第二章射頻微電子學(xué)-之-RF基本概念課件

《射頻微電子學(xué)》1可編輯課件PPTRF基本概念射頻常用計(jì)算單位簡介射頻常用概念辨析2可編輯課件PPT射頻常用計(jì)算單位簡介第一節(jié)功率單位簡介第二節(jié)天線傳播相關(guān)單位簡介第三節(jié)其他3可編輯課件PPT功率單位簡介絕對(duì)功率的dB表示

射頻信號(hào)的絕對(duì)功率常用dBm、dBW表示，它與mW、W的換算關(guān)系如下：例如信號(hào)功率為xW，利用dBm表示時(shí)其大小為：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。4可編輯課件PPT功率單位簡介相對(duì)功率的dB表示

射頻信號(hào)的相對(duì)功率常用dB和dBc兩種形式表示，其區(qū)別在于：dB是任意兩個(gè)功率的比值的對(duì)數(shù)表示形式，而dBc是某一頻點(diǎn)輸出功率和載頻輸出功率的比值的對(duì)數(shù)表示形式。5可編輯課件PPT第二章射頻常用計(jì)算單位簡介第一節(jié)功率單位簡介第二節(jié)天線傳播相關(guān)單位簡介

第三節(jié)其他6可編輯課件PPT天線傳播相關(guān)單位簡介天線和天線增益 天線增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天線相對(duì)于無方向天線的功率能量密度之比，dBd是指相對(duì)于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益為2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。7可編輯課件PPT第二章射頻常用計(jì)算單位簡介第一節(jié)功率單位簡介第二節(jié)天線傳播相關(guān)單位簡介第三節(jié)其他

8可編輯課件PPT其他電阻：阻擋電流通過的物體或物質(zhì)，從而把電能轉(zhuǎn)化為熱能或其它形式的能量，單位：歐姆，Ω電壓：電位或電位差，單位：伏特，V電流：單位時(shí)間內(nèi)通過電路上某一確定點(diǎn)的電荷數(shù)，單位：安培，A電感：線圈環(huán)繞著的東西，通常是導(dǎo)線，由于電磁感應(yīng)的原因，線圈可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)能，單位：亨利，H電容：一個(gè)充電的絕緣導(dǎo)電物體潛在具有的最大電荷率，單位：法拉，F(xiàn)9可編輯課件PPT思考題絕對(duì)功率的單位有哪幾種常用的表達(dá)形式？他們之間的換算關(guān)系為？相對(duì)功率的單位有哪幾種常用的表達(dá)形式？其區(qū)別為？天線的增益單位有哪幾種常用的表達(dá)形式?電壓、電流、電阻、電感、電容的單位分別為？10可編輯課件PPT解答絕對(duì)功率可以用dBm和W兩種形式表達(dá)，其換算關(guān)系為：相對(duì)功率可以用dB和dBc兩種形式表示，兩者的區(qū)別在于：dB是任意兩個(gè)功率比值的對(duì)數(shù)表示形式，而dBc是某一頻點(diǎn)輸出功率和載頻輸出功率比值的對(duì)數(shù)表示形式。11可編輯課件PPT解答天線增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天線相對(duì)于無方向天線的功率能量密度之比，dBd是指相對(duì)于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益為2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。電壓單位為：伏特/V，電流單位為：安培/A，電阻單位為：歐姆/Ω，電感單位為：亨利/H，電容單位為：法拉/F。12可編輯課件PPTRF基本概念射頻常用計(jì)算單位簡介射頻常用概念辨析13可編輯課件PPT第三章射頻基本概念辨析第一節(jié)功率相關(guān)概念第二節(jié)噪聲相關(guān)概念第三節(jié)線性相關(guān)概念第四節(jié)傳輸線相關(guān)概念第五節(jié)下行通道射頻指標(biāo)第六節(jié)上行通道射頻指標(biāo)14可編輯課件PPT功率相關(guān)概念

信號(hào)的峰值功率、平均功率和峰均比PAR

解釋：很多信號(hào)從時(shí)域觀測(cè)并不是恒定包絡(luò)，而是如下面圖形所示。峰值功率即是指以某種概率出現(xiàn)的肩峰的瞬態(tài)功率。通常概率取為0.01%。15可編輯課件PPT功率相關(guān)概念

16可編輯課件PPT功率相關(guān)概念

信號(hào)的峰值功率、平均功率和峰均比PAR

解釋：平均功率是系統(tǒng)輸出的實(shí)際功率。在某個(gè)概率下峰值功率跟平均功率的比就稱為在某個(gè)概率下的峰均比，如PAR=9.1@0.1%,各種概率下的峰均比就形成了CCDF曲線（互補(bǔ)累積分布函數(shù)）。

