射频通信全链路系统设计 课件 第1章 绪论

射频通信全链路系统设计马文建等编著机械工业出版社第1章绪论第1章绪论学习目标理解无线通信系统构成，掌握发射机、发射天线、传输信道、接收天线、接收机各部件在无线通信系统中的作用了解无线通信系统典型网络，包括移动通信系统、全球导航卫星系统、无线局域网、蓝牙、超宽带通信、ZigBee了解无线通信系统关键技术，包括多载波聚合、高频传输、高阶调制、大规模多输入多输出、全双工通信、通信感知一体化了解射频通信系统发展趋势，理解射频通信系统对宽带化、数字化和集成化的应用需求第1章绪论知识框架1.1无线通信系统1.1.1基本构成1.1.2典型网络1.1.3关键技术1.2射频通信系统发展趋势1.2.1宽带化1.2.2数字化1.2.3集成化1.1无线通信系统1.1.1基本构成无线射频通信系统基本上由5个主要部分构成，发射机和接收机合称为“收发机”，天线可以同时发射和接收信号发射机接收输入的数字信息，调制到特定射频频段上，再将射频信号放大到合适的功率后送至天线端口发射天线发射机与传输信道之间的媒介，确保射频信号功率以特定方向通过天线端口发射出去传输信道收发设备之间的传输媒介，该传输媒介通常由空气或真空、固态或液态组成接收天线传输信道与接收机之间的媒介，其功能是尽可能多的捕获通过传输信道入射的射频信号功率，并将这些信号传送到接收机的输入端接收机接收来自接收天线的射频信号，解调到特定的中频频段，提取其中携带的信息，还原发射端输入的数字信息1.1无线通信系统1.1.2典型网络根据使用场景的差异，可将无线射频通信系统分为无线广域网、无线局域网和无线个域网3个部分无线广域网(WirelessWideAreaNetwork,WWAN)指能够覆盖全国或全球范围内的无线网络，提供更大范围的无线接入，与无线局域网、无线个域网相比，最突出的特征就是覆盖面积大、移动性能好。典型的无线广域网包括移动通信系统和全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)。1.1无线通信系统1.1.2典型网络无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)指能够覆盖最大5km范围内的无线网络。无线局域网主要用来弥补有线局域网络的不足，以达到网络延伸的目的，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，实现无网线、无距离限制的通畅网络。无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)指为实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，具有低成本、低功耗、小体积等优点1.1无线通信系统1.1.2典型网络——移动通信系统纵观移动通信的发展历程，每隔十多年就会出现一套新的通信标准，到目前为止，已经发展到了第5代移动通信。掌握通信标准才能真正理解不同应用场景对射频通信全链路系统的设计需求。第1代(1G)20世纪80年代初美国贝尔实验室首次研制出了第1代移动通信系统，它是基于模拟调制方式，专为语音通话设计的系统，采用频率调制(FrequencyModulation,FM)、频分双工(FrequencyDivisionDuplex,FDD)和频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)技术，模拟语音信号通过分配给每个用户的频道进行信号传输。信道带宽为25或30kHz，载波中心频率大约为900MHz，最大数据速率仅有14.4kbps左右。1G网络的典型标准包括美国的AMPS(AdvancedMobilePhoneService)、英国的TACS(TotalAccessCommunicaionsSystem)、日本的NTT(NipponTelephoneandTelegraph)以及欧洲的NMT(NordicMobileTelephone)。由于是模拟系统，不能进行数据加密处理，因而具有保密性差、通话质量差、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等缺点。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——移动通信系统第2代(2G)20世纪90年代初完成了第2代移动通信系统的商业化推广。2G网络实现了数字化调制的突破，相对1G网络，数字加密具有更好的数据安全性、更高的频率效率和系统容量，以及更好的通话质量。