射频工程师笔记---射频通信基础

时间：2022-12-06 20:48:03

关键字：射频工程师物联网

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[导读]回顾一下移动通信技术的发展，其实是互联网和通信技术的融合过程。在这个过程中，很多应用都在不断加入其中。比如计算机跟通信的融合产生了互联网、互联网跟手机的融合带来了移动互联网。手机可以看杂志、看视频、听音乐，于是又出现了内容服务产业；再后来，电视音箱等设备也能联网，于是网络跟家电又产生了融合。所以应用的出现总是在融合其他产业。在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中首次提出：在未来，我们希望对万物互联可控可管理。每一次的技术进步和发展，都不断把不同的行业和应用卷入到其中，因此带来了巨大的风口。随着今天5G的到来，它将开辟一片新的蓝海，对企业、对行业，车联网、物联网、工业互联网画像。

回顾一下移动通信技术的发展，其实是互联网和通信技术的融合过程。在这个过程中，很多应用都在不断加入其中。比如计算机跟通信的融合产生了互联网、互联网跟手机的融合带来了移动互联网。手机可以看杂志、看视频、听音乐，于是又出现了内容服务产业；再后来，电视音箱等设备也能联网，于是网络跟家电又产生了融合。所以应用的出现总是在融合其他产业。在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中首次提出：在未来，我们希望对万物互联可控可管理。每一次的技术进步和发展，都不断把不同的行业和应用卷入到其中，因此带来了巨大的风口。随着今天5G的到来，它将开辟一片新的蓝海，对企业、对行业，车联网、物联网、工业互联网画像。

5G应用场景

一、我们接触到的射频通信有哪些？

Bluetooth，蓝牙，起源于爱立信，短距离无线通信标准，如手机和耳机之间的通信、计算机主机和打印机之间的通信等。

Zigbee，主要应用在工业控制、消费类电子、设备和汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医疗设备控制等领域，它是一个低速率、低功耗、低成本、低复杂度、价格便宜的短程无线通信网络标准。主要工作在ISM频段。

UWB，超宽带通信。它不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制(OFDM)或直接排序(DS)将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB设备具有其它无线通信设备所不能比拟的高速数据传输速率，其传输速率可以达到500Mbps，同时UWB设备有非常低的发射功率，可用于室内定位，也可应用于不停车收费系统ETC。

RFID，射频识别，主要应用为超市电子防偷EAS、动物识别、集装箱识别、高速公路电子收费ETC、图书馆书籍管理、门票管理、门禁管理、体育运动管理。常见的工作频段为125kHz～135kHz、 13.56MHz和868～928MHz。

WLAN，即WiFi、 802.11通信标准，主流标准为802.11a、 802.11b、 802.11g，目前802.11n也越来越受到关注， 802.11ac最大带宽达到160MHz。

WiMAX， 802.16通信标准，主流标准为802.16d和802.16e， 16d适合固定台使用，16e适合移动的应用， WiBRO是802.16e的特殊应用，带宽固定为10MHz，主要在韩国使用。

PHS，小灵通，起源于日本。

DECT，增强型数字无绳电话，是欧洲提出的。

Walkie-Talkie，对讲机，采用调频技术，工作方式是PTT(Push To Talk)。

二、射频通信系统的组成

射频通信主要依靠发射机和接收机。射频发射机需要注意的是功率的推动放大，预放推末前级，末前级推末级，注意由于增益过高而引起放大器自激，此时已经不稳定，设计时需要在中间加一些衰减，末级甚至末前级加隔离器的方法，有条件可以利用腔体隔开，留够足够的裕度。以WCDMA为例，下图蓝色线条描述的是发射机信号行进路线，基带信号I,Q（有用信息携带者）两路经过MAX2363内部的IQ调制器合成一路信号，然后通过可调增益放大器(VGA)放大信号，接着依次通过中频带通滤波（BPF）,混频（上变频）,放大器，衰减器，声表滤波器，功率放大器，隔离器，双工器，最后通过天线将信号发射出去。下图红线描述的是接收机信号的行进路线，和发射机对比，就是信号的解调过程；天线接收空中信号，依次通过双工器，低噪声放大器（LNA）,带通滤波器（BPF）,混频器（下变频），滤波器，IQ解调器，最后进行基带处理。下文主要讲接收机的架构，后续有时间会慢慢写接收机系统设计，系统噪声计算，实际设计场景中应考虑到的问题，所遵循的法规标准，以及VCO、PLL、低噪放、功率放大器、滤波器等一些基本射频单元的仿真设计以及PCB layout验证，PCB射频layout注意事项，调试经验分享。

附几张经典放大器

三、接收机的三种结构

关于接收机结构我们从最传统的超外差结构开始介绍，超外差结构能提供非常好的性能，但这种结构需要大量分离元件，像滤波器、混频器、放大器等。由于小型化、个性化等等商用的需求，出现了零中频和低中频接收机结构，同时软件无线电（SDR）技术也为射频微波的发展提供了新的方向，随着开放的商用频率越来越多，越来越多的企业集中力量开发属于自己的SDR。

1. 超外差接收机

超外差式接收机可以有很大的接收动态范围，而且具有很高的邻道选择性(selectivity)和接收灵敏度(sensitivity)。一般超外差式接收机在混频器前面会有一个预选射频滤波器，在混频器后面还会有一个中频滤波器。这就使得它具有良好的选择性，可以抑制很强的干扰。

通用下变频超外差接收机结构框图

ASK解调电路结构

2.零中频接收机

零中频软件无线电芯片已经非常流行，AD9361是ADI推出的面向3G和4G基站应用的高性能、高集成度的射频解决方案。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口。AD9361接收器LO工作频率范围为70 MHz至6.0 GHz，发射器LO工作频率范围为47 MHz至6.0 GHz，涵盖大部分特许执照和免执照频段，支持的通道带宽范围为200 kHz以下至56 MHz。

Maxim推出业界第一款量产的单片式WiMAX RF收发器MAX2837。该收发器设计采用零中频架构，免去了现有超外差方案中所需的昂贵的SAW滤波器和额外的VCO电路。因此，MAX2837可节省超过50%的BOM成本，并大大缩减了元件数和电路板空间。MAX2837专门针对工作在2.3GHz和2.7GHz频带的、基于OFDM的非视距(NLOS)无线宽带广播系统设计，适合于802.16d/e固定和移动WiMAX、双模WiMAX/Wi-Fi、韩国的WiBro和未来的4G LTE系统。

MAX2837结构框图

3.低中频接收机

AD607是一款3V低功耗接收机IF子系统，工作在高达500MHz的输入频率和400kHz至12MHz的IF范围，内置混频器、IF放大器、I和Q解调器、锁相正交振荡器、AGC检波器以及带外部掉电功能的偏置系统。AD607的应用包括采用第一IF（21.4 MHz至300MHz）和10.7MHz、455kHz或450kHz的第二IF高频率的窄带系统，例如双通道转换IS136、GSM、TETRA、MSAT接收机以及单通道或双通道转换VHF和HFAM、SSB、CW、QPSK接收机。