《射频通信全链路系统设计》 课件全套 第1-6章 绪论- 射频通信时钟系统设计

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长状态，迫使移动通信朝着宽带化方向发展。应用挑战高速接口电路随着信道带宽的提高，基带和中频接口速率也不断升级。超高速率转换器需要更高采样率的转换器，这对转换器的功耗、成本、杂散、相噪等性能都提出了更高的要求。超宽带高效功放应突破Bode-Fano准则，在700M~40GHz中的任意子频段，功放瞬时工作带宽提升5倍，将5%相对带宽推进到25%相对带宽，且性能不下降。1.2射频通信系统发展趋势发展需求随着数字信号处理技术的发展，射频收发机的相关处理逐渐朝着数字化方向发展，例如：宽带化需求促进了载波聚合(CA)技术的发展。数字预失真(DPD)技术、削波(CFR)技术与宽带高效功放相辅相成，通过DPD和CFR技术进一步提升功放的线性输出能力。通信感知一体化应用场景对接收动态范围提出了更高的要求，进一步促使自动增益控制(AGC)技术的发展，特别是数字自动增益控制技术。超大规模MIMO技术将继续在未来的6G移动通信中作为物理层候选关键技术之一，规模的扩展促使数字波束成形(DBF)技术的发展。应用挑战处理速度需要在数据爆炸式增长的情况下，突破更低的处理时延。控制精度针对部分应用场景，突破数字域固有限制，提供与模拟域类似的更小颗粒度的控制步进。绿色低碳应在保证数字处理性能的前提下，进一步简化和优化处理算法，降低算法复杂度，减轻对芯片工艺的设计需求。1.2.2数字化1.2射频通信系统发展趋势发展需求

MassiveMIMO的商用部署和超大规模MIMO的研究推广，进一步推动射频收发机向着集成化、小型化方向发展，例如：原本2T2R和4T4R的射频集成电路(RFIC)逐渐8T8R，甚至16T16RRFIC取代。原本分离的数字前端(DFE)和RFIC逐渐集成到了一起，构成片上射频系统(RFSoC)。原本采用混合波束成形(HBF)架构的MassiveMIMO，在某些场景下，去掉射频前端庞大的模拟移相阵列，全部通过DBF来实现。应用挑战极简天线突破常规设计思维，基于给定的滤波器规格，设计传输相位可实现0~360°切换的滤波函数。阵列互耦在0.5波长阵列间距下，控制天线近场分布，减少列间干扰，实现相对独立的环境。隔离干扰对射频收发机隔离干扰提出了更高的指标和挑战。散热设计散热设计是一项系统工程，主要包括优化设计芯片的功耗、降低数字处理算法复杂度、降低射频后端损耗、提高功放效率和提升整机电源效率等等。1.2.3集成化谢谢大家！射频通信全链路系统设计第2章射频通信系统设计基础第2章射频通信系统设计基础学习目标了解通信链路基本框架。从微观角度，掌握当前移动通信信号元素的构成；从宏观角度，理解整个信号发射、传输和接收的实现过程。掌握射频设计的相关入门知识，包括噪声、峰均比、非线性、阻抗匹配和采样转换等基本概念。理解各射频单元电路的工作原理、关键指标，通过实例掌握相关应用设计方法。主要包括功率放大器、低噪声放大器、混频器、射频开关、衰减器、射频滤波器、功率检波器、时钟锁相环、直接数字频率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天线等单元电路。了解相关射频处理算法的基本概念和设计方法，从射频通信系统角度，梳理电路和算法的相辅相成关系。第2章射频通信系统设计基础知识框架2.1基本通信链路2.1.1无线信道2.1.2信号构成2.1.3信号调制与解调2.2射频设计基础2.2.1噪声2.2.2峰均比2.2.3非线性2.2.4阻抗匹配2.2.5采样转换2.3射频单元电路2.3.1功率放大器2.3.2低噪声放大器2.3.3混频器2.3.4射频开关2.3.5衰减器2.3.6射频滤波器2.3.7功率检波器2.3.8时钟锁相环2.3.9直接数字频率合成器2.3.10功率分频器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天线2.4射频基本算法2.4.1载波聚合2.4.2数字变频2.4.3削波2.4.4数字预失真2.4.5自动增益控制2.1基本通信链路典型通信系统基本链路模型如下图所示。系统将需要传输的信息经过编码、交织、脉冲成形后，从时域和频域两个层面转换为中频信号。为了减小天线尺寸，方便无线频谱资源管理，需要将信号调制到较高频段进行发射传输，然后经过无线信道，到达接收机后，对接收到的信号进行解调，恢复为中频信号，最后经过采样判决、去交织、译码等操作，获取传输的原始信息。下面主要从射频通信角度出发，对无线信道、信号构成和信号调制与解调进行相关介绍。2.1基本通信链路2.1.1无线信道移动通信的便利性是建立在无线信道的有效传输基础上，理解无线信道是掌握无线通信先进技术的前提条件。噪声与干扰信道中除了传输有用信号外，还存在各种噪声和干扰，这些噪声和干扰可能会使信号失真并导致误码。无线通信中的噪声主要包括接收机中产生的噪声和进入天线的自然噪声。在进行收发机设计时，需要根据指标需求，合理优化链路结构，降低由于链路设计引入的噪声，后面2.2.1节和4.2节会进行详细介绍。整个空间环境中，存在多个且多类型的通信设备，各设备间在时域和频域上会存在一定的相互干扰。在进行收发机设计时，需要根据指标需求，保证发射信号满足发射频谱模板的要求，并抑制电磁环境中的其他干扰噪声，提高接收电路的抗干扰、抗阻塞特性，后面4.3节、4.4节、4.5节、5.4节和5.5节会详细介绍。2.1基本通信链路2.1.1无线信道信道容量信道容量是指在信道上进行无差错传输所能达到的最大传输速率，根据香农公式可以看出，信道容量与信道带宽、信号信噪比密切相关，通过增大信道带宽、提高信号信噪比即可提升信道容量。但在实际应用中，由于频谱资源、电子元件、电磁频谱管理法规等限制，使得信道带宽不可能任意扩大。结合2.1.1.1节的分析，无线信道中存在各种噪声和干扰，会限制传输信号的信噪比。因此，在信道带宽一定的条件下，需要优化收发链路，尽可能提高传输信号的信噪比，保证信道容量。2.1基本通信链路2.1.1无线信道信道衰落电磁波作为无线通信的媒介，在传播过程中，会发生衰减，并在遇到障碍物时，引起能量的吸收和电波的反射、散射和绕射等现象。电磁波传播的物理机制决定了无线信道的衰减特点，衰减一般分为慢衰落和快衰落。慢衰落

