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1、 射频基础知识及常见硬件故障 吴斌 2011 03苏通服维易科技服务分公司技术部 前言 射频子系统位于整个无线设备的最前端 是整个无线系统正常运行的关键环节之一 本胶片主要讲述射频基本概念和知识 以便大家更加深入理解WLAN无线通信系统硬件 也包含其他无线通信系统 简要介绍WLANAP常见故障类型 课程目标 熟悉掌握一些射频基本概念和知识了解WLANAP一些故障及处理方法 课程内容 T 第一章无线通信的基本概念第二章射频常用计算单位简介第三章射频常用概念辨析第四章WLANAP常见故障 第一章无线通信的基本概念 第一节无线通信使用的频率和波段第二节无线通信的电磁波传播 无线通信使用的频段和波段
2、目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段 包括亚毫米波以下 以至光波 无线通信使用的频率范围和波段见下表1 1 无线通信使用的电磁波的频率范围和波段 无线通信使用的频段和波段 表1 2无线通信中所使用的部分微波波段的名称 由于种种原因 在一些欧 美 日等西方国家常常把部分微波波段分为L S C X Ku K Ka等波段 或称子波段 具体如表1 2所示 第一章无线通信的基本概念 第一节无线通信使用的频段和波段第二节无线通信的电磁波传播 无线通信的电磁波传输 无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点 极长波 极低频ELF 传播极长波是指波长为1 10万公里 频率为3 30Hz 的
3、电磁波 理论研究表明 这一波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小 超长波 超低频SLF 传播超长波是指波长1千公里至1万公里 频率为30 300Hz 的电磁波 这一波段的电磁波传播十分稳定 在海水中衰耗很小 频率为75Hz时衰耗系数为0 3dB m 对海水穿透能力很强 可深达100m以上 甚长波 甚低频VLF 传播甚长波是指波长10公里 100公里 频率为3 30kHz 的电磁波 无线通信中使用的甚长波的频率为10 30kHz 该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播 距离可达数千公里乃至覆盖全球 长波 低频LF 传播长波是指波长1公里 10公里 频率为30 300kH
4、z 的电磁波 其可沿地表面传播 地波 和靠电离层反射传播 天波 无线通信的电磁波传输 中波 中频MF 传播中波是指波长100米 1000米 频率为300 3000kHz 的电磁波 中波可沿地表面传播 地波 和靠电离层反射传播 天波 中波沿地表面传播时 受地表面的吸收较长波严重 中波的天波传播与昼夜变化有关 短波 高频HF 传播短波是指波长为10米 100米 频率为3 30MHz 的电磁波 短波可沿地表面传播 地波 沿空间以直接或绕射方式传播 空间波 和靠电离层反射传播 天波 超短波 甚高频VHF 传播超短波是指波长为1米 10米 频率为30 300MHz 的电磁波 超短波难以靠地波和天波传播
5、而主要以直射方式 即所谓的 视距 方式 传播 无线通信的电磁波传播 微波传播微波是指波长小于1米 频率高于300MHz 的电磁波 目前又按其波长的不同 分为分米波 特高频UHF 厘米波 超高频SHF 毫米波 极高频EHF 和亚毫米波 至高频THF 微波的传播类似于光波的传播 是一种视距传播 其主要在对流层内进行 总的说来 这种传播方式比较稳定 但其传播也受到大气折射和地面反射的影响 另外 对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用 WLAN工作频段 2 4 2 4835GHz 5 725 5 850GHz 属于微波波段 其电磁波传播方式主要为微波传播 课程内容 第一章无线通信的基本概念第二章射频常
6、用计算单位简介第三章射频常用概念辨析第四章WLANAP常见故障 第二章射频常用计算单位简介 第一节功率单位简介第二节天线传播相关单位简介第三节其他 功率单位简介 绝对功率的dB表示射频信号的绝对功率常用dBm dBW表示 它与mW W的换算关系如下 例如信号功率为xW 利用dBm表示时其大小为 例如 1W等于30dBm 等于0dBW 功率单位简介 相对功率的dB表示射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示 其区别在于 dB是任意两个功率的比值的对数表示形式 而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式 dB与dBm的区别 dB分贝 衡量的是输出与输入的对数比值大小 3dB
7、就是10倍的lg2 就是指两倍大 10dB就是10倍的lg10 指10倍大 dBm是用来描述功率大小的单位 30个dBm为1瓦 1个毫瓦为0dBm 之所以射频中功率不用瓦来描述 是因为引入了放大增益这个概念 第二章射频常用计算单位简介 第一节功率单位简介第二节天线传播相关单位简介第三节其他 天线传播相关单位简介 天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示 dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比 dBd是指相对于半波振子 偶极子 的功率能量密度之比 半波振子的增益为2 15dBi 因此0dBd 2 15dBi 例1 对于一面增益为16dBd的天线 其增益折算成单位为dBi时 则为1
8、8 15dBi 一般忽略小数位 为18dBi 例2 GSM900天线增益可以为13dBd 15dBi GSM1800天线增益可以为15dBd 17dBi 天线传播相关单位简介 前后比 旁瓣抑制 波瓣宽度前后比旁瓣抑制 天线传播相关单位简介 天线的极化天线向周围空间辐射电磁波 电磁波由电场和磁场构成 人们规定 电场的方向就是天线极化方向 一般使用的天线为单极化的 下图示出了两种基本的单极化的情况 垂直极化 是最常用的 水平极化 也是要被用到的 天线传播相关单位简介 双极化把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起 或者 把 45 极化和 45 极化两种极化的天线组合在一起 就构成了一种新的天线
9、 双极化天线 第二章射频常用计算单位简介 第一节功率单位简介第二节天线传播相关单位简介第三节其他 其他 电阻 阻挡电流通过的物体或物质 从而把电能转化为热能或其它形式的能量 单位 欧姆 电压 电位或电位差 单位 伏特 V电流 单位时间内通过电路上某一确定点的电荷数 单位 安培 A电感 线圈环绕着的东西 通常是导线 由于电磁感应的原因 线圈可产生电动势能 单位 亨利 H电容 一个充电的绝缘导电物体潜在具有的最大电荷率 单位 法拉 F 课程内容 第一章无线通信的基本概念第一章射频常用计算单位简介第三章射频常用概念辨析第四章WLANAP常见故障 第三章射频基本概念辨析 第一节功率相关概念第二节噪声相