在概率為0.01%處的PAR，一般稱為CREST因子。17可編輯課件PPT功率相關(guān)概念

18可編輯課件PPT思考題峰均比的定義？19可編輯課件PPT解答峰值功率即是指以某種概率出現(xiàn)的肩峰的瞬態(tài)功率。通常概率取為0.01%。平均功率是系統(tǒng)輸出的實(shí)際功率。在某個(gè)概率下峰值功率跟平均功率的比就稱為在某個(gè)概率下的峰均比，如PAR=9.1@0.1%,各種概率下的峰均比就形成了CCDF曲線（互補(bǔ)累積分布函數(shù)）。在概率為0.01%處的PAR，一般稱為CREST因子20可編輯課件PPT第三章射頻基本概念辨析第一節(jié)功率相關(guān)概念第二節(jié)噪聲相關(guān)概念第三節(jié)線性相關(guān)概念第四節(jié)傳輸線相關(guān)概念第五節(jié)下行通道射頻指標(biāo)第六節(jié)上行通道射頻指標(biāo)21可編輯課件PPT噪聲相關(guān)概念噪聲定義 噪聲是指在信號(hào)處理過程中遇到的無法確切預(yù)測(cè)的干擾信號(hào)（各類點(diǎn)頻干擾不是算噪聲）。常見的噪聲有來自外部的天電噪聲，汽車的點(diǎn)火噪聲，來自系統(tǒng)內(nèi)部的熱噪聲，晶體管等在工作時(shí)產(chǎn)生的散粒噪聲，信號(hào)與噪聲的互調(diào)產(chǎn)物。22可編輯課件PPT噪聲相關(guān)概念相位噪聲 相位噪聲是用來衡量本振等單音信號(hào)頻譜純度的一個(gè)指標(biāo)，在時(shí)域表現(xiàn)為信號(hào)過零點(diǎn)的抖動(dòng)。理想的單音信號(hào)，在頻域應(yīng)為一脈沖，而實(shí)際的單音總有一定的頻譜寬度，如下面所示。一般的本振信號(hào)可以認(rèn)為是隨機(jī)過程對(duì)單音調(diào)相的過程，因此信號(hào)所具有的邊帶信號(hào)被稱為相位噪聲。相位噪聲在頻域的可以這樣定量描述：偏離中心頻率多少Hz處，單位帶寬內(nèi)的功率與總信號(hào)功率相比。23可編輯課件PPT噪聲相關(guān)概念例如晶體的相位噪聲可以這樣描述：24可編輯課件PPT噪聲相關(guān)概念噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)是用來衡量射頻部件對(duì)小信號(hào)的處理能力，通常這樣定義：單元輸入信噪比除輸出信噪比，如下圖：對(duì)于線性單元，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)與噪聲的互調(diào)產(chǎn)物 及信號(hào)的失真，這時(shí)噪聲系數(shù)可以用下式表示：Pno表示輸出噪聲功率，Pni表示輸入噪聲功率，G為單元增益。25可編輯課件PPT噪聲相關(guān)概念級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)公式：26可編輯課件PPT思考題噪聲系數(shù)定義？寫出噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)計(jì)算公式？27可編輯課件PPT解答噪聲系數(shù)是用來衡量射頻部件對(duì)小信號(hào)的處理能力，通常定義為：單元的輸入信噪比除輸出信噪比級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)公式：Pno表示輸出噪聲功率，Pni表示輸入噪聲功率，G為單元增益。28可編輯課件PPT第三章射頻基本概念辨析第一節(jié)功率相關(guān)概念第二節(jié)噪聲相關(guān)概念第三節(jié)線性相關(guān)概念第四節(jié)傳輸線相關(guān)概念第五節(jié)下行通道射頻指標(biāo)第六節(jié)上行通道射頻指標(biāo)29可編輯課件PPT線性相關(guān)概念信號(hào)在通過射頻通道（這里所謂的射頻通道是指射頻收發(fā)信機(jī)通道，不包括空間段衰落信道）時(shí)會(huì)有一定程度的失真，失真可以分為線性失真和非線性失真。產(chǎn)生線性失真的主要有一些濾波器等無源器件，產(chǎn)生非線性失真的主要有一些放大器、混頻器等有源器件。另外射頻通道還會(huì)有一些加性噪聲和乘性噪聲的引入。30可編輯課件PPT線性相關(guān)概念線性失真 線性失真又可以分成線性幅度失真和線性相位失真，從頻域可以很方便表示這些失真，如下圖：幅頻特性相頻特性31可編輯課件PPT線性相關(guān)概念非線性失真 非線性失真與線性失真相似，可以分成非線性幅度失真和非線性相位失真，圖形表示如下：32可編輯課件PPT線性相關(guān)概念非線性幅度失真 非線性幅度失真常用1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)、三階截止點(diǎn)等指標(biāo)衡量，下面分別討論這三個(gè)指標(biāo)。1dB壓縮點(diǎn) 例如一個(gè)射頻放大器，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，其輸出與輸入可以保證線關(guān)系，輸入電平增加1dB，輸出相應(yīng)增加1dB，增益保持不變，隨著輸入信號(hào)電平的增加，輸入電平增加1dB，輸出將增加不到1dB，增益開始?jí)嚎s，增益壓縮1dB時(shí)的輸入信號(hào)電平稱為輸入1dB壓縮點(diǎn)，這時(shí)輸出信號(hào)電平稱為輸出1dB壓縮點(diǎn)。如下圖：33可編輯課件PPT線性相關(guān)概念34可編輯課件PPT線性相關(guān)概念三階交調(diào) 三階交調(diào)（雙音三階交調(diào)）是用來衡量非線性的一個(gè)重要指標(biāo)，在這里仍以放大器為例來說明三階交調(diào)指標(biāo)。用兩個(gè)相隔⊿f，且電平相等的單音信號(hào)同時(shí)輸入一個(gè)射頻放大器，則放大器的輸出頻譜大致如下：三階交調(diào)常用dBc表示，即交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號(hào)的比。35可編輯課件PPT線性相關(guān)概念三階截止點(diǎn) 任一微波單元電路，輸入雙音信號(hào)同時(shí)增加1dB，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物將增加3dB，而主輸出信號(hào)僅增加1dB（不考慮壓縮），這樣輸入信號(hào)電平增加到一定值時(shí)，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號(hào)相等，這一點(diǎn)稱為三階截止點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)電平稱為輸入三階截止點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)電平稱為輸出三階截止點(diǎn)。注意：三階截止點(diǎn)信號(hào)電平是不可能達(dá)到的，因?yàn)樵谶@時(shí)早已超過微波單元電路的承受能力。36可編輯課件PPT線性相關(guān)概念37可編輯課件PPT思考題信號(hào)通過射頻通道時(shí)會(huì)產(chǎn)生哪些失真？非線性幅度失真主要用那些指標(biāo)來衡量？38可編輯課件PPT解答信號(hào)在通過射頻通道（這里所謂的射頻通道是指射頻收發(fā)信機(jī)通道，不包括空間段衰落信道）時(shí)會(huì)有一定程度的失真，失真可以分為線性失真和非線性失真。產(chǎn)生線性失真的主要有一些濾波器等無源器件，產(chǎn)生非線性失真的主要有一些放大器、混頻器等有源器件。另外射頻通道還會(huì)有一些加性噪聲和乘性噪聲的引入。非線性幅度失真常用1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)、三階截止點(diǎn)等指標(biāo)衡量。39可編輯課件PPT第三章射頻基本概念辨析第一節(jié)功率相關(guān)概念第二節(jié)噪聲相關(guān)概念第三節(jié)線性相關(guān)概念第四節(jié)傳輸線相關(guān)概念第五節(jié)下行通道射頻指標(biāo)第六節(jié)上行通道射頻指標(biāo)40可編輯課件PPT傳輸線相關(guān)概念特征阻抗 解釋：特征阻抗是微波傳輸線的固有特性，它等于模式電壓與模式電流之比。無耗傳輸線的特征阻抗為實(shí)數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復(fù)數(shù)。在做射頻PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮匹配問題，考慮信號(hào)線的特征阻抗是否等于所連接前后級(jí)部件的阻抗。當(dāng)不相等時(shí)則會(huì)產(chǎn)生反射，造成失真和功率損失。反射系數(shù)(此處指電壓反射系數(shù))可以由下式計(jì)算得出：41可編輯課件PPT傳輸線相關(guān)概念

