RF测试原理小结

-1-RF测试原理小结本文旨在阐述RF测试项目的有关原理性知识，基本不涉及具体的测试方法，测试方法请参照相关文档。首先学习射频离不开天线，要对天线知识有所了解。天线（antenna）是RF系统中最关键的零件，发送的时候它负责将线路中的电信号转化为电波发射出去，接收的时候它负责将电波转化为电信号。根据洛伦兹定理，变化的电场会产生磁场，因施加在天线上的电流不同，就会产生电波；当无线电波遇到天线时，电子就会流入天线导体而产生电流。天线分为全向型和定向型两种。全向型天线收发所有方向的信号，定向性天线只收发天线所指向方向上的信号，可以将能量传送到更远的距离，信号也比较清楚，实际上根本没有真正意义上的全向天线。天线的长度取决于频率：频率越高，天线越短。根据经验，一般的简易型天线为其波长的一般。波长和频率的计算公式是：8(310/)ccmsf其中，例如使用830KHz的调幅广播电台，其电波的波长约为360米，因此必须使用约180米的大型天线。当然天线工程师可以运用一些技巧，进一步缩短天线，甚至可以做到随身携带的程度。一般在天线的前端还会有个功率放大器PA(poweramplifier)，其实将功率提升到做大功率后发送。然后具体了解RF测试中各个参数的含义及其影响因素。一、调制带宽：调制子载波占用的频带宽度，有20MHz（11b/g）和40MHz（11n）的,我们从频谱模板的波形中也可以看出来。二、EVM：ErrorVectorMagnitude，误差矢量幅度：其是调制后的射频信号与理想原始信号的矢量差，反映了调制的精度，是衡量信号质量的重要参数。原理上是接收到的码片信号，经过解调、解扰、解扩之后，再重复一遍发射端点的过程，即调制、加扰、扩频，然后再拿这个码矢量信号与接收到的矢量信号做矢量差，将其做统计平均，即为EVM值。EVM越大，说明信号受到的干扰越大，接收到的信号质量越差；反之，干扰小，接收到的信号质量就好。EVM有幅度偏差、频率偏差、相位偏差之分。功率放大器的非线性失真影响幅度偏差，I/Q信号同步影响相位偏差，本振的噪声和电源噪声影响频率偏差，影响EVM因素主要有功率放大器的非线性失真、噪声、以及供电环境。EVM标准有IEEE标准和一些国家电信的标准，下面列出IEEE的标准供参考。EVM数据速率(Mbps)EVM(dB)6-59-812-1018-1324-1636-1948-2254-25-2-三、调制速率：调制传送基带信号所用的码流率，它反映在被调子载波变化的快慢上，有6Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps……四、发射功率：有天线口发射功率（PA输出功率减去线损，尽量减少线损）和空口发射功率（用等效全向发射功率EIRP描述，天线口发射功率+天线增益）之分，用功率谱密度描述，取RMS值衡量。五、频率偏移：FrequencyError指发射信道中心频率的偏差，其反映了中心频率的精度，一般取决于本振的精度，可以通过调整本振的匹配电容来纠正偏差。其中11b：要求频率偏移在±25ppm以内；11a/g：要求频率偏移在±20ppm以内。六、接收灵敏度：指接收机能解调的最小信号电平，就是信号的最小功率值，换句话说就是在保证所要求的误比特率的情况下，接收机所需要的最小输入功率。一般我们用误码率来衡量接收灵敏度，而不能用直接进入接收通道的信号来衡量，因为在满足一定的信噪比SNR的情况下，非常小的信号都可以解调，而当伴随信号的噪声和接收通道的噪声增加时，此时信噪比就会下降，误码率迅速增加。一般情况下要求误码率在百分之十左右，测试的时候要求发1000个包，11b时接收到920以上，11g/n接收900个包以上时的最小信号功率，就是要测量的接收灵敏度。从下面接收灵敏度IEEE标准中可以看出，当数据率越高，接收器所接收到的信号就越容易被损毁，接收灵敏度要求的功率电平就越大。11b数据速率(Mbps)接收机门限电平（dbm）1-2-5.5-11-7611g数据速率(Mbps)接收机门限电平（dbm）6-829-8112-7918-7724-7436-7048-6654-65-3-11n20M数据速率(Mbps)接收机门限电平（dbm）MCS0-80MCS1-77MCS2-75MCS3-72MCS4-68MCS5-64MCS6-63MCS7-6211n40M数据速率(Mbps)接收机门限电平（dbm）MCS0-77MCS1-74MCS2-72MCS3-69MCS4-65MCS5-61MCS6-60MCS7-59七、最大接收电平是接收机能解调的最大信号电平，由于接收机前端有低噪放LNA，其工作点电平受限，过大的信号会导致其饱和，形成信号阻塞。八、频谱模板SpectrumMask其描述了发射信号的频谱分布，反映了信号能量的集中范围，如果带外的能量多的话，会影响到相邻信道的通信，一般用包含被调制信道的调制带宽及其信道外的电平分布来衡量。功率放大器PA的非线性失真和匹配都会影响到频谱模板，可能会超出其范围。如果能够很好的控制相位噪声，比如预失真处理能够很好的降低带外噪声，同时提高EVM都会保证频谱模板的要求。九、功率平坦度SpectralFlatness反映信号子载波的功率变化，它测量每个子载波的平均功率对所有子载波的平均功率的偏移。11b没有平坦度，是因为其采用的调制方式时单载波调制，11g/n采用的是OFDM调制方式。十、星座图星座图反映了各个速率时采用的调制方式、编码率、EVM等信息。测试的过程中，我们可以看到不同速率下的星座图，接收信号的范围集中说明信号的质量就比较好，越是发散，说明信号的质量越差。各种调制方式的星座图如下：-4--5-各种调制方式分别承载的数据位数为：BPSK：1bit/symbol；QPSK：2bits/symbol；16QAM：4bits/symbol；64QAM：6bits/symbol。模拟调制方式有三种：调幅、调频、调相，就是载波随着调制信号的幅度、频率或相位的变化而变化，这样载波就承载了调制信号的信息，此时的信号成为已调信号，传入发信机发送出去。