手把手教你如何构建一个完整的射频收发系统

一、射频基础知识——发射器与接收器

一个典型的射频通信系统会包含射频集成电路（RF-IC）、晶体、巴伦（balun）、匹配滤波器、天线，还有承载所有这些元器件的PCB 电路板。

其中，射频集成电路可以是发射器、接收器、收发器（transceiver），也可以是系统级芯片（SoC）——说白了就是集成了微控制器（MCU）的收发器。

一个典型的无线通信系统由发射器和接收器组成。上面这个发射器框图的工作流程是：先把基带信号转换成数字比特流，压缩比特流来减少数据里的冗余，再对数据进行编码——这样能让接收器更稳定地恢复信号、纠正错误；接着通过调制器把基带信号“上变频”到通带，最后用功率放大器和天线把信号在空中发射出去。

而在接收器这边，会做相反的处理，来可靠地提取接收到的信息。图里的均衡器模块，会消除传输介质（比如空气、线缆）对接收信号的影响。

二、射频系统设计的关键公式

下面是决定射频系统设计的关键公式：

- 路径损耗公式：能把接收信号功率、发射信号功率，和频率、发射器与接收器之间的距离关联起来（公式里的GR是接收器增益，GT是发射器增益）。

- Eb/No（比特能量与噪声功率谱密度比）：是数字通信系统中信噪比（SNR）的“归一化”形式，它能把信号里每个比特的能量，和通信系统的带宽（B）、数据速率（R）联系起来。

- 香农信道容量公式：告诉我们在有噪声的环境下，给定带宽里最多能传输多少信息，才能实现可靠通信。

三、接收器架构

接收器有三种基本架构：双中频架构（dual IF）、直接变频架构（也叫零中频）、低中频架构（low IF）。

1、双中频接收器

这种架构下，“镜像频率”（干扰频率的一种）更容易滤掉，但“中频”的选择需要仔细规划，而且还得用高Q值的“片外镜像抑制滤波器”（不在芯片内部、专门滤除镜像频率的滤波器）。

框图里展示了接收信号在进入模数转换器（A/D）做基带处理前，要经过的各个环节。这些环节的核心作用，就是提高接收信号的信噪比——这样后端的解调环节才能以可接受的比特率，可靠地恢复数字数据。下面的信号频谱图，能直观看到信号经过这些环节时的变化过程。

3、超外差架构

- 外差接收机在解调之前，会把期望的频率转换为一个或多个中频（IF）。

- 相较于直接变频接收机，它具有更好的灵敏度、选择性和阻塞特性。

- 在混频器的前端需要镜像抑制滤波器。

- 需要外部声表面波（SAW）滤波器来实现更好的（性能）。

4、零中频架构

在这种架构里，零中频接收机把期望的频率转换为基带，以实现信息恢复。接收信号本身就是镜像信号（不需要额外处理镜像频率，但也因此带来其他问题）。不需要外部声表面波（SAW）滤波器，所以比外差接收机成本更低。物料清单（BOM）成本更低。

直接变频（零中频）架构存在几个常见问题：直流偏移很难消除、射频（RF）与本振（LO）信号容易耦合并产生自混频，需要高Q值的压控振荡器（VCO）。本振泄漏到天线端口，还有功率放大器牵引（即功率放大器的信号干扰其他模块）等。

5、低中频架构

这种架构的优势是没有直流偏移问题，需要带通滤波器和低通滤波器，但它们很容易集成。并且它依赖具体系统——因为需要合理选择中频（IF）的数值。

四、发射器架构

上面框图中，数字信号的压缩、编码、交织、脉冲成形都是在基带完成的，其中调制器负责把低频信号（基带信号）转换成高频信号（已调信号）。信道滤波器负责把信号限制在期望的带宽内。频率上变频器负责把已调信号转换成期望的发射频率（射频频率）。功率放大器负责把发射信号放大到期望的电平。谐波滤波器负责让基本发射频率通过，同时衰减二次、三次等谐波。