一般包括两种形式：由于距离引起的路径损耗由于地形遮挡引起的阴影衰落不同工作频率下的自由空间路径损耗关系电磁波工作频率越高，收发天线之间间距越大，两者造成的自由空间路径损耗越大2.1基本通信链路2.1.1无线信道多径效应与快衰落由于信号传播路径中可能存起建筑物、山体、树木等物体，电磁波从发射天线发射出来，会经过多个路径(包括LOS和NLOS)达到接收机，这一现象称为多径效应。不同路径的传播距离不同，从而信号到达接收机的时间就有先后。因此，如果在基站发射一个尖脉冲，终端就会接收到一连串的展宽脉冲。二径信道模型举例2.1基本通信链路2.1.2信号构成无线信号包括时域和频域两个维度的资源，分别对应OFDM符号和OFDM符号内的子载波。下图为5GNR物理时频资源结构示意，最小的时频资源为OFDM符号内的1个子载波，即1个资源单元(RE)。2.1基本通信链路2.1.2信号构成对于时域资源，无线信号通过无线帧(RadioFrame)、子帧(Subframe)和时隙(Slot)进行传输。每个无线帧长度为10ms，包含10个子帧，每个子帧长度为1ms。2.1基本通信链路2.1.2信号构成5GNR和4GLTE最大的区别之一就是引入了参数集(Numerology)μ，不同的参数集对应不同的时域资源，参数集μ的取值包括0、1、2、3、4，对应的子载波间隔分别为15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，子载波间隔越大，1个时隙对应的时间就越短，相应的每个无线帧或子帧包含的时隙数就越多。2.1基本通信链路2.1.2信号构成对于频域资源，OFDM符号在频域上的最小单元是具有Sinc函数的子载波，通过子载波间的正交性(即每个子载波的峰值对应其他子载波的过零点)来对抗干扰。子载波间隔为

