軟件無線電的射頻天線
2022/9/27 11:35:02 點擊：
軟件無線電是近幾年提出的一種新的無線電通信的體系結(jié)構(gòu)。其基本概念是把硬件作為無線電通信的基本平臺，而將盡可能多的通信功能轉(zhuǎn)為用軟件實現(xiàn)，從而改變了長期以來通信電臺一直沿襲的為某一特定用途設(shè)計，采用“硬布線”和“硬件堆集”的傳統(tǒng)方法，使得無線通信的新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)逐步由硬件設(shè)計轉(zhuǎn)到軟件設(shè)計上來。這樣，系統(tǒng)和產(chǎn)品的改進與升級換代，不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，只需更換軟件即可。非常方便且代價小。可以預(yù)料，軟件無線電出現(xiàn)，與個人PC所經(jīng)歷的變革一樣，必將使無線電通信領(lǐng)域產(chǎn)生一場質(zhì)的飛躍。
從軟件無線電的技術(shù)實現(xiàn)角度來看，關(guān)鍵技術(shù)是采用多頻段和寬帶天線以及智能天線（Smart Antenna），將A/D、D/A變換盡可能地靠近射頻天線端口，即由現(xiàn)在的基帶移到中頻，甚至射頻，A/D變換后的所有處理都用可編程DSP，依靠軟件編程來實現(xiàn)。因此，這種體系結(jié)構(gòu)具有很強的通用性，是實現(xiàn)多頻段。多工作模式和多用戶通信的最佳途徑。
軟件無線電有許多問題急待解決，主要是：射頻天線、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高速DSP、各種通信協(xié)議。
1 多頻段和寬帶天線
首先澄清兩個不同概念，即多頻段和寬帶天線的概念。多頻段和寬帶天線的設(shè)計使天線能夠在寬頻段上工作，但多頻段意味著能在幾個分離的不同頻段上工作，在所設(shè)計的天線最高和最低頻率之間常常無相鄰覆蓋，而寬帶則意著天線設(shè)計的最高和最低頻段之間有相鄰覆蓋。在實現(xiàn)應(yīng)用，要做到各個通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通，顯然要求射頻天線具有良好的多頻段性能和可程控的多頻段、多功率射頻轉(zhuǎn)換能力。
從軍事應(yīng)用上看，各軍種對能在多個頻段上工作的天線需求強烈，這主要來源于各軍種的“戰(zhàn)場數(shù)字化”的宏偉設(shè)計，所謂數(shù)字化是指利用現(xiàn)有無線電鏈中在各戰(zhàn)斗梯隊之間實時地傳送各種話音、數(shù)據(jù)和圖象等多種信息。為達到這一目的，正在努力實施裝備多頻段、多工作方式無線電臺的計劃，而多頻段天線則是多頻段、多工作方式無線電臺的關(guān)鍵部件之一。美軍早在1992年就開始了“易通話”（Speakeasy）這一軟件無線電系統(tǒng)計劃的研究。該計劃旨在研究出一種多頻段、多工作模式電臺（MBMMR-Multiband multimade Rodio），其第一階段的高級開發(fā)模型已向政府演示了幾種功能：分別了4種不同的電臺通信（Have Quick、HF Modem、HF、SINCGARS）實現(xiàn)了互通，同時實現(xiàn)了HAVE Quick跳頻網(wǎng)和SINCGARS跳頻網(wǎng)的網(wǎng)間互通；通信業(yè)務(wù)包括話音、數(shù)據(jù)和圖象，而同時改變兩個互聯(lián)的Speakeasy電臺傳輸波形則顯示了系統(tǒng)的可編程性。進入第二階段后，“易通話”計劃將著重開發(fā)一種能在幾個可選工作頻段上，使用若干個可選擇的工作波形同時在多信道上同步通信的系統(tǒng)。
對于機載天線而言，今后的努力方向是能將多頻段天線和寬帶天線綜合到飛機中，即將天線裝在機殼內(nèi)，以減少空氣阻力和飛機的凸出部件造成的電磁干擾，這種超薄陣列和共形天線技術(shù)，使實現(xiàn)“靈巧機殼”成為可能。同時，由于不必使用各種分離天線，可避免由于天線的近距相互干擾而產(chǎn)生的信號畸變和失真。
