射頻指標通俗易懂的解釋

甲乙兩人在一起交談，乙說：“你沒有說清楚！”甲說：“你怎么聽不明白呢？”其實本來說是一回事，聽是另一回事；但說得特別清晰可以彌補聽力的不足，同樣，聽的能力特別強，也可以降低對說話清晰度的要求。

那么怎樣衡量無線通信系統“說、聽”的能力呢？這里介紹一組收發相關的射頻指標。

說，相當于無線通信系統的“發射”，說話的時候盡量只對著與你交流的人講， 不要影響不相關的人，也就是說“不該說的盡量不說”；從發射的角度看，盡量發射信道帶寬范圍內的信號，不要發射到別的信道上或別的系統使用的頻段上，否則會干擾其他信號。

衡量發射機帶內輻射能力、帶外抑制能力的主要指標就是鄰道泄漏比和雜散輻射。

聽，相當于無線通信系統的“接收”，聽話的時候盡量只聽與你交流的人說話,不要聽和你不相關的人講話，否則會分散你的注意力，影響你的聽話效果，也就是說“不該聽的盡量不聽”；從接收機的角度看，盡量接收信道帶寬范圍內的信號，不要接收其他頻率的信號，否則會影響接收效果。

衡量接收機帶內接收能力、帶外響應抑制能力的主耍指標就是接收靈敏度和雜散響應。

01鄰道泄露比

【現象類比】讀小學時，由于教室緊張，一年級和二年級在一個教室上課，由一個老師來教。一年級學生讀課文出錯，二年級的嘩然大笑（鄰道泄漏）；

二年級的被老師批評，一年級的就起哄（鄰道泄漏）。一、二年級互相影響得非常厲害。為了減少一、二年級的互相影響，老師在他們中間加了一個 隔板（增加了保護帶寬），這樣相互影響就降低了很多。但看不著，有時候卻能聽得著，最后老師索性把隔板換成隔墻（隔離度又增加了），這樣影響就降到了最低。

鄰道泄漏是用來衡量射頻器件對主工作頻率外的信道的影響特性，或稱帶外輻射特性，就像一年級學生的嘈雜聲可能會影響到二年級一樣。當然這種影響越小越好。

鄰道泄漏比(ACLR)是泄漏在鄰逬的功率與主信道功率之比，通常用dBc表示，如圖2-19所示。

鄰道泄漏越小越好，鄰道泄漏比的絕對值就應該越大越好。其值越大，表明主信道功率比池漏在鄰道的功率大得越多，說明對鄰道的影響越小。

WCDMA的要求是：笫一鄰道（偏離載頻±5MHz)的ACLR達到45dBc ;笫二鄰道（偏離載頻±10MHz)的ACLR達到50dBc。

02雜散輻射

【現象類比】我們的生活小區旁邊有一個工地，徹夜燈火明亮。安裝探照燈（工作帶寬范圍內的輻射）的主要目的是為了便于巡查，從而避免工地的各種物資丟失。可是探照燈太亮了，輻射到了我們小區（雜散輻射），影響了我們小區很多人的休息（雜散輻射必然帶來干擾）。

射頻發信機本應該在規定的頻率范圍內發送無線信號，即發射帶內信號號；正如探照燈應該主要照射工地范圍一樣。由于射頻發信機的內部元器件并非理想器件，存在或多或少的非線性，在發射無線信號的過程中，產生了很多非規定頻率范圍內的信號，即發生了雜散輻射，就像探照燈照到了旁邊的生活小區。

射頻發倍機發射了非自己頻率范圍的信號，就可能對其他通信系統造成干擾，就像工地的探照燈影響了旁邊小區居民休息一樣。

雜散輻射可能是一些非線性元器件產牛的諧波分量、交調信號等。為了防止一個系統的雜散輻射對其他無線通信系統造成干擾，需要提高系統的電磁兼容性能。在協議中都會規定這個系統的不同帶外頻率范圍的最大雜散輻射水平，規定的形式一般都楚在一個頻率范圍內單位帶寬最大允許的雜散輻射是多少dBm;