2.1基本通信链路2.1.2信号构成在频域内，将连续的12个子载波定义为1个资源块(RB)。下图给出了信道带宽、配置带宽、保护带与资源块RB之间的关系。5GNR中常说的“大带宽”属于通道带宽，比如FR1频段的100MHz带宽，FR2频段中的200M、400MHz带宽。为减少信道之间的干扰，在通道带宽边缘设置有保护带，除去通道上下边缘保护带后，才是通道可配置的最大传输带宽。根据实际的应用调度场景，设备可配置更小的通道带宽，比如20MHz、10MHz，甚至5MHz等。2.1基本通信链路2.1.2信号构成表格为3GPP协议中不同子载波间隔下部分通道带宽对应的RB数和最小保护带宽，有如下2点结论：相同带宽下，子载波间隔越大，则RB数越小，需要的最小保护带越大。相同子载波间隔下，通道带宽越宽，则RB数越多，需要的最小保护带越宽。最小保护带宽的计算公式为2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调信号调制的基本思路就是发送端产生高频载波信号，让高频载波的幅度、频率或相位随着调制信号变化，携带需要传输的信号送到接收端，接收端收到后，将携带的传输信号从调制信号中恢复(解调)出来。下面主要从三角函数的角度，对普通调制与解调、复中频调制与解调、零中频调制与解调和实中频调制与解调进行介绍。普通调制与解调滤除下边带调制过程：2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调普通调制与解调

2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调复中频调制与解调

调制过程：复中频调制包括中频调制和射频调制两个步骤。中频调制I路和Q路信号在数字域与两路正交的数控振荡器(NCO)分别进行混合调制，得到数字中频信号的实部和虚部分别送入DAC。射频调制DAC输出的两路正交信号与两路正交的本振信号分别进行调制，然后将调制结果叠加。2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调复中频调制与解调调制过程：

2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调复中频调制与解调解调过程：与调制过程类似，复中频解调也包括射频解调和中频解调两个步骤。2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调复中频调制与解调射频解调将接收到的信号分别与两路正交的本振信号进行解调，解调后的信号经过低通滤波，滤除高频部分，得到中频信号。中频解调忽略射频解调的带来的幅度衰减，将射频解调得到的中频信号输入ADC，得到的数字中频信号与两路正交的NCO进行混合解调，恢复出I路和Q路信号。2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调零中频调制与解调

2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调实中频调制与解调

2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调实中频调制与解调

2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调实中频调制与解调解调过程：与复中频解调过程类似，包括射频解调和中频解调两个步骤。2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调实中频调制与解调

中频解调同样忽略射频解调的带来的幅度衰减，将射频解调得到的中频信号与两路正交的NCO分别进行解调，恢复出I路和Q路信号。2.1基本通信链路2.1.3信号调制与解调对比总结普通调制(包括解调)属于实中频调制中的射频部分，零中频调制又是复中频调制中的特例。因此，信号调制主要分为复中频和实中频两大类。结合前面分析，给出了相关优缺点对比总结如下表所示。总的来说，随着数字信号处理能力的提升，以及硬件电路小型化的应用需求，复中频在设计通信链路中的比重越来越高。2.2射频设计基础2.2.1噪声物理系统总是伴有噪声。相对于有用信号，噪声属于干扰源，可位于系统的内部或外部。常见的噪声形式有热噪声、闪烁噪声、散弹噪声、等离子体噪声和量子噪声。射频通信知识体系环环相扣，能否深刻理解射频通信相关基础知识对于系统全链路设计至关重要。热噪声热噪声是通信系统中最重要的噪声，以电阻R为例，其在电路中的噪声功率可分别用串联电压源或并联电流源来描述，相关表达式为室温下(=290K)的电阻可用噪声功率可表示为2.2射频设计基础2.2.1噪声——噪声系数无线通信接收机检测和处理微弱信号的能力主要由其SNR决定，而SNR常常被来自不同源的叠加噪声所削弱。二端口网络的输出SNR取决于输入SNR和两端口的内部噪声，降低接收链路噪声是提高接收机性能的重要措施。噪声因子：噪声因子F定义为总的输出噪声功率除以由输入噪声功率产生的输出噪声功率。可以看出，噪声因子F等于系统输入SNR与输出SNR的比值。注意：上述成立的条件是系统的信号功率和噪声功率增益相等，即系统是线性的。2.2射频设计基础2.2.1噪声——噪声系数噪声系数与噪声因子关系：把噪声因子F用单位dB表示，即可得到噪声系数NF的表达式。无源器件噪声系数：对于无源器件，噪声系数NF等于插入损耗IL的绝对值，比如3dB无源衰减器，其噪声系数就是3dB。而此共识需在满足290K温度前提条件下才成立。2.2射频设计基础2.2.1噪声——噪声系数噪声系数的级联：两级器件级联总的噪声系数分析示例。总的噪声因子F为以此类推，可扩展到适用于N级级联的噪声因子通用公式可以看出，级联系统中第一级分量对总的噪声系数具有最显著的影响。因此，在无线接收机设计中，为了实现链路较低的噪声系数，需要保证前端无源插入损耗尽可能小，并采用高增益低噪声放大器。2.2射频设计基础2.2.1噪声——噪声系数噪声系数的影响：射频通信接收机的输入本底噪声可由接收电路总的输入参考噪声和噪声系数表示本底噪声制约着接收机可以检测到的最弱信号。从应用角度讲，接收机噪声系数越小，实现的通信距离越远，接收信噪比SNR越好，误码越小，信道容量越高。2.2射频设计基础2.2.1噪声——噪声系数噪声系数的测试：主要有噪声系数测量仪和增益间接测试法两种。使用噪声系数测试仪是测量噪声系数最直接的方法，适合测量极低的噪声系数，但对于噪声系数较高，且频率较高的场景，噪声系数测试仪的测量精度和选择范围将大打折扣。而增益间接测量法则是一个很好的低成本解决方案。