在目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分為兩種特性阻抗，一種是50歐姆系統(tǒng)，如軍用的微波、毫米波通訊系統(tǒng)，雷達(dá)，我們目前開發(fā)的蜂窩通訊系統(tǒng)GSM、WCDMA等； 另一種是75歐姆系統(tǒng)，這種系統(tǒng)相對(duì)比較少，如我們目前使用的有線電視系統(tǒng)。42可編輯課件PPT傳輸線相關(guān)概念駐波比 解釋：駐波系數(shù)式衡量負(fù)載匹配程度的一個(gè)指標(biāo)，它在數(shù)值上等于：由反射系數(shù)的定義我們知道，反射系數(shù)的取值范圍是0~1，而駐波系數(shù)的取值范圍是1~正無窮大。射頻很多接口的駐波系數(shù)指標(biāo)規(guī)定小于2.0。駐波比惡化意味著信號(hào)反射比較厲害，也就是說負(fù)載和傳輸線的匹配效果比較差。所以在一個(gè)系統(tǒng)中，如果駐波比很差，可能會(huì)使信號(hào)傳輸效果變差，通道增益下降。一個(gè)比較典型的例子就是靈敏度問題。43可編輯課件PPT傳輸線相關(guān)概念回波損耗 回波損耗也是射頻上用得比較多得一個(gè)名詞，它和前面得反射系數(shù)、駐波比都是用來反映端口得匹配狀況的。回波損耗表示端口的反射波的功率與入射波功率之比?；夭〒p耗與反射系數(shù)的關(guān)系為：回波損耗＝20log（