解決寬帶和多頻段天線設(shè)計問題的方法是采用先進的計算機仿真技術(shù)來模擬新天線的設(shè)計特性，如GTE政府系統(tǒng)公司已經(jīng)研制出能夠同時在兩個頻率點發(fā)送和接收卡塞格倫反射器天線，這種天線的副反射器在反射一個頻率的時，能夠讓另一個頻率通過；同時巴爾的摩Westinghouse電子系統(tǒng)集團已研制出一種將L波段的敵我識別系統(tǒng)（IFF）集成到S波段無線電臺中的多頻段天線。但要真正找到多頻段天線的最佳解決方案，恐怕還要等以時日。
2 智能天線（Smart Antenna）
智能天線的基本思想是：天線以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個期望用戶。發(fā)射信號時使期望用戶能接收到最大功率信號；接收時，抑制窄波束以外的干擾信號；這里所說的跟蹤并不一定要將高增益窄波束把向期望用戶的物理方向，因為移動用戶的實際物理方向隨機變化，難以確定。因此，智能天線波束跟蹤的真正含義是：在最佳路徑方向上形成高增益窄波否并跟蹤最佳路徑的變化，而且這種跟蹤無需關(guān)于期望信號和干擾環(huán)境先驗信息。圖1為智能天線波束跟蹤的基本思想。
智能天線與傳統(tǒng)天線有著本質(zhì)的區(qū)別，其理論基于信號統(tǒng)計檢測、估值理論和最優(yōu)控制理論，隨著自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，智能天線成為天線發(fā)展的一個熱門話題。圖2為一個Ku波段移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路的簡單例子。多址方式為FDMA，S1與S4用同一頻率，假定S1是期望用戶，則天線主波束指向并跟蹤S1，而在S4方向上是零陷，采用高分辨陣列處理中的MUSIC算法估計信號到達方向矢量（用以初始化自適應(yīng)跟蹤算法），波束形成采用自適應(yīng)天線的最小均方誤差算法。
由此可以看出智能天線的幾個特點：
· 具有空分多址的能力。對進入的多路信號可獨立地處理，對不同方向的信號可以根據(jù)不同的信號和干擾特性采樣不同的自適應(yīng)算法。
· 波束成形和控制等目前可以用DSP實現(xiàn)，從而具有功能擴展能力，易于與軟件天線電臺接口。
目前，智能天線的研究包括：
· 信道模型研究。除了關(guān)心除支信道的一般特性外，還要研究多徑信號的空間特征和DOA（Direction of Arrival，信號到達方向）擴展。
· 智能化發(fā)射。主要是構(gòu)造最優(yōu)化準則，在一定的結(jié)束（如功率結(jié)束等）下，使期望用戶接收的信號功率最大，而使非期望用戶接收的信號功率最小。
· 智能化接收。主要研究天線陣列的輸出，主要基于自適應(yīng)衡模算法（CMA.Constant Modulus Algorithm）的CM陣。
· 硬件實現(xiàn)。主要天線陣列的物理實現(xiàn)和信號處理算法的實時實現(xiàn)。
3 商用產(chǎn)品在軍事中的應(yīng)用
軍用天線的設(shè)計目前面臨的問題是如何以較低的成本設(shè)計出高性能的天線，采用的方法是普遍使用商用流行產(chǎn)品（COTS）。通過對COTS天線進行必要的改進，以適應(yīng)極其惡劣的環(huán)境要求。如美國加州查茨沃斯的TECOM工業(yè)公司的T-4000高增益天線系統(tǒng)，就是以國際海事衛(wèi)星組織使用的電調(diào)相控陣天線為基礎(chǔ)，發(fā)展適用于飛機使用的天線系統(tǒng)，如空軍C-135飛機。另外，Westinghouse也正在積極尋求民用客戶，如聯(lián)邦航空管理局和航空航天局，在這些民用合同競爭過程中，該公司已將為美國空軍制造天線的長期計劃提到儀事日程。這一計劃包括為空軍E-3空中預(yù)警飛機設(shè)計的超低副瓣天線，為B1轟炸機首次生產(chǎn)X波段電子掃描無源陣列天線和為F-22戰(zhàn)斗機制造X波段有源陣列天線。
