射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計 課件 第2章 射頻通信系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)-2.1-2.2

射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計馬文建等編著機(jī)械工業(yè)出版社第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信鏈路基本框架。從微觀角度，掌握當(dāng)前移動通信信號元素的構(gòu)成；從宏觀角度，理解整個信號發(fā)射、傳輸和接收的實現(xiàn)過程。掌握射頻設(shè)計的相關(guān)入門知識，包括噪聲、峰均比、非線性、阻抗匹配和采樣轉(zhuǎn)換等基本概念。理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，通過實例掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計方法。主要包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、射頻開關(guān)、衰減器、射頻濾波器、功率檢波器、時鐘鎖相環(huán)、直接數(shù)字頻率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天線等單元電路。了解相關(guān)射頻處理算法的基本概念和設(shè)計方法，從射頻通信系統(tǒng)角度，梳理電路和算法的相輔相成關(guān)系。第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)知識框架2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道2.1.2信號構(gòu)成2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲2.2.2峰均比2.2.3非線性2.2.4阻抗匹配2.2.5采樣轉(zhuǎn)換2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器2.3.2低噪聲放大器2.3.3混頻器2.3.4射頻開關(guān)2.3.5衰減器2.3.6射頻濾波器2.3.7功率檢波器2.3.8時鐘鎖相環(huán)2.3.9直接數(shù)字頻率合成器2.3.10功率分頻器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天線2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合2.4.2數(shù)字變頻2.4.3削波2.4.4數(shù)字預(yù)失真2.4.5自動增益控制2.1基本通信鏈路典型通信系統(tǒng)基本鏈路模型如下圖所示。系統(tǒng)將需要傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過編碼、交織、脈沖成形后，從時域和頻域兩個層面轉(zhuǎn)換為中頻信號。為了減小天線尺寸，方便無線頻譜資源管理，需要將信號調(diào)制到較高頻段進(jìn)行發(fā)射傳輸，然后經(jīng)過無線信道，到達(dá)接收機(jī)后，對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)為中頻信號，最后經(jīng)過采樣判決、去交織、譯碼等操作，獲取傳輸?shù)脑夹畔?。下面主要從射頻通信角度出發(fā)，對無線信道、信號構(gòu)成和信號調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行相關(guān)介紹。2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道移動通信的便利性是建立在無線信道的有效傳輸基礎(chǔ)上，理解無線信道是掌握無線通信先進(jìn)技術(shù)的前提條件。噪聲與干擾信道中除了傳輸有用信號外，還存在各種噪聲和干擾，這些噪聲和干擾可能會使信號失真并導(dǎo)致誤碼。無線通信中的噪聲主要包括接收機(jī)中產(chǎn)生的噪聲和進(jìn)入天線的自然噪聲。在進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計時，需要根據(jù)指標(biāo)需求，合理優(yōu)化鏈路結(jié)構(gòu)，降低由于鏈路設(shè)計引入的噪聲，后面2.2.1節(jié)和4.2節(jié)會進(jìn)行詳細(xì)介紹。整個空間環(huán)境中，存在多個且多類型的通信設(shè)備，各設(shè)備間在時域和頻域上會存在一定的相互干擾。在進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計時，需要根據(jù)指標(biāo)需求，保證發(fā)射信號滿足發(fā)射頻譜模板的要求，并抑制電磁環(huán)境中的其他干擾噪聲，提高接收電路的抗干擾、抗阻塞特性，后面4.3節(jié)、4.4節(jié)、4.5節(jié)、5.4節(jié)和5.5節(jié)會詳細(xì)介紹。2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道信道容量信道容量是指在信道上進(jìn)行無差錯傳輸所能達(dá)到的最大傳輸速率，根據(jù)香農(nóng)公式可以看出，信道容量與信道帶寬、信號信噪比密切相關(guān)，通過增大信道帶寬、提高信號信噪比即可提升信道容量。但在實際應(yīng)用中，由于頻譜資源、電子元件、電磁頻譜管理法規(guī)等限制，使得信道帶寬不可能任意擴(kuò)大。結(jié)合2.1.1.1節(jié)的分析，無線信道中存在各種噪聲和干擾，會限制傳輸信號的信噪比。因此，在信道帶寬一定的條件下，需要優(yōu)化收發(fā)鏈路，盡可能提高傳輸信號的信噪比，保證信道容量。2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道信道衰落電磁波作為無線通信的媒介，在傳播過程中，會發(fā)生衰減，并在遇到障礙物時，引起能量的吸收和電波的反射、散射和繞射等現(xiàn)象。電磁波傳播的物理機(jī)制決定了無線信道的衰減特點，衰減一般分為慢衰落和快衰落。慢衰落

