射频是什么？

电（电压或电流）有直流和交流之分。在通信应用中，用作信号传输的一般都是交流电。交流会有频率，即每秒中的会有多少个周期，而频率的单位为赫兹Hz， 它是每秒钟的周期性变动重复次数的计量。例如右圖电流波形，在1秒内有四个周期，则其频率为4 Hz。

任何无线通信系统都会被划分到专属的频段，这个频段就是占据一定频率范围的频谱。广义的来讲，国际上是把频率范围在3 kHz到300 GHz的频谱就称射频。

电磁波

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100 kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100 kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频。射频技术在无线通信领域中被广泛使用。

射频是一种高频电磁波，如同可见光、红外线一样，属于一样频率范围内的电磁波。无线通信电子设备以电磁波的形式通过天线以一定的频率发射到空中，或者从空中接收电磁波，达到传递信息和通信的目的。

从 20 kHz 到 300 GHz 频率构成了无线通信技术的电磁频谱的一部分

上面是我们生活中接触到的电磁波以及对应的波长。

• 波长越长，频率就会越低，穿透性越强，但指向性就会较弱；

• 波长越短，频率就会越高，指向性也会更强，但相对穿透能力也就会弱。

射频频谱和频段

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射频组件

数字射频通信系统的简化方框图。注意，ADC 和 DAC 可能在不同的方框中出现。

射频系统通常由一系列组件组成，每个组件都旨在执行特定任务：

• 发射机：产生射频信号的设备
• 接收机：接受射频信号的设备
• 天线：用于发送和接收 RF 信号
• 放大器：用于增加 RF 信号的功率
• 滤波器：允许特定频率范围内的信号通过并衰减其他频率信号的设备
• 混频器：用于改变信号的频率
• 振荡器：以特定频率产生波形的设备

发射机工作原理

发射机是什么? 

发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置，是一个比较笼统的概念，它广泛应用与电视，广播，通信，报警，雷达，遥控，遥测，电子对抗等各种民用、军用设备。发射机按调制方式可可分为调频（FM），调幅(AM)，调相（PM）和脉冲调制四大类。

如果输入是模拟信号（例如语音），第一步是将连续的模拟信号变换为离散的数字比特流，这称为数字化。

第二步进行语音编码以便压缩数据。然后是信道编码，信道编码将额外的比特加到输入比特流中，这些额外的比特用于纠错，有时也作为识别或均衡所需的训练序列（training sequence）。这样能使接收机容易恢复符号时钟。

下面是按照符号时钟进行调制符号映射。符号时钟表示单个符号的频率和确切的时间。在符号时钟跃变时，发射载波所处的I/Q（或幅度/相位值）就表示某个指定的符号（即星座图中某个指定的点）。若发射载波的I/Q或幅度/相位变化，就表示另一个符号。两个时间之间的间隔即为符号时钟周期。

接着进行滤波，以便得到高的频谱效率。如果没有滤波，信号在状态之间转换非常快，将会出现比发送信息所需的频谱宽得多的频谱。为了简便起见，图中只画出一个滤波器，实际上有两个滤波器，它们分别在I通道和Q通道。

于是便可将输出的信号送到调制器。由于存在相互独立的I和Q分量，信息的一半由I发送，另一半由Q发送。

通常调制工作都在中频实现，信号需要通过上变频变到较高的射频。在上变频过程中会产生不需要的信号成分，需要利用带通滤波器将它们滤掉。由于半导体技术的进步，已经有许多集成电路产品可以直接实现在射频进行I/Q调制，可以大大简化电路，降低成本，减小失真。

数字调制通信发射机

发射机的原理是将调制后的信号经过功率放大、频率合成和天线辐射等过程，最终转化为电磁波并传输到接收端。在实际的无线通信系统中，发射机的设计和调试需要综合考虑调制技术、功率放大器的选择和设计、频率合成技术以及天线的设计和布置等方面的因素。除了以上提到的原理，发射机的稳定性、抗干扰能力、功耗和尺寸等也是需要考虑的重要因素。

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ADC原理

接收机工作原理

接收机是什么? 

接收机 (Receiver) 通常是指接收电磁波信号并将其转换为可用于其他设备的信号的装置。接收机的主要作用是将传输信号从信号源（例如天线或卫星）中接收并放大，解调、过滤和放大信号，在最终输出到扬声器、显示屏或其他设备前，对该信号进行处理和调整。

数字调制通信系统接收机

接收机从本质上说是发射机的反向实现，但在设计上更为复杂。接收机首先把输入的射频信号下变频为中频信号，然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大。发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。

解调过程通常包括以下阶段: 载波频率恢复( 载波锁定)、符号时钟恢复( 符号锁定)、信号分解为 I 和 Q 分量( I-Q 解调 )、I 和Q 符号检测、比特解调和去交织( 解码比特)、解压缩( 扩展至原始比特流)，如果需要最后是数模转换。

