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的,包括功放產(chǎn)生和放大的熱噪聲、系統(tǒng)的互調(diào)產(chǎn)物,以及接收頻率范圍內(nèi)收到的其他干擾。
2、阻塞干擾——小貓躲了起來
阻塞干擾是指接收機(jī)接收到帶外的強(qiáng)干擾信號后,突然進(jìn)入飽和區(qū),導(dǎo)致信號嚴(yán)重失真。
而克服阻塞干擾,需要增加接收機(jī)對工作頻率范圍外信號的抑制能力(即增加帶外抑制度)。
3、接收互調(diào)干擾
接收互調(diào)干擾就是頻率不同的兩個或多個干擾信號同時進(jìn)入接收機(jī),由于接收機(jī)自身的非線性而產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物,正好落在了接收機(jī)的工作頻帶范圍內(nèi),對系統(tǒng)造成的干擾。
4、發(fā)射互調(diào)干擾
發(fā)射互調(diào)干擾是指由發(fā)射端產(chǎn)生的互調(diào)信號傳到接收機(jī),正好落在了接收機(jī)的工作頻帶內(nèi),對接收機(jī)的性能造成了影響。
有兩種情況:
一種情況,由于發(fā)射機(jī)輸出端的非線性,一個強(qiáng)信號從發(fā)射機(jī)的輸出端經(jīng)過一些頻率的變化又返回到發(fā)射機(jī)時,會與發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號一起產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物;
另外一種情況,當(dāng)不同頻率的兩個或多個強(qiáng)信號同時作用在發(fā)射端的某個金屬上時,由于金屬的非線性產(chǎn)生了互調(diào)產(chǎn)物。
5、隔離度——孟母三遷的目的
隔離度就是為了盡量減少各種干擾對接收機(jī)的影響所采取的抑制干擾措施。通常有幾種措施,最重要的就是增加空間隔離度,增加空間的距離或者避免方向上和干擾源面對面;再次就是在發(fā)射端增加濾波器或者在接收端干擾來的方向上加金屬隔離網(wǎng)做屏蔽。
6、雜散抑制——偉人在大街上讀書
雜散抑制能力是指接收端在接收頻帶內(nèi)抑制干擾、提取有用信號的能力,雜散抑制水平是衡量接收機(jī)抗干擾能力的指標(biāo)。
7、阻塞抑制——集中注意力
阻塞抑制水平用來衡量接收機(jī)對接收頻率范圍外干擾的抑制能力。提高接收機(jī)的線性度,可以增強(qiáng)阻塞抑制能力。
8、互調(diào)抑制——不要想入非非
互調(diào)抑制是指接收機(jī)在工作時對發(fā)射互調(diào)和接收互調(diào)的抑制能力。同時有兩個干擾信號進(jìn)入接收機(jī),它們的3階交調(diào)產(chǎn)物正好落在帶內(nèi)就是互調(diào)干擾。提高接收機(jī)的線性度、提高3階截止點、避免金屬物體的近距離阻擋,可以增加互調(diào)抑制能力。
七、射頻系統(tǒng)
射頻系統(tǒng)由射頻接收、射頻發(fā)射兩部分組成。射頻接收電路的典型功能是完成接收信號的濾波、信號放大、解調(diào)等功能。射頻發(fā)射電路的典型功能是完成基帶信號的調(diào)制、變頻、功率放大等功能。
1、發(fā)信機(jī)、接收機(jī)
發(fā)信機(jī)是什么?
無線電波的發(fā)信機(jī)主要由發(fā)信源、功率放大器和頻率源3大部分組成。
發(fā)信源的作用主要是調(diào)制;
頻率源是為調(diào)制器和上變頻器提供合乎頻率要求的振動信號;
功率放大器將發(fā)信源輸入的信號放大到所需的功率電平,具有功率控制的功能。
發(fā)信機(jī)最核心的功能就是提供一定頻率、一定功率的無線電波,用以承載無線信號。
接收機(jī)是什么?
