射頻（RF）基本理論：定義、特性、調制、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(fā)生變化。

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

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）即給定單位時間內的波發(fā)生的周期數，單位為赫茲（Hz）。下圖表示的是頻率為10Hz的信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(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，因此經常被用來超視距雷達。而高頻電磁波能量高，穿透能力強，帶寬更高，現在也被用于一些視距內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. 調制

單純的電磁波是沒有意義的，為了達到通信的目的，我們需要對發(fā)射端的電磁波進行一些操作來達到承載數據的目的，這個操作就叫做調制。稍微學術一點，為了達到通信的目的，RF信號必須具有一種攜帶信息的方式，調制即利用三個波特性（頻率、相位、振幅）來達到修改RF信號、傳輸數據的目的。

調制又分為模擬調制和數字調制，下面分別介紹。

3.1 模擬調制

模擬調制包括發(fā)送帶有模擬載波的模擬數字信號，最簡單的模擬調制包括調幅（幅度），調頻（頻率），調相（相位）。

載波：被調制以傳輸信號的波形，通常為正弦波。

原始信號：

調幅（AM）: 基礎調幅過程: 調制信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：利用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率。

間接調頻：現將調制信號進行積分，然后對載波調相，最后通過n次倍頻器得到最后的調制信號。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(fā)生。通過調制數據信號可以將載波的相位往前或者向后挪移。

3.2 數字調制

數字調制指用數字信號對正弦或余弦高頻振蕩進行調制。最基本的調制方式包括：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）：用數字調制信號控制，可以通過改變幅度本身，也可以通過簡單地關閉、打開信號形成能量脈沖（開關鍵：OOK）。

頻率鍵控（FSK）：FSK用二進制數據調制載波的頻率，形成具有明顯變化的頻率來表示數據位。

移相鍵控（PSK）：用數字調制信號的正負控制載波相位，如，數字信號的振幅為正時，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，需要借用更復雜的調制形式，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制來進一步增加數據表示的維度，增加數據傳輸的效率。

正交幅度調制（QAM）：調制過程中，同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的比特編碼，將多進制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。

對于數字調制來說，采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(tài)表示為一個個離散的點，這些點根據不同的調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調制技術

以上所提及的所有數字調制方式，基本上都是通過IQ調制實現的（如何實現見Understanding I/Q Signals and Quadrature Modulation），I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）。IQ調制就是數據分為兩路，分別進行載波調制，兩路載波相互正交（相位相差90°）。

數字IQ調制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，數字調制完成后便可以得到相應的I 和 Q 波形，因此數字調制又稱為矢量調制。

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(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，常用于無線通信領域。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。