6.1软件无线电技术6.2超宽带无线技术6.3智能天线技术6.4

第6章无线通信新技术6.1软件无线电技术6.2超宽带无线技术6.3智能天线技术6.4WiMAX技术6.5认知无线电技术习题第6章无线通信新技术第6章无线通信新技术6.1软件无线电技术6.1.1基于软件的无线电(SBR,SoftwareBasedRadio)也叫做软件定义无线电(SDR,SoftwareDefinedRadio)，或者叫做软件无线电(SR，SoftwareRadio)，它通常被定义为对数字化无线电信号使用软件技术来处理。软件无线电的基本含义是把以往采用以硬件为核心、以特殊应用为目的的无线电实现方法，过渡到在某一个计算机平台上用软件来完成无线电任务的设计思想上来。第6章无线通信新技术软件无线电只需要改变软件就可以变换系统的功能和所遵从的技术标准，从而使得无线系统体制具有更好的通用性、灵活性，并使系统互连和升级变得方便。软件无线电要求在尽可能靠近天线处进行信号的数字化，从而在数字域获得完全的灵活性，或者可用灵活的射频前端处理大范围的载频和软件无线电模型如图6-1所示。第6章无线通信新技术图6-1软件无线电模型第6章无线通信新技术6.1.2软件无线电具有完全可编程性。软件无线电可通过软件编程的方式来改变通信过程中的各项参数，如RF频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类及加密方法等。由此可以看到，软件无线电具有很高的灵活性。第6章无线通信新技术软件无线电具有开放式模块化结构。软件无线电的基本平台是由标准化、模块化的硬件单元以总线方式连接而成的。另外，它还是一种开放式的体系结构。它能在尽可能标准化、统一化的硬件平台上通过加载不同的软件来实现各软件无线电具有集中性。多个信道共享射频前端与宽带A/D或D/A转换器以获得每一信道相对廉价的信号处理功能。第6章无线通信新技术6.1.3软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术主要包括：宽带多频段天线，宽带A/D、D/A转换器，高速并行的DSP，总线结构等。第6章无线通信新技术1.理想的软件无线电系统的天线部分应该能覆盖全部无线通信频段，能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。软件无线电覆盖的频段为2～2000MHz。就目前的水平而言，研制出一种全频段天线是不可能的，对于大多数系统只是覆盖不同频段的几个窗口，而不是覆盖全部频段。多频段天线的主导思想就是利用多个频段窗口的叠加来实现全部频段的覆盖。普遍采用的一种方案是利用2～30MHz、30～500MHz、500～2000MHz这三个波段的天线进行组合。另外，还可采用智能化天线技术，模块化、通用化收发双工技术，多倍频程宽带低噪音放大器等其他方案实现。第6章无线通信新技术2.宽带A/D、D/A数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进行处理，而生成的数字信号也需要变换成模拟信号才能进行射频放大输出，完成此项功能的器件就是各种A/D、D/A转换器。软件无线电对A/D和D/A转换器的要求是很高的，主要的性能要求为采样的速率和采样的精度。根据奈奎斯特采样定理，大带宽的输入信号要求A/D转换有很高的采样速率；另一方面多路信号间的远近效应要求A/D转换器具有大的动态范围与采样精度。但是这两者常常是不能同时满足的。采样速率每增加一倍，分辨力损失近1位。现实中常采用多个A/D并联的方法进行处理。第6章无线通信新技术常用的采样方法有过采样、正交采样和欠采样等。当采样频率fs为fmax(被采样信号的最高频率)的2.5倍以上时称为过采样。过采样产生的数据量较大，因此对后端数据处理的压力较大。正交采样是将信号分为两路，分别与本振的两个正交分量相乘，将射频信号变到中频或基带再采样。由于每路信号分量仅为原始信号带宽的一半，采样速率就可以降为原来的一半，因此需要两片相位一致的A/D转换器，实现起来相对困难。欠采样又叫带通采样，欠采样的采样速率可以更低，后端可直接在信号采样后较低的谐波分量上进行处理，既提高了效率，又简化了电路设计。第6章无线通信新技术A/D转换器结构主要有ΣΔ结构和管状结构。