《射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 課件全套 第1-6章 緒論- 射頻通信時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)馬文建等編著機(jī)械工業(yè)出版社第1章緒論第1章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)理解無線通信系統(tǒng)構(gòu)成，掌握發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、傳輸信道、接收天線、接收機(jī)各部件在無線通信系統(tǒng)中的作用了解無線通信系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)，包括移動(dòng)通信系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、超寬帶通信、ZigBee了解無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，包括多載波聚合、高頻傳輸、高階調(diào)制、大規(guī)模多輸入多輸出、全雙工通信、通信感知一體化了解射頻通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，理解射頻通信系統(tǒng)對(duì)寬帶化、數(shù)字化和集成化的應(yīng)用需求第1章緒論知識(shí)框架1.1無線通信系統(tǒng)1.1.1基本構(gòu)成1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)1.2射頻通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1.2.1寬帶化1.2.2數(shù)字化1.2.3集成化1.1無線通信系統(tǒng)1.1.1基本構(gòu)成無線射頻通信系統(tǒng)基本上由5個(gè)主要部分構(gòu)成，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)合稱為“收發(fā)機(jī)”，天線可以同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)發(fā)射機(jī)接收輸入的數(shù)字信息，調(diào)制到特定射頻頻段上，再將射頻信號(hào)放大到合適的功率后送至天線端口發(fā)射天線發(fā)射機(jī)與傳輸信道之間的媒介，確保射頻信號(hào)功率以特定方向通過天線端口發(fā)射出去傳輸信道收發(fā)設(shè)備之間的傳輸媒介，該傳輸媒介通常由空氣或真空、固態(tài)或液態(tài)組成接收天線傳輸信道與接收機(jī)之間的媒介，其功能是盡可能多的捕獲通過傳輸信道入射的射頻信號(hào)功率，并將這些信號(hào)傳送到接收機(jī)的輸入端接收機(jī)接收來自接收天線的射頻信號(hào)，解調(diào)到特定的中頻頻段，提取其中攜帶的信息，還原發(fā)射端輸入的數(shù)字信息1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)根據(jù)使用場(chǎng)景的差異，可將無線射頻通信系統(tǒng)分為無線廣域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個(gè)域網(wǎng)3個(gè)部分無線廣域網(wǎng)(WirelessWideAreaNetwork,WWAN)指能夠覆蓋全國或全球范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)，提供更大范圍的無線接入，與無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)相比，最突出的特征就是覆蓋面積大、移動(dòng)性能好。典型的無線廣域網(wǎng)包括移動(dòng)通信系統(tǒng)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)無線局域網(wǎng)(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)指能夠覆蓋最大5km范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)。無線局域網(wǎng)主要用來彌補(bǔ)有線局域網(wǎng)絡(luò)的不足，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)延伸的目的，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡(jiǎn)單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，實(shí)現(xiàn)無網(wǎng)線、無距離限制的通暢網(wǎng)絡(luò)。無線個(gè)域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)指為實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。WPAN所覆蓋的范圍一般在10m半徑以內(nèi)，具有低成本、低功耗、小體積等優(yōu)點(diǎn)1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)通信系統(tǒng)縱觀移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，每隔十多年就會(huì)出現(xiàn)一套新的通信標(biāo)準(zhǔn)，到目前為止，已經(jīng)發(fā)展到了第5代移動(dòng)通信。掌握通信標(biāo)準(zhǔn)才能真正理解不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)射頻通信全鏈路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。第1代(1G)20世紀(jì)80年代初美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次研制出了第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)，它是基于模擬調(diào)制方式，專為語音通話設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，采用頻率調(diào)制(FrequencyModulation,FM)、頻分雙工(FrequencyDivisionDuplex,FDD)和頻分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)技術(shù)，模擬語音信號(hào)通過分配給每個(gè)用戶的頻道進(jìn)行信號(hào)傳輸。信道帶寬為25或30kHz，載波中心頻率大約為900MHz，最大數(shù)據(jù)速率僅有14.4kbps左右。1G網(wǎng)絡(luò)的典型標(biāo)準(zhǔn)包括美國的AMPS(AdvancedMobilePhoneService)、英國的TACS(TotalAccessCommunicaionsSystem)、日本的NTT(NipponTelephoneandTelegraph)以及歐洲的NMT(NordicMobileTelephone)。由于是模擬系統(tǒng)，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理，因而具有保密性差、通話質(zhì)量差、不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和不能提供自動(dòng)漫游等缺點(diǎn)。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)通信系統(tǒng)第2代(2G)20世紀(jì)90年代初完成了第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)的商業(yè)化推廣。2G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化調(diào)制的突破，相對(duì)1G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字加密具有更好的數(shù)據(jù)安全性、更高的頻率效率和系統(tǒng)容量，以及更好的通話質(zhì)量。2G網(wǎng)絡(luò)的典型標(biāo)準(zhǔn)包括歐洲的GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)、美國的TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)和CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)，其中，前兩種是窄帶TDMA標(biāo)準(zhǔn)，且GSM是應(yīng)用最為廣泛的2G技術(shù)；第三種CDMA標(biāo)準(zhǔn)采用擴(kuò)頻技術(shù)，可以提供更好的音質(zhì)、更低的斷線概率和更好的安全性。除了語音傳輸外，2G網(wǎng)絡(luò)還具有一定的數(shù)據(jù)傳輸能力，比如短消息服務(wù)(ShortMessageService,SMS)，但數(shù)據(jù)速率很低(最高只有9.6kbps)，完全不適合網(wǎng)頁瀏覽和多媒體等應(yīng)用。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)通信系統(tǒng)第3代(3G)20世紀(jì)90年代后期，第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)將傳輸速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。3G網(wǎng)絡(luò)通過提高頻譜效率來增加網(wǎng)絡(luò)容量，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的圖像和視頻通信。UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)作為完整的3G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括歐洲和日本共用研發(fā)的WCDMA(WidebandCDMA)、美國的CDMA2000和中國的TD-SCDMA(TimeDivision-SynchronosCDMA)，分別可提供最大7.2Mbps、3.1Mbps和2.8Mbps的數(shù)據(jù)速率。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)通信系統(tǒng)第4代(4G)21世紀(jì)早期，隨著應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展，3G已無法滿足人們對(duì)通信速率的需求，第4代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)專注于提供更大系統(tǒng)的吞吐量、更強(qiáng)的移動(dòng)性以及較低的延遲。為了實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)下100Mbps的峰值速率目標(biāo)，4G引入了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)多載波和MIMO(MultipleInputMultipleOutput)天線兩大革命性的先進(jìn)技術(shù)。在4G標(biāo)準(zhǔn)下，美國的WiMAX(WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess)和歐洲與中國的LTE(longTermEvolution)兩種模式相互競(jìng)爭(zhēng)、同時(shí)發(fā)展。WiMAX是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)，通過寬帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化，前身為WALN。而LTE是基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，通過移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)寬帶化，前身為GSM/WCDMA等。綜合來看，WiMAX優(yōu)點(diǎn)在速率，缺點(diǎn)在移動(dòng)性；LTE優(yōu)點(diǎn)在移動(dòng)性，缺點(diǎn)在速率。但在實(shí)際應(yīng)用中，兩種標(biāo)準(zhǔn)的速率差異用戶體驗(yàn)并不明顯，而伴隨著移動(dòng)通信穩(wěn)定性需求的提升，3GPP的LTE基本打敗了IEEE的WiMAX，成為了4G的最終標(biāo)準(zhǔn)，也成了全球運(yùn)營商的主流選擇。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)通信系統(tǒng)第5代(5G)2018年2月27日，華為在MWC2018大展上發(fā)布了首款3GPP標(biāo)準(zhǔn)5G商用芯片巴龍5G01和5G商用用戶設(shè)備(UserEquipment,UE,也稱為終端)，支持全球主流5G頻段，包括Sub6G(低頻)、mmWave(高頻)，標(biāo)志著移動(dòng)通信正式進(jìn)入5G時(shí)代。

5G在移動(dòng)通信領(lǐng)域的變化絕對(duì)是革命性的，如果說以前的移動(dòng)通信只是改變了人們的通信方式和社交方式，5G則是改變了網(wǎng)絡(luò)社會(huì)。相比4G，5G具有超高速率、超低時(shí)延、超大連接等特點(diǎn)，基于這些特點(diǎn)，映射出5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——移動(dòng)通信系統(tǒng)第6代(6G)