如協議上規定，WCDMA的發射機在150kHz?30MHz范圍內每10kHz帶寬的雜散輻射不能超過-36dBm。

03底噪

系統底噪Pn，就是一個小區空閑時的噪聲功率。任何用電設備都存在噪聲，這個噪聲主要來源是熱噪聲，其大小和開氏溫度、帶寬、設備的噪聲系數有關。系統底噪的公式為：

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

其中：NF為接收機的噪盧系數；K為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；B為信號帶寬。

前面講過，常溫下噪聲的功率譜密度n0是-174dBm/Hz,在WCDMA中帶寬是 3.84MHz,而在TD-SCDMA中帶寬B是1.28MHz。噪聲系數NF基站一般取5dB，手機取7dB。WCDMA和TD-SCDMA系統底噪參考值如表2-1所示。

04接收靈敏度

【邏輯類比】豬八戒問孫悟空：“猴哥，我對高小姐那么好，卻怎么越來越難讓她高興了？”

孫悟空說：“你對她的好估計沒有達到她愛的接收靈敏度。”

豬八戒問：“什么叫愛的接收靈敏度？”

孫悟空說：“愛的接收靈敏度就是高小姐能夠感覺到高興的最小要求。”

豬八戒問：“這個靈敏度和什么有關系呢？”

孫悟空說：“和3個方面有關。第一：基本生活保障（熱噪聲，最起碼的要求)，比如一天20元；

第二：環境系數（噪聲系數)，就是高小姐周圍人的費用高于基本生活保障的倍數，比如說3倍；

第三：高小姐最小幸福感倍數（信噪比要求），即高小姐感覺幸福要求最少應該比別人多得到的倍數，比如說2倍。”

豬八戒悟道：“也就是說高小姐愛的接收靈敏度應該這樣計算：

高小姐愛的月接收靈敏度=基本保障 / 天 x 天數 x 環境系數 x 高小姐幸福感系數=20 x 30 x 3 x 2=3600元。這是高小姐的最低要求。”

孫悟空道：“如果換成對數關系，即用dB表示，就可以變成相加的關系， 即10lg (高小姐愛的月接收靈敏度）=10lg (基本保障 /天 x 天數）+10lg (環境系數）+10lg (高小姐幸福感系數）。”

接收靈敏度就是接收機能夠止確地把有用信號拿出來的最小信號接收功率。它和3個因素奮關系，即帶寬范圍內的熱噪聲、系統的噪聲系數、系統把有用信號拿出所需要的最小信噪比。帶寬范圍內的熱噪聲經過接收機，這些噪聲被放大了NF倍，要想把有用信號從噪聲中拿出來，就必須要求有用信號比噪聲再大SNR倍。即：

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

其中：S為接收靈敏度，單位是dBm ；

K為波爾茲曼常數,單位J/K; T為絕對溫度,單位K；

KT就是在當前溫度下每Hz的熱噪聲功率（類似高小姐每天的基本保障）；

B表示信號帶寬，單位Hz (類似高小姐基本保障的計算周期為一個月）；

KTB代表帶寬范圍內的熱噪聲功率（類似高小姐一個月的基本保障）；

NF表示系統的噪聲系數,單位dB (類似環境系數)；

SNR表示解調所需信噪比，單位dB (類似高小姐的幸福感倍數）；

Pn表小系統底噪，單位dBm。

從式（2-3）可以看出，要想讓接收機“聽清楚”發射機“說的話”，信號電f強度一定要大于接收機的接收靈敏度S。當然接收靈敏度S越小，說明接收機的接收性能越好， 就像狗能聽到人類聽不到的微小聲音，說明狗的聽覺比人的靈敏度尚；接收靈敏度越大， 說明接收機的接收性能越差，就像有的老人耳聾，你需要用很大的聲咅說話，他才能聽到。

