射頻（RF）基本理論：定義、特性、調(diào)制、擴頻

1. 什么是射頻？

射頻簡稱RF，是高頻交流變化電磁波的簡稱。電磁波其實就是比較熟悉的概念了。依據(jù)麥克斯韋的電磁場理論：振蕩的電場產(chǎn)生振蕩的磁場，振蕩的磁場產(chǎn)生振蕩的電場。電磁場在空間內(nèi)不斷向外傳播，形成了電磁波。下圖可以大致體現(xiàn)體現(xiàn)這個過程，E代表電場，B代表磁場。在軸上同一位置的電場、磁場的相位和幅度均會隨著時間發(fā)生變化。

通常情況下，射頻（RF）是振蕩頻率在300KHz-300GHz之間的電磁波的統(tǒng)稱，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和無線通信。

2. 射頻基本特征

為了描述給定射頻信號，可以從頻率、波長、幅度、相位四個角度出發(fā)。

2.1 頻率和波長

電磁波的頻率即電磁場振蕩的頻率。波動具有周期，頻率（f）即給定單位時間內(nèi)的波發(fā)生的周期數(shù)，單位為赫茲（Hz）。下圖表示的是頻率為10Hz的信號單位時間內(nèi)的波形。

波長（λ）即波在一個周期內(nèi)傳播的距離，在傳播速度一定的情況下，波長與頻率成反比，即，λ = c / f。

相似頻率的RF之間會相互干擾，因此有專門管理頻譜的組織來分配使用頻段，避免應(yīng)用之間的互相干擾，規(guī)范RF的使用。

由于衰減等因素影響，低頻電磁波一般能比高頻電磁波傳播更長的距離，因此經(jīng)常被用來超視距雷達(dá)。而高頻電磁波能量高，穿透能力強，帶寬更高，現(xiàn)在也被用于一些視距內(nèi)的通信來緩解低頻段擁擠的問題，例如mmWave通信。

2.2 振幅

RF的振幅信號即單個周期內(nèi)電場振蕩變化的度量，對于正弦波，可以用峰值①、峰-峰值②、均方根值來表示③。

2.3 相位

相位即波周期中單個時間點的位置，在正弦波中通常用弧度表示。

3. 調(diào)制

單純的電磁波是沒有意義的，為了達(dá)到通信的目的，我們需要對發(fā)射端的電磁波進(jìn)行一些操作來達(dá)到承載數(shù)據(jù)的目的，這個操作就叫做調(diào)制。稍微學(xué)術(shù)一點，為了達(dá)到通信的目的，RF信號必須具有一種攜帶信息的方式，調(diào)制即利用三個波特性（頻率、相位、振幅）來達(dá)到修改RF信號、傳輸數(shù)據(jù)的目的。

調(diào)制又分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，下面分別介紹。

3.1 模擬調(diào)制

模擬調(diào)制包括發(fā)送帶有模擬載波的模擬數(shù)字信號，最簡單的模擬調(diào)制包括調(diào)幅（幅度），調(diào)頻（頻率），調(diào)相（相位）。

載波：被調(diào)制以傳輸信號的波形，通常為正弦波。

原始信號：

調(diào)幅（AM）: 基礎(chǔ)調(diào)幅過程: 調(diào)制信號與載波的最大振幅相加，再與載波相乘，結(jié)果如下：

調(diào)頻（FM）：

直接調(diào)頻：利用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率。

間接調(diào)頻：現(xiàn)將調(diào)制信號進(jìn)行積分，然后對載波調(diào)相，最后通過n次倍頻器得到最后的調(diào)制信號。調(diào)頻可以通過調(diào)相間接得到。

調(diào)相（PM）：如間接調(diào)頻，調(diào)相和調(diào)頻經(jīng)常一起發(fā)生。通過調(diào)制數(shù)據(jù)信號可以將載波的相位往前或者向后挪移。

3.2 數(shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制指用數(shù)字信號對正弦或余弦高頻振蕩進(jìn)行調(diào)制。最基本的調(diào)制方式包括：振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）。

