射频=电磁波？最基本的射频系统由什么组成？

原创 Keysight射频测试资料分 2025-01-23 06:47

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什么是电磁波？

初中物理课，我们学过安培定律，电流通过导线会在周围生成磁场。物理学家麦克斯韦在安培定律的基础上，提出电磁波：振荡的电场会产生振荡的磁场，振荡的磁场又会引发电场的变化，二者在空间中不断相互作用并传播，从而形成电磁波。

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。射频技术在无线通信领域中被广泛使用。

所以，射频其实是“一部分”电磁波。

什么是波长?

电磁波有个很重要的衡量单位——波长。

•频率就会越低，波长越长，传播距离越远，指向性就会较弱；

•频率越高，波长越短，传播距离越近，指向性会更强。

根据波长，射频又被分为P波段、L波段、S波段……毫米波。

光是电磁波，波又是振动的传播，而振动就会有频率、周期、振幅等描述振动的参数，因此，光当然也有频率。

频率是什么意思？频率的单位是什么？

而频率就是衡量射频这“一部分”的关键角色。

频率是电磁波中交变电流每秒钟的振荡次数，频率的单位是赫兹Hz。如果每秒振荡 60 次，则其频率为 60 Hz。在本文中，我们将主要探讨音频波(气压的振荡)，及其如何以数百千赫频率从无线电台传播到您的车载收音机上(或任何 AM 无线电台)。任何波都有一个频率，光波也一样。光波和其他更高频率的波(例如 X 射线、伽马射线、微波)一般用波长来表示，而不用频率。例如，绿色光的波长大约为 400 纳米。下图显示了行进波单位间的关系：

如果发送一个纯正弦波信号(称为“音频”)。它不携载任何实际信息，听上去也并不好听。下图是一个正弦波的图像，X 轴为时间，Y 轴为电压，这是一个 150 Hz 参考信号。

如图1-1的电流波形，在1秒内有10个周期，则其频率为10Hz。

射频是什么？

射频英文是Radio Frequency (RF)，又叫做无线电频率，就是能传播无线电信号的频率。广义上，射频是频率范围在3 kHz到300 GHz的电磁波。

电磁波频率低于100 kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。
电磁波频率高于100 kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频, 英文缩写RF。

射频是具有远距离传输数据能力的电磁波，2G/3G/4G/5G移动通信信号、 Wi-Fi信号、卫星、雷达信号等都在射频上传输。射频像一个看不见、摸不着的管道，无需要介质就能传播数据，在不同介质中传播速率又有所不同。

射频频率范围从3KHz-300GHz，相当于交变电流一秒钟震荡3000次-300亿次，这范围非常大。所以，为了方便管理，相关部门又将频率分为甚低频、低频、中频、高频……极高频，不同频段用途也相对不同。（如图1-2）

射频应用领域

射频通信 - 在整个射频通信中，主要包含以下几种频率：传输频率、接收频率、中频和基带频率。基带频率是用来调制数据的信号频率。一般来说，射频系统具有非常强大的传输调制信号的功能，即使在有干扰信号和阻断信号的情况下，该系统也可以做到以最高的质量发送并且以最好的灵敏度接收调制信号。

无线电频率用于通信设备，如发射机，接收机，计算机，电视和手机，仅举几例。无线电频率也适用于载波电流系统包括电话和控制电路。MOS集成电路是技术背后的技术目前射频无线电通信设备（如手机）的激增。

射频医疗 - 射频能量以辐射波或电流的形式，已被用于超过75年的药物治疗，通常用于使用射频的微创手术消融包括治疗睡眠呼吸暂停。

射频如何传输无线信号？

什么是射频信号？

射频信号就是经过调制的，拥有一定发射频率的电波。我们打电话、发短信，其实是声音、图像通过手机里的基带单元和射频单元“配合工作”通过一定频率的射频，传输给基站，基站再通过射频传送给远方的手机中。（如图1-4）。射频信号有自己的特点，所以传输信号需要特别的媒介，而相应连接器也很特殊。

这个一定频率，是国家相关部门规定的频率，在5G时代，中国移动使用2.5 GHz至2.6 GHz，4.8GHz至4.09GHz频率等，中国电信和中国联通使用3.3 GHz至3.6 GHz频率等。

信号分类

信号分为模拟信号和数字信号，模拟信号是时间上连续的信号，数字信号就是时间上离散的0、1信号。我们打电话时，我们发出的声音就是模拟信号，但这样的信号抗干扰能力差，频率低，不能直接在射频传输。