五、数字调制与检测——从比特到波形的处理

1、信号的转换与编码

模拟信息先通过模数转换器（A/D转换器）转换成二进制流（就是一串0和1），这些二进制序列会被分成组，比如000、001之类的，而且每组出现的概率都一样。

举个例子，这些二进制组可以编码成不同的模拟电平：比如11对应+3、10对应+1，这些模拟电平就叫做“码元”。

对应的波形可以转换成-3、-3、-1、+1这样的电平，这些码元也能映射成实际的电压值。要在射频介质（比如空气）里传输，这些信号必须先变成模拟波形；而且为了高效利用带宽，还得用这些码元来“缩放”奈奎斯特脉冲（一种能避免信号干扰的特殊脉冲）。

2、四电平脉冲幅度调制（4-PAM）

以四电平PAM序列为例：先选一种脉冲形状P(t)（这里用的是奈奎斯特脉冲），用它来缩放对应的码元，就能形成一串脉冲（脉冲序列）。

- 奈奎斯特脉冲的形式是p(t-kT)：其中k是码元的序号（第k个码元），T是码元周期（每个码元的持续时间），t是时间。

- 用码元的数值“缩放”脉冲：比如码元是+1，波形就是p(t-kT)；码元是-1，波形就是-p(t-kT)；码元是+3，波形就是3p(t-kT)；码元是-3，波形就是-3p(t-kT)。

之后，这串脉冲序列可以通过以下方式在通带介质里传输：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK），或者这几种方式的组合。

3、常见的调制方式

（1）幅移键控（ASK）

这种调制方式的核心是：载波的幅度会根据“波形类型的数量”切换不同的电平。比如当波形类型M=2（也就是二进制ASK）时，信号幅度只有两种状态：要么是信号本身的额定幅度，要么是0（相当于没信号）。

这里给出了ASK的解析公式（公式里的E是信号能量，T是信号周期），同时还展示了对应的ASK频谱（信号的频率分布）和ASK调制后的码元样子。

（2）频移键控（FSK）

这种方式是让载波的频率，根据“传输波形的电平数量”切换。比如当M=2（二进制FSK）时，调制后的码元波形在“码元切换”（比如从一个码元变成另一个码元）时，频率会发生变化。

这里给出了ASK的解析公式（公式里的E是信号能量，T是信号周期），同时还展示了对应的ASK频谱（信号的频率分布）和ASK调制后的码元样子。

常见的FSK类型有2-FSK（二进制频移键控）、4-FSK（四进制频移键控）、2-GFSK（二进制高斯频移键控）、MSK（最小频移键控）等等。

（3）相移键控（PSK）

这种调制方式是让载波的相位，根据信号电平的变化而变化。比如当M=2（二进制PSK）时，两个码元对应的相位相差180°（比如一个是0°，另一个是180°）。

这里给出了ASK的解析公式（公式里的E是信号能量，T是信号周期），同时还展示了对应的ASK频谱（信号的频率分布）和ASK调制后的码元样子。

（4）正交幅度调制（QAM）

正交幅度调制是幅移键控（ASK）和相移键控（PSK）的结合体，它会同时改变信号的幅度和相位。框图中展示了几种常见的正交幅度调制示例。

4-QAM

每符号2比特
符号速率=1/2×比特速率

16-QAM

每符号4比特
符号速率 =1/4×比特速率

64-QAM

每符号6比特
符号速率=1/6×比特速率

六、解调与检测

数字接收器包含解调环节和检测环节：解调是把发射出去的波形恢复出来的过程，检测则是识别具体发射的是哪个波形。其中的频率下变频部分，能采用之前讲过的任意一种接收器前端架构。