） 由公式可以計(jì)算：回波損耗為26dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)為0.05，駐波比為1.1。由此也可以估計(jì)一下，駐波為2時(shí)的回波損耗是多少（9.5dB），也就可以理解對(duì)于功放后級(jí)的駐波要求為何嚴(yán)格。44可編輯課件PPT思考題目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分為哪兩種特性阻抗？由反射系數(shù)的定義，反射系數(shù)的取值范圍是？而駐波系數(shù)的取值范圍是？射頻很多接口的駐波系數(shù)指標(biāo)規(guī)定小于多少？回波損耗定義？寫出回波損耗與反射系統(tǒng)的關(guān)系式方程。45可編輯課件PPT解答在目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分為兩種特性阻抗，一種是50歐姆系統(tǒng)，另一種是75歐姆系統(tǒng)。由反射系數(shù)的定義我們知道，反射系數(shù)的取值范圍是0~1，而駐波系數(shù)的取值范圍是1~正無窮大。射頻很多接口的駐波系數(shù)指標(biāo)規(guī)定小于2.0。回波損耗表示端口的反射波的功率與入射波功率之比?；夭〒p耗與反射系數(shù)的關(guān)系為：回波損耗＝20log（反射系數(shù)）46可編輯課件PPT第三章射頻基本概念辨析第一節(jié)功率相關(guān)概念第二節(jié)噪聲相關(guān)概念第三節(jié)線性相關(guān)概念第四節(jié)傳輸線相關(guān)概念第五節(jié)下行通道射頻指標(biāo)第六節(jié)上行通道射頻指標(biāo)47可編輯課件PPT下行通道射頻指標(biāo)鄰道泄漏（ACLR） 鄰道泄漏指標(biāo)是用來衡量發(fā)射機(jī)的帶外輻射特性，定義：鄰道功率與主信道功率之比，通常用dBc表示，如下圖：射機(jī)的領(lǐng)道泄漏必然回對(duì)其他小區(qū)造成干擾，為了減小這種干擾，領(lǐng)道泄漏必須盡可能的小，WCDMA的要求是：第一鄰道（偏離載頻±5MHz）的ACLR≤45dBC；第二鄰道（偏離載頻±10MHz）的ACLR≤50dBC。48可編輯課件PPT下行通道射頻指標(biāo)頻譜發(fā)射模板