環境溫度升靈敏度S就會變化，接收性能就會惡化，因此要盡最降低系統所在環境的溫度。

帶寬越大，系統的噪聲系數越大，靈敏度S就會越大，接收性能也會惡化，這就要求在設計接收機的時候，要考慮到系統的帶寬、噪聲系數對靈敏度S的影響。

解調所需的最小信噪比越小越好，這樣可以增加系統的接收性能。最小信噪比要求和移動臺的速度、所處的無線環境及所耍求的通信質量有關，不同無線制式耍求不同， 同一無線線制式的不同業務也不相同。

05雜散響應

【現象類比】道德法庭審判B先生：“你為什么背叛自己的妻子？”（對雜散信號做出響應）

B先生委屈地說：“外面的富婆太有顏有財了！我無力抗拒。” (雜散信號很強）

道德法庭繼續批判：“社會誘惑那么多，你都無法抗拒么？”（難道你對雜散信號總要響應么）

B先生仍然很委屈地說：“自從結婚后，我對妻子給我的一切越來越沒有感覺，接收靈敏度越來越差，沒有任何幸福感，反而對外面的美女比較感興趣。” (確實存在雜散響應）

道德法庭總結道：“也就是說一方面是外面的誘惑太大（雜散信號強），另一方面是由于你本身的抗誘惑能力很差（存在雜散響應）。”

雜散響應也稱寄生響應，就是在接收機中產生的，和接收到的有用信號頻率相近的、 系統無法濾除的干擾信號。無線環境中存在很多干擾信號，人多數可以通過接收機的濾波器過濾掉，但有的接收機的抗雜散響應能力差，系統的后級濾波器是無法濾掉接收機本身產生的雜散響應的，就像B先生無法抵抗外面富婆的雜散誘惑，自己產生了雜散響應一樣。

從系統接收的角度看，系統工作的頻率范圍內沒有什么干擾，似由于環境的帶外干擾太大，且本身的抗雜散響應能力弱，就會引起系統接收性能變差。

06什么是駐波、行波、行駐波？

【現象類比】什么叫行軍？行軍就是行動的軍隊、不斷向前的軍隊（類似行波）。從行軍道路的任一處看，通過的部隊人數不為零。行動的軍隊突然碰上了一條河，長官命令原地踏步。雖然每個戰士都在自己的位置上踏步。但是從道路的某一處看，沒有人通過。我們把不再前進的軍隊稱為駐軍（類似駐波）。長官發現不遠處有一個獨木橋，于是命令2個人原路返回向上級匯報地形，其他人走向獨木橋，這時有人返回，有人繼續前進，但前進的人數明顯多 于返回的人數（類似行駐波）。

什么是行波？

行波是行動的無線電波。無線電波在空氣或射頻器件中傳播時，其波形不斷向前推進，能量隨波的傳播而不斷向前傳遞，傳播介質的任何一處，通過的平均能量不為零，就像不斷前行的隊伍。

什么是駐波？

駐波就是不再繼續推進的無線電波，雖然電波上的任何一點都在上下震動，但波形沒有傳播出去，就像原地踏步的隊伍不再前進一樣。兩列波（如入射波與反射波）振幅和頻率相同、傳播方向相反，疊加后波形不向前推進，就是駐波。

無線電波的駐波大家不易看到，似海岸峭壁前可以看到水的駐波。前進的水波由于受到峭壁的限制，產生了反射水波，前進水波和反射水波疊加形成了水的駐波。水而作周期性升降，但并不向前傳播。

什么是行駐波？

傳輸線在阻抗不匹配的情況下，同時存在入射波和反射波，就像有前進、有返回的隊伍一樣。反射波的振幅小于入射波，入射波和反射波相疊加，形成的合成波叫行駐波。

使用射頻傳輸線傳送無線電波的時候，我們需要盡可能多的電波能量傳送出去，盡量少的能量停留在傳輸線上，以免造成過多的損耗。那么我們希望射頻傳輸線里的無線電波最好是行波。但實際工程中，不會有這么理想的情況，射頻傳輸線里的無線電波一 般都是接近行波的行駐波。駐波比、回波損耗等概念都是用來描述行駐波向前傳送能量和往回反射能量多少的指標。