前端的作用是让信号有足够的信噪比，这样才能被可靠检测。接收滤波器负责信号恢复；信道均衡器会消除信道对接收信号的影响，进而减少码间干扰（不同码元之间的相互干扰）。

基带脉冲z(t)会在每个码元周期内采样，然后送到判决模块进行准确识别。不过，根据接收波形信噪比的不同，判决过程可能会出错。

发射端的波形 si(t) 经过信道传输后，接收端收到的波形 r(t) 会受两部分影响：

- 信道畸变：信号与信道冲激响应hc(t)卷积（si(t)∗hc(t)），导致波形失真；

- 加性高斯白噪声（AWGN）：噪声n(t)叠加在信号上，进一步干扰接收。

过滤掉带外噪声和干扰，同时让目标信号通过。但因为信道“非理想”（有畸变），经过滤波器后的基带脉冲会失真。补偿信道畸变的影响：让失真的基带脉冲 z(t) 恢复成“干净的信号ai(t)+残余噪声”ne(t)。

误码率是评估数字接收器性能的一个指标，误码概率直接由接收信号的归一化信噪比（Eb/No）决定。

Eb：每个比特的能量；

N0：噪声的功率谱密度。

信噪比越高（信号比噪声“强”），误码率通常越低。

对于常见的调制方式（如 ASK、PSK、FSK 等），存在解析公式，能画出“BER随Eb/No变化的曲线”（适用于加性高斯白噪声（AWGN）信道）。

在二进制判决（只有0和1两种码元的判决）中，会出现两种错误情况：比如实际发射的是码元1，可因为信道噪声和失真，被识别成了码元2；反过来，实际发射的是码元2，却被识别成了码元1，这也属于错误。这里给出了这类错误发生概率的概率分布函数解析表达式。

七、关键参数——发射与接收

（一）发射端关键参数

1、发射功率：指发射器天线端口处可用的射频功率，对通信距离起决定作用。在其他因素不变的情况下，发射功率提高6dB，通信距离会翻倍。

2、发射带宽：指发射器能辐射功率的频率范围，取决于调制方式和码元速率。“占用带宽”通常是指包含99%发射功率的带宽（也有其他定义方式）。

3、邻道功率：指射频信号从目标通信信道“泄漏”到相邻信道的功率，单位是dBc，这是当地监管机构规定的强制要求。

4、谐波抑制：发射信号产生时，会无意伴随谐波频率（一般是基波频率的2、3、4、5倍等）。谐波功率可用绝对值衡量，也可用相对于基波的相对值衡量。杂散发射同样要符合当地监管要求。

5、发射频率准确度：指发射频率的精准度，主要由电路中使用的晶体决定，必须同时符合制造商和监管机构的规格要求。

6、发射杂散发射：指发射器中除基波和谐波外，无意产生的其他频率信号，来源有压控振荡器（VCO）电路、晶体、高速数字电路以及其他收发链路中的电路。杂散发射分为传导发射和辐射发射，需在射频屏蔽室中测量，且要符合当地监管要求。

（二）接收端关键参数

1、灵敏度

指接收器能检测到的最低射频信号功率，且在检测环节能达到目标误码率所需的信噪比，同样影响无线通信距离。其他因素不变时，灵敏度提高6dB，通信距离会翻倍。

这里的表达式展示了检测到的最小功率与最小信噪比的关系。

2、噪声系数（NF）

定义为信号通过某个系统后，信噪比的变化量。噪声系数是接收器设计的关键参数，常用来指导接收器前端环节的设计。

3、非线性效应

无线系统只有在输入信号幅度较小时，才能近似为线性系统；当输入信号变大，非线性效应会逐渐显现并主导系统性能。为了研究大信号输入对系统的影响，能把输出信号建模成幂级数展开式。

对“一个干扰信号+一个目标信号”的射频场景分析显示：信号经过非线性系统后，会出现增益压缩项和脱敏项。当输入信号增大，导致接收器输出增益下降1dB时，这个输入功率值被称为“1dB压缩点”。

当Ai=0且Ad<<1时，小信号增益为a1。

当Ai=0时，随着Ad增大，系统的增益会随之变化，且3a3/4a1*Ad^2会产生影响。根据a3的符号，它会成为减项，随后我们会看到增益下降。

如果干扰信号是调幅（AM）信号，这里的表达式展示了干扰信号的调幅信息如何“转移”到目标信号上，这种现象被称为“交调”。

如果两个干扰信号通过非线性系统，输出会产生由这两个信号混频形成的互调产物，这里给出了产生的互调产物表达式。当目标信号频率与三阶互调产物频率相同时，会出现严重问题。