當(dāng)移動(dòng)通信的無盡前沿拓展到5G，人們又開始思考6G的樣子。6G是更先進(jìn)的下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其內(nèi)涵將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)通信范疇。6G如同一張巨大的分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，集通信、感知、計(jì)算等能力于一體，深度融合物理世界、生物世界和數(shù)字世界，在5G基礎(chǔ)上，6G將跨越人聯(lián)、物聯(lián)，從“萬物互聯(lián)”邁向“萬物智聯(lián)”，把智能帶給每個(gè)人、每個(gè)家庭、每個(gè)企業(yè)，引領(lǐng)新一波創(chuàng)新浪潮。6G移動(dòng)通信系統(tǒng)將廣泛運(yùn)用各種新技術(shù)，利用超高速、超可靠連接、原生AI、先進(jìn)感知技術(shù)來極大改善人類生活。根據(jù)所需的關(guān)鍵技術(shù)，6G主要包括5大應(yīng)用場(chǎng)景。其中，eMBB+、uRLLC+、mMTC+是對(duì)5G中定義的應(yīng)用場(chǎng)景的增強(qiáng)及組合，而感知與人工智能(AI)是兩個(gè)新場(chǎng)景，將在6G中迎來蓬勃發(fā)展。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是一個(gè)能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為適當(dāng)裝備的用戶提供全天候、三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無線電定位系統(tǒng)，主要包括美國的GPS(GlobalPositioningSystem)、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo和中國的北斗(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)。GPS是世界上第一個(gè)建立并用于導(dǎo)航定位的全球系統(tǒng)，Glonass經(jīng)歷快速復(fù)蘇后已成為全球第二大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，二者目前正處現(xiàn)代化的更新進(jìn)程中；Galileo是第一個(gè)完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，正在試驗(yàn)階段；BDS于2020年6月23日完成第59顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星升空，標(biāo)志著“北斗”三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完成。預(yù)計(jì)在2035年建成的“北斗”四號(hào)將建設(shè)一個(gè)更智能、更范在、更融合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提供目前缺失的室內(nèi)、深海到深空的立體服務(wù)，成為真正的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——無線局域網(wǎng)Wi-Fi是當(dāng)前使用最為典型的無線局域網(wǎng)，它是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)并經(jīng)由IEEEWi-Fi聯(lián)盟批準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)設(shè)備。截止目前，Wi-Fi技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第七代。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——無線局域網(wǎng)相對(duì)于第六代Wi-Fi，第七代Wi-Fi帶來的主要技術(shù)變革點(diǎn)如下：支持最大320MHz帶寬現(xiàn)有的2.4GHz和5GHz頻段免授權(quán)頻譜有限且擁擠，為了實(shí)現(xiàn)最大吞吐量不低于30Gbps的目標(biāo)，第七代Wi-Fi將繼續(xù)引入6GHz頻段，并增加新的帶寬模式，包括連續(xù)240MHz，非連續(xù)160+80MHz，連續(xù)320MHz和非連續(xù)160+160MHz。引入更高階的4096QAM調(diào)制技術(shù)為了進(jìn)一步提升速率，第七代Wi-Fi將引入4096QAM，調(diào)制符號(hào)承載12bit。在相同的編碼下，第七代Wi-Fi的4096QAM比第六代Wi-Fi的1024QAM速率提升20%。引入Muti-Link多鏈路機(jī)制為實(shí)現(xiàn)所有可用頻譜資源的高效利用，采用多鏈路聚合相關(guān)技術(shù)，在2.4GHz、5GHz和6GHz上建立新的頻譜管理、協(xié)調(diào)和傳輸機(jī)制，。支持更多數(shù)據(jù)流，MIMO功能增強(qiáng)第七代Wi-Fi的空間流數(shù)從第六代Wi-Fi的8個(gè)增加到16個(gè)，理論上可以將物理傳輸速率提升兩倍以上。更多的數(shù)據(jù)流將會(huì)帶來更強(qiáng)大的特性，即分布式MIMO，16條數(shù)據(jù)流可以不由一個(gè)接入點(diǎn)提供，而是由多個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)提供，這意味著多個(gè)AP之間需要相互協(xié)同進(jìn)行工作。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——藍(lán)牙藍(lán)牙(Bluetooth)是由愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)、東芝(TOShiba)、國際商用機(jī)器公司(IBM)和英特爾(Intel)共5家公司于1998年5月聯(lián)合宣布的一種無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)，能在短距離固定或移動(dòng)場(chǎng)景中提供無線網(wǎng)絡(luò)連接，采用IEEE802.15.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

藍(lán)牙與IEEE802.11無線局域網(wǎng)一樣，也使用FHSS調(diào)制方式防止其他設(shè)備干擾，允許附近幾個(gè)藍(lán)牙設(shè)備在相同覆蓋空間中重疊，實(shí)現(xiàn)彼此并行通信。數(shù)據(jù)通常以信息報(bào)的形式傳輸，吞吐量達(dá)到1Mbps。藍(lán)牙覆蓋了2400~2483.5MHz，共83.5MHz頻率、79個(gè)射頻通道，每個(gè)射頻信道帶寬為1MHz，跳頻速率為1600跳/秒，跳躍停留時(shí)間為0.625ms。標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙采用高斯頻移鍵控(GaussfrequencyShiftKeying,GFSK)調(diào)制方案，F(xiàn)SK信號(hào)的高斯模型產(chǎn)生具有比較窄的功率譜信號(hào)，很大程度上降低了功率損耗。藍(lán)牙設(shè)備分為三個(gè)功率等級(jí)，分別是100mW(20dBm)、2.5mW(4dBm)和1mW(0dBm)，對(duì)應(yīng)的有效覆蓋范圍為100米、10米和1米。藍(lán)牙主要應(yīng)用于大量的小區(qū)域、低速率、低功耗的辦公室或家庭內(nèi)部無線設(shè)備的便攜連接，包括配有藍(lán)牙的計(jì)算機(jī)、電話、耳機(jī)、智能家居管理系統(tǒng)等設(shè)備。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——超寬帶通信超寬帶(UltraWideBand,UWB)技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，其不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，占用很寬的頻譜范圍。UWB技術(shù)始于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，其利用頻譜極寬的超寬基帶脈沖進(jìn)行通信，故又稱為基帶通信技術(shù)、無線載波通信技術(shù)，主要用于軍用雷達(dá)、定位和低截獲率/低偵測(cè)率的通信系統(tǒng)中。

UWB是以占空比很低的沖擊脈沖作為信息載體的無載波擴(kuò)譜技術(shù)，通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行直接調(diào)制。沖擊脈沖通常采用單周期高斯脈沖，一個(gè)信息比特可映射為數(shù)百個(gè)這樣的脈沖。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——超寬帶通信在實(shí)際應(yīng)用中，UWB技術(shù)具有發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、多徑分辨能力強(qiáng)、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)：低功耗

