RF測(cè)試原理小結(jié)

1、RF測(cè)試原理小結(jié)本文旨在闡述RF測(cè)試項(xiàng)目的有關(guān)原理性知識(shí)，基本不涉及具體的測(cè)試方法，測(cè)試方法請(qǐng)參照相關(guān)文檔。首先學(xué)習(xí)射頻離不開天線，要對(duì)天線知識(shí)有所了解。天線（antenna）是RF系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零件，發(fā)送的時(shí)候它負(fù)責(zé)將線路中的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電波發(fā)射出去，接收的時(shí)候它負(fù)責(zé)將電波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。根據(jù)洛倫茲定理，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因施加在天線上的電流不同，就會(huì)產(chǎn)生電波；當(dāng)無線電波遇到天線時(shí)，電子就會(huì)流入天線導(dǎo)體而產(chǎn)生電流。天線分為全向型和定向型兩種。全向型天線收發(fā)所有方向的信號(hào)，定向性天線只收發(fā)天線所指向方向上的信號(hào)，可以將能量傳送到更遠(yuǎn)的距離，信號(hào)也比較清楚，實(shí)際上根本沒有真正意義上的全向天線。

2、天線的長(zhǎng)度取決于頻率：頻率越高，天線越短。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般的簡(jiǎn)易型天線為其波長(zhǎng)的一般。波長(zhǎng)和頻率的計(jì)算公式是：，例如使用830KHz的調(diào)幅廣播電臺(tái)，其電波的波長(zhǎng)約為360米，因此必須使用約180米的大型天線。當(dāng)然天線工程師可以運(yùn)用一些技巧，進(jìn)一步縮短天線，甚至可以做到隨身攜帶的程度。一般在天線的前端還會(huì)有個(gè)功率放大器PA(power amplifier)，其實(shí)將功率提升到做大功率后發(fā)送。然后具體了解RF測(cè)試中各個(gè)參數(shù)的含義及其影響因素。一、調(diào)制帶寬：調(diào)制子載波占用的頻帶寬度，有20MHz（11b/g）和40MHz（11n）的,我們從頻譜模板的波形中也可以看出來。二、EVM：Error Vecto

3、r Magnitude，誤差矢量幅度：其是調(diào)制后的射頻信號(hào)與理想原始信號(hào)的矢量差，反映了調(diào)制的精度，是衡量信號(hào)質(zhì)量的重要參數(shù)。原理上是接收到的碼片信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)、解擾、解擴(kuò)之后，再重復(fù)一遍發(fā)射端點(diǎn)的過程，即調(diào)制、加擾、擴(kuò)頻，然后再拿這個(gè)碼矢量信號(hào)與接收到的矢量信號(hào)做矢量差，將其做統(tǒng)計(jì)平均，即為EVM值。EVM越大，說明信號(hào)受到的干擾越大，接收到的信號(hào)質(zhì)量越差；反之，干擾小，接收到的信號(hào)質(zhì)量就好。EVM有幅度偏差、頻率偏差、相位偏差之分。功率放大器的非線性失真影響幅度偏差，I/Q信號(hào)同步影響相位偏差，本振的噪聲和電源噪聲影響頻率偏差，影響EVM因素主要有功率放大器的非線性失真、噪聲、以及供電環(huán)境

4、。EVM標(biāo)準(zhǔn)有IEEE標(biāo)準(zhǔn)和一些國(guó)家電信的標(biāo)準(zhǔn)，下面列出IEEE的標(biāo)準(zhǔn)供參考。EVM數(shù)據(jù)速率(Mbps)EVM(dB)6-59-812-1018-1324-1636-1948-2254-25三、調(diào)制速率：調(diào)制傳送基帶信號(hào)所用的碼流率，它反映在被調(diào)子載波變化的快慢上，有6Mbps、12 Mbps、18 Mbps、24 Mbps、36 Mbps四、發(fā)射功率：有天線口發(fā)射功率（PA輸出功率減去線損，盡量減少線損）和空口發(fā)射功率（用等效全向發(fā)射功率EIRP描述，天線口發(fā)射功率+天線增益）之分，用功率譜密度描述，取RMS值衡量。五、頻率偏移：Frequency Error指發(fā)射信道中心頻率的偏差，其反映