与之相对应的数字调制方式也有三种：振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。802.11中常用的调制方式是差分相位调制DPSK，而不是绝对相位调制PSK，因为PSK对通信收发双方的同步性能要求很高，一旦同步被波坏，就难以恢复原有信号，导致相位颠倒，称为“倒现象”，而DPSK是利用相邻载波的相位差就可以避免此问题的发生。BPSK用前后载波的相位差为0时表示符号0，相差为半个周期时表示符号1；因BPSK只能编码一个位，可以采用一种差分正交相移键控DQPSK编码两个位，即是采用一个基波与三个偏移波，每个波偏移1/4个周期，如用相移/2表示符号01，相移0表示符号00，相移表示符号11，相移3/2表示符号10，当然也可以用上面QPSK图中的四个正交的相位/4，3/4，5/4，7/4来表示。802.11还采用正交调幅QAM技术来传送数目，能够承载更多的比特数，以此来提高调制的速率。QAM是在单一载波上编码数据，该载波有同相信号Ｉ和落后其１/4周期的正交信号组成，当两种信号被限定在一组特定的电平时，就形成了所谓的星座图constellation。星座图描绘了同乡和正交型号的可能值，星座图中的每个点代表一种符号symbol，每个符号代表特定的位置，如上面图中所示。需要注意的是，QAM前面的数值表示总共的符号个数，其实每个符号的2的乘幂数，可以算出每个符号代表的比特数，比图64-QAM就是每个符号代表6bits信息，256-QAM就是每个符号代表8bits信息。要提高数据的速率，只要使用点数更多的星座图即可，不过数据率提高，就要求接收信号的质量要足够好，否则就难以区分星座图中的相邻点。如果距离太近，每个信号可以接收的误差范围就会缩小。下面详细了解下802.11各个标准的编码和调制细节。802.11bDataRateSpreading/CodingModulationSymbolRateChipRate1Mbps11chipBarkercodeDBPSK1Msps11Mcps2Mbps11chipBarkercodeDQPSK1Msps11Mcps5.5MbpsCCKDQPSK1.375Msps11Mcps11MbpsCCKDQPSK1.375Msps11Mcps802.11b直接序列扩频PHY采用每秒1100万的碎片率，其将碎片流划分为一系列的11位的贝克码Barkerword，每秒传送100万个Barkerword。每个word根据所使用的1.0Mbps还是2Mbps的数据率，分别编码1或2个比特。为了达到更高的传输速率，就要求每个word编码更多的字节，802.11采用了一种叫做补码键控CCK（Complementarycodekeying）的方式，就是将碎片流划分为一系列的由8个位构成的码符号，因此每秒要传送137.5万个码符号。CCK采用复杂的数学转换函数，可以使用若干这8bit序列在每个码字中编码4或8个位是吞吐量达到5.5Mbps和11Mbps。注意一点的是：CCK方式所采用的扩频码是由数据本身经过函数推演得出来的，而之前扩频是采用类似Barkerword之类的静态且具有重复性的码字。-6-802.11gDatarate(Mbits/s)ModulationCodingrateCodedbitspersubcarrierCodedbitsperOFDMsymbolDatabitsperOFDMsymbol6BPSK1/2148249BPSK3/41483612QPSK1/22964818QPSK3/4296722416QAM1/24192963616QAM3/441921444864QAM2/362881925464QAM3/46288216802.11g是基于正交频分复用OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）技术的。OFDM是将一个较宽的信道分割成若干子信道，每个子信道均用来传输数据，就是用多路副载波进行单一传送的方式，用这些较慢的子信道复合成较快的信道。OFDM正交性的含义是指在频域中，OFDM各个子载波的频谱的波峰互补重叠，这样所选用的副载波就不会被其他副载波所干扰，其实正交性的本质所在。802.11g无线信道总容量的计算方法：子信道乘以每个信道的位数。比如使用64-QAM调制方式时，每个子信道承载6bits，802.11G使用48个子信道，故每个信道的容量为288个bits。表中每个OFDM符号承载的数据位有编码数据率乘以每个符号编码的位数得到。802.11nMCSIndexModulationCodingrateCodedbitspersubcarrierDataRate(Mb/s)800nsGI400nsGI0BPSK1/216.57.21QPSK1/2213.014.42QPSK3/4219.521.7316QAM1/2426.028.9416QAM3/4439.043.3564QAM2/3652.057.8664QAM3/4658.565.0764QAM5/6665.072.28BPSK1/2113.014.49QPSK1/2226.028.910QPSK3/4239.043.31116QAM1/2452.057.81216QAM3/4478.086.71364QAM2/36104.0115.61464QAM3/46117.0130.0-7-1564QAM5/66130.0144.4802.11n是在OFDM的基础上，引入了多进多出MIMO（multiple-inputmultiple-output）技术。其支持当前的20MHz带宽的同时，还支持40MHz带宽，以此来提升吞吐量。在采用MIMO多天线技术之前，一般都是单独采用一根天线进行首发的，即使是采用了多根天线也只是为了天线分集使用，802.11n采用多根天线同时进行收发，来提高数据率。我们注意到