射频(RF)基本理论:定义、特性、调制、扩频
参考:
INTRO TO SDR AND RF SIGNAL ANALYSIS
一文让你读懂调幅、调相、调频、 与 I/Q 调制?它们的区别详解
无线网络技术教程(第二版) 金光、江先亮编
数字调制系列:IQ调制基本理论
1. 什么是射频?
射频简称RF,是高频交流变化电磁波的简称。电磁波其实就是比较熟悉的概念了。依据麦克斯韦的电磁场理论:振荡的电场产生振荡的磁场,振荡的磁场产生振荡的电场。电磁场在空间内不断向外传播,形成了电磁波。下图可以大致体现体现这个过程,E代表电场,B代表磁场。在轴上同一位置的电场、磁场的相位和幅度均会随着时间发生变化。
通常情况下,射频(RF)是震荡频率在3KHz-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震荡的频率。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。
I\Q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I\Q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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