射頻基本理論
- 2021 年 12 月 11 日
- 筆記
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1. 什麼是射頻
射頻簡稱RF，是高頻交流變化電磁波的簡稱。依據麥克斯韋的電磁場理論：振蕩的電場產生振蕩的磁場，振蕩的磁場產生振蕩的電場。電磁場在空間內不斷向外傳播，形成了電磁波。下圖可以大致體現體現這個過程，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生變化。
通常情況下，射頻（RF）是震蕩頻率在3KHz-300GHz之間的電磁波的統稱，被廣泛應用於雷達和無線通訊。
2. 射頻的基本特徵
為了描述給定射頻訊號，可以從頻率、波長、幅度、相位四個角度出發。
2.1 頻率和波長
電磁波的頻率即電磁場震蕩的頻率。波動具有周期，頻率（f）即給定單位時間內的波發生的周期數，單位為赫茲（Hz）。下圖表示的是頻率為10Hz的訊號單位時間內的波形。
波長（λ）即波在一個周期內傳播的距離，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，避免應用之間的互相干擾，規範RF的使用。由於衰減等因素影響，低頻電磁波一般能比高頻電磁波傳播更長的距離和更強的穿透能力，因此經常被用來超視距雷達。而高頻電磁波能量高，頻寬更高可以攜帶更多的資訊，現在也被用於一些視距內的通訊來緩解低頻段擁擠的問題，例如5G的mmWave通訊。
2.2 振幅
RF的振幅訊號即單個周期內電場振蕩變化的度量，對於正弦波，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. 調製
單純的電磁波是沒有意義的，為了達到通訊的目的，我們需要對發射端的電磁波進行一些操作來達到承載數據的目的，這個操作就叫做調製。稍微學術一點，為了達到通訊的目的，RF訊號必須具有一種攜帶資訊的方式，調製即利用三個波特性（頻率、相位、振幅）來達到修改RF訊號、傳輸數據的目的。
調製又分為模擬調製和數字調製，下面分別介紹。
3.1 模擬調製
模擬調製包括發送帶有模擬載波的模擬數字訊號，最簡單的模擬調製包括調幅（幅度），調頻（頻率），調相（相位）。
載波：
被調製以傳輸訊號的波形，通常為正弦波。
原始訊號：
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調幅（AM）:
基礎調幅過程: 調製訊號與載波的最大振幅相加，再與載波相乘，結果如下：
調頻（FM）：
直接調頻：利用調製訊號直接控制振蕩器的振蕩頻率。
間接調頻：現將調製訊號進行積分，然後對載波調相，最後通過n次倍頻器得到最後的調製訊號。調頻可以通過調相間接得到。
調相（PM）：
如間接調頻，調相和調頻經常一起發生。通過調製數據訊號可以將載波的相位往前或者向後挪移。
3.2 數字調製
數字調製指用數字訊號對正弦或餘弦高頻振蕩進行調製。最基本的調製方式包括：振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）。
抗干擾能力：PSK>FSK>ASK
（1）振幅鍵控（ASK）：
用數字調製訊號控制，可以通過改變幅度本身，也可以通過簡單地關閉、打開訊號形成能量脈衝（開關鍵：OOK）。
（2）頻率鍵控（FSK）：
FSK用二進位數據調製載波的頻率，形成具有明顯變化的頻率來表示數據位。
（3）移相鍵控（PSK）：
用數字調製訊號的正負控制載波相位，如，數字訊號的振幅為正時，載波起始相位取180°，為負時，相位取0°。
在高速系統中，以符號表示單個1或0的格式傳輸數字數據非常慢，為了提高數據傳輸的速度，需要借用更複雜的調製形式，用單個符號來表示幾個位。
（4）正交相移鍵控（QPSK）：
又稱四相相移鍵控，利用載波的4中不同相位差來表徵輸入，規定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。
要進行擴展也很容易，增加更多的相位點，就可以產生更多的符號，增加數據速率。
除了增加相位點，也可以通過增加幅度調製來進一步增加數據表示的維度，增加數據傳輸的效率。
（5）正交幅度調製（QAM）：
調製過程中，同時以載波訊號的幅度和相位來代表不同的比特編碼，將多進位與正交載波技術相結合，進一步提高頻帶利用率。下圖是16-QAM的示例圖。
對於數字調製來說，採用的是離散的數字量來控制載波相位和幅度的變化，因此其在極坐標上的狀態表示為一個個離散的點，這些點根據不同的調製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。
（6）I\Q調製技術
以上所提及的所有數字調製方式，基本上都是通過I\Q調製實現的，I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）。IQ調製就是數據分為兩路，分別進行載波調製，兩路載波相互正交（相位相差90°）。數字IQ調製完成了符號到矢量坐標系的映射，映射點一般稱為星座點，具有實部和虛部。該矢量坐標系也可以稱為IQ坐標系。
在IQ坐標系中，任何一點都確定了一個矢量，可以寫為(I + jQ)的形式，數字調製完成後便可以得到相應的I 和 Q 波形，因此數字調製又稱為矢量調製。
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上圖顯示了BPSK、QPSK、16-QAM、32-QAM的星座圖。一般情況下，訊號在星座圖上每個狀態承載的數據內容被稱為1個符號（Symbol），每個符號對應星座圖上的一個狀態，不同狀態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）是將傳輸訊號的頻譜（spectrum）打散到較其原始頻寬更寬的一種通訊技術，常用於無線通訊領域。擴頻具有以下優點：① 對各類雜訊如多徑失真具有免疫性；② 可用於隱藏和加密訊號。接收方必須知道擴頻碼，才可恢復原始訊號；③ 多個用戶可獨立使用同樣的較高頻寬，且幾乎無干擾。
目前主流的兩個擴頻技術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行選擇的多頻率頻移鍵控調製，使載波頻率不斷跳變。發送方用看似隨機的無線電頻率序列廣播資訊，並在固定時間間隔內從一個頻率跳到另一個頻率，接收方接收時也同步跳轉頻率。
Lora基於此技術。
4.2 直接序列擴頻（DSSS）
用高碼率的擴頻碼序列在發送方直接擴展訊號頻譜，而接收方則用相同擴頻碼序列進行解擴。
Wi-Fi協議802.11b就是基於此技術進行調製。