噪声系数测量方法应用比较2.2射频设计基础2.2.2峰均比基本概念：调制后的射频载波信号带有数字信息，其瞬时电平呈现一定的随机性。在不同的调制方案和信号统计下，某个时刻射频载波信号的电平可能会非常大，也可能会很小，其典型时域波形如下图所示。可看出，虽然在某些特定时刻的信号电平很大，但信号整体的平均电平远小于瞬时幅度的峰值电平。2.2射频设计基础2.2.2峰均比基本概念：峰值功率与平均功率之比就称为峰均比(PAPR)，通常以dB表示为上述信号在一个周期内的信号峰值功率与其他周期内的峰值功率可能不一样，同理，每个周期的均值功率也可能不一样，所以，峰均比需要考察在一个较长时间的峰值功率和均值功率。峰值功率也并不是某一最大值，而是一定概率下较大值的集合，通常取0.01%。在概率为0.01%处的峰均比，一般称为峰值因子(CF)。

对于射频通信系统，信号峰均比越大，对功率放大器的功率等级要求越高。2.2射频设计基础2.2.2峰均比

16QAM星座图假设每个星座点出现的可能性一样，可以得到功率值为1的星座点出现的概率为4/16。同理，可得功率值为5的星座点出现的概率为8/16，功率值为9的星座点出现的概率为4/16。因此，在一段较长时间内发送的信号平均功率为

2.2射频设计基础2.2.2峰均比测试方法：依据前面分析，峰均比属于一个统计概念，因此，引入了互补累积分布函数(CCDF)来表示信号峰均比的统计特性，其定义为信号峰均比值超过某一门限值的概率。

下图为64QAM调制信号的CCDF仿真曲线与功率分布数据。可以看出，64QAM基带单载波的仿真峰均比为3.68dB，与表2-5中的理论数据相对应。经过OFDM调制后的峰均比为9.42dB，即信号超过均值功率9.42dB的概率为0.01%，相比64QAM调制的理论单载波射频信号，采用OFDM的多载波系统峰均比增大了近3dB。2.2射频设计基础2.2.2峰均比测试方法：下图给出了信号峰均比测量的实验框图。为了保护后端测试仪器不被前端待测发射机的大功率信号损坏，一般需要在后端测试仪器和前端待测发射机之间接了一个衰减器。具体衰减器的值主要由前端待测发射机的输出功率决定，如果衰减器值过小，后端测试仪器可能会受损；如果衰减器值过大，后端测试仪器的动态范围可能不够，影响测试准确度。2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性模型系统模型参数，与器件工作点相关不满足叠加原理的系统几乎所有物理系统都是非线性的典型器件：功率放大器非线性解析输入信号输出信号可表示为直流基波二次谐波三次谐波(包含失真量)器件的非线性会导致输出产生各类失真2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性表征谐波失真增益压缩

