GSM RF基础

一 电磁频谱

1）全部电磁频谱显示了各种业务的大约位置；

2）频谱从次声频（几赫兹）延伸到宇宙射线（10^22Hz）；

3）频谱进一步划分成小组或频带，每个频带具有一个描述性的名称和带宽号；

4）国际无线电咨询委员会（CCIR）的频率名称如右表。

极低频（Extremely low frequencies） 极低频（ELF）是30Hz到300Hz范围内的信号，并包含交流配电信号（50Hz）和低频遥测信号；

话音频率（Voice frequencies） 话音频率（VF）是300Hz到3000Hz范围内的信号并包含通常与人类语音相关的频率。标准电话信道带宽为300Hz到3000Hz，通称话音频率或话音频带信道；

甚低频（Very Low Frequencies） 甚低频（VLF）是3kHz到30kHz范围内的信号。它包括人类听觉范围的高端。VLF用于某些特殊的政府或军事系统，比如潜艇通信。

低频（Low Frequencies） 低频（LF）是30kHz到300kHz范围内的信号，主要用于船舶和航空导航。

中频（Medium frequencies） 中频（MF）是300kHz到3MHz范围内的信号，主要用于商业AM无线电广播（535kHz到1605kHz）。

高频(High Frequencies) 高频（HF）是3MHz到30MHz范围内的信号，常称为短波（short wave）。大多数双向无线电通信使用这个范围，美国之音和自由欧洲无线广播在HF频带内。业余无线电和民用波段（CB）无线电也使用HF范围内的信号。

甚高频（Very high frequencies） 甚高频（VHF）是30MHz到300MHz范围内的信号，常用于移动通信、船舶和航空通信、商业FM广播（88MHz到108MHz）及频道2-13（54MHz到216MHz）的商业电视广播。

特高频（Ultrahigh frequencies） 特高频（UHF）是300MHz到3GHz范围内的信号，由商业电视广播的频道14-83、陆地移动通信业务、蜂窝电话、某些雷达和导航系统、微波及卫星无线电系统所使用。一般说来，1GHz以上的频率被认为是微波频率，它包含UHF范围的高端。

超高频（Superhigh frequencies）超高频（SHF）是3GHz到30GHz范围内的信号，包括主要用于微波及卫星无线电通信系统的频率。

极高频（Extremely high frequencies）极高频（EHF）是30GHz到300GHz范围内的信号，除了十分复杂、昂贵及特殊的应用外，很少用于无线电通信。

红外（Infrared） 红外频率是0.3T到300THz范围内的信号，通常不认为是无线电波。红外归入电磁辐射，通常与热有关系。红外信号常用于热寻的制导系统、电子摄影及天文学。

可见光（Visible light） 可见光包括落入人类可见范围（0.3PHz到3PHz）内的电磁频率。光波通信常与光纤系统一起使用，近年来它已成为电子通信系统的一种主要传输介质。

二、选用800MHz-900MHz做移动通信的历史必然性

20世纪60年代，贝尔实验室为预研和规划高级移动电话系统选用了800-900MHz频率范围。

在这个较高频率范围内工作的移动电话公认的优点之一就是可提高频谱利用能力。例如，在35MHz时，1%带宽仅为350kHz；而在800MHz时，1%带宽约为8MHz.

另一个优点是电路元件的尺寸可大为降低，实现小型化手持系统。

但，对于移动电话应用来说，扩展到更高的范围内也有实际限制。主要考虑的是多径衰落的严重程度随信道频率增高而大大增加。

当高于10GHz的频率时，除引起严重路径损耗的其他原因外，降雨成为一个重要的衰减因素。

由于这个原因，10GHz以上的频率对于移动无线电话通信是不适用的。

在实际应用中，频率超过1GHz以上的移动通信，就必须充分考虑风云雨雪等气候变化带来的多径衰落。

三、射频(RF)模拟电路与基带(BB)模拟电路的实质区别所在

频率越高，意味着电信号波长越小。

应用于射频电路，其波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟，电压和电流不再保持空间不变，必须把它们看作是传输的波。

应用于基带电路，因传输信号的波长远大于分立的电路元件的尺寸，电压和电流基本保持空间不变。

一般情况下，当分立的电路元件的平均尺寸大于工作信号波长的十分之一时，必须以“射频”的眼光来看待。

四、CMU上常见几个物理表征单位辨析：

dBm

dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。[例1] 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。