2G网络的典型标准包括欧洲的GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)、美国的TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)和CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)，其中，前两种是窄带TDMA标准，且GSM是应用最为广泛的2G技术；第三种CDMA标准采用扩频技术，可以提供更好的音质、更低的断线概率和更好的安全性。除了语音传输外，2G网络还具有一定的数据传输能力，比如短消息服务(ShortMessageService,SMS)，但数据速率很低(最高只有9.6kbps)，完全不适合网页浏览和多媒体等应用。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——移动通信系统第3代(3G)20世纪90年代后期，第3代移动通信系统将传输速率提高了一个数量级，实现了质的飞跃。3G网络通过提高频谱效率来增加网络容量，实现了高质量的图像和视频通信。UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)作为完整的3G移动通信技术标准，包括欧洲和日本共用研发的WCDMA(WidebandCDMA)、美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA(TimeDivision-SynchronosCDMA)，分别可提供最大7.2Mbps、3.1Mbps和2.8Mbps的数据速率。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——移动通信系统第4代(4G)21世纪早期，随着应用场景的发展，3G已无法满足人们对通信速率的需求，第4代移动通信标准专注于提供更大系统的吞吐量、更强的移动性以及较低的延迟。为了实现高速移动下100Mbps的峰值速率目标，4G引入了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)多载波和MIMO(MultipleInputMultipleOutput)天线两大革命性的先进技术。在4G标准下，美国的WiMAX(WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess)和欧洲与中国的LTE(longTermEvolution)两种模式相互竞争、同时发展。WiMAX是基于IEEE标准，通过宽带实现移动化，前身为WALN。而LTE是基于3GPP标准，通过移动通信实现宽带化，前身为GSM/WCDMA等。综合来看，WiMAX优点在速率，缺点在移动性；LTE优点在移动性，缺点在速率。但在实际应用中，两种标准的速率差异用户体验并不明显，而伴随着移动通信稳定性需求的提升，3GPP的LTE基本打败了IEEE的WiMAX，成为了4G的最终标准，也成了全球运营商的主流选择。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——移动通信系统第5代(5G)2018年2月27日，华为在MWC2018大展上发布了首款3GPP标准5G商用芯片巴龙5G01和5G商用用户设备(UserEquipment,UE,也称为终端)，支持全球主流5G频段，包括Sub6G(低频)、mmWave(高频)，标志着移动通信正式进入5G时代。

5G在移动通信领域的变化绝对是革命性的，如果说以前的移动通信只是改变了人们的通信方式和社交方式，5G则是改变了网络社会。相比4G，5G具有超高速率、超低时延、超大连接等特点，基于这些特点，映射出5G的三大应用场景。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——移动通信系统第6代(6G)

当移动通信的无尽前沿拓展到5G，人们又开始思考6G的样子。6G是更先进的下一代移动通信系统，其内涵将远超传统通信范畴。6G如同一张巨大的分布式神经网络，集通信、感知、计算等能力于一体，深度融合物理世界、生物世界和数字世界，在5G基础上，6G将跨越人联、物联，从“万物互联”迈向“万物智联”，把智能带给每个人、每个家庭、每个企业，引领新一波创新浪潮。6G移动通信系统将广泛运用各种新技术，利用超高速、超可靠连接、原生AI、先进感知技术来极大改善人类生活。根据所需的关键技术，6G主要包括5大应用场景。其中，eMBB+、uRLLC+、mMTC+是对5G中定义的应用场景的增强及组合，而感知与人工智能(AI)是两个新场景，将在6G中迎来蓬勃发展。