学了这些射频圈“黑话”，咱们就是射频人

射频指标通俗易懂的解释

甲乙两人在一起交谈，乙说：“你没有说清楚！”甲说：“你怎么听不明白呢？”其实本来说是一回事，听是另一回事；但说得特别清晰可以弥补听力的不足，同样，听的能力特別强，也可以降低对说话清晰度的要求。

那么怎样衡量无线通信系统“说、听”的能力呢？这里介绍一组收发相关的射频指标。

说，相当于无线通信系统的“发射”，说话的时候尽量只对着与你交流的人讲， 不要影响不相关的人，也就是说“不该说的尽量不说”；从发射的角度看，尽量发射信道带宽范围内的信号，不要发射到别的信道上或别的系统使用的频段上，否则会干扰其他信号。

衡量发射机带内辐射能力、带外抑制能力的主要指标就是邻道泄漏比和杂散辐射。

听，相当于无线通信系统的“接收”，听话的时候尽量只听与你交流的人说话,不要听和你不相关的人讲话，否则会分散你的注意力，影响你的听话效果，也就是说“不该听的尽量不听”；从接收机的角度看，尽量接收信道带宽范围内的信号，不要接收其他频率的信号，否则会影响接收效果。

衡量接收机带内接收能力、带外响应抑制能力的主耍指标就是接收灵敏度和杂散响应。

01邻道泄露比

【现象类比】读小学时，由于教室紧张，一年级和二年级在一个教室上课，由一个老师来教。一年级学生读课文出错，二年级的哗然大笑（邻道泄漏）；

二年级的被老师批评，一年级的就起哄（邻道泄漏）。一、二年级互相影响得非常厉害。为了减少一、二年级的互相影响，老师在他们中间加了一个 隔板（增加了保护带宽），这样相互影响就降低了很多。但看不着，有时候却能听得着，最后老师索性把隔板换成隔墙（隔离度又增加了），这样影响就降到了最低。

邻道泄漏是用来衡量射频器件对主工作频率外的信道的影响特性，或称带外辐射特性，就像一年级学生的嘈杂声可能会影响到二年级一样。当然这种影响越小越好。

邻道泄漏比(ACLR)是泄漏在邻逬的功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如图2-19所示。

邻道泄漏越小越好，邻道泄漏比的绝对值就应该越大越好。其值越大，表明主信道功率比池漏在邻道的功率大得越多，说明对邻道的影响越小。

WCDMA的要求是：笫一邻道（偏离载频±5MHz)的ACLR达到45dBc ;笫二邻道（偏离载频±10MHz)的ACLR达到50dBc。

02杂散辐射

【现象类比】我们的生活小区旁边有一个工地，彻夜灯火明亮。安装探照灯（工作带宽范围内的辐射）的主要目的是为了便于巡查，从而避免工地的各种物资丢失。可是探照灯太亮了，辐射到了我们小区（杂散辐射），影响了我们小区很多人的休息（杂散辐射必然带来干扰）。

射频发信机本应该在规定的频率范围内发送无线信号，即发射带内信号号；正如探照灯应该主要照射工地范围一样。由于射频发信机的内部元器件并非理想器件，存在或多或少的非线性，在发射无线信号的过程中，产生了很多非规定频率范围内的信号，即发生了杂散辐射，就像探照灯照到了旁边的生活小区。

射频发倍机发射了非自己频率范围的信号，就可能对其他通信系统造成干扰，就像工地的探照灯影响了旁边小区居民休息一样。

杂散辐射可能是一些非线性元器件产牛的谐波分量、交调信号等。为了防止一个系统的杂散辐射对其他无线通信系统造成干扰，需要提高系统的电磁兼容性能。在协议中都会规定这个系统的不同带外频率范围的最大杂散辐射水平，规定的形式一般都楚在一个频率范围内单位带宽最大允许的杂散辐射是多少dBm;

如协议上规定，WCDMA的发射机在150kHz〜30MHz范围内每10kHz带宽的杂散辐射不能超过-36dBm。

03底噪

系统底噪Pn，就是一个小区空闲时的噪声功率。任何用电设备都存在噪声，这个噪声主要来源是热噪声，其大小和开氏温度、带宽、设备的噪声系数有关。系统底噪的公式为：

Pn= 10lg(KTB) + NF = 10lg(KT) + 10lg(B) + NF = n0 + 10lg(B) + NF

其中：NF为接收机的噪卢系数；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度；B为信号带宽。

前面讲过，常温下噪声的功率谱密度n0是-174dBm/Hz,在WCDMA中带宽是 3.84MHz,而在TD-SCDMA中带宽B是1.28MHz。噪声系数NF基站一般取5dB，手机取7dB。WCDMA和TD-SCDMA系统底噪参考值如表2-1所示。

