一文带你揭秘射频系统设计的神秘面纱！！

一、 简易通信系统介绍

看一套标准通信系统的基础组成模块（图1），最少会包含信号源、信号处理单元、发射机、传输介质、接收机、二次信号处理单元，还有信号接收终端。

信号处理，就是把原始信息转换成能在对应传输介质里传输的格式。无线射频系统不靠线缆、光纤传输，一般是通过空气、自由空间来传递信号。

早年射频电路大多设计成单向信号传输，收音机、电视就是典型例子，大型天线单向发射信号，供收音机、电视机接收。现在传输的内容主要是数据，射频信号都做成双向传输，智能手机就是很好的例子，既能发数据也能收数据。

图1：简易通信系统框图

二、射频基础知识介绍

无线通信刚起步那会儿，绝大多数信号都是正弦波。描述一段正弦波只需要三个参数：频率、幅度、相位。

公式：V = Asin (ωt + φ)

其中A代表信号幅度；ω等于2π乘以频率f；φ代表相位。

图2展示了两段信号的时域波形。通信的核心思路，就是通过改变正弦波的相关参数，把信息从发送端传到接收端。现如今我们接触到的基本都是结构更复杂的数字信号。

图2：基础正弦波依靠改变自身频率、幅度、相位来承载信息。

平时分析射频、微波信号，我们大多看频域波形，很少看时域波形。图3是频谱仪上显示的基础单音信号。现在发射的信号越来越复杂，都是经过调制、携带大量数据的信号，用频谱仪观测能更直观看懂信号包含的各类频率分量，也更容易理解调制方式。

图3：频谱分析仪是检测射频、微波发射信号的绝佳工具。

1、频谱规划分配

美国由联邦通信委员会（FCC）划定、分配无线电频谱资源，全球其他国家和地区也都有对应的官方机构负责本国频谱管理。图4为美国频谱分配总图。FCC这类地方监管机构会规定：哪些主体可以使用某一段频率、允许的发射功率上限，以及可占用的带宽大小。设计无线设备时，所有向外发射信号的硬件都必须严格遵守频谱分配表的规定。

大部分频段的使用规划早就定型了，也有部分频段逐步释放出来，比如各国关停模拟电视信号后，原先的模拟电视频段就空出来可供复用。需要注意，不同国家的频谱分配方案并不统一。举个例子，不同国家的应急救援专用通信设备，拿到别的国家可能直接无法使用。像蓝牙、Wi-Fi这类商用无线技术，各国监管机构和设备厂商需要提前统一协调，才能保证设备在全球不同地区都能正常工作。

图4：美国频谱资源分配图。各个国家和地区都会自行划分频谱，分配给不同行业、不同设备业务使用。

三、调制基础

简单来说，调制就是有规律地改变载波信号的特征，以此来搭载需要传输的信息。载波是用来承载信息的波形，它的频率远高于原始输入信号，作用是把信息以电磁波的形式在空中传播出去。

图5展示了时域下正弦波的三大基础特征。图里两组信号按照频率的倒数（也就是周期，记作ω）循环往复，信号幅度峰值为1、谷值为-1；只要改变相位φ，整条波形就会整体往左或者往右偏移。

图5：时域下的基础模拟信号波形。

调制就是改变载波的幅度、频率、相位，或是同时改动其中两项、三项参数实现信息搭载。模拟调制主要分三类：调幅AM、调频FM、调相PM，如图6所示。

调幅AM的例子里，底层是高频载波正弦波，它的幅度会跟着缓慢变化。这种缓慢的幅度变化里藏着要传输的信息，接收端就能从中解调出原始数据。调频FM抗干扰能力强、音质还原度高，所以对音质要求高的场景都会用它，车载收音机、卫星通信都是典型应用。图里的调频波形幅度全程不变，只不断改变信号频率。

调相PM大多用在数据传输场景，图6里能看到信号相位切换时波形会出现明显跳变。蜂窝网络、无线局域网WiFi都是它的主流应用场景。如今的现代数字通信信号，会把这几种调制方式搭配组合使用，既能提升信号传输质量，也能大幅提高数据传输速度。

