無線信號如何通過射頻傳輸

我是個射頻工程師，大家都叫我李工。當我剛畢業(yè)入行時，我問前輩，“什么是射頻? 想做好射頻工程師應該怎么做？”

前輩說：“你干著干著就明白了”。工作了十幾年，我參悟一二。

要想做好射頻工程師，還是得回到最初的問題，什么是射頻？

射頻=電磁波？

“射頻”有很多“角色”

在醫(yī)療行業(yè)，射頻是能夠刺激膠原蛋白產生、淡紋、抗老、溶脂的美容儀的高科技，某款網紅射頻美容儀價格 3000元+。

在消費電子行業(yè)，射頻是藏在手機里傳輸4G/5G、Wi-Fi 信號的重要載體，一款智能手機的價格在1000-1w元+。

不僅如此，上天的衛(wèi)星，自動駕駛里的雷達都得靠“射頻”。

我們之所以覺得射頻有點神秘，是因為不能直接用眼睛、用耳朵感知到它。那射頻到底是什么？又是怎么形成的呢？

初中物理課，我們學過安培定律，電流通過導線會在周圍生成磁場。

物理學家麥克斯韋在安培定律的基礎上，提出電磁波：振蕩的電場會產生振蕩的磁場，振蕩的磁場又會引發(fā)電場的變化，二者在空間中不斷相互作用并傳播，從而形成電磁波。

射頻其實是“一部分”電磁波。

“一部分”

頻率就是衡量這“一部分”的關鍵角色。

頻率是電磁波中交變電流每秒鐘的振蕩次數，單位是赫茲Hz。如圖1-1的電流波形，在1秒內有10個周期，則其頻率為10Hz。

（圖1-1）

廣義上，射頻是頻率范圍在3 kHz到300 GHz的電磁波。

為什么是這“一部分”呢？

射頻英文是Redio Frequency，又叫做無線電頻率，就是能傳播無線電信號的頻率。

?電磁波頻率低于100 kHz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸。

?電磁波頻率高于100 kHz時，電磁波可以在空氣中傳播，并經大氣層外緣的電離層反射，形成遠距離傳輸能力。

射頻是具有遠距離傳輸數據能力的電磁波，2G/3G/4G/5G移動通信信號、 Wi-Fi信號、衛(wèi)星、雷達信號等都在射頻上傳輸。射頻像一個看不見、摸不著的管道，無需要介質就能傳播數據，在不同介質中傳播速率又有所不同。

射頻頻率范圍從3KHz-300GHz，相當于交變電流一秒鐘震蕩3000次-300億次，這范圍非常大。所以，為了方便管理，相關部門又將頻率分為甚低頻、低頻、中頻、高頻……極高頻，不同頻段用途也相對不同。（如圖1-2）

（圖1-2，中國無線電頻率劃分）

電磁波除了頻率外，還有個很重要的衡量單位——波長。

波長（λ）是一個震蕩周期的傳播距離，在速度一定的情況下，波長和頻率成反比，λ = c / f。

?頻率就會越低，波長越長，傳播距離越遠，指向性就會較弱；

?頻率越高，波長越短，傳播距離越近，指向性會更強。

根據波長，射頻又被分為P波段、L波段、S波段……毫米波。（圖1-3）

（圖1-3，電磁波波長和頻率的分類）

從這里可以知道，我們常說的毫米波其實就是波長在1mm-10mm的電磁波。

這就不難理解，毫米波具備穿透力強，但傳播距離近的特點。

射頻如何作為“看不見的管道”傳輸無線信號？

無線信號諸如，4G/5G信號是如何通過射頻傳輸的呢？

我們面對面聊天，聲音信號是通過空氣傳輸到耳朵，聲音是低頻模擬信號，這樣的信號傳遞距離有限。如果不依靠“黑科技”，想和遠方的朋友、家人聊天，喊破嗓子也沒用。

那4G、5G無線網絡、智能手機又是怎么把我們聲音傳的那么遠呢？

這時候具有遠距離傳輸能力的射頻就登場了。

我們打電話、發(fā)短信，其實是聲音、圖像通過手機里的基帶單元和射頻單元“配合工作”通過一定頻率的射頻，傳輸給基站，基站再通過射頻傳送給遠方的手機中。（如圖1-4）