以上僅就軟件天線電中射頻天線的發(fā)展狀況，探討了多頻段和寬帶天線、智能天線的理論和技術(shù)實現(xiàn)問題，還很全面，所涉及技術(shù)問題有待繼續(xù)探入研究。此外，有關(guān)軟件無線電的其它關(guān)鍵技術(shù)如高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高速DSP以及通信協(xié)議等也應(yīng)予以關(guān)注和研究。
從軟件無線電的技術(shù)實現(xiàn)角度來看，關(guān)鍵技術(shù)是采用多頻段和寬帶天線以及智能天線（Smart Antenna），將A/D、D/A變換盡可能地靠近射頻天線端口，即由現(xiàn)在的基帶移到中頻，甚至射頻，A/D變換后的所有處理都用可編程DSP，依靠軟件編程來實現(xiàn)。因此，這種體系結(jié)構(gòu)具有很強的通用性，是實現(xiàn)多頻段。多工作模式和多用戶通信的最佳途徑。
軟件無線電有許多問題急待解決，主要是：射頻天線、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高速DSP、各種通信協(xié)議。
1 多頻段和寬帶天線
首先澄清兩個不同概念，即多頻段和寬帶天線的概念。多頻段和寬帶天線的設(shè)計使天線能夠在寬頻段上工作，但多頻段意味著能在幾個分離的不同頻段上工作，在所設(shè)計的天線最高和最低頻率之間常常無相鄰覆蓋，而寬帶則意著天線設(shè)計的最高和最低頻段之間有相鄰覆蓋。在實現(xiàn)應(yīng)用，要做到各個通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通，顯然要求射頻天線具有良好的多頻段性能和可程控的多頻段、多功率射頻轉(zhuǎn)換能力。
從軍事應(yīng)用上看，各軍種對能在多個頻段上工作的天線需求強烈，這主要來源于各軍種的“戰(zhàn)場數(shù)字化”的宏偉設(shè)計，所謂數(shù)字化是指利用現(xiàn)有無線電鏈中在各戰(zhàn)斗梯隊之間實時地傳送各種話音、數(shù)據(jù)和圖象等多種信息。為達到這一目的，正在努力實施裝備多頻段、多工作方式無線電臺的計劃，而多頻段天線則是多頻段、多工作方式無線電臺的關(guān)鍵部件之一。美軍早在1992年就開始了“易通話”（Speakeasy）這一軟件無線電系統(tǒng)計劃的研究。該計劃旨在研究出一種多頻段、多工作模式電臺（MBMMR-Multiband multimade Rodio），其第一階段的高級開發(fā)模型已向政府演示了幾種功能：分別了4種不同的電臺通信（Have Quick、HF Modem、HF、SINCGARS）實現(xiàn)了互通，同時實現(xiàn)了HAVE Quick跳頻網(wǎng)和SINCGARS跳頻網(wǎng)的網(wǎng)間互通；通信業(yè)務(wù)包括話音、數(shù)據(jù)和圖象，而同時改變兩個互聯(lián)的Speakeasy電臺傳輸波形則顯示了系統(tǒng)的可編程性。進入第二階段后，“易通話”計劃將著重開發(fā)一種能在幾個可選工作頻段上，使用若干個可選擇的工作波形同時在多信道上同步通信的系統(tǒng)。
對于機載天線而言，今后的努力方向是能將多頻段天線和寬帶天線綜合到飛機中，即將天線裝在機殼內(nèi)，以減少空氣阻力和飛機的凸出部件造成的電磁干擾，這種超薄陣列和共形天線技術(shù)，使實現(xiàn)“靈巧機殼”成為可能。同時，由于不必使用各種分離天線，可避免由于天線的近距相互干擾而產(chǎn)生的信號畸變和失真。
解決寬帶和多頻段天線設(shè)計問題的方法是采用先進的計算機仿真技術(shù)來模擬新天線的設(shè)計特性，如GTE政府系統(tǒng)公司已經(jīng)研制出能夠同時在兩個頻率點發(fā)送和接收卡塞格倫反射器天線，這種天線的副反射器在反射一個頻率的時，能夠讓另一個頻率通過；同時巴爾的摩Westinghouse電子系統(tǒng)集團已研制出一種將L波段的敵我識別系統(tǒng)（IFF）集成到S波段無線電臺中的多頻段天線。但要真正找到多頻段天線的最佳解決方案，恐怕還要等以時日。