一般包括兩種形式：由于距離引起的路徑損耗由于地形遮擋引起的陰影衰落不同工作頻率下的自由空間路徑損耗關(guān)系電磁波工作頻率越高，收發(fā)天線之間間距越大，兩者造成的自由空間路徑損耗越大2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道多徑效應(yīng)與快衰落由于信號傳播路徑中可能存起建筑物、山體、樹木等物體，電磁波從發(fā)射天線發(fā)射出來，會經(jīng)過多個路徑(包括LOS和NLOS)達(dá)到接收機(jī)，這一現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)。不同路徑的傳播距離不同，從而信號到達(dá)接收機(jī)的時間就有先后。因此，如果在基站發(fā)射一個尖脈沖，終端就會接收到一連串的展寬脈沖。二徑信道模型舉例2.1基本通信鏈路2.1.2信號構(gòu)成無線信號包括時域和頻域兩個維度的資源，分別對應(yīng)OFDM符號和OFDM符號內(nèi)的子載波。下圖為5GNR物理時頻資源結(jié)構(gòu)示意，最小的時頻資源為OFDM符號內(nèi)的1個子載波，即1個資源單元(RE)。2.1基本通信鏈路2.1.2信號構(gòu)成對于時域資源，無線信號通過無線幀(RadioFrame)、子幀(Subframe)和時隙(Slot)進(jìn)行傳輸。每個無線幀長度為10ms，包含10個子幀，每個子幀長度為1ms。2.1基本通信鏈路2.1.2信號構(gòu)成5GNR和4GLTE最大的區(qū)別之一就是引入了參數(shù)集(Numerology)μ，不同的參數(shù)集對應(yīng)不同的時域資源，參數(shù)集μ的取值包括0、1、2、3、4，對應(yīng)的子載波間隔分別為15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，子載波間隔越大，1個時隙對應(yīng)的時間就越短，相應(yīng)的每個無線幀或子幀包含的時隙數(shù)就越多。2.1基本通信鏈路2.1.2信號構(gòu)成對于頻域資源，OFDM符號在頻域上的最小單元是具有Sinc函數(shù)的子載波，通過子載波間的正交性(即每個子載波的峰值對應(yīng)其他子載波的過零點)來對抗干擾。子載波間隔為

2.1基本通信鏈路2.1.2信號構(gòu)成在頻域內(nèi)，將連續(xù)的12個子載波定義為1個資源塊(RB)。下圖給出了信道帶寬、配置帶寬、保護(hù)帶與資源塊RB之間的關(guān)系。5GNR中常說的“大帶寬”屬于通道帶寬，比如FR1頻段的100MHz帶寬，F(xiàn)R2頻段中的200M、400MHz帶寬。為減少信道之間的干擾，在通道帶寬邊緣設(shè)置有保護(hù)帶，除去通道上下邊緣保護(hù)帶后，才是通道可配置的最大傳輸帶寬。根據(jù)實際的應(yīng)用調(diào)度場景，設(shè)備可配置更小的通道帶寬，比如20MHz、10MHz，甚至5MHz等。2.1基本通信鏈路2.1.2信號構(gòu)成表格為3GPP協(xié)議中不同子載波間隔下部分通道帶寬對應(yīng)的RB數(shù)和最小保護(hù)帶寬，有如下2點結(jié)論：相同帶寬下，子載波間隔越大，則RB數(shù)越小，需要的最小保護(hù)帶越大。相同子載波間隔下，通道帶寬越寬，則RB數(shù)越多，需要的最小保護(hù)帶越寬。最小保護(hù)帶寬的計算公式為2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)信號調(diào)制的基本思路就是發(fā)送端產(chǎn)生高頻載波信號，讓高頻載波的幅度、頻率或相位隨著調(diào)制信號變化，攜帶需要傳輸?shù)男盘査偷浇邮斩?，接收端收到后，將攜帶的傳輸信號從調(diào)制信號中恢復(fù)(解調(diào))出來。下面主要從三角函數(shù)的角度，對普通調(diào)制與解調(diào)、復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)、零中頻調(diào)制與解調(diào)和實中頻調(diào)制與解調(diào)進(jìn)行介紹。普通調(diào)制與解調(diào)濾除下邊帶調(diào)制過程：2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)普通調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制過程：復(fù)中頻調(diào)制包括中頻調(diào)制和射頻調(diào)制兩個步驟。中頻調(diào)制I路和Q路信號在數(shù)字域與兩路正交的數(shù)控振蕩器(NCO)分別進(jìn)行混合調(diào)制，得到數(shù)字中頻信號的實部和虛部分別送入DAC。射頻調(diào)制DAC輸出的兩路正交信號與兩路正交的本振信號分別進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制結(jié)果疊加。2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)調(diào)制過程：

