目录

0. 前言

1. 上边频、下边频，上边带、下边带

1.1 上边频和下边频

1.2 上边带和下边带

2. 混频

2.1 混频

2.2 混频器

2.3 混频器主要性能指标

2.3.1 变频损耗与噪声系数

2.3.2 变频压缩，1dB压缩点

2.3.3 互调（交调）失真

2.3.4 隔离度

2.3.5 本振泄露

2.3.6 镜像抑制

3. 调制，正交调制

3.1 什么是调制

3.2 为什么要调制

3.3 什么是正交调制

3.4 为什么要正交调制

4. dB family cheat sheet: dB家族成员简介

5. 常用通信射频指标

5.1 Rx Sensitivity（接收灵敏度）

5.2 SNR（信噪比）

5.3 解调门限

5.4 TxPower（发射功率）

5.5 ACLR, ACPR

6. 频谱泄漏，spectral leakage

7. “50欧姆”特性阻抗

7.1 理论因素——50欧姆的优势

7.2 行业发展——美国标准

0. 前言

        记录日常工作中碰到的射频信号处理的点点滴滴，尽量用自己能听得懂说得清的大白话来描述。主要是从数学模型的角度来说事儿，而不是从电路实现的角度。动态更新。

1. 上边频、下边频，上边带、下边带

1.1 上边频和下边频

        考虑将一个单频信号（频率为Fm）调制一个载波信号（频率为Fc）上，对应的数学运算可以表达为：

        所得到的信号的频谱如下图所示（取自于[2]）：

        其中，频率成分通常称为上边频；频率成分通常称为下边频。

1.2 上边带和下边带

        如果调制载波的信号不是一个单频（或者说单音，single tone）信号，而是一个具有一定带宽的窄带信号（假定记为，但是假定其带域以为中心）的话，调制运算可以写为：

        这个其实就代表着AM信号的调制处理。其频谱将类似于如下图所示（取自于[1]）：

         如图，低于载波频率的有效信号所占据的频带被称为下边带（Lower Sideband）；高于载波频率的有效信号所占据的频带被称为上边带（Upper Sideband）。在以上这样幅度调制中，上边带和下边带所携带的信息是相同的（由傅里叶变换的性质可知，实信号的傅里叶变换的幅度谱是偶函数，相位谱是奇函数），因此实际上只需要传输上边带或者下边带即可。如上图下班班部分所示，将LSB滤除后（通常将载波信号成分也滤除）只剩下USB用于发射，这个信号称为单边带信号（SSB：Single Sideband）。

2. 混频

2.1 混频

        用通俗的大白话来说，从数学的角度来看，两个信号之间相乘处理导致它们的频率成分出现相加（得到和频成分）和相减（得到差频成分）的处理就是混频（frequency mixing）处理。最简单的混频处理就是两个频率分别为f1和f2（相同或不相同）的正弦波信号相乘，如下式所示：

        很显然，输出信号中包含两个频率成分，一个是（f1 + f2）；另一个是|f1-f2|。        

        混频在射频通信（需要注意的是，射频通信并不仅限于无线通信！）中最主要的用处就是调制（上变频）和解调（下变频）。         

2.2 混频器

         在实际应用中，是利用器件的非线性效应来实现混频效果的。用于实现混频处理的器件叫做混频器（Mixer）,混频器的符号表示通常就用一个乘法符号来表示，如下图所示：

        在射频收发器中，混频器有时也被称作上变频器或下变频器。在接收机中混频器的作用是将信号从射频频段搬移到较低的中频或基带频段，所以叫做下变频器；在发射机中混频器的作用是将信号从较低的中频或基带频段搬移到射频频段，所以叫做上变频器。

        当然，混频器除了用作上变频器或者下变频器以外，还有其它的用途，这里就不多赘述。

        常见的混频器分为3种：单端，双平衡，三平衡。这些区别主要是关于混频器内部结构的（当然不同结构可能会得到不同的性能指标），与功能无关。

2.3 混频器主要性能指标

        混频器的直接目的在于生成具有新的频率的信号，并同时保持初始信号的其它特性，以实现调制（上变频）和解调（下变频）的功能。

2.3.1 变频损耗与噪声系数

        输入信号功率与输出信号功率之比称为变频损失（当然也可以反过来说输出信号功率与输入信号功率之比为变频增益）（用对数域的分贝来表示的话，则是输入输出功率之差）。

2.3.2 变频压缩，1dB压缩点

        1dB压缩点为混频器的变频损失增加1dB的点，并定义为使变频损失增加1dB所需的输入信号幅度。混频器的1dB压缩点决定了其动态范围的上限。

2.3.3 互调（交调）失真

        当不同信号同时进入混频器的IF或RF输入端口时，将发生互调失真（IMD）。该失真发生的原因为这些信号之间以及它们与LO信号之间的相互作用。

        当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时，将互相调制，产生新频率信号输出，如果该频率正好落在接收机工作信道带宽内，则构成对该接收机的干扰，这种干扰为互调干扰。也就说互调可能来自我们的有源系统内部，也可能来自外部环境。

        在维基上，搜索“cross modulation”会重定向为“intermodulation”。从某种角度来讲，二者是一个东西。当然，硬是要区分的话，可以参考下面这张图[1]。

ref: A. V. Padaki, “Fundamentals of Efficient Spectrum Access and Co-existence with Receiver Nonlinearity,” Doctoral Dissertations, the Virginia Polytechnic Institute and State University, 2018.