ΣΔ结构的A/D转换器的优势在于能提供较大的动态范围和高的线性度，但转换速度有限。管状A/D转换器能实现很高的转换速率，但其分辨力只能限于13～14位。据有关研究显示，采用两种结构、通过不同形式的混合而形成的混合转换器，不仅能综合不同结构在分辨率和转换速率方面的优势，而且还具有纠错算法、降低功耗和适应不同环境的能力。第6章无线通信新技术最常用的A/D转换器为半导体A/D转换器。目前，将超导和光取样技术应用于A/D转换器已成为未来的发展趋势。例如，基于超导基本量子机械特性的“快速单通量”(RSFQ)技术，利用单磁通量子脉冲代表二进制值，它可以通过对处理速度与分辨率进行折中的方法来达到最佳技术性能；采用超导的A/D转换器还具有高灵敏度的特点。在光取样A/D转换器中，取样与量化功能分别是在光域和电子域中完成的。光取样A/D转换器的主要优点在于模式锁定激光源的定时抖动小。当然，与较为成熟的半导体A/D转换器相比，超导和光取样两种A/D转换器技术还在不断地探索和发展当中。第6章无线通信新技术3.高速并行的DSPDSP芯片是软件无线电所必须的、最基本的器件，软件对数字信号的处理都是在DSP上进行的。软件对数字信号的处理功能主要包括三部分：基带处理、比特流处理和信源编码。基带处理主要完成各种波形的调制解调、扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要几十到几百MIPS(MillionInstructionsPerSecond)的处理能力。第6章无线通信新技术比特流处理主要完成信道编解码(软判决译码)、复用、分解、交换、信令、控制、操作和管理以及加密、解密等功能，每路需要几十个MIPS的处理能力。信源编码要完成话音、图像等的编码算法，每信道需要十几个MIPS的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算量，一般可采用数字信号处理技术DSP、专用集成电路ASIC、可编程门阵列FPGA第6章无线通信新技术DSP采用基于微处理器的体系结构，支持采用高级语言进行编程，使得DSP具有最大的灵活性；ASIC在固定的硅片上实现系统电路，是速度和功耗最优的电路实现，但其功能比较固定；FPGA也具有速度快、功耗低的特点，提供了底层硬件的可重构能力，其灵活性介于DSP和ASIC之间。与DSP相比，FPGA要求开发人员对硬件有一定的了解，从而受到一定的限制。目前也可将这几种技术相结合来提高数据的处理能力。第6章无线通信新技术4.软件无线电需要进行大量的数据传输，为保证性能，要求总线具有较高的数据传输和输入/输出(I/O)能力，传输速率至少要在50Mb/s以上，支持32～64bit独立的数据总线和地址总线；具备良好的机械特性和电磁特性，以便在恶劣的通信环境下也能正常工作，保证一定的通信性能。目前技术最成熟、通用性最好且得到最广泛支持的是VME总线。VME总线支持独立32位地址和32位数据总线，支持面向多主机的并行处理，能保证多个并行的处理器协调工作，并能共享系统资源，它已被公认为是未来工控系统总线标准的基础。第6章无线通信新技术6.1.4软件无线电的应用1.在军事领域，软件无线电可用于实现各种军用电台互联互通的多功能无线网关，用于实现可接入各种军用移动通信网的多功能车载电台，还可用于实现各种军用无线系统空中转信的多功能空中平台，以及智能化通信侦察与对抗的通信电子对抗系统等。第6章无线通信新技术雷达也是现代战争中相当重要的设备，不同用途、不同功能的雷达对雷达信号的各项参数如载波、脉宽、调制方式等均有不同的要求。显然，如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计，那么就能利用软件的方式来修改参数，可以比较圆满地解决目前雷达设计中所存在的问题。第6章无线通信新技术2.由于软件无线电可充分利用数字化射频信号中的大量信息来评估传输质量，分析信道特点，采用最佳接入模式灵活地分配无线资源，所以软件无线电技术的应用很快渗透到移动通信特别是第三代移动通信(主要是CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA)的研究中。多频段多模式移动电话通用手机、多频段多模式移动电话通用基站、无线局域网及无线用户环路的通用网关等都是软件无线电的重要应用领域。