5、了中心頻率的精度，一般取決于本振的精度，可以通過調(diào)整本振的匹配電容來糾正偏差。其中11b：要求頻率偏移在25ppm以內(nèi)；11a/g：要求頻率偏移在20ppm以內(nèi)。六、接收靈敏度：指接收機(jī)能解調(diào)的最小信號(hào)電平，就是信號(hào)的最小功率值，換句話說就是在保證所要求的誤比特率的情況下，接收機(jī)所需要的最小輸入功率。一般我們用誤碼率來衡量接收靈敏度，而不能用直接進(jìn)入接收通道的信號(hào)來衡量，因?yàn)樵跐M足一定的信噪比SNR的情況下，非常小的信號(hào)都可以解調(diào)，而當(dāng)伴隨信號(hào)的噪聲和接收通道的噪聲增加時(shí)，此時(shí)信噪比就會(huì)下降，誤碼率迅速增加。一般情況下要求誤碼率在百分之十左右，測(cè)試的時(shí)候要求發(fā)1000個(gè)包，11b時(shí)接收到920

6、以上，11g/n接收900個(gè)包以上時(shí)的最小信號(hào)功率，就是要測(cè)量的接收靈敏度。從下面接收靈敏度IEEE標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)率越高，接收器所接收到的信號(hào)就越容易被損毀，接收靈敏度要求的功率電平就越大。11b數(shù)據(jù)速率(Mbps)接收機(jī)門限電平（dbm）1-2-5.5-11-7611g數(shù)據(jù)速率(Mbps)接收機(jī)門限電平（dbm）6-829-8112-7918-7724-7436-7048-6654-6511n 20M數(shù)據(jù)速率(Mbps)接收機(jī)門限電平（dbm）MCS0-80MCS1-77MCS2-75MCS3-72MCS4-68MCS5-64MCS6-63MCS7-6211n 40M數(shù)據(jù)速率(Mbp

7、s)接收機(jī)門限電平（dbm）MCS0-77MCS1-74MCS2-72MCS3-69MCS4-65MCS5-61MCS6-60MCS7-59七、最大接收電平是接收機(jī)能解調(diào)的最大信號(hào)電平，由于接收機(jī)前端有低噪放LNA，其工作點(diǎn)電平受限，過大的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致其飽和，形成信號(hào)阻塞。八、頻譜模板 Spectrum Mask其描述了發(fā)射信號(hào)的頻譜分布，反映了信號(hào)能量的集中范圍，如果帶外的能量多的話，會(huì)影響到相鄰信道的通信，一般用包含被調(diào)制信道的調(diào)制帶寬及其信道外的電平分布來衡量。功率放大器PA的非線性失真和匹配都會(huì)影響到頻譜模板，可能會(huì)超出其范圍。如果能夠很好的控制相位噪聲，比如預(yù)失真處理能夠很好的降低帶外

8、噪聲，同時(shí)提高EVM都會(huì)保證頻譜模板的要求。九、功率平坦度 Spectral Flatness反映信號(hào)子載波的功率變化，它測(cè)量每個(gè)子載波的平均功率對(duì)所有子載波的平均功率的偏移。11b沒有平坦度，是因?yàn)槠洳捎玫恼{(diào)制方式時(shí)單載波調(diào)制，11g/n采用的是OFDM調(diào)制方式。十、星座圖星座圖反映了各個(gè)速率時(shí)采用的調(diào)制方式、編碼率、EVM等信息。測(cè)試的過程中，我們可以看到不同速率下的星座圖，接收信號(hào)的范圍集中說明信號(hào)的質(zhì)量就比較好，越是發(fā)散，說明信號(hào)的質(zhì)量越差。各種調(diào)制方式的星座圖如下：各種調(diào)制方式分別承載的數(shù)據(jù)位數(shù)為：BPSK：1bit/symbol；QPSK：2bits/symbol；16QAM：4b

9、its/symbol；64QAM：6bits/symbol。模擬調(diào)制方式有三種：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，就是載波隨著調(diào)制信號(hào)的幅度、頻率或相位的變化而變化，這樣載波就承載了調(diào)制信號(hào)的信息，此時(shí)的信號(hào)成為已調(diào)信號(hào)，傳入發(fā)信機(jī)發(fā)送出去。與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字調(diào)制方式也有三種：振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK。802.11中常用的調(diào)制方式是差分相位調(diào)制DPSK，而不是絕對(duì)相位調(diào)制PSK，因?yàn)镻SK對(duì)通信收發(fā)雙方的同步性能要求很高，一旦同步被波壞，就難以恢復(fù)原有信號(hào)，導(dǎo)致相位顛倒，稱為“倒現(xiàn)象”，而DPSK是利用相鄰載波的相位差就可以避免此問題的發(fā)生。BPSK用前后載波的相位差為0時(shí)表示符號(hào)0，相差