07什么是駐波比、回波損耗？

【現象類比】軍隊的運輸線是用來傳送后勤補給的路線。如果后勤補給距離很近，在同一個村子里，可以很容易把補給送達目的地，不會有什么損耗（傳輸線很短時，認為是導線，沒有損耗）。但一般路線會很長，可能有各種各樣的影響，比如干旱導致蔬菜水分蒸發、下雨導致糧食發霉等（當傳輸線遠遠大于其波長時，就不能認為沒有損耗了）。

射頻傳輸線是用來傳輸無線電波能量的導線，是射頻器件之間的連接器。天線和基站機頂門之間的士:要傳輸線，稱為饋線（Feeder)。為了匹配射頻器件（主要足基站和天線）的接入端口,連接在饋線和射頻器件端口之間幾米內的傳輸線，稱為跳線（Jumper)。

對比一下：電風扇的電源線長1m,居民用電的工作頻率是50Hz,波長就是 6000km。這根傳輸線相對于波長是非常短的，可以認為線上各點的電壓和電流是相同的，等效為電路中的一點，不需要考慮無線電波波動效應的影響，可以認為從電源到風扇是短路的。

但在無線通信中，使用的是超高頻，也就是說無線信號的波長很短，3G無線制式的波長約為0.15m，一般來說，傳輸線的長度比信號的波長大很多，線上各點的電壓和電流不再相間，所以射頻傳輸線也叫長線傳輸線。常見的射頻傳輸線有平行線、同軸線等。

選擇傳輸線的時候要關注兩個指標：衡量匹配程度的特性阻抗和衡量幅度衰減、相位偏移的傳播常數。下面會重點介紹。

08什么是傳輸線的特性阻抗？

【現象類比】運輸線的糟糕路況（類似傳輸線里的特性阻抗）會影響運輸車隊的速度，路越窄，路的阻礙作用越大（特性阻抗大，通過的無線電波能量就小）；路越寬、路況越好，通過的車隊速度越快（通過的無線電波能量越多）。假若一段路況特別好，另一段路況特別差，從路況好的路段進入差的路段，車隊就需要放慢速度。這就說明兩段路的路況不匹配（阻抗不匹配）。

特征阻抗是射頻傳輸線影響無線電波電壓、電流的幅值和相位變化的固有特性，等于各處的電壓與電流的比值，用Z0表示。在射頻電路中，電阻、電容、電感都會阻礙交變電流的流動，合稱阻抗。電阻是吸收電磁能量的，理想電容和電感不消耗電磁能量。阻抗合起來影響無線電波電壓、電流的幅值和相位。

同軸電纜的特性阻抗和導體內、外直徑大小及導休間介質的介電常數有關，而與工作頻率傳輸線所接的射頻器件以及傳輸線長短無關。也就是說，射頻傳輸線各處的電壓和電流的比值是一記的，特征阻抗是不變的。

目前無線通信系統射頻器件有兩種特性阻抗：一種是50Ω，用于GSM、 WCDMA、LTE等系統；另一種是75Ω，用于有線電視系統，一般應用較少。

09什么是阻抗匹配？

【匹配類比】拳擊手在訓練時，使用的沙袋太重，打起來很不舒適；而太輕了，又感覺沒有挑戰。只有沙袋重量適當，使用起來才感覺順手。

再舉一個例子，我的母親是個勤勞的裁縫，一次叫我給她遞一下剪刀，我 把父親常用的剪刀遞給她，她馬上說：“你爸的右手剪刀我用著不順手，我是左撇子，把旁邊那把左手剪刀遞給我。”我才意識到，這兩把剪刀外形一樣， 卻有左右手之分。手和剪刀不匹配，用得就不舒服。

傳輸線和射頻器件相連時，要求二者阻抗匹配。阻抗匹配就是在分界處只有入射波，沒有反射波；也就是傳輸線和射頻器件在無線電波傳送時如同沒有分界面一樣， 正如左手使用左手剪刀，雖然是兩個事物在一起，感覺上沒有任何不適。