UWB系統(tǒng)使用一般持續(xù)0.20~1.5ns的間歇脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，限制傳輸功率為-41.3dBm/MHz，具有很低的占空比，系統(tǒng)耗電很低，在高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百微瓦至幾十毫瓦。UWB設(shè)備在續(xù)航能力和電磁輻射上，與傳統(tǒng)無線通信設(shè)備相比，有著很大的優(yōu)勢(shì)。多徑分辨能力強(qiáng)常規(guī)無線通信射頻信號(hào)大多為連續(xù)信號(hào)或其持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于多徑傳播時(shí)間，多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，由于UWB發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短且占空比極小的單周期脈沖，多徑信號(hào)在時(shí)間上是可分離的。室內(nèi)定位精度高采用沖激脈沖的UWB技術(shù)具有極強(qiáng)的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，這是當(dāng)前UWB技術(shù)最為廣泛的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。與GPS提供絕對(duì)地理位置不同，UWB定位技術(shù)可根據(jù)適配的專用定位基站(BaseStation,BS)給出相對(duì)位置，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.2典型網(wǎng)絡(luò)——ZigBee藍(lán)牙和超寬帶提供短程設(shè)備連接和電纜替代方案，前者具有較低數(shù)據(jù)速度，后者提供高數(shù)據(jù)速率。隨著無線個(gè)域網(wǎng)WPAN的廣泛應(yīng)用，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee由于其超低功耗和低成本等優(yōu)勢(shì)逐漸得到普及，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各類設(shè)備。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)定了三個(gè)免執(zhí)照頻段：全球的2.4GHz頻段、北美的915MHz頻段和歐洲的868MHz頻段。2.4GHz頻段使用具有16個(gè)信道且最大理論數(shù)據(jù)速率為250kbps的2.4~24835GHz頻段，可在全球范圍內(nèi)使用。915MHz只指北美902~928MHz頻段，包括10個(gè)信道，數(shù)據(jù)速率為40kbps。868MHz頻段是指歐洲868~870MHz頻段，只有1個(gè)信道，數(shù)據(jù)速率為250kbps。2.4GHz頻段使用QPSK調(diào)制，915MHz和868MHz頻段使用BPSK調(diào)制。相比其他無線個(gè)域網(wǎng)WPAN，ZigBee有如下幾項(xiàng)突出的特點(diǎn)：低功耗、低成本、低速率、短延時(shí)、高容量。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——多載波聚合為滿足單用戶峰值速率和系統(tǒng)容量提升的要求，增加系統(tǒng)傳輸帶寬是最為直接的方法。LTE-A系統(tǒng)通過引入載波聚合技術(shù)來增加傳輸帶寬，載波聚合技術(shù)能通過多個(gè)連續(xù)或者非連續(xù)的分量載波聚合獲取更大的傳輸帶寬，比如說同時(shí)使用700MHz、3.4GHz兩個(gè)頻段上的頻譜資源，從而獲取更高的峰值速率和吞吐量，后面2.4.1節(jié)會(huì)進(jìn)行相關(guān)介紹。多載波聚合意味著射頻前端需要配合更多的放大器和多工器，且發(fā)射通道上的功率放大器需要重新設(shè)計(jì)來滿足線性化的要求，隨著制式的復(fù)雜程度越來越高，射頻前端寬帶化和集成化的解決方案愈加受人青睞。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——高頻傳輸為了沖刺高速，5G使用“全新”的毫米波。無線通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段(如毫米波、厘米波頻段)可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，且高頻段意味著大帶寬，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G和6G移動(dòng)通信在容量和傳輸速率等方面的需求。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波通信的主要優(yōu)點(diǎn)，也是未來無線通信的主要發(fā)展趨勢(shì)，但高頻通信也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、器件成本高、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)，需要在射頻器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行深入研究。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——高階調(diào)制提高傳輸速率的另一思路是使用更高階的正交幅度調(diào)制(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)方式，調(diào)制方式的階數(shù)越高，一個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)的bit位數(shù)就越多。例如5GNR主要采用的256QAMPDSCH，微波主要采用的1024QAM和4096QAM。不同調(diào)制階數(shù)星座圖1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——高階調(diào)制更高階的調(diào)制方式對(duì)射頻系統(tǒng)也提出了更高的要求，主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：調(diào)制方式的階數(shù)越高，意味著需要更高的接收信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)，從而限制了高階調(diào)制的通信距離，并對(duì)發(fā)射功率、波束指向、接收靈敏度提出了更高的要求。調(diào)制方式的階數(shù)越高，意味著需要更高的發(fā)射調(diào)制精度，也就是更低的誤差矢量精度(ErrorVectorMagnitude,EVM)，比如，64QAM需要將EVM限制在8%以內(nèi)，而256QAM需要將EVM限制在3.5%以內(nèi)，這就對(duì)射頻系統(tǒng)的相位噪聲、載波泄露、I/Q幅相不平衡度、通道幅度波動(dòng)、通道群時(shí)延波動(dòng)、數(shù)字削波、鄰信道抑制比等指標(biāo)提出了更高的需求，后面5.6節(jié)會(huì)進(jìn)行相關(guān)介紹。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——MassiveMIMO(大規(guī)模多輸入多輸出)MassiveMIMO是第五代移動(dòng)通信中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。隨著用戶數(shù)量及天線數(shù)量的增加，移動(dòng)用戶之間的通訊會(huì)出現(xiàn)相交現(xiàn)象。通過MassiveMIMO技術(shù)可規(guī)避通信中斷及信號(hào)衰落現(xiàn)象，從而減小用戶之間的通訊干擾，提升整體的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量。對(duì)于MassiveMIMO的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：高復(fù)用增益和分集、高能量效率、高空間分辨率。雖然MassiveMIMO作為第五代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一，但這并不意味著該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟完整，還有很多問題需要進(jìn)一步研究、改進(jìn)和解決：射頻通道集成度陣列天線的3D建模與設(shè)計(jì)陣列天線的快速校準(zhǔn)1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——全雙工通信無線通信業(yè)務(wù)量爆炸增長(zhǎng)與頻譜資源短缺之間的外在矛盾，驅(qū)動(dòng)著無線通信理論與技術(shù)的內(nèi)在變革。提升頻分雙工FDD與時(shí)分雙工(TimeDivisionDuplex,TDD)的頻譜效率，并消除其對(duì)頻譜資源使用和管理方式的差異性，成為未來移動(dòng)通信技術(shù)革新的目標(biāo)之一?；谧愿蓴_抑制理論和技術(shù)的同時(shí)同頻全雙工(Co-frequencyCo-timeFullDuplex,CCFD)技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的潛在解決方案。由于發(fā)射和接收處在同一時(shí)間和同一頻率上，造成接收天線的輸入為來自期望信源信號(hào)和本地發(fā)射信號(hào)的疊加，而后者對(duì)于前者屬于極強(qiáng)的干擾。因此，要實(shí)現(xiàn)全雙工通信的首要任務(wù)就是解決自干擾抑制，包括天線抑制、射頻域抑制和數(shù)字域抑制。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——通信感知一體化隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，更高的頻段(毫米波乃至太赫茲)、更寬的帶寬、更大規(guī)模的天線陣列使得高精度、高分辨感知成為可能，從而可以在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信感知一體化(IntegratedSensingandCommunication,ISAC)，使通信于感知功能相輔相成。一方面，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)可以作為一個(gè)巨大的傳感器，各個(gè)網(wǎng)元利用無線電波發(fā)送和接收信號(hào)，可以更好地感知和理解物理世界。通過從無線信號(hào)中獲取距離、速度、角度等信息，提供高精度定位、動(dòng)作識(shí)別、無源對(duì)象檢測(cè)和追蹤、成像及環(huán)境重構(gòu)等廣泛的新服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)即傳感器”。另一方面，感知所提供的高精度定位、成像和環(huán)境重構(gòu)等能力又有助于提升通信性能，例如波束賦型更準(zhǔn)確、波束失敗恢復(fù)更迅速、終端信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation,CSI)追蹤開銷更低，實(shí)現(xiàn)“感知輔助通信”。感知同時(shí)也是對(duì)物理世界和生物世界進(jìn)行觀察、采樣，使其連接數(shù)字世界的“新通道”，實(shí)現(xiàn)一個(gè)平行的“數(shù)字孿生”世界。1.1無線通信系統(tǒng)1.1.3關(guān)鍵技術(shù)——通信感知一體化在實(shí)現(xiàn)通信感知一體化演進(jìn)過程中，也面臨來自多方面、多層次的技術(shù)挑戰(zhàn)：信號(hào)處理從功能角度看，一體化信號(hào)處理主要涉及自干擾消除、多參數(shù)估計(jì)等諸多難題。從優(yōu)先級(jí)角度看，一體化信號(hào)處理分為以通信為主的一體化設(shè)計(jì)、以感知為主的一體化和聯(lián)合加權(quán)設(shè)計(jì)3類，如何根據(jù)應(yīng)用環(huán)境實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)自適應(yīng)則需要進(jìn)一步探索和研究。系統(tǒng)架構(gòu)通信與感知共享硬件和頻譜是一體化的基礎(chǔ)。硬件共享可以有效降低成本、簡(jiǎn)化部署并減少維護(hù)問題，使得感知從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模效應(yīng)中收益，而頻譜共享相比于各自使用獨(dú)立頻譜，頻譜利用更加高效。多元協(xié)同通過多條感知鏈共同協(xié)作完成通信與感知任務(wù)，包括多模式協(xié)同感知、多節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知、多頻段協(xié)同感知和多制式協(xié)同感知多個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理環(huán)境的無縫精細(xì)感知。1.2射頻通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1.2.1寬帶化移動(dòng)通信的更新?lián)Q代給射頻前端鏈路帶來了極大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，特別是當(dāng)前爆炸式增長(zhǎng)的5G時(shí)代，主要表現(xiàn)為寬帶化、數(shù)字化和集成化3個(gè)方面。發(fā)展需求參考香農(nóng)定律，在高斯白噪聲背景下的連續(xù)信道容量可表示為由香農(nóng)定律可以看出，信道容量，即信道傳輸速率與信道帶寬直接相關(guān)。隨著各種智能終端的普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)狀態(tài)，迫使移動(dòng)通信朝著寬帶化方向發(fā)展。應(yīng)用挑戰(zhàn)高速接口電路隨著信道帶寬的提高，基帶和中頻接口速率也不斷升級(jí)。超高速率轉(zhuǎn)換器需要更高采樣率的轉(zhuǎn)換器，這對(duì)轉(zhuǎn)換器的功耗、成本、雜散、相噪等性能都提出了更高的要求。超寬帶高效功放應(yīng)突破Bode-Fano準(zhǔn)則，在700M~40GHz中的任意子頻段，功放瞬時(shí)工作帶寬提升5倍，將5%相對(duì)帶寬推進(jìn)到25%相對(duì)帶寬，且性能不下降。1.2射頻通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展需求隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，射頻收發(fā)機(jī)的相關(guān)處理逐漸朝著數(shù)字化方向發(fā)展，例如：寬帶化需求促進(jìn)了載波聚合(CA)技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)、削波(CFR)技術(shù)與寬帶高效功放相輔相成，通過DPD和CFR技術(shù)進(jìn)一步提升功放的線性輸出能力。通信感知一體化應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)接收動(dòng)態(tài)范圍提出了更高的要求，進(jìn)一步促使自動(dòng)增益控制(AGC)技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字自動(dòng)增益控制技術(shù)。超大規(guī)模MIMO技術(shù)將繼續(xù)在未來的6G移動(dòng)通信中作為物理層候選關(guān)鍵技術(shù)之一，規(guī)模的擴(kuò)展促使數(shù)字波束成形(DBF)技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用挑戰(zhàn)處理速度需要在數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)的情況下，突破更低的處理時(shí)延?？刂凭柔槍?duì)部分應(yīng)用場(chǎng)景，突破數(shù)字域固有限制，提供與模擬域類似的更小顆粒度的控制步進(jìn)。綠色低碳應(yīng)在保證數(shù)字處理性能的前提下，進(jìn)一步簡(jiǎn)化和優(yōu)化處理算法，降低算法復(fù)雜度，減輕對(duì)芯片工藝的設(shè)計(jì)需求。1.2.2數(shù)字化1.2射頻通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展需求