4、增益压缩与饱和

它用于衡量接收机检测最大输入信号电平以产生所需信噪比（对于数字信号，是误码率/包错误率）的能力，单位为dBm。该电平取决于接收机前端（低噪声放大器，LNA）的输入1dB压缩点（P1dB）以及接收机的自动增益控制（AGC）范围。

5、动态范围

指接收器能检测的输入信号范围，即从最小信号功率到最大信号功率的区间，单位为dB。

动态范围 = 最大灵敏度 - 最小灵敏度

6、邻道抑制（选择性）

它用于衡量接收机抑制不需要的相邻信道的能力，相对于期望信道以dBc 为单位进行测量。这取决于中频/信道滤波器的规格。

7、本振泄漏与接收杂散发射

指接收器天线端口无意中泄漏的频率信号，来源包括本振晶体、高速数字电路及其他接收器电路，分为传导发射和辐射发射。需在射频屏蔽室中测量以保证准确性，且要符合当地监管要求。

八、晶体的作用与选择

晶体为本振（LO）提供参考频率，选择时要权衡成本与性能，还要考虑初始频率偏差和温度老化带来的偏差，同时也为载波频率提供参考。

用精度不足的晶体，就得增大接收带宽来补偿频率漂移，但更大的带宽会让接收器链路引入更多噪声，降低灵敏度；高精度晶体价格高，所以选晶体是在成本和性能间做权衡。

比如，一个工作在868MHz的器件，用±10ppm精度的晶体，频率偏差约为±8.68kHz。

接收滤波器带宽越宽，灵敏度和近距选择性越低，但能使用更便宜（精度更低）的晶体。对于真正的窄带系统，晶体精度由监管规定决定。晶体漂移可能导致接收信号超出接收器带宽，进而使数据包错误率（PER）上升——此时接收器得增大带宽来接收信号，这会导致噪声系数增加。

由于RF和LO都有±xppm的误差，混频后中频的总频率偏移误差会达到 4xppm（正、负误差叠加，最终总误差范围是±2xppm，双向累计为 4xppm）。

锁相环（PLL）反馈：向指定寄存器写入“030x”指令，就能启用PLL反馈功能。开启后，编程设定的接收滤波器带宽会扩大4倍，但噪声带宽不变，所以灵敏度保持不变。这项功能允许使用精度更低的晶体，这里展示了相关实验的测试结果。

举例：若编程设置的带宽是50kHz，那么有效带宽会变成75kHz（50+50/4×2=75，因为正负各扩展50/4）。

九、天线

天线是射频信号链的关键组件，合理设计与匹配能提升整体性能，降低对射频系统其他部分的要求。天线匹配的质量用接口处的电压驻波比（VSWR）衡量，因为驻波会导致天线没法把射频功率耦合到信道里；要是在接收场景下，前端的噪声系数（NF）会变差。另外，电阻损耗和介质损耗也不好，它们会降低天线的效率。

电阻损耗和介质损耗会降低天线效率；射频传输线上的驻波会减少向天线的功率耦合，对接收器而言，还会增大其噪声系数。

射频辐射由电荷的加速或减速产生：当电荷在电动势作用下加速，或在终端、弯曲处、拐角等不连续结构处加速时，就会产生电磁辐射。

1、天线关键参数

- 辐射方向图：指天线向自由空间辐射射频能量的分布或指向方式。

- 各向同性天线：一种假想天线，能向所有方向均匀辐射电磁能量，常作为衡量实际天线性能的理论标准。

- 天线增益：指天线的有效辐射功率与某参考天线有效辐射功率的比值。若参考各向同性天线，增益单位为dBi；若参考标准偶极子天线，增益单位为dBd（偶极子天线的增益比各向同性天线高约2.2dB）。天线增益下降6dB，通信距离会减半。