那么，什么情況下，阻抗匹配呢？傳輸線所接射頻器件的阻抗Z1等于傳輸線的特性阻抗Z0時，就是阻抗匹配了。匹配時，能夠保證傳輸線的下一級射頻器件得到全部的信號功率，而沒有損失。

在選擇射頻器件的時候，一定要看各器件的特征阻抗是否匹配。衡量阻抗匹配程度 的參數有反射系數、回波損耗、反射損耗、駐波比、行波系數，等等，它們之間有一定 的關系，已知其中一個，能夠推出其他幾個。下面分別介紹。

10什么是反射系數？

【計算類比】高小姐跟八戒說：“你每月掙的錢得交給我，我根據情況返給你生活費。”八戒第一個月交給高小姐2000元(入射波)，高小姐返給八戒500元(反射波)，75%都被高小姐留下了，返回比例是25%(類似于反射系數)。

電壓反射c系數就是指反射波電壓和入射波電壓幅度之比，記Γ。經過推導，電壓反射系數的計算公式為：

當射頻器件和傳輸線阻抗匹配（即Z1=Z0時，Γ=0,無線電波處于行波狀態， 沒有反射波；

在Z1=0或者Z1=∞的時候，Γ=1，反射波和入射波電壓幅度完全相N, 屬于全反射，無線電波處于駐波狀態。

一般情況下，射頻器件的阻抗Z1介于上述兩種 條件之傳輸線上既有行波也有駐波，無線電波處于行駐波狀態，反射系數的范圍為 0?1。

在射頻器件安裝調試時，我們希望器件的連接處盡量沒有反射，即反射系數接 近0,這樣無線電波在器件的連接處就可以全部傳送過去，沒有反射損耗。

一、Modulation/Switching Spectrum

回到GSM全球移動通信系統，Modulation Spectrum（調制譜）和Switching Spectrum（切換譜/開關譜）也是扮演鄰道泄漏比（ACLR）相似的角色；

不同是它們的測量帶寬不是GSM信號占用帶寬；

從定義上看，可以認為調制譜是衡量同步系統之間的干擾，而切換譜是衡量非同步系統之間的干擾（事實上如果不對信號做gating，切換譜一定是會把調制譜淹沒掉的）；

這就牽涉到另一個概念：GSM系統中，各小區之間是不同步的，雖然它用的是TDMA；而相比之下，TD-SCDMA和之后的TD-LTE，小區之間是同步的(那個飛碟形狀或者球頭的GPS天線永遠是TDD系統擺脫不了的桎梏) ；

因小區間不同步，所以A小區上升沿/下降沿的功率泄漏可能落到B小區的payload部分，所以我們用切換譜來衡量此狀態下發射機對鄰信道的干擾;

而在整個577us的GSM timeslot里，上升沿／下降沿的占比畢竟很少，多數時候兩個相鄰小區的payload部分會在時間上交疊，評估這種情況下發射機對鄰信道的干擾就可以參考調制譜。

二、SEM (Spectrum Emission Mask)

這是一個“帶內指標”，與spurious emission區分開來，后者在廣義上是包含了SEM的，但是著重看的其實是發射機工作頻段之外的頻譜泄漏，其引入也更多的是從EMC的角度；

SEM是提供一個“頻譜模版”，然后在測量發射機帶內頻譜泄漏的時候，看有沒有超出模版限值的點；可以說它與ACLR有關系，但是又不相同；

ACLR是考慮泄漏到鄰近信道中的平均功率，所以它以信道帶寬為測量帶寬，它體現的是發射機在鄰近信道內的“噪聲底”；

SEM反映的是以較小的測量帶寬（往往100kHz到1MHz）捕捉在鄰近頻段內的超標點，體現的是“以噪聲底為基礎的雜散發射”；

如果用頻譜儀掃描SEM，可以看到鄰信道上的雜散點會普遍的高出ACLR均值，所以如果ACLR指標本身沒有余量，SEM就很容易超標；

反之SEM超標并不一定意味著ACLR不良，有一種常見的現象就是有LO的雜散或者某個時鐘與LO調制分量（往往帶寬很窄，類似點頻）串入發射機鏈路，這時候即便ACLR很好，SEM也可能超標。