無線電波是通過天線和饋線傳到接收機(jī)上的,就好像人類的耳朵和外耳道接收聲波信號一樣。無線電波的接收機(jī)主要由濾波器、功率放大器(或低噪聲功率放大器)、解調(diào)器組成。
濾波和放大功能也是人類聽覺系統(tǒng)所具有的功能,解調(diào)的功能類似大腦對聽到的聲音進(jìn)行理解的功能。
噪聲系數(shù)與靈敏度用于描述接收機(jī)對微弱信號的接收能力
2、功率、電平
功率的表述常用于日常電路域,電平的說法常用在無線電通信領(lǐng)域。電平就是射頻電路中電量的水平,一般將倍數(shù)轉(zhuǎn)化為對數(shù)來表示。常用的電平是指功率的對數(shù),以dBm為單位。功率和電平二者可以說是同一個事物,但用的場合不同。
3、功放——鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)大小的調(diào)節(jié)
功率放大器,簡稱“功放”,但它放大的不是功率,也不是憑空產(chǎn)生了功率,因為能量不能憑空產(chǎn)生;功放放大了輸入信號的變化,功放的輸出功率的變化成倍地放大或反映了無線信號輸入功率的變化。
功放的輸出功率來源于功放本身的工作耗能,由工作電壓和工作電流決定。功率放大器只是在輸入和輸出之間起到“反映、傳遞信息”的樞紐作用,就像鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)的大小和火車運行速度的關(guān)系一樣。
功率放大器的本質(zhì)是利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用使輸出信號功率隨輸入信號的規(guī)律變化。小信號注入基極,則集電極流過的電流等于基極電流的b倍。經(jīng)過若干級的電流及電壓放大,就完成了功率放大。
4、功放增益
功放的增益是表征放大器信號放大能力的一種參數(shù),就是輸出信號與輸入信號功率之比。
5、低噪放——得到的信息盡量真實
低噪放,顧名思義,就是噪聲系數(shù)很低的放大器,一般用于接收機(jī)的高頻或中頻前置放大電路。低噪放的成本一般比同等條件下(除噪聲系數(shù)外的其他要求相同)的放大器要大一些,因此一般應(yīng)用在接收端便可,而不用于發(fā)射端。因為在接收端,需要放大微弱信號,減少放大器自身引入的噪聲,提高輸出信號的信噪比,從而提高接收靈敏度。
理想低噪放的噪聲系數(shù)是0dB,其物理意義是輸出信噪比等于輸入信噪比。
6、混頻器、變頻器——追趕呼嘯而過的火車
混頻器(或變頻器)的作用是將無線信號頻率由一個值變換為另一個值,起到頻譜搬移的作用?;祛l器的作用類似于上例中馬的作用,只不過一個是變頻,另一個是變速。如果說馬是速度中介,混頻器則是頻率中介,其振蕩頻率可以稱為本振頻率。對無線信號進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制等處理工作是在低頻段下進(jìn)行的,然后再將處理好的信號上變頻到高頻段發(fā)射出去;或?qū)⒔邮盏降纳漕l信號下變頻到低頻段,再做解調(diào)、解擴(kuò)等信號處理工作?;祛l器在中頻范圍內(nèi)進(jìn)行信號放大,工作線性范圍較為穩(wěn)定,接收機(jī)的靈敏度可以提高。
7、濾波器——身高大于180cm的學(xué)生去打籃球
濾波器是對特定頻率的無線信號有選擇和消除作用的射頻器件,讓有用信號盡可能無衰減地通過,對無用信號盡可能大地進(jìn)行衰減。
濾波器選擇的頻率范圍稱為通帶,濾波器抑制的頻率范圍稱為阻帶。
按對頻率的選擇性可將濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。
8、振蕩器——舞動的節(jié)奏
振蕩器就是一個頻率源,其功能是把直流電“振蕩”起來使之成為交流電,就像節(jié)奏感強(qiáng)的音樂可以讓不同的人按音樂節(jié)奏舞動一樣。振蕩器是將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電的能量轉(zhuǎn)換裝置,是收發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)電路。
