射频（RF）基本理论：定义、特性、调制、扩频

1. 什么是射频？

射频就是高频交流变化电磁波的简称，全称为射频。电磁波是一个较为常见的概念，根据麦克斯韦的电磁场理论，振荡的电场能够产生振荡的磁场，振荡的磁场也能产生振荡的电场。电磁场在空间中持续向外扩散，从而形成了电磁波。下图可以大致展示这个现象，其中E表示电场，B表示磁场。同一位置上的电场和磁场，其相位与幅度都随时间波动，不断改变。

一般而言，频率介于三十万赫兹到三十亿赫兹的电磁波被称为射频，该技术常用于探测设备和信号传输领域。

2. 射频基本特征

分析特定射频信号时，可从频率、波长、振幅、相位四个维度进行说明。

2.1 频率和波长

电磁波的频率也就是电磁场振动的频率。波动存在周期性，频率表示的是每单位时间波完成的周期次数，其计量单位为赫兹。图示内容为频率为10赫兹的信号在单位时间内的波形形态。

波长指的是波在一轮运动中所行进的距离，传播速率固定时，波长跟频率呈现互为消长的关系，也就是，波长等于传播速率除以频率。

频率相近的射频信号会产生相互干扰现象，为此，需要设立专门机构负责频谱管理，通过分配频段来防止不同应用之间相互影响，以此确保射频技术的规范运作。

低频电磁波受衰减等因素制约较小，通常比高频电磁波传播更远开yun体育官网入口登录app，所以常被应用于超视距探测设备。高频电磁波具有能量大、穿透力强、频带宽等优势，当前也用于视距通信，以缓解低频频段紧张状况，比如毫米波通信技术。

2.2 振幅

RF的振幅信号指的是单个周期内电场振荡变化的程度，对于正弦波，可以用最大值①、最大与最小值的差值②、有效值③来体现。

2.3 相位

相位即波周期中单个时间点的位置，在正弦波中通常用弧度表示。

3. 调制

电磁波本身不具备任何意义，为了实现通信功能，必须对发射端的电磁波进行特定处理，使其能够承载数据信息，这种处理过程被称为调制。从更专业的角度来说，为了达成通信目标，射频信号必须具备传递信息的能力，调制技术正是通过调整三个关键波形参数，即频率、相位和振幅，来改变射频信号特性，从而完成数据传输任务。

调制又分为模拟调制和数字调制，下面分别介绍。

3.1 模拟调制

模拟调制涉及将模拟数字信号叠加在模拟载波上，其基本方式有三种，分别是幅度调制，频率调制，以及相位调制。

载波：被调制以传输信号的波形，通常为正弦波。

原始信号：

调幅，即幅度调制，其基本过程是这样的：调制信号和载波的峰值强度会合并，接着这个合并后的量再同载波进行相乘运算，最终得到的结果便是：

调频（FM）：

直接调频：利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率。

调制信号先实施积分处理，接着对载波实施调相操作，再经由n次倍频器产生最终调制信号。调频能够通过调相方式间接达成。

调相技术，例如间接调频，这类调整经常同时出现，通过改变数据信号，能够使载波的相位向前进或者向后退。

3.2 数字调制

数字信号对正弦或余弦高频波进行改变叫数字调制。最基础的几种改变方法有：让振幅随信号变动的，让频率随信号变动的，让相位随信号变动的。

抗干扰能力：PSK>FSK>ASK

振幅键控，是数字调制信号操控的一种方式，它能够通过调整幅度来实现，也可以通过简单地开启、关闭信号来形成能量脉冲，这种方式被称为开关键控。

频移键控技术，通过改变载波频率来传输二进制信息，其特点在于频率的显著波动能够代表不同的数据状态。

移相键控调制方式，通过数字信号的正负值来调整载波的起始角度，数字信号数值为正，载波初始相位设置为180度，数字信号数值为负，载波初始相位设置为0度。

高速系统里，用符号代表单个1或0来传送数字信息速度很慢，为了加快数据传送速率，必须采用更复杂的调制方式，让单个符号能代表多个二进制位。

正交相移键控，也称作四相相移键控，通过载波的四种不同相位差来表现输入信号，明确规定了载波相位为四种，分别是45度、135度、225度和275度，每种相位对应两个比特的组合，具体示意图见图示。

扩充起来十分便捷,只要增添更多相位节点,就能生成更多种类的信号,从而提升信息传输的效率。

在提升相位信息之外，还可以借助幅度调制的手段，来扩展数据表达的层次，从而提升信息传递的效能。

正交幅度调制，简称QAM，在调制时，采用载波信号幅度与相位的变化来传递不同的二进制信息，这种技术融合了多电平调制和正交载波，能够显著提升频谱利用效率，下面展示了16-QAM的波形图示。

数字调制运用离散的数值去控制载波的相位和幅度，这样它在极坐标系中的表现就是一系列分离的点，这些点依照不同的调制技术会形成各式各样的图形，这种图形有时也叫做星座图。前面展示的就是16-QAM的星座图。

IQ调制技术

所有所述数字调制方法，基本上均借助IQ调制达成，具体方法参考《理解IQ信号与正交调制》，其中I代表同相开元棋官方正版下载开yun体育app入口登录，q象征正交。数据分成两个通道，每个通道单独实施载波调整，这两个载波彼此垂直，即相位上存在九十度的差异。

数字智商编码实现了符号到矢量坐标的对应，对应位置通常称作星座位置，包含正值和负值部分。这个矢量坐标体系亦能被视作智商坐标系统。

在IQ平面内，每个位置都对应一个向量，表达方式为I加上jQ，数字调制过程结束后就能获得对应的I与Q信号曲线，所以数字调制也被称作向量调变。

该图描绘了BPSK、QPSK、16-QAM、32-QAM的星座图形。通常情况下，信号在星座图形中的每一个位置所携带的信息量被称为一个符号。每一个符号与星座图形上的某个特定状态相对应。不同状态之间转换的快慢被称为符号速率。这种转换速率有时也称作波特率。

4. 扩频

扩展频谱技术，是将信号能量分布到比原本范围更宽广的频段上的一种通信方法，多应用于无线传输场景。这种技术的主要好处包括，能够抵抗各种干扰因素例如多径衰落的影响，同时也可以实现信号内容的隐蔽和加密处理。接收端需要掌握扩频密码，才能还原初始信息；多个使用者能够单独运用相同的宽频带资源，并且干扰极小。

目前主流的两个扩频技术是跳频扩频和直接序列扩频。

4.1 跳频扩频（FHSS）

采用特定扩频码序列实施多频点频移键控技术，导致载波频率持续转换。发送端通过看似无规律的无线电频点序列传递内容，并按照预定时间周期从一个频点切换至另一个频点，接收端在接收过程中同步调整频点。

4.2 直接序列扩频（DSSS）

通过高码率的扩频码序列直接扩展发送信号的频谱，接收方则利用相同的扩频码序列进行解扩处理。