图6：基础模拟调制类型示意图

1、波长的重要性

频率是射频电路设计里的关键参数。早期无线设备只处理音频频段，也就是我们常说的模拟通信系统。现在虽然音频设备依旧大量在用，但手机、蓝牙、Wi-Fi这类射频设备普及度大幅提升，不少商用产品还用上了微波，甚至毫米波频段。

表1能直观看出一个规律：频率越高，波长越短。波长会直接影响电路设计难度，还会左右整机成本。

先讲波长计算公式：

λ=v/f

式中λ代表波长；v是相速度，信号在空气中传播时速度固定为3×10⁸米每秒；f是信号频率。

表1：各类无线应用对应的频率与波长示例

波长会从哪些方面影响射频电路设计？设备尺寸和波长之间的比例关系，是硬件结构设计里必须重点考量的点。

看图5的正弦波就能明白：一个完整波长的波形，会从零点上升到峰值、回落至零点、下探到谷值，最后再回到零点。从表1的数据能看出，音频频段的信号，一个完整波长长度可达数米甚至几百米。所以信号在传统模拟设备内部传输时，相位变化带来的影响几乎可以忽略不计。

但到射频乃至更高频段，相位偏移带来的影响就不能忽视了。电路设计中常会利用四分之一波长、半波长的特性，实现信号增强或者抵消，以此削弱信号反射、干扰带来的不良影响。

2、信号反射与干扰

正弦波沿着传输线、线缆传输时，如果遇到阻抗突变、不连续的位置会发生什么？接头、焊点、传输线走线宽度突变这类位置，都会产生阻抗不连续。

图7展示了信号在传输线中传播，碰到绿色方框代表的阻抗突变点的场景：一部分信号会穿过该节点继续向前传输，还有一部分信号会原路反射回去。反射回来的信号和入射信号会产生相位叠加，二者相位相反时，会直接互相抵消，造成信号衰减。设计高频传输线、PCB电路板时，必须分析这类反射效应，并采取措施降低它带来的负面影响。

图7：传输线中的阻抗不连续点常会产生信号反射，反射形成的额外信号会干扰、畸变原本需要传输的有效信号。

四、电波传播

理解电波传播最简单的方式，就是想象往池塘里丢一颗石子的画面（图8a）：石子落水的位置会向外扩散出一圈圈同心水波。如果匀速持续丢石子，水面就会形成连绵不断向外扩散的波纹。

这种水波属于机械波，它依靠水分子振动传播，和射频电磁波在真空、空气中传播的原理完全不同；声波也是典型的机械波，人说话、唱歌时，声音就是靠空气分子振动传递的。

而电磁波传播时，会在空间中交替变化电场与磁场（图8b）。电场、磁场随时间交替起伏，传播形态和水面波纹十分相似。

(8a) 机械波； (8b) 电磁波，图8：波的传播示意图

频率和波长是区分不同电磁波的核心参数（图9）。低频信号比如调幅广播，单位是kHz，代表每秒振荡几千次；调频广播是MHz，每秒振荡几百万次。这类低频信号的波长很长，尺寸能达到楼房、人体这个量级。

频率越高，对应的波长就越短。微波频段的波长，大概只有蜜蜂、针头那么大；从红外线一直到X射线，波长会持续变短。这也能直观告诉我们：想要发射对应波长的信号，天线、辐射单元需要设计成多大尺寸。

图9：完整电磁波谱对应的频率与波长对照图

五、自由空间路径损耗（FSPL）

微波理论里经常会讲到理想全向天线，它向所有方向辐射信号的强度完全相同。理想全向辐射源在自由空间发射信号时，电磁波能量会以球面形式向外扩散，球面面积公式为A=4πd²。球面不断向外扩张，球面上的信号强度会遵循平方反比定律持续衰减，如图10所示。

自由空间路径损耗公式用于计算信号强度衰减量，损耗大小由传输距离和信号频率共同决定。该计算模型有两个前提：收发天线之间无遮挡、收发天线极化方向保持一致。由此可知，传输距离越远，自由空间路径损耗就越大。