接收机与发射机的主要区别是需要恢复载波和符号时钟。在接收机中， 符号时钟的频率和相位( 或计时) 都必须正确，才可以成功地解调比特和恢复已发射信息。例如，符号时钟的频率设置正确，但相位错误。就是说如果符号时钟与符号间的过度同步，而不是符号本身，解调将会失败。

接收机设计的一项艰巨任务是建立载波和符号时钟恢复算法。有些时钟恢复技术包括测量调制幅度度变化、或者在带有脉冲载波的系统中可以使用功率打开事件。当发射机的信道编码提供训练序列或同步比特时，这项任务便可以简单些。

接收机的工作原理是通过一个天线或探头将电磁信号转换成电信号。接收机可以被分为两类，即模拟接收机和数字接收机。模拟接收机使用模拟电路来从天线中接收和放大信号，而数字接收机将接收信号数字化以进行处理。接收机通常包括滤波器、放大器、混频器和解调器等元件。

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基本功率测量的第 1 部分，涉及功率测量、传感器技术和功率计理论的基础。

射频应用领域

射频技术具有广泛的应用范围，包括但不限于：

• 无线通信：射频用于各种无线通信系统，例如移动电话、Wi-Fi 和蓝牙。

• 广播：电视和无线电广播是 RF 的主要应用。

• 雷达系统：射频波用于雷达系统以检测远处物体的位置和速度。

• 卫星通信：射频波用于卫星和地球之间的数据传输。

• 医疗应用：某些医疗设备（例如 MRI 机器和射频消融设备）使用射频波。

射频信号测试

如何使用示波器、网络分析仪和频谱分析仪测试射频信号？

测试射频电路需要专用工具，如示波器、网络分析仪和频谱分析仪。

使用示波器进行射频测试示波器是电气工程师的重要工具，使他们能够直观地看到电信号随时间的变化。它们通常用于：

• 监测信号质量

• 检测信号中的噪声或失真

• 测量信号幅度、频率和相位

射频信号测试的特殊注意事项射频测试涉及几个独特的挑战：

• 高频信号可能会被电缆和连接器衰减或反射。

• 射频信号易受外部干扰。

• 需要像矢量网络分析仪这样的精密设备来准确测量射频信号的相位和幅度。

射频工程中的挑战

• 设计复杂系统：由于高频、阻抗匹配和对高精度组件的需求，设计射频系统可能很复杂。

• 干扰：射频系统可能相互干扰，导致性能问题。

• 法规遵从性：射频设备必须遵守与频率使用和功率水平相关的法规。

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射频的未来

由于技术的进步和对无线通信日益增长的需求，射频领域正以前所未有的速度发展。塑造射频工程未来的趋势包括：

• 5G和6G：5G和6G的发展需要射频技术的进步。

• 物联网 (IoT)：越来越多的物联网设备需要创新的射频解决方案来实现高效通信。

• 软件定义无线电 (SDR)：SDR将通过在系统设计中提供灵活性和成本节省来彻底改变射频工程。

6G技术

随着全球5G网络的逐步部署，我们正见证下一代无线通信技术的蓬勃发展。5G技术主要聚焦在三大领域：增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低延迟通信(URLLC)以及大规模机器类通信(mMTC)。而6G则将超越这些范畴，致力于构建一个更全面、沉浸式的通信架构，以灵活适应和满足各种网络需求，同时努力降低成本、维护费用和服务时间。

6G技术将为我们带来前所未有的性能、可靠性和安全性。其无处不在的特性将孕育出新的产业和商业模式。通过全面连接物理世界、数字世界以及人类世界，6G将助力我们应对增长和可持续发展所带来的机遇与挑战。

为了实现这些广泛的目标，6G需要依赖一系列关键技术。接下来的内容将为您介绍6G的几个核心技术，包括新频谱技术、人工智能与机器学习网络、数字孪生以及新网络拓扑结构。

• 新频谱技术 - 亚太赫兹带宽的极高数据传输速率和潜在的传感应用将与多输入多输出（MIMO）、智能超表面（RIS）和全双工等频谱效率技术相结合，为 6G 通信提供无处不在的覆盖范围。

• 超大规模MIMO - 频谱效率是一个不断重复的系统优化问题。无线标准一直在不断发展，以充分利用特定频段的可用带宽。在 5G 中，MIMO 和大规模 MIMO 技术将多个发射器和接收器整合到一个系统中，并通过波束成形，使用户获得更强的信号恢复能力，从而增强系统性能。