9、鑒相器——舞蹈教練
所謂鑒相器,就是指鑒別相位的射頻器件,又叫相位比較器,是輸入信號、反饋信號之間的相位差與其輸出電壓有確定關(guān)系的電路,鑒相器是鎖相環(huán)的基本部件之一。
10、鎖相環(huán)—保證車行駛在正道上
鎖相環(huán),顧名思義,就是鎖定相位的環(huán)路。學(xué)過自動控制原理的人都知道,這是一種典型的反饋控制電路,利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位,實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤,一般用于閉環(huán)跟蹤電路。
鎖相環(huán)通常由鑒相器、濾波器和壓控振蕩器3部分組成前向通路,由分頻器組成頻率相位的反饋通路。
鎖相環(huán)的工作原理是檢測輸入信號和輸出信號的相位差,并將檢測出的相位差信號通過鑒相器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出,經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓,對振蕩器輸出信號的頻率實施控制,再通過反饋通路把振蕩器輸出信號的頻率、相位反饋到鑒相器。
鎖相環(huán)在工作過程中,當(dāng)輸出信號的頻率成比例地反映輸入信號的頻率時,輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值,這樣輸出電壓與輸入電壓的相位就被鎖住了。
11、插損——旅游使小明記憶的單詞損失一半
插入損耗(簡稱插損)是指當(dāng)電路中接入某一無源射頻器件后所引起的功率損耗。
插損(dB)=器件輸出電平(dBm)一器件輸入電平(dBm)
12、合路器——涇渭分明
合路器一般用于發(fā)射端,其作用是將兩路或者多路從不同發(fā)射機(jī)發(fā)出的射頻信號合為一路送到天線發(fā)射的射頻器件,同時避免各個端口信號之間的相互影響。
13、功分器——一分為二澆水法
功分器是實現(xiàn)無線信號等功率分配的射頻器件。二功分器一般有一個輸入口和兩個輸出口;三功分器則有一個輸入口和3個輸出口。
14、耦合器——從主干水道上獲得一小部分水流
耦合器是從無線信號主干通道中提取出一小部分信號的射頻器件,與功分器一樣都屬于功率分配器件,不同的是耦合器是不等功率的分配器件。耦合器與功分器搭配使用,主要為了達(dá)到一個目標(biāo)——使信號源的發(fā)射功率能夠盡量平均分配到室內(nèi)分布系統(tǒng)的各個天線口,使每個天線口的發(fā)射功率基本相同。
15、衰減器——用來減速的沙子路
衰減器就是射頻電路中用來減弱無線信號功率的二端口射頻器件。衰減器完全由電阻元件組成,在工作頻段范圍內(nèi)相位偏移為零,其衰減特性和特性阻抗均與頻率無關(guān)。
主要用途是減弱電路中信號大小、改善阻抗匹配性能。衰減器的技術(shù)指標(biāo)包括工作頻帶(工作頻段范圍)、回波損耗(衡量阻抗匹配程度)、衰減量、功率容量等。
16、負(fù)荷——防震減速的泡沫板
在射頻電路中負(fù)荷是用于某一電路或電器(如放大器)空閑的輸出端口以接收多余電功率的元器件或裝置(如同溜冰場用于防震減速的泡沫板)。對負(fù)荷最基本的要求是功率接收和阻抗匹配。射頻器件有空閑端口的時候,必須安裝阻抗匹配的負(fù)荷。這個負(fù)荷的阻抗不能太大,也不能太??;否則,不僅不能把多余的信號功率吸收掉,反而會把這部分功率反射到線路中去,影響系統(tǒng)的正常運行。
17、塔放——哨塔上的衛(wèi)兵
塔放即塔頂放大器,是安裝在塔頂部緊靠在接收天線之后的一個低噪聲放大器。塔放與天線距離很近,一般塔放與天線之間是通過一根跳線連接。
塔放可以有效地提高系統(tǒng)的靈敏度,同時降低手機(jī)的發(fā)射功率,減小系統(tǒng)內(nèi)的干擾噪聲,改善通話可靠性和話音質(zhì)量。
