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1、射频基础知识及常见硬件故障射频基础知识及常见硬件故障吴斌,2011.03苏通服维易科技服务分公司技术部前言前言l射频子系统位于整个无线设备的最前端，是整个无线系统正常运行的关键环节之一。本胶片主要讲述射频基本概念和知识，以便大家更加深入理解WLAN无线通信系统硬件（也包含其他无线通信系统）。l简要介绍WLAN AP常见故障类型课程目标课程目标l熟悉掌握一些射频基本概念和知识熟悉掌握一些射频基本概念和知识l了解了解WLAN AP一些故障及处理方法一些故障及处理方法课程内容课程内容T第一章第一章 无线通信的基本概念无线通信的基本概念第二章第二章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介第三章第三章
2、 射频常用概念辨析射频常用概念辨析第四章第四章 WLAN AP常见故障常见故障第一章第一章 无线通信的基本概念无线通信的基本概念l第二节第二节 无线通信的电磁波传播无线通信的电磁波传播无线通信使用的频段和波段无线通信使用的频段和波段l目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段（包括亚毫米波以下），以至光波。无线通信使用的频率范围和波段见下表1-1：无线通信使用的电磁波的频率范围和波段频段名称频率范围波段名称波长范围极低频（ELF）330Hz极长波10010Mm（108107m）超低频（SLF）30300Hz超长波101Mm（107106m）特低频（ULF）3003000Hz特长波10001
3、00km（106105m）甚低频（VLF）330kHz甚长波10010km（105104m）低频（LF）30300kHz长波101km（104103m）中频（MF）3003000kHz中波1000100m（103102m）高频（HF）330MHz短波10010m（10210m）甚高频（VHF）30300MHz超短波（米波）101m特高频（UHF）3003000MHz微波分米波10.1m（110-1m）超高频（SHF）330GHz厘米波101cm（10-110-2m）极高频（EHF）30300GHz毫米波101mm（10-210-3m）至高频（THF）3003000GHz亚毫米波10.1mm（1
4、0-310-4m）光波310-3310-5mm（310-6310-8m）无线通信使用的频段和波段无线通信使用的频段和波段l表 1-2 无线通信中所使用的部分微波波段的名称由于种种原因，在一些欧、美、日等西方国家常常把部分微波波段分为L、S、C、X、Ku、K、Ka等波段（或称子波段），具体如表1 - 2所示。第一章第一章 无线通信的基本概念无线通信的基本概念 无线通信的电磁波传输无线通信的电磁波传输无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点：无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点： 极长波（极低频ELF）传播l极长波是指波长为110万公里（频率为330Hz）的电磁波。理论
5、研究表明，这一波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小。 超长波（超低频SLF）传播l超长波是指波长1千公里至1万公里（频率为30300Hz）的电磁波。这一波段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰耗很小（频率为75Hz时衰耗系数为0.3dB/m）对海水穿透能力很强，可深达100m以上。 甚长波（甚低频VLF）传播l甚长波是指波长10公里100公里（频率为330kHz）的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为1030kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。 长波（低频LF）传播l长波是指波长1公里10公里（频率为30300kHz）的电磁波
6、。其可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。无线通信的电磁波传输无线通信的电磁波传输 中波（中频MF）传播l中波是指波长100米1000米（频率为3003000kHz）的电磁波。中波可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关。 短波（高频HF）传播l短波是指波长为10米100米（频率为330MHz）的电磁波。短波可沿地表面传播（地波），沿空间以直接或绕射方式传播（空间波）和靠电离层反射传播（天波）。 超短波（甚高频VHF）传播l超短波是指波长为1米10米（频率为30300MHz）的电磁波。超短波难以靠地
7、波和天波传播，而主要以直射方式（即所谓的“视距”方式）传播。无线通信的电磁波传播无线通信的电磁波传播微波传播l微波是指波长小于1米（频率高于300MHz）的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波（特高频UHF）、厘米波（超高频SHF）、毫米波（极高频EHF）和亚毫米波（至高频THF）。l微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。lWLAN工作频段：2.42.4835GHz、 5.725-5.850GHz ，属于微波波段，其电磁波传播方式主要为微波传播。