這個一定頻率，是國家相關部門規(guī)定的頻率，在5G時代，中國移動使用2.5 GHz至2.6 GHz，4.8GHz至4.09GHz頻率等，中國電信和中國聯(lián)通使用3.3 GHz至3.6 GHz頻率等。

（圖1-4，射頻信號傳輸）

信號分為模擬信號和數字信號，模擬信號是時間上連續(xù)的信號，數字信號就是時間上離散的0、1信號。我們打電話時，我們發(fā)出的聲音就是模擬信號，但這樣的信號抗干擾能力差，頻率低，不能直接在射頻傳輸。

（圖1-5，數字信號與模擬信號差別）

這就要求手機里的“基帶電路”和“射頻電路”相互配合。

（圖1-6，射頻超外差系統(tǒng)）

首先我們先看基帶電路部分：

基帶電路對聲音信號“打包處理”

我們在發(fā)快遞的時候，一般要將貨物包裝，才能保證長時間的運輸能夠不破損，不丟失，合理的包裝方式，還能更節(jié)省空間，讓貨物傳輸效率更高，基帶電路可以看作是將原始信息“打包處理”的過程。

在我們拿起手機，通過4G/5G網絡打電話時候，手機中接著電流的話筒可以把聲音振動轉換成振動規(guī)律與之相同的振蕩電流，生成模擬信號，基帶單元會對模擬信號進行采樣、編碼成能“代表”聲音的數字信號，然后再調制成更高效傳輸的模擬信號，給射頻電路。

①采樣：把連續(xù)的聲音信號，分割成多個采樣點。如何采樣能保證不遺漏信息？早在1928年，奈奎斯特定理解決了如何將模擬信號轉化為數字信號的問題。在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數字信號就能完整地保留原始信號中的信息。

② 編碼：將這些連續(xù)的語音信號采樣之后要進行編碼，轉換成0-1信號。編碼分為兩部分，信源編碼和信道編碼。

信源編碼是將聲音和畫面轉化成0、1信號，比如對于音頻信號，一般使用AMR語音編碼，對于視頻信號，一般會用MPEG-4編碼（MP4），還有H.264、H.265編碼。

信道編碼是將額外的（0、1）比特數據加到“信息隊列”中，對信源信號的傳輸起到一定“保護”作用。這些額外的比特數據可以用于糾錯，也可以用于抗干擾，有時也作為識別或均衡所需的訓練序列（training sequence）。在2G-5G時代用的Turbo碼、Polar碼，LDPC碼等信道編碼方式。

③ 調制：編碼好的數字信號，是非常長的0、1數列，這部分的調制是將已經編碼好的數字信號，通過改變“頻率、相位、振幅”調制回連續(xù)的模擬信號。

這部分調制稱作做數字調制，一般可以分為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK），以及QAM（正交振幅調制）等，即分別通過調整幅度、調整頻率和調整相位，以及同時調整幅度和相位來將數字信號轉換為模擬信號。（如圖1-7）

（圖1-7，數字調制方式）

QAM是使用I和Q兩路正交的模擬信號來表示數字信號的二進制比特，一般可以分為4QAM、16QAM、64QAM等，即一個符號位可以傳輸的數據數不同，諸如16QAM可以傳輸4個比特信號，64QAM可以傳輸6個比特信號，QAM的階數越高，能傳輸的比特信號越多，因此QAM調制具有更快的速率，更高傳輸效率。

目前5G用的編碼方式主要有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，Wi-Fi7的調制方式最高已經實現(xiàn)4K QAM。

經過采樣、編碼、調制的模擬信號，讓信號的準確性、抗干擾性更強，但是頻率依然較低，達不到射頻傳輸的要求，這時候射頻電路就要開始“工作”了。

射頻電路：接收和傳輸信號的“工廠”

手機的射頻電路一般分為發(fā)射機電路和接收機電路，發(fā)射機電路是將調制后的信號經過變頻、濾波、功率放大和天線輻射等過程，最終轉化為相應的射頻頻率并傳輸到遠方基站，接收機電路是將從基站接收的信號轉化為聲音信號的逆向過程。