基波谐波

1dB压缩点2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性表征互调失真

三阶互调邻道泄露宽带信号，邻道功率比ACPR和邻道抑制比ACLR2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性测试测谐波→

评估后级滤波器指标信号源

+频谱仪确保信号源输出“无”谐波→加滤波确保频谱仪输入“无”失真→加衰减频谱仪动态范围制约着低失真分量的测量加入陷波器或高通滤波器仅保留谐波分量注意回损变化对DUT的影响2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性测试测P1dB→

评估输入功率回退量(a)信号源+频谱仪(功率计)(b)矢量网络分析仪2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性测试测互调

→

评估互调干扰、交调失真等

2.2射频设计基础2.2.3非线性非线性测试通过三阶互调评估邻道泄露n个等间距多音信号的三阶非线性输出信号频谱考虑信号峰均比PAPR邻道抑制比ACLR测试测试注意点：占用带宽、保护带、通道间隔的设置适当缩小频谱仪分辨带宽RBW，改善动态启动噪声校正，减去本底噪声2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配射频电路中各模块间或负载与传输线间都需要阻抗匹配，阻抗匹配的必要性在于：为了使射频能量注入负载，可以向负载传输最大功率；在天线、低噪声放大器或混频器等接收机前端改善噪声系数性能；实现发射机最大功率传输，提高发射机效率，降低设备功耗；滤波器或选频回路前后匹配使其发挥最佳性能。2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

在实际工程应用中，往往无法实现源端内阻和负载阻抗与传输线特征阻抗的完全匹配，如果采用无反射匹配方式，则需要在传输线两端添加匹配网络，如下图所示，实现源端内阻和传输线、以及负载阻抗与传输线的无反射匹配，即在整个电路上的任何节点都不存在反射。2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

最大功率传输定理2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

共轭匹配仿真验证：2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——匹配原理

综合对比无反射匹配和共轭匹配两种形式，共轭匹配具有实现成本低、具备最大功率传输等优点，因此被广泛应用在射频微波系统的阻抗匹配电路中。2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——网络类型从网络结构上讲，匹配网络主要包括L型、π型和T型3类网络。

2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——网络类型

2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——基于Smith圆图的匹配网络设计

2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——基于Smith圆图的匹配网络设计从阻抗与导纳互逆的关系上来说，阻抗圆图上半圆的电抗为正，表示电阻与电感串联，其中心对称点在下半圆，下半圆为负的感纳，表示电导与感纳并联。阻抗圆图下半圆的电抗为负，表示电阻与电容串联，其中心对称点在上半圆，上半圆为正的容纳，表示电导与容纳并联。因此，在使用Smith圆图匹配过程中，有如下结论：串联元件，在Smith圆图上的相应阻抗点沿等电阻圆移动。串联电感，沿等电阻圆顺时针移动；串联电容，沿等电阻圆逆时针移动。并联元件，在Smith圆图上的相应阻抗点沿等电导圆移动。并联电感，沿等电导圆逆时针移动；并联电容，沿等电导圆顺时针移动。2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——应用设计以Qorvo公司的超宽带低噪声放大器QPL9503为例，使用ADS软件对其n77频段(3.3~4.2GHz)进行输入阻抗匹配。2.2射频设计基础2.2.4阻抗匹配——应用设计以Qorvo公司的超宽带低噪声放大器QPL9503为例，使用ADS软件对其n77频段(3.3~4.2GHz)进行输入阻抗匹配。在n77频段内，两种匹配方式的回波损耗均优化到了10dB以上，且“串联电感+并联电容”的匹配方式回波损耗性能更优，但由于(b)中电感值的相对过小，实际应用中会产生加大误差。因此，从工程角度上讲，优选“串联电容+并联电感”的匹配方式。2.2射频设计基础2.2.5采样转换采样的主要作用是完成数字信号与模拟信号之间的转换，在射频通信链路中起到举足轻重的作用，涉及到的器件包括ADC和DAC。下面将讨论采样定理、量化效应、采样抖动以及转换器的相关指标参数。2.2.5.1 采样定理与采样过程在数字通信系统中，模拟信号变换为数字形式首先需要进行采样处理，这个过程包括采样和保持两部分。在最大频率以外没有频谱分量的带限信号可完全由一系列均衡的空间离散时间采样来重构，前提是需要满足Nyquist准则，即