04接收灵敏度

【逻辑类比】猪八戒问孙悟空：“猴哥，我对高小姐那么好，却怎么越来越难让她高兴了？”

孙悟空说：“你对她的好估计没有达到她爱的接收灵敏度。”

猪八戒问：“什么叫爱的接收灵敏度？”

孙悟空说：“爱的接收灵敏度就是高小姐能够感觉到高兴的最小要求。”

猪八戒问：“这个灵敏度和什么有关系呢？”

孙悟空说：“和3个方面有关。第一：基本生活保障（热噪声，最起码的要求)，比如一天20元；

第二：环境系数（噪声系数)，就是高小姐周围人的费用高于基本生活保障的倍数，比如说3倍；

第三：高小姐最小幸福感倍数（信噪比要求），即高小姐感觉幸福要求最少应该比别人多得到的倍数，比如说2倍。”

猪八戒悟道：“也就是说高小姐爱的接收灵敏度应该这样计算：

高小姐爱的月接收灵敏度=基本保障 / 天 x 天数 x 环境系数 x 高小姐幸福感系数=20 x 30 x 3 x 2=3600元。这是高小姐的最低要求。”

孙悟空道：“如果换成对数关系，即用dB表示，就可以变成相加的关系， 即10lg (高小姐爱的月接收灵敏度）=10lg (基本保障 /天 x 天数）+10lg (环境系数）+10lg (高小姐幸福感系数）。”

接收灵敏度就是接收机能够止确地把有用信号拿出来的最小信号接收功率。它和3个因素奋关系，即带宽范围内的热噪声、系统的噪声系数、系统把有用信号拿出所需要的最小信噪比。带宽范围内的热噪声经过接收机，这些噪声被放大了NF倍，要想把有用信号从噪声中拿出来，就必须要求有用信号比噪声再大SNR倍。即：

S = 10lg(KTB) + NF + SNR = Pn + SNR (2-3)

其中：S为接收灵敏度，单位是dBm ；

K为波尔兹曼常数,单位J/K; T为绝对温度,单位K；

KT就是在当前温度下每Hz的热噪声功率（类似高小姐每天的基本保障）；

B表示信号带宽，单位Hz (类似高小姐基本保障的计算周期为一个月）；

KTB代表带宽范围内的热噪声功率（类似高小姐一个月的基本保障）；

NF表示系统的噪声系数,单位dB (类似环境系数)；

SNR表示解调所需信噪比，单位dB (类似高小姐的幸福感倍数）；

Pn表小系统底噪，单位dBm。

从式（2-3）可以看出，要想让接收机“听清楚”发射机“说的话”，信号电f强度一定要大于接收机的接收灵敏度S。当然接收灵敏度S越小，说明接收机的接收性能越好， 就像狗能听到人类听不到的微小声音，说明狗的听觉比人的灵敏度尚；接收灵敏度越大， 说明接收机的接收性能越差，就像有的老人耳聋，你需要用很大的声咅说话，他才能听到。

环境温度升灵敏度S就会变化，接收性能就会恶化，因此要尽最降低系统所在环境的温度。

带宽越大，系统的噪声系数越大，灵敏度S就会越大，接收性能也会恶化，这就要求在设计接收机的时候，要考虑到系统的带宽、噪声系数对灵敏度S的影响。

解调所需的最小信噪比越小越好，这样可以增加系统的接收性能。最小信噪比要求和移动台的速度、所处的无线环境及所耍求的通信质量有关，不同无线制式耍求不同， 同一无线线制式的不同业务也不相同。

05杂散响应

【现象类比】道德法庭审判B先生：“你为什么背叛自己的妻子？”（对杂散信号做出响应）

B先生委屈地说：“外面的富婆太有颜有财了！我无力抗拒。” (杂散信号很强）

道德法庭继续批判：“社会诱惑那么多，你都无法抗拒么？”（难道你对杂散信号总要响应么）

B先生仍然很委屈地说：“自从结婚后，我对妻子给我的一切越来越没有感觉，接收灵敏度越来越差，没有任何幸福感，反而对外面的美女比较感兴趣。” (确实存在杂散响应）

道德法庭总结道：“也就是说一方面是外面的诱惑太大（杂散信号强），另一方面是由于你本身的抗诱惑能力很差（存在杂散响应）。”