組成射頻電路的射頻器件主要包括：

?混頻器：用于改變信號的頻率

?振蕩器：以特定頻率產生波形的設備

?濾波器：允許特定頻率范圍內的信號通過并衰減其他頻率信號的設備

?放大器：用于增加射頻信號的功率

?天線：用于發(fā)送和接收射頻信號

在接收機電路部分，一般可以簡單看作如下工作：

變頻（混頻器+振蕩器）：經過基帶電路調制的模擬信號，還是低頻信號，所以需要先通過上變頻變到需要的射頻頻段，通過本地振蕩器生成的高頻信號與基帶信號通過混頻器混合，生成能夠在射頻系統(tǒng)中傳輸的射頻信號。但在上變頻過程中會產生不需要的信號成分。

經過“變頻”就可以把我們低頻的聲音信號，調頻到相關部門已經規(guī)定的“4G/5G頻率“上了。

濾波：濾波器能濾除信號通路中不需要的頻率分量,并保留需要的頻率分量,是射頻前端中的核心器件。濾波可以得到更高的頻譜效率。如果沒有濾波，將會出現(xiàn)比發(fā)送信息所需的頻譜寬得多的頻譜。濾波器可分為金屬腔體濾波器、介質濾波器、聲學濾波器和 LC 濾波器?；谛阅堋⒊杀竞统叽缟系木C合考慮,聲學濾波器正作為射頻前端濾波器的主流類型。

功放：經過變頻、濾波的射頻信號，還要通過功率放大，才能有足夠的能力經天線向遠方傳輸。功率放大器是射頻系統(tǒng)中最基本的有源器件，它具有非線性強、功耗大的特點，其工作性能直接影響著整個通信系統(tǒng)的信號質量和運營成本。例如，功放的尺寸與效率直接關乎無線通信設備的制造成本與耗電狀態(tài)；輸出功率決定了無線信號的傳播距離；線性度決定了信號失真度，決定著通信質量。

天線：用于發(fā)射和接收電磁波，最基本的也是要依靠電磁感應原理，通過有規(guī)律的電場循環(huán)產生可解讀的電磁波信號或通過接收電磁波信號再將其轉化為電信號。隨著無線通信技術向更高速率、更高頻率演進，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多根天線發(fā)送，多根天線接收；Massive MIMO技術MIMO技術也對天線設計提出更高挑戰(zhàn)。

在實際的無線通信射頻電路中，由于要支持多個4G、5G頻段，其實要經過多次濾波、變頻、功放的過程，才能夠滿足無線通信的頻譜、帶寬需求，真正實現(xiàn)全球通話。

手機的射頻接收電路通常是指在基站中接收射頻信號“還原成”聲音信號過程，原則上射頻接收電路是發(fā)射電路的逆過程，但在實際設計過程中往往更為復雜。

接收電路首先把輸入的射頻信號下變頻為中頻信號，然后進行解調。解調信號和恢復原始數據的能力通常難度較大，發(fā)射信號經常被空氣噪聲、信號干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。于此同時，接收電路需要恢復載波和符號時鐘。在接收電路中， 符號時鐘的頻率和相位（或計時）都必須正確，才可以保證成功地解調比特和恢復已發(fā)射信息。

射頻器件測試的“關鍵參數”都有什么？

對于放大器、天線等關鍵射頻器件，或者整個射頻系統(tǒng)，如何進行準確的測試呢？一般我們會用到信號源、頻譜儀、網絡分析儀進行測試，射頻信號發(fā)生器和分析儀可用于測試現(xiàn)代發(fā)射機和接收機,矢量網絡分析儀可以精準地表征射頻前端和元器件的性能,關鍵參數包括增益、平坦度、相位噪聲、EVM、ACPR等。

增益和平坦度：功率放大器的增益定義為信號輸出幅度與信號輸入幅度的比值。射頻電路設計中，增益通常用 dB 作為單位，信號的輸入功率和輸出功率通常用 dBm 作為單位。在工作頻段內，理想的 PA 增益應該是相同的，但是實際情況下，帶內不同頻率，PA 增益并不相同，甚至相差很大。用帶內最大增益與最小增益差來衡量增益平坦度。

ACPR：對于功率放大器，鄰 信 道 功 率 比（Adjacent Channel Power Ratio, ACPR）是一項非常重要的衡量功率放大器線性度的指標，用于衡量主功率泄漏至鄰信道的功率量，其值越低，說明鄰信道功率泄漏抑制得越好。