2.3.4 隔离度

        隔离度为从一个端口泄漏至另一端口的功率的量，并定义为输入信号幅度与从该输入信号泄漏至另一端口的功率幅度之间的信号电平差值。隔离度越高，从一个端口泄漏至另一端口的功率越小。系统中必须考虑的三个重要的隔离度分别为：输入到输出，LO到输入、LO到输出。

2.3.5 本振泄露

2.3.6 镜像抑制

3. 调制，正交调制

3.1 什么是调制

        通俗地说，调制就是用待传输的消息（Message）信号或者说信息控制载波信号的某项或者多项参数，以达到消息传送的目的。比如说通过控制载波信号的幅度来传递消息就是幅度调制（AM：Amplitude Modulition）；通过控制载波信号的相位来传递信息就是相位调制（Phase modulation）；还有控制相位角、频率以及它们的组合等等。

3.2 为什么要调制

        为了达到将信息通过无线通信传输到接收端，需要以电磁波为媒介，电磁波信号在空中传输会有损耗。天线设计理论表明，当天线的尺寸和电磁波波长相当（相同量级，比如说信号波长的1/10或更大）时，可以获得最高的天线效率。以语音信号为例，语音信号频率范围大概为300~3400Hz，

        按照以上标准来设计天线，对于一半应用来说显然是不现实的。基于此，必需将信号搬移到更高的频段上去传输，这个将低频信号搬移到高频频段上去的过程就是我们通常所说的调制。

        顺便说一下，用低频信号进行信息传输也不是没有。潜艇就是用低频信号进行信息传输，因而也就需要非常长的天线或者说覆盖范围很大的天线阵列来进行信号发送和接收。

3.3 什么是正交调制

        正交调制有时也被称为IQ调制。

        所谓的正交调制是指用两路正交的载波信号（就是两路频率相同，相位相差90度的载波，一般用sin和cos），分别与I，Q两路信号进行调制后混合（相加）到一起发射。其目的是为了提高频谱利用率。

3.4 为什么要正交调制

4. dB family cheat sheet: dB家族成员简介

        参见：dB family cheat sheet: dB, dBW, dBm, dBi, dBc, etc

5. 常用通信射频指标

5.1 Rx Sensitivity（接收灵敏度）

        接收灵敏度，这应该是最基本的概念之一，表征的是接收机能够在满足一定通信性能要求的条件下能够接收识别的最低信号强度。所作评估基准的性能要求通常采用BER（bit error ratio, 误比特率）或者PER(packet error ratio, 误包率)。

5.2 SNR（信噪比）

        S 即信号Signal，或者称为有用信号；N 即噪声Noise，泛指一切不带有有用信息的信号。

5.3 解调门限

        讲灵敏度的时候我们常常联系到SNR（需要根据接收机满足一定性能要求所需要的信噪比，以及热噪底功率等来一起计算灵敏度）。接收机满足一定性能要求所需要的信噪比就是所谓的解调门限。

        当然在有些作者的描述中或者说某些场景，解调门限定义中的性能要求与灵敏度中所提的性能要求并不一定重合。但是这个只是一个定义的问题。在使用解调门限以及灵敏度等性能指标从一开始就需要明确其定义，并保持从始至终的连贯一致性。

5.4 TxPower（发射功率）

        越高的发射功率意味着越远的通信距离。

        但是发射功率并不是可以无限地拉高。一方面，发射功率越大自然意味发射机的功耗更大；另一方面，发射功率越大对于其它通信设备或通信系统产生的干扰就更大。所以一般通信系统标准都会定义关于最大发射功率的要求。超过这个功率即视为违反regulation.

        发射端要不要考虑信噪比呢？首先说答案，不需要。

        发射端的信号和噪声在空中传播过程中经受了相同的衰减。而接收机也有它自身的热噪底（）。如果发射端的信号中包含的噪声经过空间传播衰减后远远小于接收机的热噪底，那么发射端的信噪比就无所谓，因为接收机所“看到”的信噪比是受限于接收机的热噪底的。而发射端发出的信号中包含的也是热噪底构成的，它经过空间传播衰减后自然而然地就远远小于接收机的热噪底了。所以，绝大多数情况下发射端发出的信号是不需要考虑信噪比的（人为地掺入的噪声不算）。

5.5 ACLR, ACPR

        ACPR vs ACLR-difference between ACPR and ACLR (rfwireless-world.com)