其中：

S=功率密度

Ptx=天线总发射功率

d=与天线的距离（球面半径）

自由空间路径损耗是理论计算值，并非实际测量结果。两个理想全向天线之间的自由空间路径损耗（衰减量A）可通过下面公式计算得出。

该公式也可换算为dB形式表达：

其中：

f=信号频率，单位MHz

d=传输距离，单位km

这套计算公式出自国际电信联盟标准 ITU-R P.525-2《自由空间损耗计算方法》。需要注意，自由空间路径损耗的计算仅适用于远场区域。

很多人存在一个误区：认为是空气本身对不同频率信号产生不同衰减，才让自由空间损耗和频率相关。实际上，自由空间模型里不存在任何遮挡物，空气本身不会造成频率相关损耗。

FSPL和频率挂钩的真实原因是：接收端理想全向天线的有效接收口径Ae会随频率变化。频率越高，天线有效接收口径越小，接收得到的信号功率就越低，因此路径损耗会随频率升高而增大。

多数场景下，地球大气层可以近似当作“自由空间”来分析。但在部分特定频段，大气里的水分子、氧分子会显著影响路径损耗。

当信号频率匹配水分子、氧分子的固有谐振频率时，空气分子会发生谐振，大幅加剧信号衰减。这类衰减和频率强相关，会在特定频率出现明显的损耗峰值，如图11所示。

图11里可以看到：水汽第一个损耗峰值在22GHz，氧气第一个损耗峰值在63GHz。绝大多数无线设备设计时都会刻意避开这两个频段；不过也有部分应用特意选用这两段频率，以此降低外界干扰、提升通信保密性。

图11：大气层环境下的等效自由空间损耗特性

1、采用dB计算信号功率

射频、微波领域分析信号强弱时，一般直接讨论功率，而非电压、电流。功率的标准单位W常换算为对数单位dB来表示。早年没有计算器、电子表格，工程师为了快速运算信号大小，引入了dB单位。它的核心优势是：乘除运算可简化为加减。

举个例子：原本需要计算功率比值10^8×10^6，再乘以损耗系数10^4；换成dB后，只需把对应dB数值直接相加。只要知道电路器件的损耗、放大器的增益，全部相加就能快速估算链路末端的信号功率。

表2：采用dB单位能更简便地计算信号功率大小

六、系统设计模块

现代射频通信系统的核心功能模块梳理如下：

首先是发射机，作为原始信息信号的产生端；其次是天线，天线物理尺寸必须匹配信号波长，通过天线上形成的驻波实现电磁波向空间辐射。

接收端同样配备天线，先将微弱接收信号放大至可正常处理的幅度，再对承载的信息进行解调处理。

设计前需要综合评估大量约束条件：收发天线之间的传输距离、所需天线增益大小、接收机灵敏度指标；以及相关监管法规对工作频率、信号带宽、发射功率的限制。

这些要素都会决定整套通信系统最终的设计方案，表3列出了射频设计过程中几项核心考量因素。

表3：射频设计需要考量的各类潜在因素

1、发射机

图12展示了通信系统发射端的核心组成模块总览。首先通过多路复用器，将待传输的有效信息送入发射链路；随后经过信号处理模块完成信号整形适配，满足发射传输要求。

下一步会按照应用需求选用对应调制方式对信号进行调制。早期常见调幅（AM）、调频（FM），如今数字调制方案种类繁多，其中大量调制技术都基于正交频分复用（OFDM）实现。

到这一步为止，信号一般还处于低频基带频段。通过频率转换器（混频器）将发射信号上变频至该业务分配的工作频段；再经由功率放大器把信号放大到额定发射功率。之后信号会经过滤波器滤波，保证发射频谱纯净，严格限定在许可带宽内；最终通过天线向空中辐射出去。

图12：简化版发射机模块框图

七、接收机概述

接收机的器件组成与发射机相近，但信号处理流程顺序完全相反（见图13）。信号先由天线接收，随后送入滤波器，滤除或大幅抑制目标频段以外的干扰信号。天线接收到的射频信号功率通常极低，因此会采用低噪声放大器（LNA）放大有用信号，使其电平高于噪声基底。完成放大后，信号经下变频降至中频或基带频率，再进行解调、信号处理，最后将恢复出的信息分流至对应输出通路。