MassiveMIMO的商用部署和超大規(guī)模MIMO的研究推廣，進(jìn)一步推動(dòng)射頻收發(fā)機(jī)向著集成化、小型化方向發(fā)展，例如：原本2T2R和4T4R的射頻集成電路(RFIC)逐漸8T8R，甚至16T16RRFIC取代。原本分離的數(shù)字前端(DFE)和RFIC逐漸集成到了一起，構(gòu)成片上射頻系統(tǒng)(RFSoC)。原本采用混合波束成形(HBF)架構(gòu)的MassiveMIMO，在某些場(chǎng)景下，去掉射頻前端龐大的模擬移相陣列，全部通過DBF來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用挑戰(zhàn)極簡(jiǎn)天線突破常規(guī)設(shè)計(jì)思維，基于給定的濾波器規(guī)格，設(shè)計(jì)傳輸相位可實(shí)現(xiàn)0~360°切換的濾波函數(shù)。陣列互耦在0.5波長(zhǎng)陣列間距下，控制天線近場(chǎng)分布，減少列間干擾，實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境。隔離干擾對(duì)射頻收發(fā)機(jī)隔離干擾提出了更高的指標(biāo)和挑戰(zhàn)。散熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，主要包括優(yōu)化設(shè)計(jì)芯片的功耗、降低數(shù)字處理算法復(fù)雜度、降低射頻后端損耗、提高功放效率和提升整機(jī)電源效率等等。1.2.3集成化謝謝大家！射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信鏈路基本框架。從微觀角度，掌握當(dāng)前移動(dòng)通信信號(hào)元素的構(gòu)成；從宏觀角度，理解整個(gè)信號(hào)發(fā)射、傳輸和接收的實(shí)現(xiàn)過程。掌握射頻設(shè)計(jì)的相關(guān)入門知識(shí)，包括噪聲、峰均比、非線性、阻抗匹配和采樣轉(zhuǎn)換等基本概念。理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，通過實(shí)例掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。主要包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、射頻開關(guān)、衰減器、射頻濾波器、功率檢波器、時(shí)鐘鎖相環(huán)、直接數(shù)字頻率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天線等單元電路。了解相關(guān)射頻處理算法的基本概念和設(shè)計(jì)方法，從射頻通信系統(tǒng)角度，梳理電路和算法的相輔相成關(guān)系。第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)框架2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道2.1.2信號(hào)構(gòu)成2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲2.2.2峰均比2.2.3非線性2.2.4阻抗匹配2.2.5采樣轉(zhuǎn)換2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器2.3.2低噪聲放大器2.3.3混頻器2.3.4射頻開關(guān)2.3.5衰減器2.3.6射頻濾波器2.3.7功率檢波器2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)2.3.9直接數(shù)字頻率合成器2.3.10功率分頻器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天線2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合2.4.2數(shù)字變頻2.4.3削波2.4.4數(shù)字預(yù)失真2.4.5自動(dòng)增益控制2.1基本通信鏈路典型通信系統(tǒng)基本鏈路模型如下圖所示。系統(tǒng)將需要傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過編碼、交織、脈沖成形后，從時(shí)域和頻域兩個(gè)層面轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。為了減小天線尺寸，方便無線頻譜資源管理，需要將信號(hào)調(diào)制到較高頻段進(jìn)行發(fā)射傳輸，然后經(jīng)過無線信道，到達(dá)接收機(jī)后，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)為中頻信號(hào)，最后經(jīng)過采樣判決、去交織、譯碼等操作，獲取傳輸?shù)脑夹畔?。下面主要從射頻通信角度出發(fā)，對(duì)無線信道、信號(hào)構(gòu)成和信號(hào)調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行相關(guān)介紹。2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道移動(dòng)通信的便利性是建立在無線信道的有效傳輸基礎(chǔ)上，理解無線信道是掌握無線通信先進(jìn)技術(shù)的前提條件。噪聲與干擾信道中除了傳輸有用信號(hào)外，還存在各種噪聲和干擾，這些噪聲和干擾可能會(huì)使信號(hào)失真并導(dǎo)致誤碼。無線通信中的噪聲主要包括接收機(jī)中產(chǎn)生的噪聲和進(jìn)入天線的自然噪聲。在進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)指標(biāo)需求，合理優(yōu)化鏈路結(jié)構(gòu)，降低由于鏈路設(shè)計(jì)引入的噪聲，后面2.2.1節(jié)和4.2節(jié)會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。整個(gè)空間環(huán)境中，存在多個(gè)且多類型的通信設(shè)備，各設(shè)備間在時(shí)域和頻域上會(huì)存在一定的相互干擾。在進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)指標(biāo)需求，保證發(fā)射信號(hào)滿足發(fā)射頻譜模板的要求，并抑制電磁環(huán)境中的其他干擾噪聲，提高接收電路的抗干擾、抗阻塞特性，后面4.3節(jié)、4.4節(jié)、4.5節(jié)、5.4節(jié)和5.5節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道信道容量信道容量是指在信道上進(jìn)行無差錯(cuò)傳輸所能達(dá)到的最大傳輸速率，根據(jù)香農(nóng)公式可以看出，信道容量與信道帶寬、信號(hào)信噪比密切相關(guān)，通過增大信道帶寬、提高信號(hào)信噪比即可提升信道容量。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于頻譜資源、電子元件、電磁頻譜管理法規(guī)等限制，使得信道帶寬不可能任意擴(kuò)大。結(jié)合2.1.1.1節(jié)的分析，無線信道中存在各種噪聲和干擾，會(huì)限制傳輸信號(hào)的信噪比。因此，在信道帶寬一定的條件下，需要優(yōu)化收發(fā)鏈路，盡可能提高傳輸信號(hào)的信噪比，保證信道容量。2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道信道衰落電磁波作為無線通信的媒介，在傳播過程中，會(huì)發(fā)生衰減，并在遇到障礙物時(shí)，引起能量的吸收和電波的反射、散射和繞射等現(xiàn)象。電磁波傳播的物理機(jī)制決定了無線信道的衰減特點(diǎn)，衰減一般分為慢衰落和快衰落。慢衰落