最基本的射频系统由什么组成？- 射频超外差系统

基带电路

首先我们先看基带电路部分：

在我们拿起手机，通过网络打电话时候，手机中接着电流的话筒可以把声音振动转换成振动规律与之相同的振荡电流，生成模拟信号，基带单元会对模拟信号进行采样、编码成能“代表”声音的数字信号，然后再调制成更高效传输的模拟信号，给射频电路。

① 采样：把连续的声音信号，分割成多个采样点。如何采样能保证不遗漏信息？早在1928年，奈奎斯特定理解决了如何将模拟信号转化为数字信号的问题。在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号就能完整地保留原始信号中的信息。

② 编码：将这些连续的语音信号采样之后要进行编码，转换成0-1信号。编码分为两部分，信源编码和信道编码。

信源编码是将声音和画面转化成0、1信号，比如对于音频信号，一般使用AMR语音编码，对于视频信号，一般会用MPEG-4编码（MP4），还有H.264、H.265编码。

信道编码是将额外的（0、1）比特数据加到“信息队列”中，对信源信号的传输起到一定“保护”作用。这些额外的比特数据可以用于纠错，也可以用于抗干扰，有时也作为识别或均衡所需的训练序列（training sequence）。在2G-5G时代用的Turbo码、Polar码，LDPC码等信道编码方式。

③ 调制：编码好的数字信号，是非常长的0、1数列，这部分的调制是将已经编码好的数字信号，通过改变“频率、相位、振幅”调制回连续的模拟信号。

这部分调制称作做数字调制，一般可以分为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK），以及QAM（正交振幅调制）等，即分别通过调整幅度、调整频率和调整相位，以及同时调整幅度和相位来将数字信号转换为模拟信号。（如图1-7）

目前5G用的编码方式主要有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，Wi-Fi7的调制方式最高已经实现4K QAM。

射频电路：接收和传输信号

发射机电路是将调制后的信号经过变频、滤波、功率放大和天线辐射等过程，最终转化为相应的射频频率并传输到远方基站，接收机电路是将从基站接收的信号转化为声音信号的逆向过程。

组成射频电路的射频器件主要包括：

•混频器：用于改变信号的频率

•振荡器：以特定频率产生波形的设备

•滤波器：允许特定频率范围内的信号通过并衰减其他频率信号的设备

•放大器：用于增加射频信号的功率

•天线：用于发送和接收射频信号

变频（混频器+振荡器）：经过基带电路调制的模拟信号，还是低频信号，所以需要先通过上变频变到需要的射频频段，通过本地振荡器生成的高频信号与基带信号通过混频器混合，生成能够在射频系统中传输的射频信号。但在上变频过程中会产生不需要的信号成分。经过“变频”就可以把我们低频的声音信号，调频到相关部门已经规定的“4G/5G频率“上了。

滤波：滤波器能滤除信号通路中不需要的频率分量,并保留需要的频率分量,是射频前端中的核心器件。滤波可以得到更高的频谱效率。如果没有滤波，将会出现比发送信息所需的频谱宽得多的频谱。滤波器可分为金属腔体滤波器、介质滤波器、声学滤波器和 LC 滤波器。基于性能、成本和尺寸上的综合考虑,声学滤波器正作为射频前端滤波器的主流类型。

功放：经过变频、滤波的射频信号，还要通过功率放大，才能有足够的能力经天线向远方传输。功率放大器是射频系统中最基本的有源器件，它具有非线性强、功耗大的特点，其工作性能直接影响着整个通信系统的信号质量和运营成本。例如，功放的尺寸与效率直接关乎无线通信设备的制造成本与耗电状态；输出功率决定了无线信号的传播距离；线性度决定了信号失真度，决定着通信质量。

天线：用于发射和接收电磁波，最基本的也是要依靠电磁感应原理，通过有规律的电场循环产生可解读的电磁波信号或通过接收电磁波信号再将其转化为电信号。随着无线通信技术向更高速率、更高频率演进，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多根天线发送，多根天线接收；Massive MIMO技术MIMO技术也对天线设计提出更高挑战。

在实际的无线通信射频电路中，由于要支持多个4G、5G频段，其实要经过多次滤波、变频、功放的过程，才能够满足无线通信的频谱、带宽需求，真正实现全球通话。

手机的射频接收电路通常是指在基站中接收射频信号“还原成”声音信号过程，原则上射频接收电路是发射电路的逆过程，但在实际设计过程中往往更为复杂。

接收电路首先把输入的射频信号下变频为中频信号，然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大，发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。于此同时，接收电路需要恢复载波和符号时钟。在接收电路中，符号时钟的频率和相位（或计时）都必须正确，才可以保证成功地解调比特和恢复已发射信息。

发射机工作原理

发射机是什么?