抗干擾能力：PSK>FSK>ASK

振幅鍵控（ASK）：用數(shù)字調(diào)制信號控制，可以通過改變幅度本身，也可以通過簡單地關(guān)閉、打開信號形成能量脈沖（開關(guān)鍵：OOK）。

頻率鍵控（FSK）：FSK用二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制載波的頻率，形成具有明顯變化的頻率來表示數(shù)據(jù)位。

移相鍵控（PSK）：用數(shù)字調(diào)制信號的正負(fù)控制載波相位，如，數(shù)字信號的振幅為正時，載波起始相位取180°，為負(fù)時，相位取0°。

在高速系統(tǒng)中，以符號表示單個1或0的格式傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)非常慢，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋枰栌酶鼜?fù)雜的調(diào)制形式，用單個符號來表示幾個位。

正交相移鍵控（QPSK）：又稱四相相移鍵控，利用載波的4中不同相位差來表征輸入，規(guī)定45°/135°/225°/275°四種載波相位，每種相位代表兩個bit的組合，如圖所示。

要進(jìn)行擴展也很容易，增加更多的相位點，就可以產(chǎn)生更多的符號，增加數(shù)據(jù)速率。

除了增加相位點，也可以通過增加幅度調(diào)制來進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)表示的維度，增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

正交幅度調(diào)制（QAM）：調(diào)制過程中，同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的比特編碼，將多進(jìn)制與正交載波技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高頻帶利用率。下圖是16-QAM的示例圖。

對于數(shù)字調(diào)制來說，采用的是離散的數(shù)字量來控制載波相位和幅度的變化，因此其在極坐標(biāo)上的狀態(tài)表示為一個個離散的點，這些點根據(jù)不同的調(diào)制方式而組成不同的圖案，這些圖案有時又稱為星座圖（Constellation）。上圖即為16-QAM的星座圖。

IQ調(diào)制技術(shù)

以上所提及的所有數(shù)字調(diào)制方式，基本上都是通過IQ調(diào)制實現(xiàn)的（如何實現(xiàn)見Understanding I/Q Signals and Quadrature Modulation），I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）。IQ調(diào)制就是數(shù)據(jù)分為兩路，分別進(jìn)行載波調(diào)制，兩路載波相互正交（相位相差90°）。

數(shù)字IQ調(diào)制完成了符號到矢量坐標(biāo)系的映射，映射點一般稱為星座點，具有實部和虛部。該矢量坐標(biāo)系也可以稱為IQ坐標(biāo)系。

在IQ坐標(biāo)系中，任何一點都確定了一個矢量，可以寫為(I + jQ)的形式，數(shù)字調(diào)制完成后便可以得到相應(yīng)的I 和 Q 波形，因此數(shù)字調(diào)制又稱為矢量調(diào)制。

上圖顯示了BPSK、QPSK、16-QAM、32-QAM的星座圖。一般情況下，信號在星座圖上每個狀態(tài)承載的數(shù)據(jù)內(nèi)容被稱為1個符號（Symbol），每個符號對應(yīng)星座圖上的一個狀態(tài)，不同狀態(tài)間的變化速率就叫做符號速率（Symbol Rate），有時又稱為波特率（Baud Rate）。

4. 擴頻

擴頻（Spread Spectrum，SS）是將傳輸信號的頻譜（spectrum）打散到較其原始帶寬更寬的一種通信技術(shù)，常用于無線通信領(lǐng)域。擴頻具有以下優(yōu)點：① 對各類噪聲如多徑失真具有免疫性；② 可用于隱藏和加密信號。接收方必須知道擴頻碼，才可恢復(fù)原始信號；③ 多個用戶可獨立使用同樣的較高帶寬，且?guī)缀鯚o干擾。

目前主流的兩個擴頻技術(shù)是跳頻擴頻和直接序列擴頻。

4.1 跳頻擴頻（FHSS）

用一定的擴頻碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷跳變。發(fā)送方用看似隨機的無線電頻率序列廣播信息，并在固定時間間隔內(nèi)從一個頻率跳到另一個頻率，接收方接收時也同步跳轉(zhuǎn)頻率。