一般包括兩種形式：由于距離引起的路徑損耗由于地形遮擋引起的陰影衰落不同工作頻率下的自由空間路徑損耗關(guān)系電磁波工作頻率越高，收發(fā)天線之間間距越大，兩者造成的自由空間路徑損耗越大2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道多徑效應(yīng)與快衰落由于信號(hào)傳播路徑中可能存起建筑物、山體、樹木等物體，電磁波從發(fā)射天線發(fā)射出來，會(huì)經(jīng)過多個(gè)路徑(包括LOS和NLOS)達(dá)到接收機(jī)，這一現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)。不同路徑的傳播距離不同，從而信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間就有先后。因此，如果在基站發(fā)射一個(gè)尖脈沖，終端就會(huì)接收到一連串的展寬脈沖。二徑信道模型舉例2.1基本通信鏈路2.1.2信號(hào)構(gòu)成無線信號(hào)包括時(shí)域和頻域兩個(gè)維度的資源，分別對(duì)應(yīng)OFDM符號(hào)和OFDM符號(hào)內(nèi)的子載波。下圖為5GNR物理時(shí)頻資源結(jié)構(gòu)示意，最小的時(shí)頻資源為OFDM符號(hào)內(nèi)的1個(gè)子載波，即1個(gè)資源單元(RE)。2.1基本通信鏈路2.1.2信號(hào)構(gòu)成對(duì)于時(shí)域資源，無線信號(hào)通過無線幀(RadioFrame)、子幀(Subframe)和時(shí)隙(Slot)進(jìn)行傳輸。每個(gè)無線幀長(zhǎng)度為10ms，包含10個(gè)子幀，每個(gè)子幀長(zhǎng)度為1ms。2.1基本通信鏈路2.1.2信號(hào)構(gòu)成5GNR和4GLTE最大的區(qū)別之一就是引入了參數(shù)集(Numerology)μ，不同的參數(shù)集對(duì)應(yīng)不同的時(shí)域資源，參數(shù)集μ的取值包括0、1、2、3、4，對(duì)應(yīng)的子載波間隔分別為15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，子載波間隔越大，1個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)的時(shí)間就越短，相應(yīng)的每個(gè)無線幀或子幀包含的時(shí)隙數(shù)就越多。2.1基本通信鏈路2.1.2信號(hào)構(gòu)成對(duì)于頻域資源，OFDM符號(hào)在頻域上的最小單元是具有Sinc函數(shù)的子載波，通過子載波間的正交性(即每個(gè)子載波的峰值對(duì)應(yīng)其他子載波的過零點(diǎn))來對(duì)抗干擾。子載波間隔為

2.1基本通信鏈路2.1.2信號(hào)構(gòu)成在頻域內(nèi)，將連續(xù)的12個(gè)子載波定義為1個(gè)資源塊(RB)。下圖給出了信道帶寬、配置帶寬、保護(hù)帶與資源塊RB之間的關(guān)系。5GNR中常說的“大帶寬”屬于通道帶寬，比如FR1頻段的100MHz帶寬，F(xiàn)R2頻段中的200M、400MHz帶寬。為減少信道之間的干擾，在通道帶寬邊緣設(shè)置有保護(hù)帶，除去通道上下邊緣保護(hù)帶后，才是通道可配置的最大傳輸帶寬。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用調(diào)度場(chǎng)景，設(shè)備可配置更小的通道帶寬，比如20MHz、10MHz，甚至5MHz等。2.1基本通信鏈路2.1.2信號(hào)構(gòu)成表格為3GPP協(xié)議中不同子載波間隔下部分通道帶寬對(duì)應(yīng)的RB數(shù)和最小保護(hù)帶寬，有如下2點(diǎn)結(jié)論：相同帶寬下，子載波間隔越大，則RB數(shù)越小，需要的最小保護(hù)帶越大。相同子載波間隔下，通道帶寬越寬，則RB數(shù)越多，需要的最小保護(hù)帶越寬。最小保護(hù)帶寬的計(jì)算公式為2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)信號(hào)調(diào)制的基本思路就是發(fā)送端產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，讓高頻載波的幅度、頻率或相位隨著調(diào)制信號(hào)變化，攜帶需要傳輸?shù)男盘?hào)送到接收端，接收端收到后，將攜帶的傳輸信號(hào)從調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)(解調(diào))出來。下面主要從三角函數(shù)的角度，對(duì)普通調(diào)制與解調(diào)、復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)、零中頻調(diào)制與解調(diào)和實(shí)中頻調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行介紹。普通調(diào)制與解調(diào)濾除下邊帶調(diào)制過程：2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)普通調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制過程：復(fù)中頻調(diào)制包括中頻調(diào)制和射頻調(diào)制兩個(gè)步驟。中頻調(diào)制I路和Q路信號(hào)在數(shù)字域與兩路正交的數(shù)控振蕩器(NCO)分別進(jìn)行混合調(diào)制，得到數(shù)字中頻信號(hào)的實(shí)部和虛部分別送入DAC。射頻調(diào)制DAC輸出的兩路正交信號(hào)與兩路正交的本振信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制結(jié)果疊加。2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)調(diào)制過程：

2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)解調(diào)過程：與調(diào)制過程類似，復(fù)中頻解調(diào)也包括射頻解調(diào)和中頻解調(diào)兩個(gè)步驟。2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)射頻解調(diào)將接收到的信號(hào)分別與兩路正交的本振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過低通濾波，濾除高頻部分，得到中頻信號(hào)。中頻解調(diào)忽略射頻解調(diào)的帶來的幅度衰減，將射頻解調(diào)得到的中頻信號(hào)輸入ADC，得到的數(shù)字中頻信號(hào)與兩路正交的NCO進(jìn)行混合解調(diào)，恢復(fù)出I路和Q路信號(hào)。2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)零中頻調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)中頻調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)中頻調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)中頻調(diào)制與解調(diào)解調(diào)過程：與復(fù)中頻解調(diào)過程類似，包括射頻解調(diào)和中頻解調(diào)兩個(gè)步驟。2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)中頻調(diào)制與解調(diào)

中頻解調(diào)同樣忽略射頻解調(diào)的帶來的幅度衰減，將射頻解調(diào)得到的中頻信號(hào)與兩路正交的NCO分別進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出I路和Q路信號(hào)。2.1基本通信鏈路2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)對(duì)比總結(jié)普通調(diào)制(包括解調(diào))屬于實(shí)中頻調(diào)制中的射頻部分，零中頻調(diào)制又是復(fù)中頻調(diào)制中的特例。因此，信號(hào)調(diào)制主要分為復(fù)中頻和實(shí)中頻兩大類。結(jié)合前面分析，給出了相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比總結(jié)如下表所示?？偟膩碚f，隨著數(shù)字信號(hào)處理能力的提升，以及硬件電路小型化的應(yīng)用需求，復(fù)中頻在設(shè)計(jì)通信鏈路中的比重越來越高。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲物理系統(tǒng)總是伴有噪聲。相對(duì)于有用信號(hào)，噪聲屬于干擾源，可位于系統(tǒng)的內(nèi)部或外部。常見的噪聲形式有熱噪聲、閃爍噪聲、散彈噪聲、等離子體噪聲和量子噪聲。射頻通信知識(shí)體系環(huán)環(huán)相扣，能否深刻理解射頻通信相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于系統(tǒng)全鏈路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。熱噪聲熱噪聲是通信系統(tǒng)中最重要的噪聲，以電阻R為例，其在電路中的噪聲功率可分別用串聯(lián)電壓源或并聯(lián)電流源來描述，相關(guān)表達(dá)式為室溫下(=290K)的電阻可用噪聲功率可表示為2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)無線通信接收機(jī)檢測(cè)和處理微弱信號(hào)的能力主要由其SNR決定，而SNR常常被來自不同源的疊加噪聲所削弱。二端口網(wǎng)絡(luò)的輸出SNR取決于輸入SNR和兩端口的內(nèi)部噪聲，降低接收鏈路噪聲是提高接收機(jī)性能的重要措施。噪聲因子：噪聲因子F定義為總的輸出噪聲功率除以由輸入噪聲功率產(chǎn)生的輸出噪聲功率?？梢钥闯觯肼曇蜃覨等于系統(tǒng)輸入SNR與輸出SNR的比值。注意：上述成立的條件是系統(tǒng)的信號(hào)功率和噪聲功率增益相等，即系統(tǒng)是線性的。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)與噪聲因子關(guān)系：把噪聲因子F用單位dB表示，即可得到噪聲系數(shù)NF的表達(dá)式。無源器件噪聲系數(shù)：對(duì)于無源器件，噪聲系數(shù)NF等于插入損耗IL的絕對(duì)值，比如3dB無源衰減器，其噪聲系數(shù)就是3dB。而此共識(shí)需在滿足290K溫度前提條件下才成立。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)：兩級(jí)器件級(jí)聯(lián)總的噪聲系數(shù)分析示例?？偟脑肼曇蜃覨為以此類推，可擴(kuò)展到適用于N級(jí)級(jí)聯(lián)的噪聲因子通用公式可以看出，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中第一級(jí)分量對(duì)總的噪聲系數(shù)具有最顯著的影響。因此，在無線接收機(jī)設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)鏈路較低的噪聲系數(shù)，需要保證前端無源插入損耗盡可能小，并采用高增益低噪聲放大器。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的影響：射頻通信接收機(jī)的輸入本底噪聲可由接收電路總的輸入?yún)⒖荚肼暫驮肼曄禂?shù)表示本底噪聲制約著接收機(jī)可以檢測(cè)到的最弱信號(hào)。從應(yīng)用角度講，接收機(jī)噪聲系數(shù)越小，實(shí)現(xiàn)的通信距離越遠(yuǎn)，接收信噪比SNR越好，誤碼越小，信道容量越高。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的測(cè)試：主要有噪聲系數(shù)測(cè)量?jī)x和增益間接測(cè)試法兩種。使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)最直接的方法，適合測(cè)量極低的噪聲系數(shù)，但對(duì)于噪聲系數(shù)較高，且頻率較高的場(chǎng)景，噪聲系數(shù)測(cè)試儀的測(cè)量精度和選擇范圍將大打折扣。而增益間接測(cè)量法則是一個(gè)很好的低成本解決方案。