图13：简易接收机内部模块示意图

图14画了接收机里信号频谱的变化过程。射频信号和本振信号混在一起处理后，会输出中频信号或者音频信号，同时还会多出镜像干扰信号，相当于射频、中频信号的复制品。这些多余的干扰信号，只要在有用信号频段加滤波器就能过滤掉。

图14：简易接收机频谱示意图

现实中的接收机大多结构复杂。图15为典型超外差接收机模块框图。该架构中，第一级通过射频器件完成射频调谐，包含前文所述滤波器、放大器、混频器与本振。这一级可初步选频、抑制镜像频率，并防止大功率带外信号造成前端放大器饱和。本地振荡器输出混频所需频率，通常为可调振荡器，以此实现接收机多频道调谐。第一级将输入射频信号转换为固定高低中频。第二级配备中频带通滤波器，完成接收机窄带滤波。混频器从中频射频信号中解调出音频或其他调制信号，经音频放大器放大后输出。

图15：超外差接收机

图16超外差接收机频谱示意图，将接收机处理流程分为射频、中频两级电路，可分别针对射频频段与中频频段做针对性设计，以此优化整机接收性能。

图16：超外差接收机频谱图

八、天线

天线是一种将电能转换为无线电波的器件，无线电波随后在自由空间中传播（见图17）。整套传输机制为：发射端生成信号，经由天线转化为电波在空间传播，再由另一端的天线完成接收。接收天线会将电磁波重新转换成微弱电压信号，该信号经过放大、解调后，即可还原出原本传输的信息。

天线是如何产生电磁波的？大家可以回忆一下，电路中的开路、短路点都会产生信号反射。通过设计电路的外形与尺寸，我们能在特定频率（或一段频率区间）上形成驻波。常用的导体长度为半波长，依靠谐振效应激发出电磁场。因此天线尺寸由工作频率（波长）决定，这也是低频天线体积巨大的原因。

图18展示了半波偶极子天线工作在谐振频率时的驻波分布。图中用不同色块直观表示波形：红色代表电压（V），蓝色代表电流（I），色块宽度对应天线上该位置信号的幅值大小。

图18：半波偶极天线工作在谐振频率产生驻波，从而向外辐射电磁波。

微波理论中假设理想点源天线会向四周均匀辐射信号。但实际使用场景里，我们大多希望天线把大部分信号集中朝指定方向发射。增益、方向性是天线的关键指标，用来衡量天线在目标方向上的辐射能力，对比基准就是理想点源天线。波束宽度是另一项参数，代表天线辐射能达到额定增益的角度范围，一般定义为主瓣峰值两侧功率下降3dB对应的夹角。

前文提到过（见图8b），无线电波包含电场与磁场分量。对应到天线，就分为垂直极化、水平极化两种极化方式。只需将被测天线旋转90度，就能分别测出两种极化的辐射特性。多数天线随摆放朝向、极化方式不同，辐射波束形状也会存在明显差异（见图19）。

图19：两种极化方式下测得的天线方向图

大家能看到方向图后方有小型环状辐射区域，这就是旁瓣。和所有工程器件一样，实际天线总会有一部分能量往无用方向辐射。天线设计工程师需要花费大量精力，尽可能削弱旁瓣带来的不良影响。

九、无线链路设计

结合前面讲过的内容，我们来搭建一套完整系统，完成无线链路设计。核心目标是通过空气介质，把信号从一处传输到另一处。现如今绝大多数无线设备都支持收发双向工作，为方便讲解，我们先只分析单向传输链路（见图20）。发射端生成信号，经由发射天线辐射出去，信号在空中传播后，由接收天线送入接收机完成处理。

图20：无线链路设计示意图

做链路设计时，需要考量诸多要素：工作频率、功率大小、信号带宽等。这类参数大部分会在对应通信技术的规范标准里明确规定，但仍要预留设计余量，适配这条链路的实际使用需求。

需要确认传输模式是点对点，还是一点对多点？场地地形如何？传输距离有多远？表4罗列了搭建无线系统时需要考虑的各类关键因素。结合所有参数，我们就能计算链路预算，判断这套通信方案是否可行。