10、為半個(gè)周期時(shí)表示符號(hào)1；因BPSK只能編碼一個(gè)位，可以采用一種差分正交相移鍵控DQPSK編碼兩個(gè)位，即是采用一個(gè)基波與三個(gè)偏移波，每個(gè)波偏移1/4個(gè)周期，如用相移/2表示符號(hào)01，相移0表示符號(hào)00，相移表示符號(hào)11，相移3/2表示符號(hào)10，當(dāng)然也可以用上面QPSK圖中的四個(gè)正交的相位/4，3/4，5/4，7/4來表示。802.11還采用正交調(diào)幅QAM技術(shù)來傳送數(shù)目，能夠承載更多的比特?cái)?shù)，以此來提高調(diào)制的速率。QAM是在單一載波上編碼數(shù)據(jù)，該載波有同相信號(hào)和落后其/4周期的正交信號(hào)組成，當(dāng)兩種信號(hào)被限定在一組特定的電平時(shí)，就形成了所謂的星座圖constellation。星座圖描繪了同鄉(xiāng)和正交型

11、號(hào)的可能值，星座圖中的每個(gè)點(diǎn)代表一種符號(hào)symbol，每個(gè)符號(hào)代表特定的位置，如上面圖中所示。需要注意的是，QAM前面的數(shù)值表示總共的符號(hào)個(gè)數(shù)，其實(shí)每個(gè)符號(hào)的2的乘冪數(shù)，可以算出每個(gè)符號(hào)代表的比特?cái)?shù)，比圖64-QAM就是每個(gè)符號(hào)代表6bits信息，256-QAM就是每個(gè)符號(hào)代表8bits信息。要提高數(shù)據(jù)的速率，只要使用點(diǎn)數(shù)更多的星座圖即可，不過數(shù)據(jù)率提高，就要求接收信號(hào)的質(zhì)量要足夠好，否則就難以區(qū)分星座圖中的相鄰點(diǎn)。如果距離太近，每個(gè)信號(hào)可以接收的誤差范圍就會(huì)縮小。下面詳細(xì)了解下802.11各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的編碼和調(diào)制細(xì)節(jié)。802.11bData RateSpreading/CodingModulat

12、ionSymbol RateChip Rate1Mbps11 chip Barker codeDBPSK1Msps11Mcps2Mbps11 chip Barker codeDQPSK1Msps11Mcps5.5MbpsCCKDQPSK1.375Msps11Mcps11MbpsCCKDQPSK1.375Msps11Mcps802.11b直接序列擴(kuò)頻PHY采用每秒1100萬的碎片率，其將碎片流劃分為一系列的11位的貝克碼Barker word，每秒傳送100萬個(gè)Barker word。每個(gè)word根據(jù)所使用的1.0Mbps還是2Mbps的數(shù)據(jù)率，分別編碼1或2個(gè)比特。為了達(dá)到更高的傳輸速率，就要

13、求每個(gè)word編碼更多的字節(jié)，802.11采用了一種叫做補(bǔ)碼鍵控CCK（Complementary code keying）的方式，就是將碎片流劃分為一系列的由8個(gè)位構(gòu)成的碼符號(hào)，因此每秒要傳送137.5萬個(gè)碼符號(hào)。CCK采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以使用若干這8bit序列在每個(gè)碼字中編碼4或8個(gè)位是吞吐量達(dá)到5.5Mbps和11Mbps。注意一點(diǎn)的是：CCK方式所采用的擴(kuò)頻碼是由數(shù)據(jù)本身經(jīng)過函數(shù)推演得出來的，而之前擴(kuò)頻是采用類似Barker word之類的靜態(tài)且具有重復(fù)性的碼字。802.11gData rate(Mbits/s)ModulationCoding rateCoded bitspe

14、r subcarrierCoded bitsper OFDMsymbolData bits per OFDM symbol6BPSK1/2148249BPSK3/41483612QPSK1/22964818QPSK3/4296722416QAM1/24192963616QAM3/441921444864QAM2/362881925464QAM3/46288216802.11g是基于正交頻分復(fù)用OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）技術(shù)的。OFDM是將一個(gè)較寬的信道分割成若干子信道，每個(gè)子信道均用來傳輸數(shù)據(jù)，就是用多路副載波進(jìn)行單一傳送的