2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)解調(diào)過程：與調(diào)制過程類似，復(fù)中頻解調(diào)也包括射頻解調(diào)和中頻解調(diào)兩個步驟。2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)復(fù)中頻調(diào)制與解調(diào)射頻解調(diào)將接收到的信號分別與兩路正交的本振信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號經(jīng)過低通濾波，濾除高頻部分，得到中頻信號。中頻解調(diào)忽略射頻解調(diào)的帶來的幅度衰減，將射頻解調(diào)得到的中頻信號輸入ADC，得到的數(shù)字中頻信號與兩路正交的NCO進(jìn)行混合解調(diào)，恢復(fù)出I路和Q路信號。2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)零中頻調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)實中頻調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)實中頻調(diào)制與解調(diào)

2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)實中頻調(diào)制與解調(diào)解調(diào)過程：與復(fù)中頻解調(diào)過程類似，包括射頻解調(diào)和中頻解調(diào)兩個步驟。2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)實中頻調(diào)制與解調(diào)

中頻解調(diào)同樣忽略射頻解調(diào)的帶來的幅度衰減，將射頻解調(diào)得到的中頻信號與兩路正交的NCO分別進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出I路和Q路信號。2.1基本通信鏈路2.1.3信號調(diào)制與解調(diào)對比總結(jié)普通調(diào)制(包括解調(diào))屬于實中頻調(diào)制中的射頻部分，零中頻調(diào)制又是復(fù)中頻調(diào)制中的特例。因此，信號調(diào)制主要分為復(fù)中頻和實中頻兩大類。結(jié)合前面分析，給出了相關(guān)優(yōu)缺點對比總結(jié)如下表所示?？偟膩碚f，隨著數(shù)字信號處理能力的提升，以及硬件電路小型化的應(yīng)用需求，復(fù)中頻在設(shè)計通信鏈路中的比重越來越高。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲物理系統(tǒng)總是伴有噪聲。相對于有用信號，噪聲屬于干擾源，可位于系統(tǒng)的內(nèi)部或外部。常見的噪聲形式有熱噪聲、閃爍噪聲、散彈噪聲、等離子體噪聲和量子噪聲。射頻通信知識體系環(huán)環(huán)相扣，能否深刻理解射頻通信相關(guān)基礎(chǔ)知識對于系統(tǒng)全鏈路設(shè)計至關(guān)重要。熱噪聲熱噪聲是通信系統(tǒng)中最重要的噪聲，以電阻R為例，其在電路中的噪聲功率可分別用串聯(lián)電壓源或并聯(lián)電流源來描述，相關(guān)表達(dá)式為室溫下(=290K)的電阻可用噪聲功率可表示為2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)無線通信接收機(jī)檢測和處理微弱信號的能力主要由其SNR決定，而SNR常常被來自不同源的疊加噪聲所削弱。二端口網(wǎng)絡(luò)的輸出SNR取決于輸入SNR和兩端口的內(nèi)部噪聲，降低接收鏈路噪聲是提高接收機(jī)性能的重要措施。噪聲因子：噪聲因子F定義為總的輸出噪聲功率除以由輸入噪聲功率產(chǎn)生的輸出噪聲功率?？梢钥闯觯肼曇蜃覨等于系統(tǒng)輸入SNR與輸出SNR的比值。注意：上述成立的條件是系統(tǒng)的信號功率和噪聲功率增益相等，即系統(tǒng)是線性的。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)與噪聲因子關(guān)系：把噪聲因子F用單位dB表示，即可得到噪聲系數(shù)NF的表達(dá)式。無源器件噪聲系數(shù)：對于無源器件，噪聲系數(shù)NF等于插入損耗IL的絕對值，比如3dB無源衰減器，其噪聲系數(shù)就是3dB。而此共識需在滿足290K溫度前提條件下才成立。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的級聯(lián)：兩級器件級聯(lián)總的噪聲系數(shù)分析示例?？偟脑肼曇蜃覨為以此類推，可擴(kuò)展到適用于N級級聯(lián)的噪聲因子通用公式可以看出，級聯(lián)系統(tǒng)中第一級分量對總的噪聲系數(shù)具有最顯著的影響。因此，在無線接收機(jī)設(shè)計中，為了實現(xiàn)鏈路較低的噪聲系數(shù)，需要保證前端無源插入損耗盡可能小，并采用高增益低噪聲放大器。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的影響：射頻通信接收機(jī)的輸入本底噪聲可由接收電路總的輸入?yún)⒖荚肼暫驮肼曄禂?shù)表示本底噪聲制約著接收機(jī)可以檢測到的最弱信號。從應(yīng)用角度講，接收機(jī)噪聲系數(shù)越小，實現(xiàn)的通信距離越遠(yuǎn)，接收信噪比SNR越好，誤碼越小，信道容量越高。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.1噪聲——噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的測試：主要有噪聲系數(shù)測量儀和增益間接測試法兩種。使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)最直接的方法，適合測量極低的噪聲系數(shù)，但對于噪聲系數(shù)較高，且頻率較高的場景，噪聲系數(shù)測試儀的測量精度和選擇范圍將大打折扣。而增益間接測量法則是一個很好的低成本解決方案。

