射频（RF）基础理论：定义解析、特性探究、调制技术与扩频原理

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2024-04-29 14:43:34 695

1. 射频是什么？

射频，简称RF，是高频交流变化电磁波的简称。提及电磁波，大家或许并不陌生。根据麦克斯韦的电磁场理论，我们知道：振荡的电场会引发振荡的磁场，而振荡的磁场又会进一步引发振荡的电场。这种电磁场在空间内持续传播，就形成了我们所说的电磁波。以下图示大致描绘了这一过程，其中E代表电场，B代表磁场。在图示的轴上，同一位置的电场与磁场的相位和幅度会随时间而发生变化。

通常情况下，射频（RF）是振荡频率在300KHz-300GHz之间的电磁波的统称，被广泛应用于雷达和无线通信。

2. 射频基本特征

为了描述给定射频信号，可以从频率、波长、幅度、相位四个角度出发。

2.1 频率和波长

电磁波的频率即电磁场振荡的频率。波动具有周期，频率（f）即给定单位时间内的波发生的周期数，单位为赫兹（Hz）。下图表示的是频率为10Hz的信号单位时间内的波形。

波长（λ）即波在一个周期内传播的距离，在传播速度一定的情况下，波长与频率成反比，即，λ = c / f。

相似频率的RF之间会相互干扰，因此有专门管理频谱的组织来分配使用频段，避免应用之间的互相干扰，规范RF的使用。

由于衰减等因素影响，低频电磁波一般能比高频电磁波传播更长的距离，因此经常被用来超视距雷达。而高频电磁波能量高，穿透能力强，带宽更高，现在也被用于一些视距内的通信来缓解低频段拥挤的问题，例如mmWave通信。

2.2 振幅

RF的振幅信号即单个周期内电场振荡变化的度量，对于正弦波，可以用峰值①、峰-峰值②、均方根值来表示③。

2.3 相位

相位即波周期中单个时间点的位置，在正弦波中通常用弧度表示。

3. 调制

单纯的电磁波是没有意义的，为了达到通信的目的，我们需要对发射端的电磁波进行一些操作来达到承载数据的目的，这个操作就叫做调制。稍微学术一点，为了达到通信的目的，RF信号必须具有一种携带信息的方式，调制即利用三个波特性（频率、相位、振幅）来达到修改RF信号、传输数据的目的。

调制又分为模拟调制和数字调制，下面分别介绍。

3.1 模拟调制

模拟调制包括发送带有模拟载波的模拟数字信号，最简单的模拟调制包括调幅（幅度），调频（频率），调相（相位）。

载波：被调制以传输信号的波形，通常为正弦波。

原始信号：

调幅（AM）: 基础调幅过程: 调制信号与载波的最大振幅相加，再与载波相乘，结果如下：

调频（FM）：

直接调频：利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率。

间接调频：现将调制信号进行积分，然后对载波调相，最后通过n次倍频器得到最后的调制信号。调频可以通过调相间接得到。

调相（PM）：如间接调频，调相和调频经常一起发生。通过调制数据信号可以将载波的相位往前或者向后挪移。

3.2 数字调制

数字调制指用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。最基本的调制方式包括：振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）、移相键控（PSK）。

抗干扰能力：PSK>FSK>ASK

振幅键控（ASK）：用数字调制信号控制，可以通过改变幅度本身，也可以通过简单地关闭、打开信号形成能量脉冲（开关键：OOK）。

频率键控（FSK）：FSK用二进制数据调制载波的频率，形成具有明显变化的频率来表示数据位。

移相键控（PSK）：用数字调制信号的正负控制载波相位，如，数字信号的振幅为正时，载波起始相位取180°，为负时，相位取0°。

在高速系统中，以符号表示单个1或0的格式传输数字数据非常慢，为了提高数据传输的速度，需要借用更复杂的调制形式，用单个符号来表示几个位。

正交相移键控（QPSK）：又称四相相移键控，利用载波的4中不同相位差来表征输入，规定45°/135°/225°/275°四种载波相位，每种相位代表两个bit的组合，如图所示。

要进行扩展也很容易，增加更多的相位点，就可以产生更多的符号，增加数据速率。

除了增加相位点，也可以通过增加幅度调制来进一步增加数据表示的维度，增加数据传输的效率。

正交幅度调制（QAM）：调制过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的比特编码，将多进制与正交载波技术相结合，进一步提高频带利用率。下图是16-QAM的示例图。

对于数字调制来说，采用的是离散的数字量来控制载波相位和幅度的变化，因此其在极坐标上的状态表示为一个个离散的点，这些点根据不同的调制方式而组成不同的图案，这些图案有时又称为星座图（Constellation）。上图即为16-QAM的星座图。

IQ调制技术

以上所提及的所有数字调制方式，基本上都是通过IQ调制实现的（如何实现见Understanding I/Q Signals and Quadrature Modulation），I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）。IQ调制就是数据分为两路，分别进行载波调制，两路载波相互正交（相位相差90°）。

数字IQ调制完成了符号到矢量坐标系的映射，映射点一般称为星座点，具有实部和虚部。该矢量坐标系也可以称为IQ坐标系。

在IQ坐标系中，任何一点都确定了一个矢量，可以写为(I + jQ)的形式，数字调制完成后便可以得到相应的I 和 Q 波形，因此数字调制又称为矢量调制。

上图显示了BPSK、QPSK、16-QAM、32-QAM的星座图。一般情况下，信号在星座图上每个状态承载的数据内容被称为1个符号（Symbol），每个符号对应星座图上的一个状态，不同状态间的变化速率就叫做符号速率（Symbol Rate），有时又称为波特率（Baud Rate）。

4. 扩频

扩频（Spread Spectrum，SS）是将传输信号的频谱（spectrum）打散到较其原始带宽更宽的一种通信技术，常用于无线通信领域。扩频具有以下优点：① 对各类噪声如多径失真具有免疫性；② 可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩频码，才可恢复原始信号；③ 多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。

目前主流的两个扩频技术是跳频扩频和直接序列扩频。

4.1 跳频扩频（FHSS）

用一定的扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，使载波频率不断跳变。发送方用看似随机的无线电频率序列广播信息，并在固定时间间隔内从一个频率跳到另一个频率，接收方接收时也同步跳转频率。

4.2 直接序列扩频（DSSS）

用高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，而接收方则用相同扩频码序列进行解扩。

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