杂散响应也称寄生响应，就是在接收机中产生的，和接收到的有用信号频率相近的、 系统无法滤除的干扰信号。无线环境中存在很多干扰信号，人多数可以通过接收机的滤波器过滤掉，但有的接收机的抗杂散响应能力差，系统的后级滤波器是无法滤掉接收机本身产生的杂散响应的，就像B先生无法抵抗外面富婆的杂散诱惑，自己产生了杂散响应一样。

从系统接收的角度看，系统工作的频率范围内没有什么干扰，似由于环境的带外干扰太大，且本身的抗杂散响应能力弱，就会引起系统接收性能变差。

06什么是驻波、行波、行驻波？

【现象类比】什么叫行军？行军就是行动的军队、不断向前的军队（类似行波）。从行军道路的任一处看，通过的部队人数不为零。行动的军队突然碰上了一条河，长官命令原地踏步。虽然每个战士都在自己的位置上踏步。但是从道路的某一处看，没有人通过。我们把不再前进的军队称为驻军（类似驻波）。长官发现不远处有一个独木桥，于是命令2个人原路返回向上级汇报地形，其他人走向独木桥，这时有人返回，有人继续前进，但前进的人数明显多 于返回的人数（类似行驻波）。

什么是行波？

行波是行动的无线电波。无线电波在空气或射频器件中传播时，其波形不断向前推进，能量随波的传播而不断向前传递，传播介质的任何一处，通过的平均能量不为零，就像不断前行的队伍。

什么是驻波？

驻波就是不再继续推进的无线电波，虽然电波上的任何一点都在上下震动，但波形没有传播出去，就像原地踏步的队伍不再前进一样。两列波（如入射波与反射波）振幅和频率相同、传播方向相反，叠加后波形不向前推进，就是驻波。

无线电波的驻波大家不易看到，似海岸峭壁前可以看到水的驻波。前进的水波由于受到峭壁的限制，产生了反射水波，前进水波和反射水波叠加形成了水的驻波。水而作周期性升降，但并不向前传播。

什么是行驻波？

传输线在阻抗不匹配的情况下，同时存在入射波和反射波，就像有前进、有返回的队伍一样。反射波的振幅小于入射波，入射波和反射波相叠加，形成的合成波叫行驻波。

使用射频传输线传送无线电波的时候，我们需要尽可能多的电波能量传送出去，尽量少的能量停留在传输线上，以免造成过多的损耗。那么我们希望射频传输线里的无线电波最好是行波。但实际工程中，不会有这么理想的情况，射频传输线里的无线电波一 般都是接近行波的行驻波。驻波比、回波损耗等概念都是用来描述行驻波向前传送能量和往回反射能量多少的指标。

07什么是驻波比、回波损耗？

【现象类比】军队的运输线是用来传送后勤补给的路线。如果后勤补给距离很近，在同一个村子里，可以很容易把补给送达目的地，不会有什么损耗（传输线很短时，认为是导线，没有损耗）。但一般路线会很长，可能有各种各样的影响，比如干旱导致蔬菜水分蒸发、下雨导致粮食发霉等（当传输线远远大于其波长时，就不能认为没有损耗了）。

射频传输线是用来传输无线电波能量的导线，是射频器件之间的连接器。天线和基站机顶门之间的士:要传输线，称为馈线（Feeder)。为了匹配射频器件（主要足基站和天线）的接入端口,连接在馈线和射频器件端口之间几米内的传输线，称为跳线（Jumper)。

对比一下：电风扇的电源线长1m,居民用电的工作频率是50Hz,波长就是 6000km。这根传输线相对于波长是非常短的，可以认为线上各点的电压和电流是相同的，等效为电路中的一点，不需要考虑无线电波波动效应的影响，可以认为从电源到风扇是短路的。

但在无线通信中，使用的是超高频，也就是说无线信号的波长很短，3G无线制式的波长约为0.15m，一般来说，传输线的长度比信号的波长大很多，线上各点的电压和电流不再相间，所以射频传输线也叫长线传输线。常见的射频传输线有平行线、同轴线等。

选择传输线的时候要关注两个指标：衡量匹配程度的特性阻抗和衡量幅度衰减、相位偏移的传播常数。下面会重点介绍。

08什么是传输线的特性阻抗？

【现象类比】运输线的糟糕路况（类似传输线里的特性阻抗）会影响运输车队的速度，路越窄，路的阻碍作用越大（特性阻抗大，通过的无线电波能量就小）；路越宽、路况越好，通过的车队速度越快（通过的无线电波能量越多）。假若一段路况特别好，另一段路况特别差，从路况好的路段进入差的路段，车队就需要放慢速度。这就说明两段路的路况不匹配（阻抗不匹配）。