噪聲系數(shù)測量方法應(yīng)用比較2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.2峰均比基本概念：調(diào)制后的射頻載波信號帶有數(shù)字信息，其瞬時電平呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。在不同的調(diào)制方案和信號統(tǒng)計下，某個時刻射頻載波信號的電平可能會非常大，也可能會很小，其典型時域波形如下圖所示。可看出，雖然在某些特定時刻的信號電平很大，但信號整體的平均電平遠(yuǎn)小于瞬時幅度的峰值電平。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.2峰均比基本概念：峰值功率與平均功率之比就稱為峰均比(PAPR)，通常以dB表示為上述信號在一個周期內(nèi)的信號峰值功率與其他周期內(nèi)的峰值功率可能不一樣，同理，每個周期的均值功率也可能不一樣，所以，峰均比需要考察在一個較長時間的峰值功率和均值功率。峰值功率也并不是某一最大值，而是一定概率下較大值的集合，通常取0.01%。在概率為0.01%處的峰均比，一般稱為峰值因子(CF)。

對于射頻通信系統(tǒng)，信號峰均比越大，對功率放大器的功率等級要求越高。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.2峰均比

16QAM星座圖假設(shè)每個星座點出現(xiàn)的可能性一樣，可以得到功率值為1的星座點出現(xiàn)的概率為4/16。同理，可得功率值為5的星座點出現(xiàn)的概率為8/16，功率值為9的星座點出現(xiàn)的概率為4/16。因此，在一段較長時間內(nèi)發(fā)送的信號平均功率為

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.2峰均比測試方法：依據(jù)前面分析，峰均比屬于一個統(tǒng)計概念，因此，引入了互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)來表示信號峰均比的統(tǒng)計特性，其定義為信號峰均比值超過某一門限值的概率。