對(duì)于WCDMA而言，頻譜發(fā)射模板用于限制偏離發(fā)射載波中心頻率2.5MHz～12.5MHz頻段內(nèi)的雜散發(fā)射功率，下面以WCDMA協(xié)議－3GPPTS25.141V3.6.0(2001-06)中規(guī)定的NodeB發(fā)射機(jī)的頻譜發(fā)射模板指標(biāo)要求為例來說明：49可編輯課件PPT下行通道射頻指標(biāo)50可編輯課件PPT下行通道射頻指標(biāo)雜散輻射 雜散輻射是指發(fā)信機(jī)在頻譜發(fā)射模板規(guī)定的頻率范圍之外的頻段內(nèi)發(fā)射的、信號(hào)之外的其他信號(hào)，它包括諧波分量、寄生輻射、交調(diào)產(chǎn)物、發(fā)射機(jī)互調(diào)產(chǎn)物等。這些雜散輻射都會(huì)對(duì)其他的無線通信系統(tǒng)造成干擾，對(duì)該指標(biāo)的規(guī)定是為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性能，以便與其他系統(tǒng)（如GSM）共存，當(dāng)然這也保證了系統(tǒng)自身的正常運(yùn)行，下面以WCDMA協(xié)議－3GPPTS25.141V3.6.0(2001-06)中規(guī)定的NodeB發(fā)射機(jī)的雜散輻射模板指標(biāo)要求之一為例來說明：51可編輯課件PPT下行通道射頻指標(biāo)52可編輯課件PPT下行通道射頻指標(biāo)53可編輯課件PPT思考題下行通道的鄰道泄漏定義？WCDMA系統(tǒng)的ACLR指標(biāo)是如何定義的?對(duì)于WCDMA而言，頻譜發(fā)射模板用于限制偏離發(fā)射載波中心頻率多少M(fèi)Hz頻段內(nèi)的雜散發(fā)射功率？雜散輻射的定義？定義該項(xiàng)指標(biāo)的意義？54可編輯課件PPT解答鄰道泄漏指標(biāo)是用來衡量發(fā)射機(jī)的帶外輻射特性，定義：鄰道功率與主信道功率之比，通常用dBc表示射機(jī)的領(lǐng)道泄漏必然會(huì)對(duì)其他小區(qū)造成干擾，為了減小這種干擾，領(lǐng)道泄漏必須盡可能的小，WCDMA的要求是：第一鄰道（偏離載頻±5MHz）的ACLR≤45dBC；第二鄰道（偏離載頻±10MHz）的ACLR≤50dBC。對(duì)于WCDMA而言，頻譜發(fā)射模板用于限制偏離發(fā)射載波中心頻率2.5MHz～12.5MHz頻段內(nèi)的雜散發(fā)射功率55可編輯課件PPT解答雜散輻射是指發(fā)信機(jī)在頻譜發(fā)射模板規(guī)定的頻率范圍之外的頻段內(nèi)發(fā)射的、信號(hào)之外的其他信號(hào)，它包括諧波分量、寄生輻射、交調(diào)產(chǎn)物、發(fā)射機(jī)互調(diào)產(chǎn)物等。這些雜散輻射都會(huì)對(duì)其他的無線通信系統(tǒng)造成干擾，對(duì)該指標(biāo)的規(guī)定是為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性能，以便與其他系統(tǒng)（如GSM）共存，當(dāng)然這也保證了系統(tǒng)自身的正常運(yùn)行。56可編輯課件PPT第三章射頻基本概念辨析第一節(jié)功率相關(guān)概念第二節(jié)噪聲相關(guān)概念第三節(jié)線性相關(guān)概念第四節(jié)傳輸線相關(guān)概念第五節(jié)下行通道射頻指標(biāo)第六節(jié)上行通道射頻指標(biāo)

57可編輯課件PPT上行通道射頻指標(biāo)接收靈敏度 用功率表示Smin=10log（KTB）+NF+（S/N），單位：dBm K是波爾茲曼常數(shù)，單位：J/K(焦耳/K) T表示絕對(duì)溫度，單位：°K B表示信號(hào)帶寬，單位：Hz NF表示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，單位：dB

（S/N）表示解調(diào)所需信噪比，單位：dB

當(dāng)B＝1Hz時(shí)，10log（KTB）＝-174dBm/Hz58可編輯課件PPT上行通道射頻指標(biāo)雜散響應(yīng) 雜散響應(yīng)也稱為寄生響應(yīng)、寄生靈敏度。無線環(huán)境中存在多干擾信號(hào)，這些信號(hào)本身可以被系統(tǒng)濾波器慮掉，但是由于現(xiàn)在系統(tǒng)采用的接收機(jī)大都是超外差接收機(jī)，接收機(jī)接收到的能夠與本振組合產(chǎn)生中頻的信號(hào)很多，這樣的中頻信號(hào)和系統(tǒng)接收的中頻信號(hào)是同一頻率，系統(tǒng)的后級(jí)中頻濾波器是無法慮掉這些干擾的。其中除主接收信號(hào)外的其他頻點(diǎn)稱為寄生波道，該頻點(diǎn)產(chǎn)生的響應(yīng)稱為寄生響應(yīng)。左式中，當(dāng)m=n=1，假設(shè)取負(fù)號(hào)時(shí)，fr為所要信號(hào)，則m、n的其他組合所得到的fr為寄生波道。59可編輯課件PPT上行通道射頻指標(biāo)

雜散響應(yīng)的對(duì)系統(tǒng)的影響表現(xiàn)為：雖然系統(tǒng)工作的頻