无线通信系统中的电波传播和通信链路质量要求

图1、无线接入 络（RAN）

自由空间传播损耗和波束形成

图2、自由空间中的电波传播损耗与频率之间的关系

上面的方程表明，发射信号在自由空间中所经历的路径损耗随频率的增加而增大。当信号通过空气传播时，衰减更严重(图2). 关注下面的简化示例是有指导意义的： 让我们假设一个视距通信链路，其中发射机(TX)和接收机(RX)使用具有方向性为DA的天线 ，在距离d处发送信号，用Friis方程（弗里斯传输公式）表明接收到的功率PRX 可以表示为：

其中PTX 是发射功率，f是频率。 对于给定的PTX 在不减小链路距离的情况下，克服较高频率路径损耗的唯一方法是提高天线的方向性。 对于给定的天线尺寸A，其方向性可以表示为：

上面的方程表明，对于给定的A，在较高的频率下能获得了更好的方向性。 或者对于给定的方向性，高频情况下天线的尺寸会变小。 这是高频系统级的一个主要好处，因为在同一区域可以挤压更多的天线。 天线阵是波束形成的基础。 通过控制每个天线输入处射频信号的相移，可以实现：

（1）合成N个TXs的发射功率；

（2）提高TX和RX天线的方向性；

（3）无需机械执行机构即可操纵波束；

对于一个由N个单元组成的天线阵，能够提供N^ 2 倍的发射输功率收益和N倍的RX功率收益(在RX，信号和噪声都被放大，导致与TX相比收益降低)。 因此，在链路预算中预期有N^3倍的好处，而不牺牲面积和特征尺寸大小，使毫米波通信链路成为5G的真正候选技术。不过 应该注意的是，即使是最先进的CMOS PA也显示出较低输出功率能力，即与在其他技术(例如。 GaN，SiGe或GaAs)中实现的功率放大器相比，CMOS工艺的输出功率较低。 如果相控阵一方面允许使用输出功率较低的单元PA，同时仍然满足链路预算要求，那么另一方面应该注意的是，直流功耗也随着N的增加而增加。 随着功耗的增加，热产生也随之增加，严重挑战了大规模MIMO（Massive MIMO）系统的可行性。 因此，大规模MIMO系统需要低功耗的PA解决方案，深尺度缩放CMOS技术正日益受到人们的关注。

射频电路非理想特性的模型

上面的方程表明，理论上最大信道容量与信号的射频带宽成正比。 然而，实际的调制方案只能接近这个理论上的最大值。 频谱效率测量的在给定的BW（带宽）中可以传输多少Bits的信息：

其中Fs 是符号速率，α是限制符号间干扰(ISI)所需的根升余弦滤波器的滚降系数（通常为0.3~0.5）；Fb 是那个比特速率，而 M是 M-QAM调制的调制阶数。 很明显， 更高 的 调制阶数M，频谱效率越高。

然而，高阶调制方案对系统的每个功能块提出了更高的要求。 为了估计噪声和失真对误码率(BER)的影响，并导出每个功能模块的系统级别要求，通常采用两种主要的性能指标来衡量通道的测量质量： （1）信噪比（SNR）和（2)误差矢量幅度（EVM）。 后者被定义为计算误差向量的RMS大小，并表示为EVM对参考信号的归一化的百分比。 虽然信噪比和EVM测量相同的信号质量的退化量，但取决于所考虑的特定功能模块(即 TX、RX或LO)，可以选择两者之一中最合适的参数。 根据数字通信的理论在偶数阶M-QAM调制中，误码率(BER)可以近似表示为：

其中Q是Q函数。 图3显示了根据上面的方程的不同M-QAM调制方案的信噪比（SNR）要求。 即使采用理想的收发信机，随着M的增加也需要更高的信噪比才能实现相同的误码率。

图3、不同调制方案中误码率与信噪比之间的关系

图4、简化无线链路框图

整个系统的EVM可以表示为：

这些通信链路的非理想特性将会对信号质量产生极大的影响。