噪聲系數(shù)測(cè)量方法應(yīng)用比較2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.2峰均比基本概念：調(diào)制后的射頻載波信號(hào)帶有數(shù)字信息，其瞬時(shí)電平呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。在不同的調(diào)制方案和信號(hào)統(tǒng)計(jì)下，某個(gè)時(shí)刻射頻載波信號(hào)的電平可能會(huì)非常大，也可能會(huì)很小，其典型時(shí)域波形如下圖所示?？煽闯?，雖然在某些特定時(shí)刻的信號(hào)電平很大，但信號(hào)整體的平均電平遠(yuǎn)小于瞬時(shí)幅度的峰值電平。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.2峰均比基本概念：峰值功率與平均功率之比就稱為峰均比(PAPR)，通常以dB表示為上述信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)峰值功率與其他周期內(nèi)的峰值功率可能不一樣，同理，每個(gè)周期的均值功率也可能不一樣，所以，峰均比需要考察在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的峰值功率和均值功率。峰值功率也并不是某一最大值，而是一定概率下較大值的集合，通常取0.01%。在概率為0.01%處的峰均比，一般稱為峰值因子(CF)。

對(duì)于射頻通信系統(tǒng)，信號(hào)峰均比越大，對(duì)功率放大器的功率等級(jí)要求越高。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.2峰均比

16QAM星座圖假設(shè)每個(gè)星座點(diǎn)出現(xiàn)的可能性一樣，可以得到功率值為1的星座點(diǎn)出現(xiàn)的概率為4/16。同理，可得功率值為5的星座點(diǎn)出現(xiàn)的概率為8/16，功率值為9的星座點(diǎn)出現(xiàn)的概率為4/16。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)送的信號(hào)平均功率為

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.2峰均比測(cè)試方法：依據(jù)前面分析，峰均比屬于一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念，因此，引入了互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)來表示信號(hào)峰均比的統(tǒng)計(jì)特性，其定義為信號(hào)峰均比值超過某一門限值的概率。

下圖為64QAM調(diào)制信號(hào)的CCDF仿真曲線與功率分布數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，64QAM基帶單載波的仿真峰均比為3.68dB，與表2-5中的理論數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。經(jīng)過OFDM調(diào)制后的峰均比為9.42dB，即信號(hào)超過均值功率9.42dB的概率為0.01%，相比64QAM調(diào)制的理論單載波射頻信號(hào)，采用OFDM的多載波系統(tǒng)峰均比增大了近3dB。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.2峰均比測(cè)試方法：下圖給出了信號(hào)峰均比測(cè)量的實(shí)驗(yàn)框圖。為了保護(hù)后端測(cè)試儀器不被前端待測(cè)發(fā)射機(jī)的大功率信號(hào)損壞，一般需要在后端測(cè)試儀器和前端待測(cè)發(fā)射機(jī)之間接了一個(gè)衰減器。具體衰減器的值主要由前端待測(cè)發(fā)射機(jī)的輸出功率決定，如果衰減器值過小，后端測(cè)試儀器可能會(huì)受損；如果衰減器值過大，后端測(cè)試儀器的動(dòng)態(tài)范圍可能不夠，影響測(cè)試準(zhǔn)確度。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性模型系統(tǒng)模型參數(shù)，與器件工作點(diǎn)相關(guān)不滿足疊加原理的系統(tǒng)幾乎所有物理系統(tǒng)都是非線性的典型器件：功率放大器非線性解析輸入信號(hào)輸出信號(hào)可表示為直流基波二次諧波三次諧波(包含失真量)器件的非線性會(huì)導(dǎo)致輸出產(chǎn)生各類失真2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性表征諧波失真增益壓縮

基波諧波

1dB壓縮點(diǎn)2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性表征互調(diào)失真

三階互調(diào)鄰道泄露寬帶信號(hào)，鄰道功率比ACPR和鄰道抑制比ACLR2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測(cè)試測(cè)諧波→

評(píng)估后級(jí)濾波器指標(biāo)信號(hào)源

+頻譜儀確保信號(hào)源輸出“無”諧波→加濾波確保頻譜儀輸入“無”失真→加衰減頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍制約著低失真分量的測(cè)量加入陷波器或高通濾波器僅保留諧波分量注意回?fù)p變化對(duì)DUT的影響2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測(cè)試測(cè)P1dB→

評(píng)估輸入功率回退量(a)信號(hào)源+頻譜儀(功率計(jì))(b)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測(cè)試測(cè)互調(diào)

→

評(píng)估互調(diào)干擾、交調(diào)失真等

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測(cè)試通過三階互調(diào)評(píng)估鄰道泄露n個(gè)等間距多音信號(hào)的三階非線性輸出信號(hào)頻譜考慮信號(hào)峰均比PAPR鄰道抑制比ACLR測(cè)試測(cè)試注意點(diǎn)：占用帶寬、保護(hù)帶、通道間隔的設(shè)置適當(dāng)縮小頻譜儀分辨帶寬RBW，改善動(dòng)態(tài)啟動(dòng)噪聲校正，減去本底噪聲2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配射頻電路中各模塊間或負(fù)載與傳輸線間都需要阻抗匹配，阻抗匹配的必要性在于：為了使射頻能量注入負(fù)載，可以向負(fù)載傳輸最大功率；在天線、低噪聲放大器或混頻器等接收機(jī)前端改善噪聲系數(shù)性能；實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)最大功率傳輸，提高發(fā)射機(jī)效率，降低設(shè)備功耗；濾波器或選頻回路前后匹配使其發(fā)揮最佳性能。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往無法實(shí)現(xiàn)源端內(nèi)阻和負(fù)載阻抗與傳輸線特征阻抗的完全匹配，如果采用無反射匹配方式，則需要在傳輸線兩端添加匹配網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，實(shí)現(xiàn)源端內(nèi)阻和傳輸線、以及負(fù)載阻抗與傳輸線的無反射匹配，即在整個(gè)電路上的任何節(jié)點(diǎn)都不存在反射。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

最大功率傳輸定理2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

共軛匹配仿真驗(yàn)證：2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

綜合對(duì)比無反射匹配和共軛匹配兩種形式，共軛匹配具有實(shí)現(xiàn)成本低、具備最大功率傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在射頻微波系統(tǒng)的阻抗匹配電路中。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——網(wǎng)絡(luò)類型從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上講，匹配網(wǎng)絡(luò)主要包括L型、π型和T型3類網(wǎng)絡(luò)。

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——網(wǎng)絡(luò)類型

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——基于Smith圓圖的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——基于Smith圓圖的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)從阻抗與導(dǎo)納互逆的關(guān)系上來說，阻抗圓圖上半圓的電抗為正，表示電阻與電感串聯(lián)，其中心對(duì)稱點(diǎn)在下半圓，下半圓為負(fù)的感納，表示電導(dǎo)與感納并聯(lián)。阻抗圓圖下半圓的電抗為負(fù)，表示電阻與電容串聯(lián)，其中心對(duì)稱點(diǎn)在上半圓，上半圓為正的容納，表示電導(dǎo)與容納并聯(lián)。因此，在使用Smith圓圖匹配過程中，有如下結(jié)論：串聯(lián)元件，在Smith圓圖上的相應(yīng)阻抗點(diǎn)沿等電阻圓移動(dòng)。串聯(lián)電感，沿等電阻圓順時(shí)針移動(dòng)；串聯(lián)電容，沿等電阻圓逆時(shí)針移動(dòng)。并聯(lián)元件，在Smith圓圖上的相應(yīng)阻抗點(diǎn)沿等電導(dǎo)圓移動(dòng)。并聯(lián)電感，沿等電導(dǎo)圓逆時(shí)針移動(dòng)；并聯(lián)電容，沿等電導(dǎo)圓順時(shí)針移動(dòng)。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——應(yīng)用設(shè)計(jì)以Qorvo公司的超寬帶低噪聲放大器QPL9503為例，使用ADS軟件對(duì)其n77頻段(3.3~4.2GHz)進(jìn)行輸入阻抗匹配。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——應(yīng)用設(shè)計(jì)以Qorvo公司的超寬帶低噪聲放大器QPL9503為例，使用ADS軟件對(duì)其n77頻段(3.3~4.2GHz)進(jìn)行輸入阻抗匹配。在n77頻段內(nèi)，兩種匹配方式的回波損耗均優(yōu)化到了10dB以上，且“串聯(lián)電感+并聯(lián)電容”的匹配方式回波損耗性能更優(yōu)，但由于(b)中電感值的相對(duì)過小，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生加大誤差。因此，從工程角度上講，優(yōu)選“串聯(lián)電容+并聯(lián)電感”的匹配方式。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換采樣的主要作用是完成數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，在射頻通信鏈路中起到舉足輕重的作用，涉及到的器件包括ADC和DAC。下面將討論采樣定理、量化效應(yīng)、采樣抖動(dòng)以及轉(zhuǎn)換器的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。2.2.5.1 采樣定理與采樣過程在數(shù)字通信系統(tǒng)中，模擬信號(hào)變換為數(shù)字形式首先需要進(jìn)行采樣處理，這個(gè)過程包括采樣和保持兩部分。在最大頻率以外沒有頻譜分量的帶限信號(hào)可完全由一系列均衡的空間離散時(shí)間采樣來重構(gòu)，前提是需要滿足Nyquist準(zhǔn)則，即