下圖為64QAM調(diào)制信號的CCDF仿真曲線與功率分布數(shù)據(jù)。可以看出，64QAM基帶單載波的仿真峰均比為3.68dB，與表2-5中的理論數(shù)據(jù)相對應(yīng)。經(jīng)過OFDM調(diào)制后的峰均比為9.42dB，即信號超過均值功率9.42dB的概率為0.01%，相比64QAM調(diào)制的理論單載波射頻信號，采用OFDM的多載波系統(tǒng)峰均比增大了近3dB。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.2峰均比測試方法：下圖給出了信號峰均比測量的實驗框圖。為了保護(hù)后端測試儀器不被前端待測發(fā)射機(jī)的大功率信號損壞，一般需要在后端測試儀器和前端待測發(fā)射機(jī)之間接了一個衰減器。具體衰減器的值主要由前端待測發(fā)射機(jī)的輸出功率決定，如果衰減器值過小，后端測試儀器可能會受損；如果衰減器值過大，后端測試儀器的動態(tài)范圍可能不夠，影響測試準(zhǔn)確度。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性模型系統(tǒng)模型參數(shù)，與器件工作點相關(guān)不滿足疊加原理的系統(tǒng)幾乎所有物理系統(tǒng)都是非線性的典型器件：功率放大器非線性解析輸入信號輸出信號可表示為直流基波二次諧波三次諧波(包含失真量)器件的非線性會導(dǎo)致輸出產(chǎn)生各類失真2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性表征諧波失真增益壓縮

基波諧波

1dB壓縮點2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性表征互調(diào)失真

三階互調(diào)鄰道泄露寬帶信號，鄰道功率比ACPR和鄰道抑制比ACLR2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測試測諧波→

評估后級濾波器指標(biāo)信號源

+頻譜儀確保信號源輸出“無”諧波→加濾波確保頻譜儀輸入“無”失真→加衰減頻譜儀動態(tài)范圍制約著低失真分量的測量加入陷波器或高通濾波器僅保留諧波分量注意回?fù)p變化對DUT的影響2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測試測P1dB→

評估輸入功率回退量(a)信號源+頻譜儀(功率計)(b)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測試測互調(diào)

→

評估互調(diào)干擾、交調(diào)失真等

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.3非線性非線性測試通過三階互調(diào)評估鄰道泄露n個等間距多音信號的三階非線性輸出信號頻譜考慮信號峰均比PAPR鄰道抑制比ACLR測試測試注意點：占用帶寬、保護(hù)帶、通道間隔的設(shè)置適當(dāng)縮小頻譜儀分辨帶寬RBW，改善動態(tài)啟動噪聲校正，減去本底噪聲2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配射頻電路中各模塊間或負(fù)載與傳輸線間都需要阻抗匹配，阻抗匹配的必要性在于：為了使射頻能量注入負(fù)載，可以向負(fù)載傳輸最大功率；在天線、低噪聲放大器或混頻器等接收機(jī)前端改善噪聲系數(shù)性能；實現(xiàn)發(fā)射機(jī)最大功率傳輸，提高發(fā)射機(jī)效率，降低設(shè)備功耗；濾波器或選頻回路前后匹配使其發(fā)揮最佳性能。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

在實際工程應(yīng)用中，往往無法實現(xiàn)源端內(nèi)阻和負(fù)載阻抗與傳輸線特征阻抗的完全匹配，如果采用無反射匹配方式，則需要在傳輸線兩端添加匹配網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，實現(xiàn)源端內(nèi)阻和傳輸線、以及負(fù)載阻抗與傳輸線的無反射匹配，即在整個電路上的任何節(jié)點都不存在反射。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

最大功率傳輸定理2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

共軛匹配仿真驗證：2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——匹配原理

綜合對比無反射匹配和共軛匹配兩種形式，共軛匹配具有實現(xiàn)成本低、具備最大功率傳輸?shù)葍?yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在射頻微波系統(tǒng)的阻抗匹配電路中。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——網(wǎng)絡(luò)類型從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上講，匹配網(wǎng)絡(luò)主要包括L型、π型和T型3類網(wǎng)絡(luò)。