发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置，是一个比较笼统的概念，它广泛应用与电视，广播，通信，报警，雷达，遥控，遥测，电子对抗等各种民用、军用设备。发射机按调制方式可可分为调频（FM），调幅(AM)，调相（PM）和脉冲调制四大类。

如果输入是模拟信号（例如语音），第一步是将连续的模拟信号变换为离散的数字比特流，这称为数字化。

第二步进行语音编码以便压缩数据。然后是信道编码，信道编码将额外的比特加到输入比特流中，这些额外的比特用于纠错，有时也作为识别或均衡所需的训练序列（training sequence）。这样能使接收机容易恢复符号时钟。

下面是按照符号时钟进行调制符号映射。符号时钟表示单个符号的频率和确切的时间。在符号时钟跃变时，发射载波所处的I/Q（或幅度/相位值）就表示某个指定的符号（即星座图中某个指定的点）。若发射载波的I/Q或幅度/相位变化，就表示另一个符号。两个时间之间的间隔即为符号时钟周期。

接着进行滤波，以便得到高的频谱效率。如果没有滤波，信号在状态之间转换非常快，将会出现比发送信息所需的频谱宽得多的频谱。为了简便起见，图中只画出一个滤波器，实际上有两个滤波器，它们分别在I通道和Q通道。

于是便可将输出的信号送到调制器。由于存在相互独立的I和Q分量，信息的一半由I发送，另一半由Q发送。

通常调制工作都在中频实现，信号需要通过上变频变到较高的射频。在上变频过程中会产生不需要的信号成分，需要利用带通滤波器将它们滤掉。由于半导体技术的进步，已经有许多集成电路产品可以直接实现在射频进行I/Q调制，可以大大简化电路，降低成本，减小失真。

发射机的原理是将调制后的信号经过功率放大、频率合成和天线辐射等过程，最终转化为电磁波并传输到接收端。在实际的无线通信系统中，发射机的设计和调试需要综合考虑调制技术、功率放大器的选择和设计、频率合成技术以及天线的设计和布置等方面的因素。除了以上提到的原理，发射机的稳定性、抗干扰能力、功耗和尺寸等也是需要考虑的重要因素。

接收机工作原理

接收机是什么?

接收机 (Receiver) 通常是指接收电磁波信号并将其转换为可用于其他设备的信号的装置。接收机的主要作用是将传输信号从信号源（例如天线或卫星）中接收并放大，解调、过滤和放大信号，在最终输出到扬声器、显示屏或其他设备前，对该信号进行处理和调整。

解调过程通常包括以下阶段: 载波频率恢复( 载波锁定)、符号时钟恢复( 符号锁定)、信号分解为 I 和 Q 分量( IQ解调 )、I 和Q符号检测、比特解调和去交织( 解码比特)、解压缩( 扩展至原始比特流)，如果需要最后是数模转换。

接收机与发射机的主要区别是需要恢复载波和符号时钟。在接收机中，符号时钟的频率和相位( 或计时) 都必须正确，才可以成功地解调比特和恢复已发射信息。例如，符号时钟的频率设置正确，但相位错误。就是说如果符号时钟与符号间的过度同步，而不是符号本身，解调将会失败。

接收机设计的一项艰巨任务是建立载波和符号时钟恢复算法。有些时钟恢复技术包括测量调制幅度度变化、或者在带有脉冲载波的系统中可以使用功率打开事件。当发射机的信道编码提供训练序列或同步比特时，这项任务便可以简单些。

接收机的工作原理是通过一个天线或探头将电磁信号转换成电信号。接收机可以被分为两类，即模拟接收机和数字接收机。模拟接收机使用模拟电路来从天线中接收和放大信号，而数字接收机将接收信号数字化以进行处理。接收机通常包括滤波器、放大器、混频器和解调器等元件。

射频应用领域

射频技术具有广泛的应用范围，包括但不限于：

无线通信：射频用于各种无线通信系统，例如移动电话、Wi-Fi 和蓝牙。
广播：电视和无线电广播是 RF 的主要应用。
雷达系统：射频波用于雷达系统以检测远处物体的位置和速度。
卫星通信：射频波用于卫星和地球之间的数据传输。
医疗应用：某些医疗设备（例如 MRI 机器和射频消融设备）使用射频波。

射频器件有哪些主要参数？

对于放大器、天线等关键射频器件，或者整个射频系统，如何进行准确的测试呢？

一般我们会用到信号源、频谱仪、网络分析仪进行测试，射频信号发生器和分析仪可用于测试现代发射机和接收机,矢量网络分析仪可以精准地表征射频前端和元器件的性能,关键参数包括增益、平坦度、相位噪声、EVM、ACPR等。