表4：链路设计考量要素

自由空间损耗公式的前提是收发两端均为无增益理想点源天线。实际使用时，会把发射天线增益Gtx、接收天线增益Grx计入自由空间损耗计算公式。天线增益Gtx、Grx均以理想点源天线为参照，单位是dBi。

我们以GPS应用为例进行计算。一颗距离地面20200千米的GPS卫星，采用增益13dBi的天线发射功率50瓦的L1频段信号（1575MHz）。若地面接收天线增益为3dBi，求地面接收到的信号强度为多少？

50W换算为47dBm，因此接收信号强度约为-121.4dBm（47减去168.4）。注意，自由空间损耗对于卫星通信系统通常是十分贴合实际的估算值。

网络上有不少链路预算计算工具与各类设计参考资料（示例见图21）。这类工具只需输入发射频率、发射功率、发射天线增益、接收天线增益以及传输距离，就能生成理想链路预算，算出路径损耗与接收功率。实际工程中需要考量的因素远不止这些，但它能快速直观地判断一条无线链路能否正常通信。

图21：射频链路预算计算器

如今绝大多数设备都不再是单纯的发射机或接收机，手机、笔记本、平板这类终端均为双向收发设备。这类设备内部同时集成发射通路、接收通路以及多副天线，给电路设计带来新难题：需要尽可能抑制信号串扰，避免不同模块之间互相干扰。

图22：此框图展示模块化（宽带无线接入）收发机设计的基础组成单元。

十、元器件

站在系统层面梳理前面介绍过的核心元器件，必须充分掌握各类元器件的设计原理与性能指标，才能保障整套系统满足特定场景的使用需求。

1、滤波器

前文提到过，滤波器在发射机、接收机设计中都起到关键作用。发射端必须依靠滤波器，让辐射信号符合联邦通信委员会对应业务的规范要求；接收端则需要滤除接收天线拾取的各类无用杂波，从而保证目标信号的接收质量达到最优。

滤波器分为多种类型，包含低通、高通、带通滤波器。低通滤波器会滤除设定频率以上的所有信号，高通滤波器滤除设定频率以下的信号；带通滤波器仅允许指定频段内的信号通过（见图23）。

图23：射频带通滤波器性能曲线示意图

通带内要尽可能不让有用信号衰减。带宽一般以中心频率两侧功率下降1dB或3dB的位置来界定。带内插入损耗是核心指标，代表信号经过滤波器损失多少功率。另外还要看通带内信号幅值起伏（纹波）大小，以及相位是否平稳。阻带指标看滤波器对带外杂波的抑制能力，离中心频率越远，抑制效果通常越高。

2、放大器

发射机、接收机里都会用到放大器，但两者用途和指标要求完全不一样。发射端的信号波形是固定好的，功率放大器负责把信号放大到足够功率，保证远处设备能收到，同时满足通信法规要求。

功放分线性区、非线性区：

1. 线性区：输入信号放大多少倍，输出就同步放大多少，这个放大倍数就是增益；

2. 输入信号持续加大后，输出不再按固定比例增长，进入非线性区；增益下降1dB时对应的输出功率，就是1dB压缩点。

功放工作在非线性区会产生谐波、杂散干扰：除主频率Fc外，还会产生2倍、3倍频等谐波；电源、发射机其他器件也会产生杂散，再被功放放大。设计功放和搭配滤波器，都是为了压低这类干扰。

邻道功率比（ACPR）用来衡量信号会不会窜到相邻信道。像WiFi这类频谱会划分多个信道提升传输容量，必须控制信号不溢出到隔壁信道。动态范围规定了发射机能正常输出的最小、最大信号功率。

天线接收的空中信号混杂有用信号和各种未知干扰，整体功率微弱，很容易被噪声盖住。低噪声放大器专门用来微弱抬升接收信号，同时自身新增噪声极低，方便后端电路区分信号和底噪。

无线通信里有个概念叫热噪声，也记作kTB。其中k是玻尔兹曼常数，T是负载（比如电阻）的绝对温度，B是测试带宽。行业通用基准值是每赫兹带宽-174dBm，也就是1Hz带宽下的底噪水平。