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣定理與采樣過程

信號(hào)采樣抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)考慮

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣定理與采樣過程典型的采樣與保持電路如下圖所示。理想的采樣保持放大器(SHA)是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)，用于驅(qū)動(dòng)保持電容及其后的高輸入阻抗緩沖器。緩沖器的輸入阻抗必須足夠高，以便電容可以在保持時(shí)間內(nèi)放電少于1LSB。SHA在采樣模式中對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，而在保持模式期間則保持信號(hào)恒定。同時(shí)調(diào)整時(shí)序，以便ADC編碼器可以在保持時(shí)間內(nèi)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——量化噪聲模型理想轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，最大誤差為±?LSB，如下圖(a)的一個(gè)理想N位ADC的傳遞函數(shù)所示。對(duì)于任何橫跨整個(gè)LSB的交流信號(hào)，其量化誤差可通過1個(gè)峰峰值幅度為q(1個(gè)LSB權(quán)重)的非相關(guān)鋸齒波來近似計(jì)算，實(shí)際量化誤差發(fā)生在±?q范圍內(nèi)任意點(diǎn)的概率相等。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——量化噪聲模型對(duì)于量化誤差與時(shí)間的關(guān)系。同樣以一個(gè)簡(jiǎn)單的鋸齒波形進(jìn)行分析，鋸齒誤差的計(jì)算表達(dá)式為

理論SNR可通過一個(gè)滿量程輸入正弦波來計(jì)算輸入正弦波信號(hào)的均方根值為因此，理想Ｎ位轉(zhuǎn)換器的均方根信噪比為2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——量化噪聲模型

處理增益的量化噪聲頻譜如下圖所示，通過提高采樣率(即過采樣)和數(shù)字濾波，降低轉(zhuǎn)換器量化噪聲2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣時(shí)鐘抖動(dòng)效應(yīng)轉(zhuǎn)換器是在采樣時(shí)鐘的作用下，基于相同的時(shí)間間隔采樣并產(chǎn)生模擬信號(hào)，或?qū)B續(xù)的模擬信號(hào)產(chǎn)生一些列定期樣本，因此采樣時(shí)鐘的穩(wěn)定性相當(dāng)重要。如果在采樣期間采樣位置存在輕微抖動(dòng)(即時(shí)鐘抖動(dòng))，采樣變得不再均勻，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際采樣時(shí)間產(chǎn)生不確定性。時(shí)鐘抖動(dòng)屬于時(shí)鐘源定時(shí)邊緣的隨機(jī)變化，而轉(zhuǎn)換器一般使用時(shí)鐘邊緣來控制采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的偏差將會(huì)產(chǎn)生采樣電壓的測(cè)量誤差。采樣時(shí)鐘抖動(dòng)導(dǎo)致采樣電壓誤差2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣時(shí)鐘抖動(dòng)效應(yīng)采樣時(shí)鐘抖動(dòng)可通過SNR來衡量，如果輸入為一正弦信號(hào)，其表達(dá)式為對(duì)信號(hào)求其時(shí)間導(dǎo)數(shù)，得對(duì)上述導(dǎo)數(shù)求其均方根(RMS)值，得

同樣，如果使用數(shù)字濾波來濾除帶寬BW以外的噪聲成分，則公式須包括處理增益校正系數(shù)。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣時(shí)鐘抖動(dòng)效應(yīng)時(shí)鐘抖動(dòng)屬于信號(hào)質(zhì)量的時(shí)域參數(shù)，與之對(duì)應(yīng)的頻域參數(shù)稱為相位噪聲，后面章節(jié)具體講述了兩者的概念和轉(zhuǎn)換方法。時(shí)鐘抖動(dòng)一般規(guī)定在某個(gè)頻率范圍內(nèi)，該頻率通常偏離基本時(shí)鐘頻率10kHz到10MHz，并將其整合到一起獲取抖動(dòng)信息。但是，低端的10kHz和高端的10MHz有時(shí)并非正確的計(jì)算邊界，右圖描述了設(shè)置正確整合限制的重要性，圖中的相位噪聲圖以每十倍頻抖動(dòng)內(nèi)容覆蓋。如果將下限設(shè)定為100Hz偏移，上限設(shè)定為100MHz偏移，得到時(shí)鐘抖動(dòng)將從205fs增大至726fs?？梢钥闯?，不同的頻率偏移上下限將產(chǎn)生較大差異的時(shí)鐘抖動(dòng)數(shù)據(jù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，頻率偏移的上下限設(shè)定遵循一定規(guī)則。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)包括分辨率、采樣率、孔徑抖動(dòng)、信噪比、信納比、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、總諧波失真、采集時(shí)間、電源抑制比、時(shí)鐘壓擺率、串?dāng)_、微分非線性和積分非線性，掌握轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)對(duì)使用和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。(1)分辨率N/ENOBADC分辨率用于表示模擬輸入信號(hào)的bit位數(shù)。提高分辨率可以更為準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)模擬信號(hào)。使用較高分辨率的ADC也能降低量化誤差。對(duì)于DAC，分辨率與此類似：DAC分辨率用于表示模擬輸出信號(hào)的bit位數(shù)，DAC的分辨率越高，增大編碼時(shí)在模擬輸出端產(chǎn)生的步進(jìn)越小。滿幅、正弦輸入波形的ENOB：對(duì)于較低的信號(hào)幅度，在計(jì)算ENOB時(shí)有必要增加一個(gè)校正系數(shù)：2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(4)信噪比SNRSNR是給定時(shí)間點(diǎn)有用信號(hào)幅度與噪聲幅度之比，該值越大越好。限制轉(zhuǎn)換器SNR的主要因素包括量化噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)和熱噪聲，這3類因素導(dǎo)致的噪聲不相關(guān)，因此轉(zhuǎn)換器的總SNR可表示為

時(shí)鐘抖動(dòng)由外部采樣時(shí)鐘抖動(dòng)和內(nèi)部孔徑抖動(dòng)構(gòu)成。熱噪聲在前面進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，熱噪聲是所有電子元件固有的一種現(xiàn)象，是電導(dǎo)體內(nèi)電荷物理運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，即使不施加輸入信號(hào)，也能測(cè)得熱噪聲。熱噪聲通常服從高斯分布。熱噪聲屬于轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的函數(shù)，對(duì)于轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員基本無法影響器件的熱噪聲。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(4)信噪比SNR對(duì)于較高分辨率的轉(zhuǎn)換器，其量化噪聲對(duì)整體SNR貢獻(xiàn)較小，整體SNR主要受時(shí)鐘抖動(dòng)和熱噪聲限制。較高分辨率轉(zhuǎn)換器SNR受時(shí)鐘抖動(dòng)和熱噪聲限制轉(zhuǎn)換器SNR估算舉例2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(5)信納比SINAD信納比(SINAD)是指信號(hào)滿幅均方根與所有其他頻譜成分(包括諧波但不含直流)的和方根的平均值之比。