應(yīng)用:在上行覆蓋受限的場景中,當(dāng)用戶位于小區(qū)覆蓋范圍之外,有可能掉話時,采用塔放可以顯著降低掉話率。
八、天線——蝙蝠的超聲波發(fā)送和接收
天線是在無線電收發(fā)系統(tǒng)中,向空間輻射或從空間接收電磁波的裝置。接收和發(fā)射可以設(shè)計在同一個物理實體上。
天線大小的設(shè)計和無線電波的波長關(guān)系較大??梢赃@樣認(rèn)為:無線信號的波長越大,要求天線陣子的尺寸也越大。不同的安裝條件、不同的無線環(huán)境,對天線的外觀設(shè)計的要求也是不一樣的。
1、增益——水為什么流得急、射得遠(yuǎn)
天線的增益是指在相同輸入功率條件下,天線在最大輻射方向上某一點所產(chǎn)生的功率密度,與理想點源天線在同一點所產(chǎn)生的功率密度比值。天線的增益反映了天線將電波集中發(fā)射到某一方向上的能力。
一般來講天線的增益越高,天線發(fā)射出的能量也越集中。
天線增益的單位一般有兩種:dBi與dBd。
其中,dBi是以理想點源天線為參考的基準(zhǔn),而dBd是以半波陣子(偶極子)的天線為參考基準(zhǔn)。
同一個天線增益,dBi比dBd在數(shù)值上大2.15dB。
2、極化方向
無線電波傳播方向與其電場、磁場的運動方向垂直。
極化方向指的是天線輻射的電磁波最大輻射方向其電場矢量在空間的取向。天線的極化方向一般與單元振子的方向一致。
以大地為基準(zhǔn)面,電場矢量垂直于地面為垂直極化(VP),平行于地面為水平極化(HP)。
在雙極化天線中,天線單元極化方向分別與地面成+45°和-45°夾角。
3、方向圖——向日葵向日特性
天線在不同的空間方向上接收和輻射信號的強(qiáng)度是不一樣的,可以用數(shù)學(xué)或者圖形的方式來描述這個關(guān)系。
輻射方向圖是描述隨著空間方向變化,天線輻射強(qiáng)度變化的關(guān)系圖。方向圖有水平面方向圖和垂直面方向圖。
天線按照水平面方向圖的特性可分為全向天線與定向天線兩種。
全向天線在水平面內(nèi)的所有方向上輻射出的電波能量都是相同的,但在垂直面內(nèi)不同方向上輻射出的電波能量是不同的。
定向天線在水平面與垂直面內(nèi)的不同方向上輻射出的電波能量都是不同的,
4、波瓣寬度
波瓣寬度,顧名思義,就是無線電波輻射形成的扇面所張開的角度。
同一天線發(fā)射的無線電波不同方向上的輻射強(qiáng)度是不同的,所以定義為比最大輻射方向上的功率下降3dB的兩個方向之間的夾角為波瓣寬度。
在天線增益不變的情況下,水平波瓣寬度大了,垂直波瓣寬度必然變小。正如澆花軟管出口的水流一樣,水平方向?qū)捔?,垂直方向必然變窄?/span>
5、前后比——水槍后部漏水了
前后比是衡量定向天線后向波束抑制能力的重要指標(biāo),前后比反映了天線對后向干擾的抑制能力,一般要求大于25dB。
6、旁瓣抑制——水管側(cè)漏問題
定向天線的輻射方向圖中,除主波束方向之外,在其他相鄰方向上也會出現(xiàn)波束分量,可稱之為旁瓣或副瓣。為了減少對鄰區(qū)的干擾,天線波束賦形時應(yīng)盡可能抑制那些可能帶來干擾的副瓣。
7、零點填充
天線的主波束近下方往往存在無線電波深衰落的地方,一般稱之為零深。零點填充就是為了使天線的輻射電平更加均勻。建議天線掛高太大時(如大于100m)采用零點填充,避免塔下黑的問題。
零點填充的程度一般用零點填充達(dá)到的電平和主波瓣電平的差值(dB)來表示,有時也用百分比(電壓)來表示。如某天線零點填充為10%,則有:零深相對于主波束大于-20dB就表示有零點填充。
8、波束下傾——站在墻上用軟水管澆花
波束下傾是指由于覆蓋規(guī)劃或網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需要,天線的俯仰面波束指向需要向下做的調(diào)整。
如果波束下傾完全依賴機(jī)械調(diào)節(jié),機(jī)械調(diào)節(jié)角度過大的時候,天線的水平面波束覆蓋將變形。
9、泄漏電纜
泄漏電纜是一種特殊形式的天線,通過沿電纜縱向的一系列均勻分布的開口發(fā)射和接收信號,如同等距離開口的長水管把水送到各房間一樣。