特征阻抗是射频传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性，等于各处的电压与电流的比值，用Z0表示。在射频电路中，电阻、电容、电感都会阻碍交变电流的流动，合称阻抗。电阻是吸收电磁能量的，理想电容和电感不消耗电磁能量。阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。

同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导休间介质的介电常数有关，而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。也就是说，射频传输线各处的电压和电流的比值是一记的，特征阻抗是不变的。

目前无线通信系统射频器件有两种特性阻抗：一种是50Ω，用于GSM、 WCDMA、LTE等系统；另一种是75Ω，用于有线电视系统，一般应用较少。

09什么是阻抗匹配？

【匹配类比】拳击手在训练时，使用的沙袋太重，打起来很不舒适；而太轻了，又感觉没有挑战。只有沙袋重量适当，使用起来才感觉顺手。

再举一个例子，我的母亲是个勤劳的裁缝，一次叫我给她递一下剪刀，我 把父亲常用的剪刀递给她，她马上说：“你爸的右手剪刀我用着不顺手，我是左撇子，把旁边那把左手剪刀递给我。”我才意识到，这两把剪刀外形一样， 却有左右手之分。手和剪刀不匹配，用得就不舒服。

传输线和射频器件相连时，要求二者阻抗匹配。阻抗匹配就是在分界处只有入射波，没有反射波；也就是传输线和射频器件在无线电波传送时如同没有分界面一样， 正如左手使用左手剪刀，虽然是两个事物在一起，感觉上没有任何不适。

那么，什么情况下，阻抗匹配呢？传输线所接射频器件的阻抗Z1等于传输线的特性阻抗Z0时，就是阻抗匹配了。匹配时，能够保证传输线的下一级射频器件得到全部的信号功率，而没有损失。

在选择射频器件的时候，一定要看各器件的特征阻抗是否匹配。衡量阻抗匹配程度 的参数有反射系数、回波损耗、反射损耗、驻波比、行波系数，等等，它们之间有一定 的关系，已知其中一个，能够推出其他几个。下面分別介绍。

10什么是反射系数？

【计算类比】高小姐跟八戒说：“你每月挣的钱得交给我，我根据情况返给你生活费。”八戒第一个月交给高小姐2000元(入射波)，高小姐返给八戒500元(反射波)，75%都被高小姐留下了，返回比例是25%(类似于反射系数)。

电压反射c系数就是指反射波电压和入射波电压幅度之比，记Γ。经过推导，电压反射系数的计算公式为：

当射频器件和传输线阻抗匹配（即Z1=Z0时，Γ=0,无线电波处于行波状态， 没有反射波；

在Z1=0或者Z1=∞的时候，Γ=1，反射波和入射波电压幅度完全相N, 属于全反射，无线电波处于驻波状态。

一般情况下，射频器件的阻抗Z1介于上述两种 条件之传输线上既有行波也有驻波，无线电波处于行驻波状态，反射系数的范围为 0〜1。

在射频器件安装调试时，我们希望器件的连接处尽量没有反射，即反射系数接 近0,这样无线电波在器件的连接处就可以全部传送过去，没有反射损耗。

一、Modulation/Switching Spectrum

回到GSM全球移动通信系统，Modulation Spectrum（调制谱）和Switching Spectrum（切换谱/开关谱）也是扮演邻道泄漏比（ACLR）相似的角色；

不同是它们的测量带宽不是GSM信号占用带宽；

从定义上看，可以认为调制谱是衡量同步系统之间的干扰，而切换谱是衡量非同步系统之间的干扰（事实上如果不对信号做gating，切换谱一定是会把调制谱淹没掉的）；

这就牵涉到另一个概念：GSM系统中，各小区之间是不同步的，虽然它用的是TDMA；而相比之下，TD-SCDMA和之后的TD-LTE，小区之间是同步的(那个飞碟形状或者球头的GPS天线永远是TDD系统摆脱不了的桎梏) ；

因小区间不同步，所以A小区上升沿/下降沿的功率泄漏可能落到B小区的payload部分，所以我们用切换谱来衡量此状态下发射机对邻信道的干扰;

而在整个577us的GSM timeslot里，上升沿／下降沿的占比毕竟很少，多数时候两个相邻小区的payload部分会在时间上交叠，评估这种情况下发射机对邻信道的干扰就可以参考调制谱。

二、SEM (Spectrum Emission Mask)

这是一个“带内指标”，与spurious emission区分开来，后者在广义上是包含了SEM的，但是着重看的其实是发射机工作频段之外的频谱泄漏，其引入也更多的是从EMC的角度；