10、关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标 功率相关概念 信号的峰值功率 平均功率和峰均比PAR解释 很多信号从时域观测并不是恒定包络 而是如下面图形所示 峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率 通常概率取为0 01 平均功率是系统输出的实际功率 在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比 如PAR 9 1 0 1 各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线 互补累积分布函数 在概率为0 01 处的PAR 一般称为CREST因子 功率相关概念 增益 dB 解释 即放大倍数 单位可表示为分贝 dB 插损 dB 解释 当某一器件或部
11、件接入传输电路后所增加的衰减 单位用dB表示 第三章射频基本概念辨析 第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标 噪声相关概念 噪声定义噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号 各类点频干扰不是算噪声 常见的噪声有来自外部的天电噪声 汽车的点火噪声 来自系统内部的热噪声 晶体管等在工作时产生的散粒噪声 信号与噪声的互调产物 噪声相关概念 相位噪声相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标 在时域表现为信号过零点的抖动 理想的单音信号 在频域应为一脉冲 而实际的单音总有一定的频谱宽度 如下面所示 一般
12、的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程 因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声 相位噪声在频域的可以这样定量描述 偏离中心频率多少Hz处 单位带宽内的功率与总信号功率相比 例如晶体的相位噪声可以这样描述 噪声相关概念 噪声系数噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力 通常这样定义 单元输入信噪比除输出信噪比 如下图 对于线性单元 不会产生信号与噪声的互调产物及信号的失真 这时噪声系数可以用下式表示 Pno表示输出噪声功率 Pni表示输入噪声功率 G为单元增益 噪声相关概念 级联网络的噪声系数公式 第三章射频基本概念辨析 第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输
13、线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标 线性相关概念 信号在通过射频通道 这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道 不包括空间段衰落信道 时会有一定程度的失真 失真可以分为线性失真和非线性失真 产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件 产生非线性失真的主要有一些放大器 混频器等有源器件 另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入 线性相关概念 线性失真线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真 从频域可以很方便表示这些失真 如下图 幅频特性 相频特性 线性相关概念 非线性失真非线性失真与线性失真相似 可以分成非线性幅度失真和非线性相位失真 图形表示如下 线性相关概念 非线性
14、幅度失真非线性幅度失真常用1dB压缩点 三阶交调 三阶截止点等指标衡量 下面分别讨论这三个指标 1dB压缩点例如一个射频放大器 当输入信号较小时 其输出与输入可以保证线关系 输入电平增加1dB 输出相应增加1dB 增益保持不变 随着输入信号电平的增加 输入电平增加1dB 输出将增加不到1dB 增益开始压缩 增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点 这时输出信号电平称为输出1dB压缩点 如下图 线性相关概念 线性相关概念 三阶交调三阶交调 双音三阶交调 是用来衡量非线性的一个重要指标 在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标 用两个相隔 f 且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器 则
15、放大器的输出频谱大致如下 三阶交调常用dBc表示 即交调产物与主输出信号的比 线性相关概念 三阶截止点任一微波单元电路 输入双音信号同时增加1dB 输出三阶交调产物将增加3dB 而主输出信号仅增加1dB 不考虑压缩 这样输入信号电平增加到一定值时 输出三阶交调产物与主输出信号相等 这一点称为三阶截止点 对应的输入信号电平称为输入三阶截止点 对应的输出信号电平称为输出三阶截止点 注意 三阶截止点信号电平是不可能达到的 因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力 线性相关概念 第三章射频基本概念辨析 第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六
16、节上行通道射频指标 传输线相关概念 特征阻抗解释 特征阻抗是微波传输线的固有特性 它等于模式电压与模式电流之比 无耗传输线的特征阻抗为实数 有耗传输线的特征阻抗为复数 在做射频PCB板设计时 一定要考虑匹配问题 考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗 当不相等时则会产生反射 造成失真和功率损失 反射系数 此处指电压反射系数 可以由下式计算得出 传输线相关概念 在目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗 一种是50欧姆系统 如军用的微波 毫米波通讯系统 雷达 我们目前开发的蜂窝通讯系统GSM WCDMA等 另一种是75欧姆系统 这种系统相对比较少 如我们目前使用的有线电视系统 传输线相关概念 驻波比解释 驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标 它在数值上等于 由反射系数的定义我们知道 反射系数的取值范围是0 1 而驻波系数的取值范围是1 正无穷大 射频很多接口的驻波系数指标规定小于2 0 驻波比恶化意味着信号反射比较厉害 也就是说负载和传输线的匹配效果比较差 所以在一个系统中 如果驻波比很差 可能会使信号传输效果变差 通道增益下降 一个比较典型的例子就是灵敏度问题 传输线相