- 天线极化：指天线辐射的电磁场中，电场矢量的方向特性。天线相对地面水平放置时，为水平极化；相对地面垂直放置时，为垂直极化。

- 天线效率：指天线辐射功率与天线端口输入总功率的比值。

- 天线电压驻波比（VSWR）：衡量天线与收发电路匹配质量的指标，由天线与收发电路之间的回波损耗计算得出。天线性能受工作环境影响，匹配状态也会随之变化——VSWR有时会大幅波动，进而影响接收器前端的噪声系数。

其中Γ是反射系数，ρ与VSWR相关，公式量化了“匹配不良导致的噪声系数恶化程度”。

2、常用天线类型

（1）PCB天线

- 无额外成本；

- 在低于433MHz时，尺寸要求高（不过有很好的解决方案）；

- 在高于868MHz时，性能良好。

（2）鞭状天线

- 大批量使用时成本高；

- 性能好；

- 在很多应用中难以安装（外形或空间限制）。

（3）芯片天线

- 成本中等；

- 在2.4GHz时性能好；

- 在868-955MHz时性能尚可；

- 在433-136MHz时性能差。

（4）线天线/螺旋天线

- 成本低；

- 性能好；

- 在低于433MHz时很理想。

十、通信链路示例与典型射频环境

1、单发射器-单接收器场景

当只有一个发射器和一个接收器，且没有其他发射器或干扰源时，通信距离和链路质量仅取决于发射功率和接收器灵敏度。此时能实现最大通信距离，且接收器的噪声系数和增益是关键，饱和特性和滤波则不那么重要。

2、存在干扰源的场景

当接收器附近有其他干扰源，且目标发射器距离接收器较远时，接收器需要具备高动态范围（以同时处理极弱的目标信号和强干扰信号）、高邻道抑制能力，以及在相邻信道处的良好相位性能。

3、接近实际的典型射频环境

实际场景中，接收器需要与远处的发射器建立通信链路，同时附近存在多个其他发射源。这种情况下，接收器需满足：

- 高动态范围（在强干扰下检测弱目标信号）；

- 高邻道抑制能力；

- 良好的阻塞性能；

- 良好的相位噪声性能；

- 良好的线性性能（二阶截点IP2、三阶截点IP3需较高）；

- 良好的功率检测机制（以控制自动增益控制AGC环路，准确生成接收信号强度指示RSSI）。

十一、射频硬件设计注意事项

1、设计评审流程

借助器件厂家提供的评估板，并且按照下面的流程图，能加快产品研发的进度。

典型的评估板PCB结构如下：包含数字走线、收发器+微控制器（或系统级芯片SoC）、晶体振荡器、低噪声放大器（LNA）和功率放大器（PA）、PCB过孔、匹配网络、PCB天线，以及用于射频实验室测量的SMA连接器。

2、匹配电路与RF布局

很多射频器件都需要从输出端到负载的匹配电路，可能是分立巴伦（此处展示了巴伦的各个组成部分）。

布局电路的RF部分时，最好遵循图A的方式（能保证最佳RF性能）；图B的方式会导致阻抗变化；图C的方式会产生不平衡，可能影响RF性能。

从图中可以看到RF走线及其正下方的接地平面：回流电流会直接在信号走线正下方流动，形成阻抗最小的路径。

如果信号走线下方的接地平面不连续，回流电流路径会变长，增加电感，导致性能恶化——电流绕行会产生磁链耦合，表现为额外的电感；同时电场和磁场会向电路外延伸，造成干扰。

3、PCB层数选择

低功耗射频（LPRF）设计通常使用双层或四层PCB：

- 双层PCB成本更低，若布线和元器件布局合理，性能可与四层PCB相当；

- 四层PCB能提供专用的RF接地平面和电源层去耦。

便于接地层和电源层的布线，相较于2层 PCB，布线限制更少；位于接地层和底层（主要为接地层）之间的电源层，易于实现去耦；板层自身阻抗低，能隔离走线，减少能量耦合。并且推荐4层板采用如下层结构：第1层为元件和信号层；第2层为接地层（始终在元件层下方）；第3层为电源层；第4层为接地层和信号布线层。