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——網(wǎng)絡(luò)類型

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——基于Smith圓圖的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——基于Smith圓圖的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計從阻抗與導(dǎo)納互逆的關(guān)系上來說，阻抗圓圖上半圓的電抗為正，表示電阻與電感串聯(lián)，其中心對稱點在下半圓，下半圓為負(fù)的感納，表示電導(dǎo)與感納并聯(lián)。阻抗圓圖下半圓的電抗為負(fù)，表示電阻與電容串聯(lián)，其中心對稱點在上半圓，上半圓為正的容納，表示電導(dǎo)與容納并聯(lián)。因此，在使用Smith圓圖匹配過程中，有如下結(jié)論：串聯(lián)元件，在Smith圓圖上的相應(yīng)阻抗點沿等電阻圓移動。串聯(lián)電感，沿等電阻圓順時針移動；串聯(lián)電容，沿等電阻圓逆時針移動。并聯(lián)元件，在Smith圓圖上的相應(yīng)阻抗點沿等電導(dǎo)圓移動。并聯(lián)電感，沿等電導(dǎo)圓逆時針移動；并聯(lián)電容，沿等電導(dǎo)圓順時針移動。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——應(yīng)用設(shè)計以Qorvo公司的超寬帶低噪聲放大器QPL9503為例，使用ADS軟件對其n77頻段(3.3~4.2GHz)進(jìn)行輸入阻抗匹配。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.4阻抗匹配——應(yīng)用設(shè)計以Qorvo公司的超寬帶低噪聲放大器QPL9503為例，使用ADS軟件對其n77頻段(3.3~4.2GHz)進(jìn)行輸入阻抗匹配。在n77頻段內(nèi)，兩種匹配方式的回波損耗均優(yōu)化到了10dB以上，且“串聯(lián)電感+并聯(lián)電容”的匹配方式回波損耗性能更優(yōu)，但由于(b)中電感值的相對過小，實際應(yīng)用中會產(chǎn)生加大誤差。因此，從工程角度上講，優(yōu)選“串聯(lián)電容+并聯(lián)電感”的匹配方式。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換采樣的主要作用是完成數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，在射頻通信鏈路中起到舉足輕重的作用，涉及到的器件包括ADC和DAC。下面將討論采樣定理、量化效應(yīng)、采樣抖動以及轉(zhuǎn)換器的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。2.2.5.1 采樣定理與采樣過程在數(shù)字通信系統(tǒng)中，模擬信號變換為數(shù)字形式首先需要進(jìn)行采樣處理，這個過程包括采樣和保持兩部分。在最大頻率以外沒有頻譜分量的帶限信號可完全由一系列均衡的空間離散時間采樣來重構(gòu)，前提是需要滿足Nyquist準(zhǔn)則，即

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣定理與采樣過程

信號采樣抗混疊濾波器的設(shè)計考慮

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣定理與采樣過程典型的采樣與保持電路如下圖所示。理想的采樣保持放大器(SHA)是一個簡單的開關(guān)，用于驅(qū)動保持電容及其后的高輸入阻抗緩沖器。緩沖器的輸入阻抗必須足夠高，以便電容可以在保持時間內(nèi)放電少于1LSB。SHA在采樣模式中對信號進(jìn)行采樣，而在保持模式期間則保持信號恒定。同時調(diào)整時序，以便ADC編碼器可以在保持時間內(nèi)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——量化噪聲模型理想轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行數(shù)字化時，最大誤差為±?LSB，如下圖(a)的一個理想N位ADC的傳遞函數(shù)所示。對于任何橫跨整個LSB的交流信號，其量化誤差可通過1個峰峰值幅度為q(1個LSB權(quán)重)的非相關(guān)鋸齒波來近似計算，實際量化誤差發(fā)生在±?q范圍內(nèi)任意點的概率相等。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——量化噪聲模型對于量化誤差與時間的關(guān)系。同樣以一個簡單的鋸齒波形進(jìn)行分析，鋸齒誤差的計算表達(dá)式為

理論SNR可通過一個滿量程輸入正弦波來計算輸入正弦波信號的均方根值為因此，理想Ｎ位轉(zhuǎn)換器的均方根信噪比為2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——量化噪聲模型

處理增益的量化噪聲頻譜如下圖所示，通過提高采樣率(即過采樣)和數(shù)字濾波，降低轉(zhuǎn)換器量化噪聲2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣時鐘抖動效應(yīng)轉(zhuǎn)換器是在采樣時鐘的作用下，基于相同的時間間隔采樣并產(chǎn)生模擬信號，或?qū)B續(xù)的模擬信號產(chǎn)生一些列定期樣本，因此采樣時鐘的穩(wěn)定性相當(dāng)重要。如果在采樣期間采樣位置存在輕微抖動(即時鐘抖動)，采樣變得不再均勻，會導(dǎo)致實際采樣時間產(chǎn)生不確定性。時鐘抖動屬于時鐘源定時邊緣的隨機(jī)變化，而轉(zhuǎn)換器一般使用時鐘邊緣來控制采樣點，采樣點的偏差將會產(chǎn)生采樣電壓的測量誤差。采樣時鐘抖動導(dǎo)致采樣電壓誤差2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣時鐘抖動效應(yīng)采樣時鐘抖動可通過SNR來衡量，如果輸入為一正弦信號，其表達(dá)式為對信號求其時間導(dǎo)數(shù)，得對上述導(dǎo)數(shù)求其均方根(RMS)值，得