8、课程内容课程内容第一章第一章 无线通信的基本概念无线通信的基本概念第二章第二章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介第三章第三章 射频常用概念辨析射频常用概念辨析第四章第四章 WLAN AP常见故障常见故障第二章第二章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介l第二节第二节 天线传播相关单位简介天线传播相关单位简介 l第三节第三节 其他其他 功率单位简介功率单位简介l绝对功率的绝对功率的dB表示表示射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。功率单位简介功率单位简介l相对功率的
9、相对功率的dBdB表示表示 射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。udB与与dBm的区别：的区别：l dB分贝，衡量的是输出与输入的对数比值大小。3dB就是10倍的lg2，就是指两倍大。10dB就是10倍的lg10，指10倍大。l dBm是用来描述功率大小的单位。30个dBm为1瓦。1个毫瓦为0dBm。之所以射频中功率不用瓦来描述，是因为引入了放大增益这个概念。第二章第二章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介l第一节第一节 功率单位简介功率单位简介l第三节第三节 其
10、他其他 天线传播相关单位简介天线传播相关单位简介l天线和天线增益天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子（偶极子）的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。 例1 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。例2 GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi)。天线传播相关单位简介天线传播相关单位简介前后比前后比旁瓣抑制旁瓣抑制l波瓣宽度波瓣宽度l
11、前后比前后比l旁瓣抑制旁瓣抑制天线传播相关单位简介天线传播相关单位简介l天线的极化天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成，人们规定：电场的方向就是天线极化方向，一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。天线传播相关单位简介天线传播相关单位简介l双极化双极化把 垂 直 极 化 和 水 平 极 化 两 种 极 化 的 天 线 组 合 在 一 起 ， 或者， 把 +45 极化和 -45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。第二章第二章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介l第一节第
12、一节 功率单位简介功率单位简介l第二节第二节 天线传播相关天线传播相关单位简介单位简介 其他其他l电阻：阻挡电流通过的物体或物质，从而把电能转化为热能或其它形式的能量，单位：欧姆，l电压：电位或电位差，单位：伏特，Vl电流：单位时间内通过电路上某一确定点的电荷数，单位：安培，Al电感：线圈环绕着的东西，通常是导线，由于电磁感应的原因，线圈可产生电动势能，单位：亨利，Hl电容：一个充电的绝缘导电物体潜在具有的最大电荷率，单位：法拉，F课程内容课程内容第一章第一章 无线通信的基本概念无线通信的基本概念第一章第一章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介第三章第三章 射频常用概念辨析射频常用概念辨
13、析第四章第四章 WLAN AP常见故障常见故障第三章第三章 射频基本概念辨析射频基本概念辨析l第二节第二节 噪声相关概念噪声相关概念l第三节第三节 线性相关概念线性相关概念l第四节第四节 传输线相关概念传输线相关概念l第五节第五节 下行通道射频指标下行通道射频指标l第六节第六节 上行通道射频指标上行通道射频指标 l信号的峰值功率、平均功率和峰均比信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR解释：很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%。平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的
14、峰均比，如PAR=9.10.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。 在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子。S ystemView005 0 0 .e -35 0 0 .e -3111 .51 .522-4 0-2 002 04 0A m plitudeT i m e i n Se co n d sSi n k 1l增益（增益（dB） 解释：即放大倍数，单位可表示为分贝（dB）。l插损（插损（dB） 解释：当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减，单位用dB表示。第三章第三章 射频基本概念辨析射频基本概念辨析l第一节第一节 功率相关概念功率相关概念l