• 智能超表面(RIS) - 高自由空间路径损耗和易阻塞是毫米波（mmWave）和亚太赫兹信号面临的挑战。RIS技术为克服这些困难提供了一种前景广阔的解决方案。RIS 是一种平面二维结构，由三层或更多层组成，顶层包含多个无源元件，用于反射和折射传入的信号。工程师可对这些元件进行实时编程，以控制相移。由于工程师可以控制每个元件的相移，因此 RIS 可以将信号以窄波束反射到特定位置。RIS 可以与来自信号源的反射产生正向作用，从而增强信号强度。在密集的多用户环境或多蜂窝网络中，RIS 可以与源信号发生负作用，以减少干扰。这种灵活性使 RIS 技术有助于扩大信号范围并增强安全性。由 RIS 元件创建的天线阵列本质上是无源的，这使得 RIS 成为高密度、低能耗部署的可能解决方案。

• 全双工 - 十多年来，工业界和学术界的通信研究人员一直在研究如何通过在单个信道上同时发送（Tx）和接收（Rx）信号，将无线电信道的容量增加一倍。收发器以不同的频率（频分双工，简称 FDD）或不同的时间（时分双工，简称TDD）发送和接收信号。无线电和数字技术的不断进步为带内全双工（IBFD）技术的发展开辟了道路。IBFD 使用一系列技术消除自干扰，这样即使发射机同时在同一信道上工作，接收机也能保持高灵敏度。一些用于点对点通信的商用无线电系统成功实现了IBFD。虽然仍不可能达到将射频信道容量增加一倍的理论极限，但已经取得了一些重大进展。

• 人工智能和机器学习网络 - 6G 的两项基础技术是人工智能（AI）和机器学习（ML）。可以毫不夸张地说，在6G网络中，AI将无处不在。2022年3月，3GPP完成了一项关于使用AI和 ML 的5G RAN架构的研究。该研究调查了三个主要用例：网络节能、负载平衡和移动性优化。网络节能侧重于通过流量卸载、覆盖修改和关闭非活动小区来实现整个 RAN 的节能。负载平衡研究如何应用人工智能将网络负载分配到多个小区、多个频率或多 RAT 部署，以实现更好的网络性能。移动性优化用例探讨了如何通过预测用户设备的移动性来帮助在各种移动性情况下保持网络性能。

• 数字孪生 - 数字孪生是对 6G 设计更具颠覆性的技术之一。数字孪生是物理系统基于软件的实现。它们类似于模拟，但通过数据反馈回路连接起来，可以实时整合物理或数字系统的变化。数字孪生工作流程的价值在于，它能够在对硬件进行更改之前对系统进行迭代验证。随着 6G 进入原型设计和开发阶段，两个关键的数字孪生工具将成为高效、经济地设计 6G 的关键：电路建模数字孪生和网络数字孪生。

• 电路数字孪生 - 数字孪生概念旨在将大多数物理系统工程活动转化为虚拟活动。在难以进行物理测试和难以重现真实世界效果的情况下，数字孪生具有很高的价值，例如在 5G、雷达、卫星和其他射频系统场景中。射频电路的高度复杂性和昂贵的元件，尤其是毫米波和太赫兹波段等较高频率的射频电路，使设计过程难以迭代。由于传统的建模工具需要高度复杂的处理才能准确地表示复杂的射频电路，数字孪生可以通过描述物理电路的响应并将其反馈到数字表示中来提供优势。

• 网络数字孪生 - 随着 5G 网络的分解和更加以软件为中心的 RAN，持续集成/持续部署工作流程已成为运营商和集成商在网络管理方面努力实现的目标。利用数字孪生技术，网络可以将物理 RAN 测量与上层网络应用直接联系起来，并在软件环境中测试新特性和功能，然后再将其投入使用。网络数字孪生使工程师能够将现有模型或其他数字孪生集成到系统中，并在不进行昂贵的现场测试的情况下进行试验。例如，根据新的部署或将非地面基站集成到架构中以提供设计覆盖，在不同信道条件下对现有网络进行建模，可降低发射高空平台或卫星的成本。可以模拟覆盖模型进行规划，但这些模型可以随着覆盖的部署以及驱动测试或站点验收测试等活动的结果从现场返回而不断更新。

• 新的网络拓扑结构 - 6G 将依靠开放、可扩展的虚拟网络协同工作。为了解决覆盖难题，并为尽可能多的用户提供下一代数据速率，必须考虑采用许多新的网络拓扑结构来扩大接入范围。以 5G 中使用的软件为中心的 RAN 架构为基础，是使网络更易于部署、成本更低的一种方法，但这并不能解决农村或偏远地区的覆盖问题。覆盖不同海拔高度和地区的非地面网络可能是将 6G 连接带到世界每个角落的解决方案之一。但是，随着这些新网络架构的出现，脆弱性也随之而来，必须确保其免受数字威胁。未来网络的网络安全对于维护服务、确保网络和用户的数据至关重要。

6G 将会推动通信技术通过其可持续性和连接性目标产生社会影响。如今，6G 标准正处于早期阶段。目前正在对候选技术进行研究、原型开发和模拟，以确定标准的发展方向。

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