相比SNR，SINAD可以更好的反應(yīng)轉(zhuǎn)換器的整體動(dòng)態(tài)性能，因?yàn)槠浒怂袠?gòu)成的噪聲和失真成分。(6)無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)常用于衡量轉(zhuǎn)換器在雜散分量干擾基本信號(hào)或?qū)е禄拘盘?hào)失真之前可用的動(dòng)態(tài)范圍。SFDR的定義是基于有用信號(hào)均方根值與從直流到二分之一采樣率范圍內(nèi)測(cè)得的輸出峰值雜散信號(hào)均方根值之比。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(7)總諧波失真THD總諧波失真(THD)為所有諧波(二階、三階、四階等)的和方根值與信號(hào)方根值的比值，以dB為單位表示。在THD測(cè)量中，一般只有前五個(gè)或六個(gè)諧波。

在許多實(shí)際場(chǎng)合中，甚至僅考慮二階和三階諧波而不考慮更高階諧波，所帶來的誤差基本可忽略了，因?yàn)楦唠A項(xiàng)的幅度往往大幅降低。

2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(9)電源抑制比PSRR電源抑制比(PSRR)為電源電壓變化與滿幅誤差變化之比，以dB為單位表示，表現(xiàn)為電源紋波如何與ADC輸入耦合并顯示在其數(shù)字輸出上或DAC輸出耦合并顯示在其模擬輸出上。一般而言，電源上的無用信號(hào)與轉(zhuǎn)換器的輸入范圍相關(guān)。例如，如果電源上的噪聲是20mV均方根而轉(zhuǎn)換器輸入范圍是0.7V均方根，則輸入上的噪聲是-31dBFS。如果轉(zhuǎn)換器的PSRR為30dB，則相干噪聲會(huì)在輸出中顯現(xiàn)為一條-61dBFS譜線。在確定電源將需要多少濾波和去耦時(shí)，PSRR指標(biāo)尤其有用。(10)時(shí)鐘壓擺率SR時(shí)鐘壓擺率(SR)是實(shí)現(xiàn)額定性能所需的最小壓擺率。多數(shù)轉(zhuǎn)換器在時(shí)鐘緩沖器上有足夠的增益，以確保采樣時(shí)刻界定明確。提高時(shí)鐘壓擺率可縮短轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而縮短閾值期間存在噪聲的時(shí)間，有效降低引入系統(tǒng)的均方根抖動(dòng)。(11)串?dāng)_Crosstalk串?dāng)_表示每個(gè)模擬通路與其它模擬通路的隔離程度，通常以dB為單位表示。對(duì)于具有多個(gè)通道的ADC，串?dāng)_指從一路模擬輸入信號(hào)耦合到另一路模擬輸入的信號(hào)總量；對(duì)于具有多路輸出通道的DAC，串?dāng)_是指一路DAC輸出更新時(shí)在另一路DAC輸出端產(chǎn)生的噪聲總量。2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(12)微分非線性DNL對(duì)于ADC，觸發(fā)任意兩個(gè)連續(xù)輸出編碼的模擬輸入電平之差應(yīng)為1LSB，實(shí)際電平差相對(duì)于1LSB的偏差被定義為DNL；

對(duì)于DAC，理想DAC響應(yīng)的模擬輸出值應(yīng)嚴(yán)格相差一個(gè)LSB，DNL誤差為連續(xù)兩個(gè)DAC編碼實(shí)測(cè)輸出響應(yīng)與理想輸出響應(yīng)之差。(13)積分非線性INL實(shí)際傳遞函數(shù)與傳遞函數(shù)直線的偏差。INL也稱為轉(zhuǎn)換器的線性度，其可以規(guī)范告訴設(shè)計(jì)人員在校正系統(tǒng)增益誤差和失調(diào)誤差后轉(zhuǎn)換器能夠提供的最佳精度。謝謝大家！射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信鏈路基本框架。從微觀角度，掌握當(dāng)前移動(dòng)通信信號(hào)元素的構(gòu)成；從宏觀角度，理解整個(gè)信號(hào)發(fā)射、傳輸和接收的實(shí)現(xiàn)過程。掌握射頻設(shè)計(jì)的相關(guān)入門知識(shí)，包括噪聲、峰均比、非線性、阻抗匹配和采樣轉(zhuǎn)換等基本概念。理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，通過實(shí)例掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。主要包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、射頻開關(guān)、衰減器、射頻濾波器、功率檢波器、時(shí)鐘鎖相環(huán)、直接數(shù)字頻率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天線等單元電路。了解相關(guān)射頻處理算法的基本概念和設(shè)計(jì)方法，從射頻通信系統(tǒng)角度，梳理電路和算法的相輔相成關(guān)系。第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)框架2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道2.1.2信號(hào)構(gòu)成2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲2.2.2峰均比2.2.3非線性2.2.4阻抗匹配2.2.5采樣轉(zhuǎn)換2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器2.3.2低噪聲放大器2.3.3混頻器2.3.4射頻開關(guān)2.3.5衰減器2.3.6射頻濾波器2.3.7功率檢波器2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)2.3.9直接數(shù)字頻率合成器2.3.10功率分頻器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天線2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合2.4.2數(shù)字變頻2.4.3削波2.4.4數(shù)字預(yù)失真2.4.5自動(dòng)增益控制2.3射頻單元電路一個(gè)射頻通信系統(tǒng)是由若干個(gè)完成特定功能的單元電路組成，通過各單元電路之間的配合工作，一起完成整個(gè)信號(hào)處理過程。要想成功設(shè)計(jì)出一個(gè)合理射頻通信鏈路，首先就需要理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。2.3.1功率放大器功率放大器(PA)，簡(jiǎn)稱功放。用于發(fā)射機(jī)末級(jí)，將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需的功率值，送到天線中發(fā)射，保證在設(shè)定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)能收到所需的信號(hào)電平，并不干擾其他信道通信。關(guān)鍵指標(biāo)(1)工作頻段

2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(2)輸出功率

(3)功率效率

2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(4)功率增益輸出功率與輸入功率的線性比值，表征功率放大器的放大特征，通常用對(duì)數(shù)dB表示。結(jié)合前端驅(qū)放輸出能力和產(chǎn)品最大輸出功率來評(píng)估功率放大器的增益，一般來講，功率放大器的輸出功率越高，其增益就相對(duì)越低。此外，對(duì)于寬帶功率放大器而言，將其工作帶寬內(nèi)的最大增益和最小增益之差用來評(píng)估增益平坦度性能。(5)線性度射頻功率放大器按照工作狀態(tài)可分為線性放大器和非線性放大器兩種，非線性放大器具有較高效率，而線性放大器最高理論效率只有50%。因此，從效率角度來看應(yīng)盡可能采用非線性放大器，但非線性放大器在放大輸入信號(hào)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一系列新的非線性頻譜分量，影響信號(hào)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)選型中，應(yīng)分析產(chǎn)品被放大信號(hào)的峰均比以及諧波、鄰道功率比等需求，并結(jié)合DPD算法性能，對(duì)功率放大器的1dB壓縮點(diǎn)、三階截點(diǎn)、鄰道功率抑制比、誤差矢量幅度等非線性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(6)輸出噪聲功率放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也伴隨著底噪的抬升。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，主要有兩種場(chǎng)景對(duì)功率放大器輸出噪聲有著更為苛刻的需求：發(fā)射功率大動(dòng)態(tài)場(chǎng)景FDD雙工場(chǎng)景必須盡可能抑制功率放大器的帶外噪聲，降低底噪的抬升。(7)端口阻抗阻抗匹配可以使向下一級(jí)進(jìn)行能量傳輸時(shí)的損耗盡可能小，使輸出回波損耗、噪聲系數(shù)、失真和穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)化。功率放大器的輸入/輸出阻抗為復(fù)阻抗，且大功率晶體管的輸出阻抗隨輸出功率的增大而降低。功率晶體管復(fù)數(shù)串聯(lián)輸入/輸出阻抗2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器工作類型根據(jù)功率放大器功率管工作模式的差異，可分為電流源式(即跨導(dǎo)式)和開關(guān)式兩大類。其中，工作于電流源式下的放大器根據(jù)導(dǎo)通角的不同分為A類、B類、AB類和C類，導(dǎo)通角由放大器偏壓決定。工作于開關(guān)式下放大器作為開關(guān)，放大器導(dǎo)通和截止分別相當(dāng)于開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)，根據(jù)輸出端波形整形電路的不同具體可分為D類、E類、F類等。功率放大器分類樹狀圖2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——工作類型工作于電流源式下的A類、AB類和B類屬于線性放大器，但效率不高。工作于開關(guān)式下的D類、E類和F類屬于非線性放大器，線性差但擁有較高的效率。對(duì)于B類和C類放大器，通常在輸出端增加能進(jìn)行波形整形的諧波控制網(wǎng)絡(luò)，使得漏極電壓和電流不在一個(gè)周期內(nèi)共存，降低功消，提高效率。功率放大器按導(dǎo)通角分類特點(diǎn)比較2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——工作類型電