15、第三节第三节 线性相关概念线性相关概念l第四节第四节 传输线相关概念传输线相关概念l第五节第五节 下行通道射频指标下行通道射频指标l第六节第六节 上行通道射频指标上行通道射频指标 噪声相关概念噪声相关概念l噪声定义噪声定义噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。噪声相关概念噪声相关概念l相位噪声相位噪声相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标，在时域表现为信号过零点的抖动。理想的单音信号，在频域应为一脉冲，而实际的单音总有
16、一定的频谱宽度，如下面所示。一般的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声。相位噪声在频域的可以这样定量描述：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内的功率与总信号功率相比。例如晶体的相位噪声可以这样描述：噪声相关概念噪声相关概念l噪声系数噪声系数噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力，通常这样定义：单元输入信噪比除输出信噪比，如下图：NFSiNiSoNo对于线性单元，不会产生信号与噪声的互调产物及信号的失真，这时噪声系数可以用下式表示：NFPnoG PniPno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。噪声相关概念噪声相关概念l级联网络
17、的噪声系数公式：G1、NF1G2、NF2Gn、NFnNF总NF1NF21G1.NFn1G1G2.Gn1第三章第三章 射频基本概念辨析射频基本概念辨析l第一节第一节 功率相关概念功率相关概念l第二节第二节 噪声相关概念噪声相关概念l第四节第四节 传输线相关概念传输线相关概念l第五节第五节 下行通道射频指标下行通道射频指标l第六节第六节 上行通道射频指标上行通道射频指标线性相关概念线性相关概念l信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些
18、放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。线性相关概念线性相关概念l线性失真线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真，从频域可以很方便表示这些失真，如下图：幅频特性相频特性线性相关概念线性相关概念l非线性失真非线性失真与线性失真相似，可以分成非线性幅度失真和非线性相位失真，图形表示如下：90c1n20c0n00.20.40.60.811.21.41.61.8201234567893935c2n20c0n00.20.40.60.811.21.41.61.823536373839线性相关概念线性相关概念l非线性幅度失真非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三
19、阶截止点等指标衡量，下面分别讨论这三个指标。l1dB压缩点例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。如下图：线性相关概念线性相关概念线性相关概念线性相关概念l三阶交调三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：三阶
20、交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比。线性相关概念线性相关概念l三阶截止点任一微波单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力。线性相关概念线性相关概念第三章第三章 射频基本概念辨析射频基本概念辨析l第一节第一节 功率相关概念功率相关概念l第二节第二节 噪声相关概念噪声相关概念l第
21、三节第三节 线性相关概念线性相关概念l第五节第五节 下行通道射频指标下行通道射频指标l第六节第六节 上行通道射频指标上行通道射频指标 传输线相关概念传输线相关概念l特征阻抗解释：特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。在做射频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时则会产生反射，造成失真和功率损失。反射系数(此处指电压反射系数)可以由下式计算得出：ZlZoZlZo传输线相关概念传输线相关概念在目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，如