2 智能天線（Smart Antenna）
智能天線的基本思想是：天線以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個期望用戶。發(fā)射信號時使期望用戶能接收到最大功率信號；接收時，抑制窄波束以外的干擾信號；這里所說的跟蹤并不一定要將高增益窄波束把向期望用戶的物理方向，因為移動用戶的實際物理方向隨機變化，難以確定。因此，智能天線波束跟蹤的真正含義是：在最佳路徑方向上形成高增益窄波否并跟蹤最佳路徑的變化，而且這種跟蹤無需關(guān)于期望信號和干擾環(huán)境先驗信息。圖1為智能天線波束跟蹤的基本思想。
智能天線與傳統(tǒng)天線有著本質(zhì)的區(qū)別，其理論基于信號統(tǒng)計檢測、估值理論和最優(yōu)控制理論，隨著自適應(yīng)天線和高分辨陣列信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，智能天線成為天線發(fā)展的一個熱門話題。圖2為一個Ku波段移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路的簡單例子。多址方式為FDMA，S1與S4用同一頻率，假定S1是期望用戶，則天線主波束指向并跟蹤S1，而在S4方向上是零陷，采用高分辨陣列處理中的MUSIC算法估計信號到達方向矢量（用以初始化自適應(yīng)跟蹤算法），波束形成采用自適應(yīng)天線的最小均方誤差算法。
由此可以看出智能天線的幾個特點：
· 具有空分多址的能力。對進入的多路信號可獨立地處理，對不同方向的信號可以根據(jù)不同的信號和干擾特性采樣不同的自適應(yīng)算法。
· 波束成形和控制等目前可以用DSP實現(xiàn)，從而具有功能擴展能力，易于與軟件天線電臺接口。
目前，智能天線的研究包括：
· 信道模型研究。除了關(guān)心除支信道的一般特性外，還要研究多徑信號的空間特征和DOA（Direction of Arrival，信號到達方向）擴展。
· 智能化發(fā)射。主要是構(gòu)造最優(yōu)化準則，在一定的結(jié)束（如功率結(jié)束等）下，使期望用戶接收的信號功率最大，而使非期望用戶接收的信號功率最小。
· 智能化接收。主要研究天線陣列的輸出，主要基于自適應(yīng)衡模算法（CMA.Constant Modulus Algorithm）的CM陣。
· 硬件實現(xiàn)。主要天線陣列的物理實現(xiàn)和信號處理算法的實時實現(xiàn)。
3 商用產(chǎn)品在軍事中的應(yīng)用
軍用天線的設(shè)計目前面臨的問題是如何以較低的成本設(shè)計出高性能的天線，采用的方法是普遍使用商用流行產(chǎn)品（COTS）。通過對COTS天線進行必要的改進，以適應(yīng)極其惡劣的環(huán)境要求。如美國加州查茨沃斯的TECOM工業(yè)公司的T-4000高增益天線系統(tǒng)，就是以國際海事衛(wèi)星組織使用的電調(diào)相控陣天線為基礎(chǔ)，發(fā)展適用于飛機使用的天線系統(tǒng)，如空軍C-135飛機。另外，Westinghouse也正在積極尋求民用客戶，如聯(lián)邦航空管理局和航空航天局，在這些民用合同競爭過程中，該公司已將為美國空軍制造天線的長期計劃提到儀事日程。這一計劃包括為空軍E-3空中預(yù)警飛機設(shè)計的超低副瓣天線，為B1轟炸機首次生產(chǎn)X波段電子掃描無源陣列天線和為F-22戰(zhàn)斗機制造X波段有源陣列天線。
以上僅就軟件天線電中射頻天線的發(fā)展狀況，探討了多頻段和寬帶天線、智能天線的理論和技術(shù)實現(xiàn)問題，還很全面，所涉及技術(shù)問題有待繼續(xù)探入研究。此外，有關(guān)軟件無線電的其它關(guān)鍵技術(shù)如高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高速DSP以及通信協(xié)議等也應(yīng)予以關(guān)注和研究。
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