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——GNSS全球导航卫星系统泛指所有的卫星导航系统，是一个能在地球表面或近地空间的任何地点为适当装备的用户提供全天候、三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电定位系统，主要包括美国的GPS(GlobalPositioningSystem)、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo和中国的北斗(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)。GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，Glonass经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统，二者目前正处现代化的更新进程中；Galileo是第一个完全民用的卫星导航系统，正在试验阶段；BDS于2020年6月23日完成第59颗“北斗”导航卫星升空，标志着“北斗”三号全球卫星导航系统的完成。预计在2035年建成的“北斗”四号将建设一个更智能、更范在、更融合的全球卫星导航系统，能够提供目前缺失的室内、深海到深空的立体服务，成为真正的全球卫星导航系统。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——无线局域网Wi-Fi是当前使用最为典型的无线局域网，它是基于IEEE802.11标准并经由IEEEWi-Fi联盟批准的无线局域网设备。截止目前，Wi-Fi技术已经发展到了第七代。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——无线局域网相对于第六代Wi-Fi，第七代Wi-Fi带来的主要技术变革点如下：支持最大320MHz带宽现有的2.4GHz和5GHz频段免授权频谱有限且拥挤，为了实现最大吞吐量不低于30Gbps的目标，第七代Wi-Fi将继续引入6GHz频段，并增加新的带宽模式，包括连续240MHz，非连续160+80MHz，连续320MHz和非连续160+160MHz。引入更高阶的4096QAM调制技术为了进一步提升速率，第七代Wi-Fi将引入4096QAM，调制符号承载12bit。在相同的编码下，第七代Wi-Fi的4096QAM比第六代Wi-Fi的1024QAM速率提升20%。引入Muti-Link多链路机制为实现所有可用频谱资源的高效利用，采用多链路聚合相关技术，在2.4GHz、5GHz和6GHz上建立新的频谱管理、协调和传输机制，。支持更多数据流，MIMO功能增强第七代Wi-Fi的空间流数从第六代Wi-Fi的8个增加到16个，理论上可以将物理传输速率提升两倍以上。更多的数据流将会带来更强大的特性，即分布式MIMO，16条数据流可以不由一个接入点提供，而是由多个接入点同时提供，这意味着多个AP之间需要相互协同进行工作。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——蓝牙蓝牙(Bluetooth)是由爱立信(Ericsson)、诺基亚(Nokia)、东芝(TOShiba)、国际商用机器公司(IBM)和英特尔(Intel)共5家公司于1998年5月联合宣布的一种无线个域网技术，能在短距离固定或移动场景中提供无线网络连接，采用IEEE802.15.1协议标准。

蓝牙与IEEE802.11无线局域网一样，也使用FHSS调制方式防止其他设备干扰，允许附近几个蓝牙设备在相同覆盖空间中重叠，实现彼此并行通信。数据通常以信息报的形式传输，吞吐量达到1Mbps。蓝牙覆盖了2400~2483.5MHz，共83.5MHz频率、79个射频通道，每个射频信道带宽为1MHz，跳频速率为1600跳/秒，跳跃停留时间为0.625ms。标准蓝牙采用高斯频移键控(GaussfrequencyShiftKeying,GFSK)调制方案，FSK信号的高斯模型产生具有比较窄的功率谱信号，很大程度上降低了功率损耗。蓝牙设备分为三个功率等级，分别是100mW(20dBm)、2.5mW(4dBm)和1mW(0dBm)，对应的有效覆盖范围为100米、10米和1米。蓝牙主要应用于大量的小区域、低速率、低功耗的办公室或家庭内部无线设备的便携连接，包括配有蓝牙的计算机、电话、耳机、智能家居管理系统等设备。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——超宽带通信超宽带(UltraWideBand,UWB)技术是一种无线载波通信技术，其不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，占用很宽的频谱范围。UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，其利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术、无线载波通信技术，主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。