4、PCB制造注意事项

向电路板制造厂商交付最终PCB设计时，不定义层映射可能会出现一个常见错误。

上图（a）展示所需的电路板叠层结构，顶层是带有所需50Ω走线的信号层，接着是接地层、电源层，然后是底层。（b）中显示，在2.4GHz时，该走线的模拟阻抗为(50.85+j2.229)Ω。

上图（a）展示接地层和电源层互换后的电路板叠层结构。顶层是带有所需50Ω走线的信号层，接着是接地层、电源层，然后是底层。（b）中显示，在2.4GHz时，该走线的模拟阻抗为(73.025+j12.133)Ω。

5、接地平面设计

- 连续的接地层还便于接地连接，因为可以从焊盘打过孔到接地层。

- 无需额外的走线来连接接地层 -> 消除了不必要的电感。

- 降低电路板辐射和耦合。

- 用接地层填充顶层的未使用区域，然后用几个间距约为波长的1/10的过孔，将顶层的填充部分与下方的接地层连接起来。

- 过孔屏蔽：在射频（RF）部分周围设置接地过孔屏蔽，以保护射频部分，使其在较大的电路板上不会与其他部分耦合，也不会受到附近干扰源的影响。

- 过孔屏蔽还有助于减少不必要的电路板边缘辐射。

展示带有接地过孔屏蔽的射频设计

器件的电源引脚需通过电容与接地平面去耦，为高频噪声提供低阻抗路径。有源器件的瞬态电流需求会产生高频谐波，造成电源线路间的无用耦合，进而降低性能。

PCB上的电感会产生相关磁场，可能对其他元器件产生不良耦合影响。除非需要利用磁场耦合，否则不要将平行电感放置过近；若需要，可将电感垂直放置以最小化耦合效应。

不良电源布线可能会造成下面的影响

- 相位噪声增加

- 杂散输出

- 发射（TX）时干扰相邻信道

- 接收（RX）灵敏度降低

6、PCB最佳布局规则

这里列出了一些PCB布局的最佳实践：

- 验证层叠是否与参考设计匹配。改变层和间距的层叠会影响RF信号路径的匹配。

- 不推荐使用0603尺寸的分立器件，因为其尺寸和寄生参数问题。

- 确保去耦电容尽可能靠近电源引脚，且仅用于去耦这些引脚。确保去耦是通过引脚电容和电源过孔实现的。

- 尽快验证RF信号路径以及元器件布置是否与参考设计匹配。晶体振荡器应尽可能靠近IC的振荡器引脚，并尽可能避免长走线。

- 验证器件下方的电源焊盘布局是否正确。钢网中的焊盘应匹配，开口尺寸应确保有适量的锡膏。过孔数量应正确，且钢网应覆盖过孔，以防止吸走所有焊锡。

7、天线的重要注意事项

- 尽量完全按照器件厂商提供的图纸复制设计，并检查参考设计中的层叠是否与你的层叠匹配。改变天线的馈线长度会改变输入阻抗匹配。PCB和芯片天线下方不应有任何接地平面。

- 任何附近的金属、塑料外壳和人体都会改变天线的输入阻抗和谐振频率，在天线的设计和匹配中必须考虑这些因素。对于同一板上的多个天线，利用天线的极化和方向性来实现隔离。对于芯片天线，验证其与接地平面的间距和方向是否符合其数据手册中的规定。如果设计使用电池（如纽扣电池），电池会充当接地平面，因此不应放置在天线下方。

8、天线匹配流程

在天线匹配中，应仅使用电感或电容。匹配电路（分布式或集总式）会因有限的品质因数而产生损耗。如果天线具有合理的初始谐振，从匹配电路获得的改善将补偿其引入的损耗。此处的框图展示了一个典型的匹配电路原型。