同樣，如果使用數(shù)字濾波來濾除帶寬BW以外的噪聲成分，則公式須包括處理增益校正系數(shù)。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——采樣時鐘抖動效應(yīng)時鐘抖動屬于信號質(zhì)量的時域參數(shù)，與之對應(yīng)的頻域參數(shù)稱為相位噪聲，后面章節(jié)具體講述了兩者的概念和轉(zhuǎn)換方法。時鐘抖動一般規(guī)定在某個頻率范圍內(nèi)，該頻率通常偏離基本時鐘頻率10kHz到10MHz，并將其整合到一起獲取抖動信息。但是，低端的10kHz和高端的10MHz有時并非正確的計算邊界，右圖描述了設(shè)置正確整合限制的重要性，圖中的相位噪聲圖以每十倍頻抖動內(nèi)容覆蓋。如果將下限設(shè)定為100Hz偏移，上限設(shè)定為100MHz偏移，得到時鐘抖動將從205fs增大至726fs?？梢钥闯?，不同的頻率偏移上下限將產(chǎn)生較大差異的時鐘抖動數(shù)據(jù)。在實際設(shè)計過程中，頻率偏移的上下限設(shè)定遵循一定規(guī)則。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)包括分辨率、采樣率、孔徑抖動、信噪比、信納比、無雜散動態(tài)范圍、總諧波失真、采集時間、電源抑制比、時鐘壓擺率、串?dāng)_、微分非線性和積分非線性，掌握轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)對使用和設(shè)計轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。(1)分辨率N/ENOBADC分辨率用于表示模擬輸入信號的bit位數(shù)。提高分辨率可以更為準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)模擬信號。使用較高分辨率的ADC也能降低量化誤差。對于DAC，分辨率與此類似：DAC分辨率用于表示模擬輸出信號的bit位數(shù)，DAC的分辨率越高，增大編碼時在模擬輸出端產(chǎn)生的步進(jìn)越小。滿幅、正弦輸入波形的ENOB：對于較低的信號幅度，在計算ENOB時有必要增加一個校正系數(shù)：2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(4)信噪比SNRSNR是給定時間點有用信號幅度與噪聲幅度之比，該值越大越好。限制轉(zhuǎn)換器SNR的主要因素包括量化噪聲、時鐘抖動和熱噪聲，這3類因素導(dǎo)致的噪聲不相關(guān)，因此轉(zhuǎn)換器的總SNR可表示為

時鐘抖動由外部采樣時鐘抖動和內(nèi)部孔徑抖動構(gòu)成。熱噪聲在前面進(jìn)行了簡單介紹，熱噪聲是所有電子元件固有的一種現(xiàn)象，是電導(dǎo)體內(nèi)電荷物理運動的結(jié)果，即使不施加輸入信號，也能測得熱噪聲。熱噪聲通常服從高斯分布。熱噪聲屬于轉(zhuǎn)換器設(shè)計的函數(shù)，對于轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用設(shè)計人員基本無法影響器件的熱噪聲。2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(4)信噪比SNR對于較高分辨率的轉(zhuǎn)換器，其量化噪聲對整體SNR貢獻(xiàn)較小，整體SNR主要受時鐘抖動和熱噪聲限制。較高分辨率轉(zhuǎn)換器SNR受時鐘抖動和熱噪聲限制轉(zhuǎn)換器SNR估算舉例2.2射頻設(shè)計基礎(chǔ)2.2.5采樣轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)(5)信納比SINAD信納比(SINAD)是指信號滿幅均方根與所有其他頻譜成分(包括諧波但不含直流)的和方根的平均值之比。

相比SNR，SINAD可以更好的反應(yīng)轉(zhuǎn)換器的整體動態(tài)