SEM是提供一个“频谱模版”，然后在测量发射机带内频谱泄漏的时候，看有没有超出模版限值的点；可以说它与ACLR有关系，但是又不相同；

ACLR是考虑泄漏到邻近信道中的平均功率，所以它以信道带宽为测量带宽，它体现的是发射机在邻近信道内的“噪声底”；

SEM反映的是以较小的测量带宽（往往100kHz到1MHz）捕捉在邻近频段内的超标点，体现的是“以噪声底为基础的杂散发射”；

如果用频谱仪扫描SEM，可以看到邻信道上的杂散点会普遍的高出ACLR均值，所以如果ACLR指标本身没有余量，SEM就很容易超标；

反之SEM超标并不一定意味着ACLR不良，有一种常见的现象就是有LO的杂散或者某个时钟与LO调制分量（往往带宽很窄，类似点频）串入发射机链路，这时候即便ACLR很好，SEM也可能超标。

三、EVM（误差矢量）

EVM是一个矢量值，有幅度和角度，它衡量的是“实际信号与理想信号的误差”，这个量度可以有效表达发射信号的“质量”——实际信号的点距离理想信号越远，误差就越大，EVM的模值就越大。

四、为何发射信号的信噪比并不重要

第一是发射信号的SNR往往远远高于接收机解调所需要的SNR；

第二是我们计算接收灵敏度时参考的是接收机最恶劣的情况，即在经过大幅度空间衰落之后，发射机噪声早已淹没在自然噪声底之下，而有用信号也被衰减到接收机的解调门限附近；

但是发射机的“固有信噪比”在某些情况下是需要被考虑的，譬如近距离无线通信，典型的如802.11系列；

802.11系列演进到802.11ac的时候，已经引入了256QAM的调制，对于接收机而言，即便不考虑空间衰落，光是解调这样高阶的正交调制信号就已经需要很高的信噪比，EVM越差，SNR就越差，解调难度就越高；

做802.11系统的工程师，往往用EVM来衡量Tx线性度；而做3GPP系统的工程师，则喜欢用ACLR/ACPR/Spectrum来衡量Tx线性性能。

从起源上讲，3GPP是蜂窝通信的演进道路，从一开始就不得不关注邻信道、隔信道（adjacent channel, alternative channel）的干扰。换句话说，干扰是影响蜂窝通信速率的第一大障碍，所以3GPP在演进的过程中，总是以“干扰最小化”为目标的：GSM时代的跳频，UMTS时代的扩频，LTE时代RB概念的引入，都是如此；

而802.11系统是固定无线接入的演进，它是秉承TCP/IP协议精神而来，以“尽最大能力的服务”为目标，802.11中经常会有时分或者跳频的手段来实现多用户共存，而布网则比较灵活（毕竟以局域网为主），信道宽度也灵活可变。总的来说它对干扰并不敏感（或者说容忍度比较高）；

通俗的讲，就是蜂窝通信的起源是打电话，打不通电话用户会去电信局砸场子；802.11的起源是局域网，网络不好大概率是先耐着性子等等（其实这时候设备是在作纠错和重传）；

这就决定了3GPP系列必然以ACLR/ACPR一类“频谱再生”性能为指标，而802.11系列则可以以牺牲速率来适应网络环境；

具体说“以牺牲速率来适应网络环境”，指的802.11系列中以不同的调制阶数来应对传播条件：当接收机发现信号差，就立即通知对面的发射机降低调制阶数，反之亦然。前面提到过，802.11系统中SNR与EVM相关很大，很大程度上EVM降低可以提高SNR。这样就有两种途径改善接收性能：一是降低调制阶数，从而降低解调门限；二是降低发射机EVM，使得信号SNR提高；

因为EVM与接收机解调效果密切相关，所以802.11系统中以EVM来衡量发射机性能（类似的，3GPP定义的蜂窝系统中，ACPR/ACLR是主要影响网络性能的指标）；

又因为发射机对EVM的恶化主要因为非线性引起（譬如PA的AM-AM失真），所以EVM通常作为衡量发射机线性性能的标志。

五、EVM与ACPR/ACLR的关系

很难定义EVM与ACPR/ACLR的定量关系，从放大器的非线性来看，EVM与ACPR/ACLR应该是正相关的：放大器的AM-AM、AM-PM失真会扩大EVM，同时也是ACPR/ACLR的主要来源；

但是EVM与ACPR/ACLR并不总是正相关，我们这里可以找到一个很典型的例子：数字中频中常用的Clipping，即削峰。Clipping是削减发射信号的峰均比（PAR），峰值功率降低有助于降低通过PA之后的ACPR/ACLR；

但是Clipping同时会损害EVM，因为无论是限幅（加窗）还是用滤波器方法，都会对信号波形产生损伤，因而增大EVM。