15、方式，用這些較慢的子信道復(fù)合成較快的信道。OFDM正交性的含義是指在頻域中，OFDM各個(gè)子載波的頻譜的波峰互補(bǔ)重疊，這樣所選用的副載波就不會(huì)被其他副載波所干擾，其實(shí)正交性的本質(zhì)所在。802.11g無線信道總?cè)萘康挠?jì)算方法：子信道乘以每個(gè)信道的位數(shù)。比如使用64-QAM調(diào)制方式時(shí)，每個(gè)子信道承載6bits，802.11G使用48個(gè)子信道，故每個(gè)信道的容量為288個(gè)bits。表中每個(gè)OFDM符號(hào)承載的數(shù)據(jù)位有編碼數(shù)據(jù)率乘以每個(gè)符號(hào)編碼的位數(shù)得到。802.11nMCS IndexModulationCoding rateCoded bitsper subcarrierData Rate (Mb/s)

16、800ns GI400ns GI0BPSK1/216.57.21QPSK1/2213.014.42QPSK3/4219.521.7316QAM1/2426.028.9416QAM3/4439.043.3564QAM2/3652.057.8664QAM3/4658.565.0764QAM5/6665.072.28BPSK1/2113.014.49QPSK1/2226.028.910QPSK3/4239.043.31116QAM1/2452.057.81216QAM3/4478.086.71364QAM2/36104.0115.61464QAM3/46117.0130.01564QAM5/6613

17、0.0144.4802.11n是在OFDM的基礎(chǔ)上，引入了多進(jìn)多出MIMO（multiple-input multiple-output）技術(shù)。其支持當(dāng)前的20MHz帶寬的同時(shí)，還支持40MHz帶寬，以此來提升吞吐量。在采用MIMO多天線技術(shù)之前，一般都是單獨(dú)采用一根天線進(jìn)行首發(fā)的，即使是采用了多根天線也只是為了天線分集使用，802.11n采用多根天線同時(shí)進(jìn)行收發(fā)，來提高數(shù)據(jù)率。我們注意到,20M帶寬在MCS7時(shí)65Mbps，在40M帶寬時(shí)達(dá)到130Mbps，其實(shí)一根天線可以達(dá)到的理論速率，當(dāng)使用兩根天線同時(shí)收發(fā)時(shí)，MCS8-MCS15可以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率。下面是通信原理的一般性知識(shí)，對(duì)了解

18、天線的發(fā)送和接收有好處。20世紀(jì)60年代以后，數(shù)字通信迅速發(fā)展起來，大有取代模擬通信技術(shù)的趨勢(shì)，究其原因有以下幾個(gè)方面：1.數(shù)字傳輸抗干擾能力強(qiáng)；2.傳輸差錯(cuò)可以控制，改善了傳輸質(zhì)量；3.便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理，比如FFT等；4.易于加密處理；5.可以綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)。下圖是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型。 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)包括信源編解碼、信息加密/解密、信道編解碼、調(diào)制解調(diào)、信道、同步以及數(shù)字復(fù)接與多址等各個(gè)部分，下面分別進(jìn)行介紹。1.信源編碼與譯碼信源編碼主要有兩個(gè)作用：一是完成模擬信源的數(shù)字化，如果信源產(chǎn)生的信號(hào)是模擬信號(hào)時(shí)，首先需要對(duì)模擬

19、信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后才能夠在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸。模擬信源的數(shù)字化包括采樣、量化和編碼三個(gè)過程，電話系統(tǒng)中話音信號(hào)的數(shù)字化就是典型的模擬信源數(shù)字化的過程。信源編碼的另外一個(gè)作用是為提高信息傳輸?shù)挠行远捎眠m當(dāng)?shù)膲嚎s技術(shù)減小信息速率。如電話系統(tǒng)中采用PCM編碼的語音速率為64kbps，而如果采用壓縮編碼后，單路話音的速率則可以降低到32kbps或更低，這樣在同樣的信道中能夠同時(shí)傳輸?shù)脑捖肪驮黾恿恕?.信道編碼與譯碼信道編碼的目的是為了增強(qiáng)通信信號(hào)的抗干擾能力。由于信號(hào)在信道傳輸時(shí)受到噪聲和干擾的影響，接收端恢復(fù)數(shù)字信息時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，為了減小接收差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔凑找欢ǖ囊?guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成差錯(cuò)控制編碼。接收端的信道譯碼器按照相應(yīng)的逆規(guī)則進(jìn)行解碼，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的抗干擾性。在計(jì)算機(jī)中廣泛使用的奇偶校驗(yàn)碼就是最簡(jiǎn)單的一種差錯(cuò)控制編碼，它具有一比特差錯(cuò)的檢錯(cuò)能力。3.加密和解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的情況下，為了保證所傳輸信息的安全，人為地將被傳輸信息的數(shù)字序列擾亂，即