增益和平坦度：功率放大器的增益定义为信号输出幅度与信号输入幅度的比值。射频电路设计中，增益通常用 dB 作为单位，信号的输入功率和输出功率通常用 dBm 作为单位。在工作频段内，理想的PA功率放大器增益应该是相同的，但是实际情况下，带内不同频率，PA功率放大器增益并不相同，甚至相差很大。用带内最大增益与最小增益差来衡量增益平坦度。

邻信道功率比 ACPR：对于功率放大器，邻信道功率比（Adjacent Channel Power Ratio, ACPR）是一项非常重要的衡量功率放大器线性度的指标，用于衡量主功率泄漏至邻信道的功率量，其值越低，说明邻信道功率泄漏抑制得越好。

误差矢量幅度(EVM): EVM 是用于评估通信系统带内失真的行业标准指标。误差矢量是特定时间理想参考信号与测量信号之间的矢量差。非理想条件下会使接收和发送的信号失真，因此量化调制信号质量需要 EVM测试。802.11ac和5G NR等标准都设置了可接受的最低 EVM指标。

在很多表征功率放大器性能的指标中，误差矢量幅度（EVM）和邻道功率比（ACPR）是最为关键的，EVM和ACPR指标可以量化功率放大器的非线性性能。通常使用EVM作为带内失真的考量，而（ACPR）则用来衡量带外特性。

S参数：用 S参数测量被测件（Device under Test, DUT）性能，不存在特定的开路或者短路条件限制，同时可以避免该条件下引起的阻抗不连续而导致的大幅度电压与电流波散射。不考虑功放内部结构，整体考虑其输入输出端口，作为一个二端口网络分析，使用 S参数表征端口特性。

S参数的定义简单。以两端口为例，S参数定义如下。其中a1/b1分别为1端口入射波/反射波电压，a2/b2分别为2端口入射波/反射波电压。

功率放大器 PA : 在无线通信系统中，功率放大器(Power Amplifier, 简称PA)占据传输链的最后一级，为天线提供所需的射频功率，是通信系统中射频链路质量的重要贡献者。如图所示。功率放大器(PA)是发射机传输质量和电池寿命的关键决定因素。

接收机灵敏度: 接收机灵敏度定义接收机能够在不超过一定误码率的情况下识别的最低信号强度。这里说误码率，是沿用CS（电路交换）时代的定义作一个通称，在多数情况下，BER (bit error rate)或者PER (packet error rate)会用来考察灵敏度，在LTE时代干脆用吞吐量Throughput来定义——因为LTE干脆没有电路交换的语音信道，但是这也是一个实实在在的进化，因为第一次我们不再使用诸如12.2kbps RMC（参考测量信道，实际代表的是速率12.2kbps的语音编码）这样的"标准化替代品"来衡量灵敏度，而是以用户可以实实在在感受到的吞吐量来定义之。

为保持接收机正常工作的最小可接收信号强度，灵敏度可用功率来表示。也可以用场强表示。简单地讲，如果链路方程式中的接收功率值等于或大于接收机灵敏度，那么接收机就能正常工作，也就是说接收机能够正常的获取包含在发射信号中的信息。反之，如果接收功率低于灵敏度，那么获取信息的质量将远远低于规定的要求。

信噪比（SNR）：信噪比（SNR）仅仅是系统最大（有时是平均值）信号功率与最大（有时是平均值）背景噪声的对比。系统的信噪比（SNR）通常用分贝来表示，便于计算信噪比（SNR），因为以分贝为单位的信噪比（SNR）等于最大信号强度减去最大噪声强度。

动态范围：与信噪比（SNR）相似，动态范围也是信号衰减因子与最大良好信号之间差异的度量。与信噪比（SNR）的差异在于，动态范围是基于最大未失真信号与最小可分辨信号之间的差异。在许多情况下，最小可识别信号是系统的本底噪声，但是，还有其他信号衰减因子也可以用于确定最小可识别信号，例如谐波或杂散。限制动态范围的选择取决于具体的应用。

相位噪声: 在我们了解相位噪声的正式定义之前，让我们先看看理想信号（完美振荡器）之间的差异。

在频域中，该信号由一条谱线表示。然而，在现实世界中，信号上总是存在小的、不需要的幅度和相位波动。在理想情况下，所有的功率集中在单一的频率上。现实中CW信号都存在不同程度的频率抖动和幅度抖动。

在维基百科中，相位噪声的定义是“时域不稳定性（抖动）导致波形在相位上发生快速、短期、随机的波动，这种波动在频域中的表现即为相位噪声”。这一术语中的“噪声”一词告诉我们，它指的不是杂散或确定性波动。定义中提到的“短期”是为了与确定时钟源纯净度时所用的其他方法加以区别，例如以百万分之几（ppm）为单位的稳定度。它通常是以更大的时间长度进行测量，例如秒或分钟。