2.2射频设计基础2.2.5采样转换——采样定理与采样过程

信号采样抗混叠滤波器的设计考虑

2.2射频设计基础2.2.5采样转换——采样定理与采样过程典型的采样与保持电路如下图所示。理想的采样保持放大器(SHA)是一个简单的开关，用于驱动保持电容及其后的高输入阻抗缓冲器。缓冲器的输入阻抗必须足够高，以便电容可以在保持时间内放电少于1LSB。SHA在采样模式中对信号进行采样，而在保持模式期间则保持信号恒定。同时调整时序，以便ADC编码器可以在保持时间内执行转换。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——量化噪声模型理想转换器对信号进行数字化时，最大误差为±½LSB，如下图(a)的一个理想N位ADC的传递函数所示。对于任何横跨整个LSB的交流信号，其量化误差可通过1个峰峰值幅度为q(1个LSB权重)的非相关锯齿波来近似计算，实际量化误差发生在±½q范围内任意点的概率相等。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——量化噪声模型对于量化误差与时间的关系。同样以一个简单的锯齿波形进行分析，锯齿误差的计算表达式为

理论SNR可通过一个满量程输入正弦波来计算输入正弦波信号的均方根值为因此，理想Ｎ位转换器的均方根信噪比为2.2射频设计基础2.2.5采样转换——量化噪声模型

处理增益的量化噪声频谱如下图所示，通过提高采样率(即过采样)和数字滤波，降低转换器量化噪声2.2射频设计基础2.2.5采样转换——采样时钟抖动效应转换器是在采样时钟的作用下，基于相同的时间间隔采样并产生模拟信号，或对连续的模拟信号产生一些列定期样本，因此采样时钟的稳定性相当重要。如果在采样期间采样位置存在轻微抖动(即时钟抖动)，采样变得不再均匀，会导致实际采样时间产生不确定性。时钟抖动属于时钟源定时边缘的随机变化，而转换器一般使用时钟边缘来控制采样点，采样点的偏差将会产生采样电压的测量误差。采样时钟抖动导致采样电压误差2.2射频设计基础2.2.5采样转换——采样时钟抖动效应采样时钟抖动可通过SNR来衡量，如果输入为一正弦信号，其表达式为对信号求其时间导数，得对上述导数求其均方根(RMS)值，得

同样，如果使用数字滤波来滤除带宽BW以外的噪声成分，则公式须包括处理增益校正系数。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——采样时钟抖动效应时钟抖动属于信号质量的时域参数，与之对应的频域参数称为相位噪声，后面章节具体讲述了两者的概念和转换方法。时钟抖动一般规定在某个频率范围内，该频率通常偏离基本时钟频率10kHz到10MHz，并将其整合到一起获取抖动信息。但是，低端的10kHz和高端的10MHz有时并非正确的计算边界，右图描述了设置正确整合限制的重要性，图中的相位噪声图以每十倍频抖动内容覆盖。如果将下限设定为100Hz偏移，上限设定为100MHz偏移，得到时钟抖动将从205fs增大至726fs。可以看出，不同的频率偏移上下限将产生较大差异的时钟抖动数据。在实际设计过程中，频率偏移的上下限设定遵循一定规则。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数转换器的主要性能参数包括分辨率、采样率、孔径抖动、信噪比、信纳比、无杂散动态范围、总谐波失真、采集时间、电源抑制比、时钟压摆率、串扰、微分非线性和积分非线性，掌握转换器的性能参数对使用和设计转换器至关重要。(1)分辨率N/ENOBADC分辨率用于表示模拟输入信号的bit位数。提高分辨率可以更为准确地复现模拟信号。使用较高分辨率的ADC也能降低量化误差。对于DAC，分辨率与此类似：DAC分辨率用于表示模拟输出信号的bit位数，DAC的分辨率越高，增大编码时在模拟输出端产生的步进越小。满幅、正弦输入波形的ENOB：对于较低的信号幅度，在计算ENOB时有必要增加一个校正系数：2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数