UWB是以占空比很低的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术，通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。冲击脉冲通常采用单周期高斯脉冲，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——超宽带通信在实际应用中，UWB技术具有发射信号功率谱密度低、多径分辨能力强、能提供数厘米的定位精度等优点：低功耗

UWB系统使用一般持续0.20~1.5ns的间歇脉冲来发送数据，限制传输功率为-41.3dBm/MHz，具有很低的占空比，系统耗电很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。UWB设备在续航能力和电磁辐射上，与传统无线通信设备相比，有着很大的优势。多径分辨能力强常规无线通信射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率，由于UWB发射的是持续时间极短且占空比极小的单周期脉冲，多径信号在时间上是可分离的。室内定位精度高采用冲激脉冲的UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，这是当前UWB技术最为广泛的一个应用场景。与GPS提供绝对地理位置不同，UWB定位技术可根据适配的专用定位基站(BaseStation,BS)给出相对位置，其定位精度可达厘米级。1.1无线通信系统1.1.2典型网络——ZigBee蓝牙和超宽带提供短程设备连接和电缆替代方案，前者具有较低数据速度，后者提供高数据速率。随着无线个域网WPAN的广泛应用，基于IEEE802.15.4标准的ZigBee由于其超低功耗和低成本等优势逐渐得到普及，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各类设备。ZigBee标准的物理层规定了三个免执照频段：全球的2.4GHz频段、北美的915MHz频段和欧洲的868MHz频段。2.4GHz频段使用具有16个信道且最大理论数据速率为250kbps的2.4~24835GHz频段，可在全球范围内使用。915MHz只指北美902~928MHz频段，包括10个信道，数据速率为40kbps。868MHz频段是指欧洲868~870MHz频段，只有1个信道，数据速率为250kbps。2.4GHz频段使用QPSK调制，915MHz和868MHz频段使用BPSK调制。相比其他无线个域网WPAN，ZigBee有如下几项突出的特点：低功耗、低成本、低速率、短延时、高容量。1.1无线通信系统1.1.3关键技术——多载波聚合为满足单用户峰值速率和系统容量提升的要求，增加系统传输带宽是最为直接的方法。LTE-A系统通过引入载波聚合技术来增加传输带宽，载波聚合技术能通过多个连续或者非连续的分量载波聚合获取更大的传输带宽，比如说同时使用700MHz、3.4GHz两个频段上的频谱资源，从而获取更高的峰值速率和吞吐量，后面2.4.1节会进行相关介绍。多载波聚合意味着射频前端需要配合更多的放大器和多工器，且发射通道上的功率放大器需要重新设计来满足线性化的要求，随着制式的复杂程度越来越高，射频前端宽带化和集成化的解决方案愈加受人青睐。1.1无线通信系统1.1.3关键技术——高频传输为了冲刺高速，5G使用“全新”的毫米波。无线通信传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段(如毫米波、厘米波频段)可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，且高频段意味着大带宽，可以实现极高速短距离通信，支持5G和6G移动通信在容量和传输速率等方面的需求。足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波通信的主要优点，也是未来无线通信的主要发展趋势，但高频通信也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、器件成本高、容易受气候环境影响等缺点，需要在射频器件和系统设计等方面进行深入研究。1.1无线通信系统1.1.3关键技术——高阶调制提高传输速率的另一思路是使用更高阶的正交幅度调制(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)方式，调制方式的阶数越高，一个符号对应的bit位数就越多。例如5GNR主要采用的256QAMPDSCH，微波主要采用的1024QAM和4096QAM。