低噪声放大器（LNA）的作用就是把接收信号放大，让信号电平高于这个底噪，后端电路才能正常解调识别。噪声系数是LNA核心指标：噪声因子等于器件实际输出噪声，对比器件自身不产生噪声时的理想输出噪声；也等于输入信噪比除以输出信噪比。把噪声因子换算成dB，就是噪声系数。

不难理解，放大器的好坏直接决定整套收发系统的整体性能。放大器虽然能抬高信号、把信号从噪声里分离出来，方便接收识别，但同时自身也会叠加噪声、产生杂波干扰。图24展示了电路设计加入放大器时，输入端、输出端都需要重点关注的各项关键指标。

图24：放大器关键性能指标

3、混频器

混频器用于发射机、接收机里的频率升频与降频转换。发射端：基带信号送入混频器一路端口，本振信号（LO）送入另一路端口；两路信号经过混频后，生成射频发射信号，从第三路端口送往天线辐射。接收端原理一致，只是信号流程反向：依靠本振把空中接收的射频信号降频还原为基带信号。

混频器输出不只有基带与本振频率相加的和频信号，同时还会产生两者相减的差频信号。混频器属于非线性器件，还会生成和频、差频各自的谐波分量。受混频器结构限制，输入信号、本振信号会有一部分泄漏到输出端口，和新生成的频率信号混在一起（见图25）。

混频器虽然负责把信号转换到所需频段，作用十分关键，但它也会给有用信号引入噪声。滤波器可以大幅削弱混频产生的各类无用频率分量，起到重要改善作用。

图25：混频器输出频谱

图26：电路设计选用混频器时需关注的关键性能参数

更多内容详细参见文章射频工程师必须知道的十大射频器件---你知道几件？

十一、核心设计参数

1、噪声

接收信号时，噪声往往是最主要的干扰问题。切换广播电台时听到的沙沙声，就是环境噪声。产生噪声的来源分为多种。

热噪声是射频电路的关键指标。导体内部电子等载流子受热运动，会产生这类电噪声/射频噪声。

即便不施加电压，只要存在温度，载流子就会无规则振动，持续产生热噪声；温度越高，粒子运动越剧烈，热噪声电平也就越高。所有电子电路都会或多或少存在热噪声。

热噪声属于随机噪声，波形无法预判，因此不能通过抵消类方法消除干扰。

手机、车库门遥控器、无线网络设备等各类设备，都会向外辐射噪声。接收机设计阶段必须全面考量所有潜在噪声源。

当有用信号电平接近噪声底限时，设备将很难分辨有效信号：

1. 模拟信号：噪声环境下信号持续衰减，信号识别精度会持续变差（见图27a）；

2. 数字信号：信号内置编码与冗余校验，低干扰下不会产生误码，信息可完整还原；但一旦信号强度逼近噪声底噪，性能会断崖式下跌，出现成片数据丢失、完全无输出的情况（见图27b）。

在100GHz以内、温度高于-150℃区间，适用瑞利-金斯近似公式，匹配电阻产生的输入噪声功率：

其中：

k：玻尔兹曼常数，k=1.38x10^-23J/°K。

T：热力学温度（开尔文）；室温约19.8℃=293°K；标准参考温度T0=290°K（16.8℃）。

B：系统噪声带宽。

290K标准温度下：kT0B=-174dBm/Hz，代表1Hz带宽对应的热噪声功率。

噪声底噪完整计算步骤：

1. 确定系统信道带宽；

2. 将带宽值换算为dB：10log10(B)；

3. 带宽dB值叠加-174dBm/Hz，得到该带宽下总底噪。

计算示例

信道带宽 B=1MHz=1x10^6Hz

1. 带宽换算dB：10log10(10^6)=60dB

2. 总底噪：-174+60=-114dBm

不同温度下1Hz带宽热噪声基准：

- +85℃：kTB=-173.1dBm/Hz

- +19.8℃：kTB=-173.9dBm/Hz

- -30℃：kTB=-174.7dBm/Hz

温度越高，每Hz底噪越大；带宽越宽，系统总噪声功率越高。射频接收机必须保证有用信号功率高于该底噪，才能正常解调。

举个例子，一台信道带宽1MHz的接收机，它的理论噪声底噪是-114dBm。但现实里还有不少别的噪声来源，会把底噪抬得更高，比如外界环境干扰、元器件本身产生的噪声，或是接收机设计上的缺陷。