2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数

2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数(4)信噪比SNRSNR是给定时间点有用信号幅度与噪声幅度之比，该值越大越好。限制转换器SNR的主要因素包括量化噪声、时钟抖动和热噪声，这3类因素导致的噪声不相关，因此转换器的总SNR可表示为

时钟抖动由外部采样时钟抖动和内部孔径抖动构成。热噪声在前面进行了简单介绍，热噪声是所有电子元件固有的一种现象，是电导体内电荷物理运动的结果，即使不施加输入信号，也能测得热噪声。热噪声通常服从高斯分布。热噪声属于转换器设计的函数，对于转换器的应用设计人员基本无法影响器件的热噪声。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数(4)信噪比SNR对于较高分辨率的转换器，其量化噪声对整体SNR贡献较小，整体SNR主要受时钟抖动和热噪声限制。较高分辨率转换器SNR受时钟抖动和热噪声限制转换器SNR估算举例2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数(5)信纳比SINAD信纳比(SINAD)是指信号满幅均方根与所有其他频谱成分(包括谐波但不含直流)的和方根的平均值之比。

相比SNR，SINAD可以更好的反应转换器的整体动态性能，因为其包含了所有构成的噪声和失真成分。(6)无杂散动态范围SFDR无杂散动态范围(SFDR)常用于衡量转换器在杂散分量干扰基本信号或导致基本信号失真之前可用的动态范围。SFDR的定义是基于有用信号均方根值与从直流到二分之一采样率范围内测得的输出峰值杂散信号均方根值之比。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数(7)总谐波失真THD总谐波失真(THD)为所有谐波(二阶、三阶、四阶等)的和方根值与信号方根值的比值，以dB为单位表示。在THD测量中，一般只有前五个或六个谐波。

在许多实际场合中，甚至仅考虑二阶和三阶谐波而不考虑更高阶谐波，所带来的误差基本可忽略了，因为更高阶项的幅度往往大幅降低。

2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数(9)电源抑制比PSRR电源抑制比(PSRR)为电源电压变化与满幅误差变化之比，以dB为单位表示，表现为电源纹波如何与ADC输入耦合并显示在其数字输出上或DAC输出耦合并显示在其模拟输出上。一般而言，电源上的无用信号与转换器的输入范围相关。例如，如果电源上的噪声是20mV均方根而转换器输入范围是0.7V均方根，则输入上的噪声是-31dBFS。如果转换器的PSRR为30dB，则相干噪声会在输出中显现为一条-61dBFS谱线。在确定电源将需要多少滤波和去耦时，PSRR指标尤其有用。(10)时钟压摆率SR时钟压摆率(SR)是实现额定性能所需的最小压摆率。多数转换器在时钟缓冲器上有足够的增益，以确保采样时刻界定明确。提高时钟压摆率可缩短转换器转换时间，从而缩短阈值期间存在噪声的时间，有效降低引入系统的均方根抖动。(11)串扰Crosstalk串扰表示每个模拟通路与其它模拟通路的隔离程度，通常以dB为单位表示。对于具有多个通道的ADC，串扰指从一路模拟输入信号耦合到另一路模拟输入的信号总量；对于具有多路输出通道的DAC，串扰是指一路DAC输出更新时在另一路DAC输出端产生的噪声总量。2.2射频设计基础2.2.5采样转换——转换器性能参数(12)微分非线性DNL对于ADC，触发任意两个连续输出编码的模拟输入电平之差应为1LSB，实际电平差相对于1LSB的偏差被定义为DNL；