S參數：用 S 參數測量被測件（Device under Test, DUT）性能，不存在特定的開路或者短路條件限制，同時可以避免該條件下引起的阻抗不連續(xù)而導致的大幅度電壓與電流波散射。不考慮功放內部結構，整體考慮其輸入輸出端口，作為一個二端口網絡分析，使用 S 參數表征端口特性。例如，功率放大器的 S 參數使用矢量網絡分析儀進行測試。在進行測量前，需要選擇好儀器的顯示窗、掃描頻段、掃描點等等，然后需要使用與儀器相匹配的校準件對儀器進行 SOLT 校準。SOLT 校準后，開始對功率放大器進行 S 參數測量。

當然測試的參數很多，隨著6G時代的到來，對射頻器件、系統(tǒng)的要求也有更高的提升，所以，李工還有最重要的事想要告訴你：

“工欲善其事，必先利其器”

是德科技提供廣泛的信號發(fā)生器供用戶選擇，頻率覆蓋基帶到 110 GHz（如果與擴頻器搭配使用，可進一步擴展到 1.1 THz）。從基礎功能到高級特性，每款信號發(fā)生器都為同級別產品樹立了性能標桿。

是德科技還有眾多先進的臺式、手持、通用型和可擴展的模塊化頻譜分析儀（信號分析儀）任您選擇，所有分析儀均配有豐富的專用軟件。將您的射頻頻譜分析儀提升到新的性能水平，讓頻譜分析（信號分析）變得輕而易舉。無論您的寬帶應用是5G NR、WLAN、衛(wèi)星、雷達、電子戰(zhàn)，還是您需要進行什么頻率范圍（射頻、微波或毫米波）的測試， 是德科技的 M9484C VXG 信號發(fā)生器和 N9032B/N9042B 信號分析儀均能滿足您的需求。

另外，全球超過 70%的工程團隊選擇是德科技的網絡分析儀：

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?采用 ENA 網絡分析儀降低測試成本 - 頻率高達 53 GHz。

?利用 PXI VNA 加速多端口設備的測試 - 頻率高達 53 GHz，端口數量多達 50 個。

?以緊湊的 USB 形式獲得零功能妥協(xié)的網絡分析儀 - 頻率高達 53 GHz。

?使用矢量組件分析儀進行包括 EVM 和 ACP 在內的完整特性表征 - 頻率高達 67 GHz。

6G 對射頻系統(tǒng)提出哪些挑戰(zhàn)？

5G已經進入后半場，6G即將登場，從目前預研的成果看，6G不僅具備更高的頻段、更高的速率要求，還具有毫米波甚至太赫茲、通感一體化、智能超表面等技術，這些將會為我們的工作提出新的挑戰(zhàn)。

但李工告訴你，先學好基礎知識，新技術才能迎刃而解！

通信感知一體化 （ISAC ）：從字面意思可以理解，是要既具備通信又具備感知的能力。通信是基本的功能，感知可以理解為像“雷達”一樣，感知周邊環(huán)境的狀態(tài)，包括位置、方向、高度、速度、距離，甚至捕捉事物的細微變化，比如人的手勢，無人機行駛的方向等。雷達和傳統(tǒng)的4G/5G通信都要依靠射頻傳輸信號，擁有感知功能以后，射頻系統(tǒng)不僅要傳播信息，還要通過探測和分析接收到的反射信號來進行高精度的感知工作。對于天線來說，在大規(guī)模和超大規(guī)模天線的通信感知一體化系統(tǒng)中 ，需要進行有效的多天線波形設計，更好地利用空間分集 ，提高通信容量，從而為感知提供多樣化的空間變換信息，提升感知性能 。

智能超表面(RIS)：RIS經過電磁超材料技術發(fā)展而來，電磁超材料是通過人工合成的方式，制作成的具有一定電磁性質并且以周期性結構進行排列的復合材料，經研究發(fā)現(xiàn)，可以將 RIS 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控陣來進行發(fā)射機的設計。RIS表面上規(guī)則地排列了大量的電磁單元，通過對每個電磁單元施加控制信號，可以動態(tài)地調整電磁單元的電磁性質（如容抗、阻抗和感抗等），以完成對空間電磁波的動態(tài)調控，進而智能地調整無線傳輸信道并重構無線傳播環(huán)境超表面對電磁波的調控能力驅動了各類前沿電磁功能的設計與實現(xiàn) ，通過改變RIS 上每個電磁單元的相移即可實現(xiàn)對波束的靈活控制。

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是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術帶入生活。作為一家標準普爾 500 指數公司，我們提供先進的設計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時控制好風險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個安全互聯(lián)的世界。