22、军用的微波、毫米波通讯系统，雷达，我们目前开发的蜂窝通讯系统GSM、WCDMA等；另一种是75欧姆系统，这种系统相对比较少，如我们目前使用的有线电视系统。传输线相关概念传输线相关概念l驻波比解释：驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：VSWR11由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是01，而驻波系数的取值范围是1正无穷大。射频很多接口的驻波系数指标规定小于2.0。驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是说负载和传输线的匹配效果比较差。所以在一个系统中，如果驻波比很差，可能会使信号传输效果变差，通道增益下降。一个比较典型的例子就是灵敏度问题。传输线相关概念传输线相关概念l
23、回波损耗回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为： 回波损耗20log（）由公式可以计算：回波损耗为26dB时，对应的反射系数为0.05，驻波比为1.1。由此也可以估计一下，驻波为2时的回波损耗是多少（9.5dB），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。第三章第三章 射频基本概念辨析射频基本概念辨析l第一节第一节 功率相关概念功率相关概念l第二节第二节 噪声相关概念噪声相关概念l第三节第三节 线性相关概念线性相关概念l第四节第四节 传输线相关概念传输线相关概念
24、l第六节第六节 上行通道射频指标上行通道射频指标 下行通道射频指标下行通道射频指标l邻道泄漏（ACLR）邻道泄漏指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：主信道邻道保护带射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，领道泄漏必须尽可能的小，WCDMA的要求是：第一邻道（偏离载频5MHz）的ACLR45dBC ；第二邻道（偏离载频10MHz）的ACLR 50dBC 。 下行通道射频指标下行通道射频指标l杂散辐射杂散辐射是指发信机在频谱发射模板规定的频率范围之外的频段内发射的、信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发
25、射机互调产物等。这些杂散辐射都会对其他的无线通信系统造成干扰，对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统（如WCDMA、GPS等）共存，当然这也保证了系统自身的正常运行。第三章第三章 射频基本概念辨析射频基本概念辨析l第一节第一节 功率相关概念功率相关概念l第二节第二节 噪声相关概念噪声相关概念l第三节第三节 线性相关概念线性相关概念l第四节第四节 传输线相关概念传输线相关概念l第五节第五节 下行通道射频指标下行通道射频指标 上行通道射频指标上行通道射频指标l接收灵敏度用功率表示Smin=10log（KTB）+ Ft +（S/N），单位：dBmK是波尔兹曼常数，单位：J/K(焦
26、耳/K)T表示绝对温度，单位：KB表示信号带宽，单位：HzFt表示系统的噪声系数，单位：dB（S/N）表示解调所需信噪比，单位：dB当B1Hz时，10log（KTB）-174dBm/Hz上行通道射频指标上行通道射频指标l杂散响应 杂散响应也称为寄生响应、寄生灵敏度。无线环境中存在多干扰信号，这些信号本身可以被系统滤波器虑掉，但是由于现在系统采用的接收机大都是超外差接收机，接收机接收到的能够与本振组合产生中频的信号很多，这样的中频信号和系统接收的中频信号是同一频率，系统的后级中频滤波器是无法虑掉这些干扰的。其中除主接收信号外的其他频点称为寄生波道，该频点产生的响应称为寄生响应。n frm flf
27、ifrm flfin左式中，当m=n=1，假设取负号时，fr为所要信号，则m、n的其他组合所得到的fr为寄生波道。上行通道射频指标上行通道射频指标杂散响应的对系统的影响表现为：虽然系统工作的频带内没有任何干扰频率，但系统的灵敏度就是变差。这一方面是由于系统本身的抗杂散响应能力不够；另一方面是由于环境的带外干扰太强。上行通道射频指标上行通道射频指标l阻塞与互调抑制阻塞指标也是来考核接收机抗干扰能力，它描述的是接收机在接收的频道外存在单音或调制信号干扰，但干扰信号不在相邻频道或杂散响应频点上的情况，具体指标要求根据不同系统而定。阻塞指标一般要求接收机前端要有较高的三阶截止点（即大的线性动态），同时
28、要求中频滤波器有较好的选择性。 互调抑制同样是指接收机在工作时，同时有两个干扰信号进入接收机，这两个信号的三阶交调产物正好落在带内。互调抑制主要要求接收机前端有较高的三阶截止点。课程内容课程内容第一章第一章 无线通信的基本概念无线通信的基本概念第二章第二章 射频常用计算单位简介射频常用计算单位简介第三章第三章 射频常用概念辨析射频常用概念辨析第四章第四章 WLAN AP常见故障常见故障WLAN AP常见故障常见故障硬件系统结构图射频收发及射频收发及中频电路中频电路WLAN AP常见故障常见故障n电源故障电源故障p一次电源故障p二次电源故障（隐蔽）n接口故障接口故障p以太网接口（如雷击）n射频故障射频故障p接收电路故障p功率放大电路故障p时钟电路（隐蔽）n处理器及总线接口处理器及总线接口p过热变形虚焊p内部总线接口芯片损坏n其他其他p如软件故障（启动困难、不稳定等）p人为故障WLAN AP常见故障常见故障WLAN AP常见故障常见故障演讲完毕，谢谢观看！