不同调制阶数星座图1.1无线通信系统1.1.3关键技术——高阶调制更高阶的调制方式对射频系统也提出了更高的要求，主要表现为以下两点：调制方式的阶数越高，意味着需要更高的接收信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)，从而限制了高阶调制的通信距离，并对发射功率、波束指向、接收灵敏度提出了更高的要求。调制方式的阶数越高，意味着需要更高的发射调制精度，也就是更低的误差矢量精度(ErrorVectorMagnitude,EVM)，比如，64QAM需要将EVM限制在8%以内，而256QAM需要将EVM限制在3.5%以内，这就对射频系统的相位噪声、载波泄露、I/Q幅相不平衡度、通道幅度波动、通道群时延波动、数字削波、邻信道抑制比等指标提出了更高的需求，后面5.6节会进行相关介绍。1.1无线通信系统1.1.3关键技术——MassiveMIMO(大规模多输入多输出)MassiveMIMO是第五代移动通信中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。随着用户数量及天线数量的增加，移动用户之间的通讯会出现相交现象。通过MassiveMIMO技术可规避通信中断及信号衰落现象，从而减小用户之间的通讯干扰，提升整体的移动网络容量。对于MassiveMIMO的应用优势，主要表现为以下几点：高复用增益和分集、高能量效率、高空间分辨率。虽然MassiveMIMO作为第五代移动通信的核心技术之一，但这并不意味着该项技术已经成熟完整，还有很多问题需要进一步研究、改进和解决：射频通道集成度阵列天线的3D建模与设计阵列天线的快速校准1.1无线通信系统1.1.3关键技术——全双工通信无线通信业务量爆炸增长与频谱资源短缺之间的外在矛盾，驱动着无线通信理论与技术的内在变革。提升频分双工FDD与时分双工(TimeDivisionDuplex,TDD)的频谱效率，并消除其对频谱资源使用和管理方式的差异性，成为未来移动通信技术革新的目标之一。基于自干扰抑制理论和技术的同时同频全双工(Co-frequencyCo-timeFullDuplex,CCFD)技术成为实现这一目标的潜在解决方案。由于发射和接收处在同一时间和同一频率上，造成接收天线的输入为来自期望信源信号和本地发射信号的叠加，而后者对于前者属于极强的干扰。因此，要实现全双工通信的首要任务就是解决自干扰抑制，包括天线抑制、射频域抑制和数字域抑制。1.1无线通信系统1.1.3关键技术——通信感知一体化随着无线通信系统的发展，更高的频段(毫米波乃至太赫兹)、更宽的带宽、更大规模的天线阵列使得高精度、高分辨感知成为可能，从而可以在一个系统中实现通信感知一体化(IntegratedSensingandCommunication,ISAC)，使通信于感知功能相辅相成。一方面，整个通信网络可以作为一个巨大的传感器，各个网元利用无线电波发送和接收信号，可以更好地感知和理解物理世界。通过从无线信号中获取距离、速度、角度等信息，提供高精度定位、动作识别、无源对象检测和追踪、成像及环境重构等广泛的新服务，实现“网络即传感器”。另一方面，感知所提供的高精度定位、成像和环境重构等能力又有助于提升通信性能，例如波束赋型更准确、波束失败恢复更迅速、终端信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)追踪开销更低，实现“感知辅助通信”。感知同时也是对物理世界和生物世界进行观察、采样，使其连接数字世界的“新通道”，实现一个平行的“数字孪生”世界。1.1无线通信系统1.1.3关键技术——通信感知一体化在实现通信感知一体化演进过程中，也面临来自多方面、多层次的技术挑战：信号处理从功能角度看，一体化信号处理主要涉及自干扰消除、多参数估计等诸多难题。从优先级角度看，一体化信号处理分为以通信为主的一体化设计、以感知为主的一体化和联合加权设计3类，如何根据应用环境实现优先级自适应则需要进一步探索和研究。系统架构通信与感知共享硬件和频谱是一体化的基础。硬件共享可以有效降低成本、简化部署并减少维护问题，使得感知从移动通信网络的规模效应中收益，而频谱共享相比于各自使用独立频谱，频谱利用更加高效。多元协同通过多条感知链共同协作完成通信与感知任务，包括多模式协同感知、多节点协同感知、多频段协同感知和多制式协同感知多个方面，实现对物理环境的无缝精细感知。1.2射频通信系统发展趋势1.2.1宽带化移动通信的更新换代给射频前端链路带来了极大的挑战与机遇，特别是当前爆炸式增长的5G时代，主要表现为宽带化、数字化和集成化3个方面。发展需求参考香农定律，在高斯白噪声背景下的连续信道容量可表示为由香农定律可以看出，信道容量，即信道传输速率与信道带宽直接相关。随着各种智能终端的普及，移动数据流量呈现爆炸式增