实际上，软件无线电是TD-SCDMA系统的关键技术之一。第6章无线通信新技术3.在当今通信领域中，卫星通信是最重要的通信方式之一。但是，目前卫星通信系统设备种类繁多，设备管理和维护工作复杂，使得卫星通信系统更新换代周期长，不能很好地适应现代高科技的发展步伐，而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统存在的问题，因此，研究具有软件无线电特征的卫星通信系第6章无线通信新技术在卫星通信系统中，系统功能主要指多址方式网络结构、组网协议和通信业务等；设备功能指接口标准、调制解调方式、信道编码方式、信源编码方式、信息速率、复用方式等。软件无线电技术的思想就是采用先进的技术手段，使得上述功能可以用软件来定义，通过友好的人机界面，人们可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功能，从而使该系统能适应各种应用环境，具有很强的适用性和灵第6章无线通信新技术6.26.2.1超宽带(UWB，Ultra-WideBand)是指系统带宽与系统中心频率之比大于20％或者系统带宽大于500MHz的通信系统。这种新颖的无线技术与传统的无线技术有着本质的不同，尤第6章无线通信新技术6.2.2超宽带技术的主要特点(1)结构简单。UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，不需要传统收发器所需的上、下变频，也不需要本地振荡器、功率放大器和混频器等，系统结构实现比较简单，(2)隐蔽性好，保密性强。UWB通信系统发射的信号是占空比很小的窄脉冲，所需的平均功率很小，可以隐蔽在噪声或其他信号当中传输。另外，采用编码对脉冲参数进行伪第6章无线通信新技术(3)功耗低。UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般UWB的发射功率小于0.56mW，所(4)多径分辨能力强。UWB发射的是持续时间极短的单脉冲且占空比较低，多径信号在时间上很容易分离，不容易(5)数据传输率高。UWB以非常宽的频率范围来换取高速的数据传输，在近距离传输速率可达500Mb/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。第6章无线通信新技术(6)穿透能力强，定位精确。超带宽无线电具有很强的穿透障碍物的能力，还可在室内和地下进行精确定位，定位(7)抗干扰能力强。UWB采用跳时扩频信号，系统具有较宽阔的频带，根据香农公式C=Blb(1+S/N)，高带宽可以降低信噪比，因此具有很强的抗干扰性。第6章无线通信新技术6.2.31.超宽带无线电中的信息载体为脉冲无线电(IR，ImpulseRadio)，它是一种占空比很小的窄脉冲(纳秒级宽度)。典型的脉冲波形有高斯脉冲、基于正弦波的窄脉冲、Hermite多项式脉冲等。无论哪种波形，都能够满足单个无载波窄脉冲信号的两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲;二是激励信号具有包括从直流到微波的很宽的频谱。目前脉冲源的产生可采用集成电路或现有半导体器件第6章无线通信新技术2.信道的传播环境是影响无线通信系统性能的主要因素之一。建立准确的传输信道模型对于系统的设计是十分重要的。UWB信道不同于一般的无线多径衰落信道。传统无线多径衰落信道一般采用瑞利分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，前提是每个多径分量可以视为多个同时到达多径分量的合成。UWB可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，在典型的室内环境下，每个多径分量包含的路径数目是有限的，而且频率选择性衰落要比一般窄带信号严重得多。第6章无线通信新技术IEEE802委员会关于UWB的信道模型提案主要有：Intel模型、Win-Cassioli模型、Ghassemzadeh-Greenstein模型和Pendergrass-Beeler模型。除了Intel模型外，其他模型采用的基带脉冲宽度都不能提供足够的空间或者时间分辨力，因此不能准确描述UWB由于UWB系统工作