那元器件的噪声好坏要怎么判定、怎么测？噪声系数和噪声因子的计算方式，就是拿元器件输入端的信噪比，除以输出端的信噪比（见图28）。这个指标能直观看出元器件会把信号的信噪比恶化到什么程度。噪声因子用普通倍数表示，噪声系数则是换算成dB单位来表示。

图28：噪声指标测试示意图

补充说明：理想无噪声器件的噪声因子等于1。

对应的噪声系数就是0dB。

但现实里的器件都会额外产生噪声，这里记作Na，因此计算公式会变为：

对于噪声因子，公式推导如下：

我们已知输入噪声功率 Nin=kT0B，代入后公式可化简为：

这是IEEE标准规定的噪声因子定义。

在实际测量噪声系数时，一般会使用经过校准的噪声源。噪声源能输出已知大小的噪声信号，依靠它就能算出被测器件自身附加的噪声Na。

实际测试方案会搭配频谱仪来采集噪声功率（见图29），完整操作流程分三步：

1. 先用噪声源对频谱仪完成校准；

2. 接入被测器件，完成噪声功率测试；

3. 结合两次测试数据，通过弗里斯公式计算得出该器件的噪声系数。

图29：噪声系数测试示意图

2、杂散响应

在无线电接收场景里，杂散响应指接收机中频电路出现的虚假信号响应。

产生原因：外界无用信号的基波/谐波，和接收机本振信号的基波/谐波发生混频，最终在中频端生成干扰信号。

混频器是接收机核心器件，同时也极易产生各类无用杂散信号，这类干扰必须通过滤波电路滤除。图30展示了混频器输出所有频率分量的频谱分布。

图30：混频器输出频谱

混频时高次谐波分量相互作用，还会衍生出更多额外输出频率。举个例子，需要重点关注本振三次谐波参与混频产生的各类组合频率：

举例：本振五次谐波所产生的混频组合分量

本振更高次谐波同样会生成混频杂散分量。通过频谱分析，就能直观看到所有这类干扰信号及其功率大小。接收机设计阶段，需要规划对应滤波器，以此削弱无用杂散信号带来的干扰。

3、三阶截点（TOI）

三阶截点（TOI）和三阶互调失真（IM3）是两项关联紧密的指标，用来衡量射频系统的线性好坏。

这两个参数都能清晰反映：三阶失真产物的功率，和主信号功率之间的相对大小。三阶截点，用来表征由三阶非线性项产生的失真信号，和线性放大的基波信号之间的对应关系。

图31：三阶截点（TOI）定义示意图

三阶截点用于衡量器件双音互调失真性能。输入两个频率分别为f1、f2的信号时，被测器件的非线性特性会产生2f1-f2、2f2-f1这两组三阶失真分量。

图32：三阶截点（TOI）测试示意图

有个关键特性：主输出信号功率每提升1dB，三阶失真产物功率会上涨3dB。把两条功率变化曲线延长相交，失真分量与基波信号功率相等的交点，就叫做三阶截点（TOI/IP3）。

4、动态范围

接收机的动态范围是综合性能指标。它决定了接收机能够正常、精准处理的输入信号功率区间。

当输入微弱小信号时，接收机前端的噪声系数会成为性能瓶颈；

当输入超大强信号时，互调失真、谐波干扰就会成为主要问题。

系统设计时必须明确所需动态范围：覆盖从需要接收的最小信号，到最大信号的全部功率区间。

图33：互调失真与谐波会影响系统动态范围

十二、级联分析

级联分析操作简单，分析系统性能却十分好用。它把接收机里放大器、混频器等各个模块分开单独看待，如图34所示。只要清楚每个器件的关键参数，就能算出接收机整机的整体性能。用这套方法能精准算出小信号增益和噪声系数，对于1dB压缩点这类大信号相关性能，也能做出很贴近实际的估算。