[例2] 对于2W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：

10lg（2W/1mw）=10lg（2000）=10lg2+10lg1000=33dBm

dB

dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）

[例3] 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。

[例4] 通常我们使用GSM900射频线损耗约为0.5dB。

[例5] 如果甲的功率为33dBm，乙的功率为27dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。

dBc

有时也会看到dBc，它也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。 在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。

dBuV

根据功率与电平之间的基本公式V^2=P*R，可知 dBuV=90+dBm+10*log(R),R为电阻值。

载PHS系统中正确应该是dBm=dBuv-107，因为其天馈阻抗为50欧。

五、引入VSWR(Voltage standing Wave Ratio)的物理意义：

沿PCB板上传输的射频信号必须看做“行进或反射”中的电磁波。

电磁波在PCB板上传播的路径，一般统称传输线。

传输线上只有向前行进（入射到传输线上没被反射）的电磁波，称为行波。

当入射到传输线上的电磁波完全被反射，传输线上没有向前传输的电磁波，形成纯驻波。

由于传输线阻抗、介质的不连续性等因素，入射到传输线上的电磁波必然有一小部分被反射回去形成驻波，而绝大部分向前传输形成行波，驻波比是联系两者关系的重要纽带之一。

通常传输线上既有向前传输的波（行波），也有被反射的波（驻波），二者叠加的结果形成行驻波。

从上面看问题的角度出发，驻波比定义为（行波的模值+驻波的模值）/（行波的模值-驻波的模值）。

当传输线上没有反射时，也就是驻波为0，这时驻波比为1。

当传输线上电磁波完全被反射，这时入射的波（行波）等于反射的波（驻波），驻波比为无穷大。

六、反射系数

反射系数是表征行波和驻波之间关系的另外一个物理表示量。

反射系数定义为反射的波（驻波）与入射的波（行波）的比。

反射系数越大，驻波比也越大，二者是同比例关系。

工程上，为了便于直观使用，又引入了回波损耗（return loss）的概念。

回波损耗的定义：反射系数的模值的倒数，然后再取对数，回波损耗的单位为dB。

七、驻波比、反射系数、回波损耗之间的关系

经常会混淆这三个概念，或错误的使用它们。

从数学角度上讲，这三个概念量之间是可以换算的；从物理意义角度讲，这三个概念出发点不同。

驻波比是从行波和驻波形成的合成波（行驻波）的角度出发来阐释自己的，从驻波比的数值可以直观到传输线上合成波的最大值和最小值的比。

反射系数是从能量得失的角度出发来阐释自己的，从反射系数可直观得到能量向前传递的情况。

回波损耗是从反射波（驻波）的 出发来阐释自己的，从回波损耗可直观得到反射波的损耗情况。

For example，假如反射系数为1/3，表示有(1/3)*(1/3)的能量，既入射能量1/9被反射掉；换算成驻波为2，表示合成波的最大值与最小值之比为2；在换算成回波损耗，为9.4dB。

从反射系数衍生出另外一个物理量：插入损耗（Insertion Loss），插入损耗定义为向前传输的功率与入射到传输线上的功率之比，反射系数越小，插入损耗也就越小。

八、实际使用的RF cable线VSWR情况分析：

每条RF在出厂前，都有一个标定的插入损耗，例如：通常我们使用的RF cable线的插入损耗为GSM900 0.5dB，DCS1800 0.9dB。

若RF cable线使用时间过长材质老化，或不恰当的使用，如经常扭曲，弯折造成传输线上的不连续点，cable线的插入损耗会变大，相应的反射系数和VSWR也会变大。

如果你还用原来的loss设置来使用VSWR变大的线，校准出来的功率就会不准确。

另一方面，cable线VSWR的增大，射频PA的工作状态也会受到一定程度的影响，同样会导致校准出来的功率有偏差，不准确。

从以上两点可以看出，坏的射频线不但导致loss设置不准确，同样会影响PA工作状态，两者的叠加可能导致功率校准不确定的加剧。

所以，你会看到，同一台机器，使用不同的RF cable线，校准出来的scaling factor有时会相差很大。

解决办法一：Insertion loss及VSWR过大的RF cable线就不要拿来做校准用。

解决办法二：如果实在要使用这样的RF cable线，则必须借用“金机”，但“金机”也未必可靠！