对于DAC，理想DAC响应的模拟输出值应严格相差一个LSB，DNL误差为连续两个DAC编码实测输出响应与理想输出响应之差。(13)积分非线性INL实际传递函数与传递函数直线的偏差。INL也称为转换器的线性度，其可以规范告诉设计人员在校正系统增益误差和失调误差后转换器能够提供的最佳精度。谢谢大家！射频通信全链路系统设计第2章射频通信系统设计基础第2章射频通信系统设计基础学习目标了解通信链路基本框架。从微观角度，掌握当前移动通信信号元素的构成；从宏观角度，理解整个信号发射、传输和接收的实现过程。掌握射频设计的相关入门知识，包括噪声、峰均比、非线性、阻抗匹配和采样转换等基本概念。理解各射频单元电路的工作原理、关键指标，通过实例掌握相关应用设计方法。主要包括功率放大器、低噪声放大器、混频器、射频开关、衰减器、射频滤波器、功率检波器、时钟锁相环、直接数字频率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天线等单元电路。了解相关射频处理算法的基本概念和设计方法，从射频通信系统角度，梳理电路和算法的相辅相成关系。第2章射频通信系统设计基础知识框架2.1基本通信链路2.1.1无线信道2.1.2信号构成2.1.3信号调制与解调2.2射频设计基础2.2.1噪声2.2.2峰均比2.2.3非线性2.2.4阻抗匹配2.2.5采样转换2.3射频单元电路2.3.1功率放大器2.3.2低噪声放大器2.3.3混频器2.3.4射频开关2.3.5衰减器2.3.6射频滤波器2.3.7功率检波器2.3.8时钟锁相环2.3.9直接数字频率合成器2.3.10功率分频器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天线2.4射频基本算法2.4.1载波聚合2.4.2数字变频2.4.3削波2.4.4数字预失真2.4.5自动增益控制2.3射频单元电路一个射频通信系统是由若干个完成特定功能的单元电路组成，通过各单元电路之间的配合工作，一起完成整个信号处理过程。要想成功设计出一个合理射频通信链路，首先就需要理解各射频单元电路的工作原理、关键指标，掌握相关应用设计方法。2.3.1功率放大器功率放大器(PA)，简称功放。用于发射机末级，将已调制的频带信号放大到所需的功率值，送到天线中发射，保证在设定区域内的接收机能收到所需的信号电平，并不干扰其他信道通信。关键指标(1)工作频段

2.3射频单元电路2.3.1功率放大器——关键指标(2)输出功率

(3)功率效率

2.3射频单元电路2.3.1功率放大器——关键指标(4)功率增益输出功率与输入功率的线性比值，表征功率放大器的放大特征，通常用对数dB表示。结合前端驱放输出能力和产品最大输出功率来评估功率放大器的增益，一般来讲，功率放大器的输出功率越高，其增益就相对越低。此外，对于宽带功率放大器而言，将其工作带宽内的最大增益和最小增益之差用来评估增益平坦度性能。(5)线性度射频功率放大器按照工作状态可分为线性放大器和非线性放大器两种，非线性放大器具有较高效率，而线性放大器最高理论效率只有50%。因此，从效率角度来看应尽可能采用非线性放大器，但非线性放大器在放大输入信号的同时也会产生一系列新的非线性频谱分量，影响信号质量。在设计选型中，应分析产品被放大信号的峰均比以及谐波、邻道功率比等需求，并结合DPD算法性能，对功率放大器的1dB压缩点、三阶截点、邻道功率抑制比、误差矢量幅度等非线性指标进行评估。2.3射频单元电路2.3.1功率放大器——关键指标(6)输出噪声功率放大器在放大有用信号的同时，也伴随着底噪的抬升。在设计应用中，主要有两种场景对功率放大器输出噪声有着更为苛刻的需求：发射功率大动态场景FDD双工场景必须尽可能抑制功率放大器的带外噪声，降低底噪的抬升。(7)端口阻抗阻抗匹配可以使向下一级进行能量传输时的损耗尽可能小，使输出回波损耗、噪声系数、失真和稳定性达到最优化。功率放大器的输入/输出阻抗为复阻抗，且大功率晶体管的输出阻抗随输出功率的增大而降低。功率晶体管复数串联输入/输出阻抗2.3射频单元电路2.3.1功率放大器工作类型根据功率放大器功率管工作模式的差异，可分为电流源式(即跨导式)和开关式两大类。其中，工作于电流源式下的放大器根据导通角的不同分为A类、B类、AB类和C类，导通角由放大器偏压决定。工作于开关式下放大器作为开关，放大器导通和截止分别相当于开状态和关状态，根据输出端波形整形电路的不同具体可分为D类、E类、F类等。功率放大器分类树状图2.3射频单元电路2.3.1功率放大器——工作类型工作于电流源式下的A类、AB类和B类属于线性放大器，但效率不高。工作于开关式下的D类、E类和F类属于非线性放大器，线性差但拥有较高的效率。对于B类和C类放大器，通常在输出端增加能进行波形整形的谐波控制网络，使得漏极电压和电流不在一个周期内共存，降低功消，提高效率。功率放大器按导通角分类特点比较2.3射频单元电路2.3.1功率放大器——工作类型电