图34：接收机关键器件的级联分析示意图

举个简单例子，计算电路里两级放大器级联后的总噪声系数（见图35）：第一级放大器增益20dB、噪声系数2dB；第二级放大器增益同样20dB，噪声系数11dB。套用前面噪声系数章节讲过的计算公式，就能算出这两级放大器组合之后的整机等效噪声系数。

图35：级联放大器噪声系数计算示意图

表5展示了多器件级联时该计算的具体方法。

表5详细说明了多器件依次级联时的具体计算方式。

十三、测试与验证仪器

整个设计流程中，评估元器件与整机系统性能十分关键。罗德与施瓦茨提供全套测试仪器，可完成从样机研发、批量生产到现场设备的全流程指标验证。这类仪器既能检测系统整体性能，还能替代测试阶段暂未配齐的部分电路模块。本章节简单介绍射频验证工作里最常用的几类测试设备。

1、频谱分析仪

对发射设备或子系统做测试，一般都需要配套接收类仪器。频谱分析仪就是专门为此设计的，也是射频实验室里最常见的测试仪器之一。如果要观测复杂信号、多信号共存场景，频谱仪是必备基础测量设备，它最核心的测量功能就是观测信号功率随频率的变化。

新一代频谱分析仪新增了大量测量功能，包含：

1. 噪声系数测试。

2. 群时延测试。

3. 相位噪声测试。

4. 基础调制分析。

5. 各类复杂制式调制分析，覆盖：

· 移动通信

· 无线局域网

· 蓝牙

· 卫星通信

· 雷达应用

更多内容详细参见文章一文带你了解频谱仪

2、信号源

信号源能够生成对应调制格式的标准信号，用来模拟发射端设备。不管是简单信号还是复杂输入信号，都能用它来生成，是基础测量仪器。信号源主要分为模拟信号源和矢量信号源两类。

模拟信号源用于输出不同功率、不同频率的基础正弦波，一般自带调幅、调频、调相、脉冲这类基础调制功能。矢量信号源则用来生成当下广泛使用的各类复杂数字调制信号。

新款信号源新增了大量复杂信号生成功能，包含：

1. 调幅、调频、调相信号。

2. 基于数学公式生成任意波形信号。

3. 跳频信号。

4. 各类复杂调制信号，覆盖：

· 移动通信

· 无线局域网

· 蓝牙

· 卫星通信

· 雷达

更多内容详细参见文章从原理到测试，完整读懂矢量信号源和一文带你了解射频信号源

3、矢量网络分析仪

矢量网络分析仪（VNA）主要用来检测元器件的性能。它属于精密测量仪器，能够给高频器件输入激励信号，同时测出器件幅度和相位的响应特性。基础用法是给放大器这类器件输入正弦信号，再测出它的幅度、相位变化。网络分析仪一般测量散射参数（S参数），因为相比电流、电压，用信号功率来量化射频特性会更简便。

新款矢量网络分析仪新增了诸多功能，可测量更复杂的器件与参数：

1. 差分、真差分非线性特性。

2. 阻抗匹配特性。

3. 混频器、频率变换器件。

4. 最多48端口的多端口器件。

更多内容详细参见文章所有射频工程师都应该学习的矢网（VNA）通识课

4、射频功率计/功率探头

功率计是最基础的测量工具，功能很简单，只测器件输出信号的功率大小。主要分两种：

1. 二极管式功率探头——动态范围大。

2. 热敏电阻式功率探头——测量精度更高，但动态范围偏小。

功率计没法分辨信号里包含哪些频率。新款功率计一般搭配探头和电脑软件配套使用。比如可以搭配信号源，粗略测出器件的频响特性。现在不少功率计还能测量脉冲、间歇类信号。

更多内容详细参见文章一文带你认识什么是射频功率计

最后总结一下：

如今市面上各类无线设备都用到射频设计，手机、卫星电视、无线网络、蓝牙设备全都包含在内。吃透射频设计基础，才能搞懂无线技术的工作原理，清楚设计、开发、测试阶段要留意哪些要点。射频系统设计流程复杂，需要全面掌握多个领域的基础理论知识。