        ACPR stands for Adjacent Channel Power Ratio and ACLR stands for Adjacent Channel Leakage Ratio. Though the name is different, both terms are used interchangeably to represent the same thing. 两者基本同义，通常可以互换使用（通常一个是在终端测试中的叫法，一个是在基站测试中的叫法罢了）。

        它们表征的发射机泄漏到临近信道中去的部分，可以统称为“邻道泄漏”。都是以“Adjacent Channel”命名，顾名思义，都是描述本机对其他设备的干扰。对邻道干扰信号的功率计算也是以一个信道带宽为单位进行统计。如下图所示：

        这种计量方法的出发点是，这一指标的设计目的是考量发射机泄漏的信号，对相同或相似制式的设备接收机的干扰——干扰信号以同频同带宽的模式落到接收机带内，形成对接收机接收信号的同频干扰。换句话说，ACLR/ACPR 描述的是一种“对等的”干扰：发射信号的泄漏对同样或者类似的通信系统发生的干扰。

        这一定义方式是有非常重要的实际意义的。比如说在移动通信网络中，实际网络中同小区邻小区还有附近小区经常会有信号泄漏过来，所以网规网优的过程实际上就是容量最大化和干扰最小化的过程，而系统本身的邻道泄漏对于邻近小区就是典型的干扰信号；从系统的另一个方向来看，拥挤人群中用户的手机也可能成为互相的干扰源。同样的，在通信系统的演化中，从来是以“平滑过渡”为目标，即在现有网络上升级改造进入下一代网络。那么两代甚至三代系统共存就需要考虑不同系统之间的干扰，LTE 引入UTRA 即是考虑了LTE 在与UMTS 共存的情形下对前代系统的射频干扰。

6. 频谱泄漏，spectral leakage

7. “50欧姆”特性阻抗

        高速高频、射频以及微波等行业的朋友都知道传输线要做50欧姆特性阻抗匹配，那为什么一定要匹配到50欧姆，而不是25欧姆或者75欧姆等其它数呢？纵观50欧姆特性阻抗的发展历史，我们可以得出它由来的两个主要因素：

        1、理论因素：50欧姆传输线的特定优势；

        2、行业发展：大公司对行业标准的话语权；

7.1 理论因素——50欧姆的优势

        在通信设备中，主要关注同轴电缆的两个性能指标：

        ①功率容量：即可以传输最大的信号功率值，决定了设备的发射功率。当阻抗为30欧姆时，同轴线可以获取最大的功率传输容量；

        ②传输损耗：即信号输出过程中在同轴线上的损耗大小，决定了传输的距离。当阻抗为77欧姆时，同轴线可以获取最小的传输衰减常数。这也是电视系统采用75欧姆同轴传输线的原因，因为衰减小可以传输得足够远。

        30欧姆和75欧姆的权衡结果

为了使得同轴线兼具最佳的功率容量与衰减常数，经过反复的权衡后，最后选择30欧姆与75欧姆之间平均值与最简值：50欧姆。

7.2 行业发展——美国标准

        在微波应用的初期，二次世界大战期间，阻抗的选择完全依赖于使用的需要，对于大功率的处理，30欧姆和44欧姆常被使用。另一方面，最低损耗的空气填充线的阻抗是93欧姆。

        在那些岁月里，对于很少用的更高频率，没有易弯曲的软电缆，仅仅是填充空气介质的刚性导管。半刚性电缆诞生于 50 年代早期，真正的微波软电缆出现是大约 10 年以后了。

        随着技术的进步，需要给出阻抗标准，以便在经济性和方便性上取得平衡。

        在美国，敲定了50 欧姆是一个折衷的最佳方案。为了联合陆海军解决这些问题，成立了一个名为JAN的组织，由MIL(American military standard，美国军用标准)专门开发。

        不久以后，由于美国惠普公司(Hewlett-Packard)等主导世界舞台级公司的影响，欧洲人也被迫改变选择50欧姆标准。

        从此，50欧姆标准一统江湖。

参考文献

[1] Understanding Single Sideband (SSB) (hamradioschool.com)

[2] What will be the upper sideband and lower sideband frequenci (testbook.com) 

[3] Carl L. Weisman, 射频和无线技术入门 

[4] 双平衡混频器,双平衡混频器原理及其结构简介 

最后

以上就是结实航空为你收集整理的射频信号处理知识点点滴滴0. 前言1. 上边频、下边频，上边带、下边带2. 混频3. 调制，正交调制4. dB family cheat sheet: dB家族成员简介5. 常用通信射频指标6. 频谱泄漏，spectral leakage7. “50欧姆”特性阻抗的全部内容，希望文章能够帮你解决射频信号处理知识点点滴滴0. 前言1. 上边频、下边频，上边带、下边带2. 混频3. 调制，正交调制4. dB family cheat sheet: dB家族成员简介5. 常用通信射频指标6. 频谱泄漏，spectral leakage7. “50欧姆”特性阻抗所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。