三、EVM（誤差矢量）

EVM是一個矢量值，有幅度和角度，它衡量的是“實際信號與理想信號的誤差”，這個量度可以有效表達發射信號的“質量”——實際信號的點距離理想信號越遠，誤差就越大，EVM的模值就越大。

四、為何發射信號的信噪比并不重要

第一是發射信號的SNR往往遠遠高于接收機解調所需要的SNR；

第二是我們計算接收靈敏度時參考的是接收機最惡劣的情況，即在經過大幅度空間衰落之后，發射機噪聲早已淹沒在自然噪聲底之下，而有用信號也被衰減到接收機的解調門限附近；

但是發射機的“固有信噪比”在某些情況下是需要被考慮的，譬如近距離無線通信，典型的如802.11系列；

802.11系列演進到802.11ac的時候，已經引入了256QAM的調制，對于接收機而言，即便不考慮空間衰落，光是解調這樣高階的正交調制信號就已經需要很高的信噪比，EVM越差，SNR就越差，解調難度就越高；

做802.11系統的工程師，往往用EVM來衡量Tx線性度；而做3GPP系統的工程師，則喜歡用ACLR/ACPR/Spectrum來衡量Tx線性性能。

從起源上講，3GPP是蜂窩通信的演進道路，從一開始就不得不關注鄰信道、隔信道（adjacent channel, alternative channel）的干擾。換句話說，干擾是影響蜂窩通信速率的第一大障礙，所以3GPP在演進的過程中，總是以“干擾最小化”為目標的：GSM時代的跳頻，UMTS時代的擴頻，LTE時代RB概念的引入，都是如此；

而802.11系統是固定無線接入的演進，它是秉承TCP/IP協議精神而來，以“盡最大能力的服務”為目標，802.11中經常會有時分或者跳頻的手段來實現多用戶共存，而布網則比較靈活（畢竟以局域網為主），信道寬度也靈活可變。總的來說它對干擾并不敏感（或者說容忍度比較高）；

通俗的講，就是蜂窩通信的起源是打電話，打不通電話用戶會去電信局砸場子；802.11的起源是局域網，網絡不好大概率是先耐著性子等等（其實這時候設備是在作糾錯和重傳）；

這就決定了3GPP系列必然以ACLR/ACPR一類“頻譜再生”性能為指標，而802.11系列則可以以犧牲速率來適應網絡環境；

具體說“以犧牲速率來適應網絡環境”，指的802.11系列中以不同的調制階數來應對傳播條件：當接收機發現信號差，就立即通知對面的發射機降低調制階數，反之亦然。前面提到過，802.11系統中SNR與EVM相關很大，很大程度上EVM降低可以提高SNR。這樣就有兩種途徑改善接收性能：一是降低調制階數，從而降低解調門限；二是降低發射機EVM，使得信號SNR提高；

因為EVM與接收機解調效果密切相關，所以802.11系統中以EVM來衡量發射機性能（類似的，3GPP定義的蜂窩系統中，ACPR/ACLR是主要影響網絡性能的指標）；

又因為發射機對EVM的惡化主要因為非線性引起（譬如PA的AM-AM失真），所以EVM通常作為衡量發射機線性性能的標志。

五、EVM與ACPR/ACLR的關系

很難定義EVM與ACPR/ACLR的定量關系，從放大器的非線性來看，EVM與ACPR/ACLR應該是正相關的：放大器的AM-AM、AM-PM失真會擴大EVM，同時也是ACPR/ACLR的主要來源；

但是EVM與ACPR/ACLR并不總是正相關，我們這里可以找到一個很典型的例子：數字中頻中常用的Clipping，即削峰。Clipping是削減發射信號的峰均比（PAR），峰值功率降低有助于降低通過PA之后的ACPR/ACLR；

但是Clipping同時會損害EVM，因為無論是限幅（加窗）還是用濾波器方法，都會對信號波形產生損傷，因而增大EVM。