軟件無(wú)線(xiàn)電的射頻天線(xiàn)設計

軟件無(wú)線(xiàn)電是近幾年提出的一種新的無(wú)線(xiàn)電通信的體系結構。其基本概念是把硬件作為無(wú)線(xiàn)電通信的基本平臺，而將盡可能多的通信功能轉為用軟件實(shí)現，從而改變了長(cháng)期以來(lái)通信電臺一直沿襲的為某一特定用途設計，采用“硬布線(xiàn)”和“硬件堆集”的傳統方法，使得無(wú)線(xiàn)通信的新系統、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)逐步由硬件設計轉到軟件設計上來(lái)。這樣，系統和產(chǎn)品的改進(jìn)與升級換代，不同系統之間的互聯(lián)互通，只需更換軟件即可。非常方便且代價(jià)小?？梢灶A料，軟件無(wú)線(xiàn)電出現，與個(gè)人PC所經(jīng)歷的變革一樣，必將使無(wú)線(xiàn)電通信領(lǐng)域產(chǎn)生一場(chǎng)質(zhì)的飛躍。

從軟件無(wú)線(xiàn)電的技術(shù)實(shí)現角度來(lái)看，關(guān)鍵技術(shù)是采用多頻段和寬帶天線(xiàn)以及智能天線(xiàn)（Smart Antenna），將A/D、D/A變換盡可能地靠近射頻天線(xiàn)端口，即由現在的基帶移到中頻，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(lái)實(shí)現。因此，這種體系結構具有很強的通用性，是實(shí)現多頻段。多工作模式和多用戶(hù)通信的最佳途徑。

軟件無(wú)線(xiàn)電有許多問(wèn)題急待解決，主要是：射頻天線(xiàn)、高速模數轉換器、高速DSP、各種通信協(xié)議。

1 多頻段和寬帶天線(xiàn)

首先澄清兩個(gè)不同概念，即多頻段和寬帶天線(xiàn)的概念。多頻段和寬帶天線(xiàn)的設計使天線(xiàn)能夠在寬頻段上工作，但多頻段意味著(zhù)能在幾個(gè)分離的不同頻段上工作，在所設計的天線(xiàn)最高和最低頻率之間常常無(wú)相鄰覆蓋，而寬帶則意著(zhù)天線(xiàn)設計的最高和最低頻段之間有相鄰覆蓋。在實(shí)現應用，要做到各個(gè)通信系統的互聯(lián)互通，顯然要求射頻天線(xiàn)具有良好的多頻段性能和可程控的多頻段、多功率射頻轉換能力。

從軍事應用上看，各軍種對能在多個(gè)頻段上工作的天線(xiàn)需求強烈，這主要來(lái)源于各軍種的“戰場(chǎng)數字化”的宏偉設計，所謂數字化是指利用現有無(wú)線(xiàn)電鏈中在各戰斗梯隊之間實(shí)時(shí)地傳送各種話(huà)音、數據和圖象等多種信息。為達到這一目的，正在努力實(shí)施裝備多頻段、多工作方式無(wú)線(xiàn)電臺的計劃，而多頻段天線(xiàn)則是多頻段、多工作方式無(wú)線(xiàn)電臺的關(guān)鍵部件之一。美軍早在1992年就開(kāi)始了“易通話(huà)”（Speakeasy）這一軟件無(wú)線(xiàn)電系統計劃的研究。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(kāi)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(shí)現了互通，同時(shí)實(shí)現了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(huà)音、數據和圖象，而同時(shí)改變兩個(gè)互聯(lián)的Speakeasy電臺傳輸波形則顯示了系統的可編程性。進(jìn)入第二階段后，“易通話(huà)”計劃將著(zhù)重開(kāi)發(fā)一種能在幾個(gè)可選工作頻段上，使用若干個(gè)可選擇的工作波形同時(shí)在多信道上同步通信的系統。

對于機載天線(xiàn)而言，今后的努力方向是能將多頻段天線(xiàn)和寬帶天線(xiàn)綜合到飛機中，即將天線(xiàn)裝在機殼內，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(xiàn)技術(shù)，使實(shí)現“靈巧機殼”成為可能。同時(shí)，由于不必使用各種分離天線(xiàn)，可避免由于天線(xiàn)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(xiàn)設計問(wèn)題的方法是采用先進(jìn)的計算機仿真技術(shù)來(lái)模擬新天線(xiàn)的設計特性，如GTE政府系統公司已經(jīng)研制出能夠同時(shí)在兩個(gè)頻率點(diǎn)發(fā)送和接收卡塞格倫反射器天線(xiàn)，這種天線(xiàn)的副反射器在反射一個(gè)頻率的時(shí)，能夠讓另一個(gè)頻率通過(guò)；同時(shí)巴爾的摩Westinghouse電子系統集團已研制出一種將L波段的敵我識別系統（IFF）集成到S波段無(wú)線(xiàn)電臺中的多頻段天線(xiàn)。但要真正找到多頻段天線(xiàn)的最佳解決方案，恐怕還要等以時(shí)日。

2 智能天線(xiàn)（Smart Antenna）

智能天線(xiàn)的基本思想是：天線(xiàn)以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望用戶(hù)。發(fā)射信號時(shí)使期望用戶(hù)能接收到最大功率信號；接收時(shí)，抑制窄波束以外的干擾信號；這里所說(shuō)的跟蹤并不一定要將高增益窄波束把向期望用戶(hù)的物理方向，因為移動(dòng)用戶(hù)的實(shí)際物理方向隨機變化，難以確定。因此，智能天線(xiàn)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(wú)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(xiàn)波束跟蹤的基本思想。

智能天線(xiàn)與傳統天線(xiàn)有著(zhù)本質(zhì)的區別，其理論基于信號統計檢測、估值理論和最優(yōu)控制理論，隨著(zhù)自適應天線(xiàn)和高分辨陣列信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，智能天線(xiàn)成為天線(xiàn)發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。圖2為一個(gè)Ku波段移動(dòng)衛星通信系統上行鏈路的簡(jiǎn)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(hù)，則天線(xiàn)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（用以初始化自適應跟蹤算法），波束形成采用自適應天線(xiàn)的最小均方誤差算法。

由此可以看出智能天線(xiàn)的幾個(gè)特點(diǎn)：
· 具有空分多址的能力。對進(jìn)入的多路信號可獨立地處理，對不同方向的信號可以根據不同的信號和干擾特性采樣不同的自適應算法。
· 波束成形和控制等目前可以用DSP實(shí)現，從而具有功能擴展能力，易于與軟件天線(xiàn)電臺接口。

目前，智能天線(xiàn)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。主要是構造最優(yōu)化準則，在一定的結束（如功率結束等）下，使期望用戶(hù)接收的信號功率最大，而使非期望用戶(hù)接收的信號功率最小。
· 智能化接收。主要研究天線(xiàn)陣列的輸出，主要基于自適應衡模算法（CMA.Constant Modulus Algorithm）的CM陣。
· 硬件實(shí)現。主要天線(xiàn)陣列的物理實(shí)現和信號處理算法的實(shí)時(shí)實(shí)現。

3 商用產(chǎn)品在軍事中的應用

軍用天線(xiàn)的設計目前面臨的問(wèn)題是如何以較低的成本設計出高性能的天線(xiàn)，采用的方法是普遍使用商用流行產(chǎn)品（COTS）。通過(guò)對COTS天線(xiàn)進(jìn)行必要的改進(jìn)，以適應極其惡劣的環(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(xiàn)系統，就是以國際海事衛星組織使用的電調相控陣天線(xiàn)為基礎，發(fā)展適用于飛機使用的天線(xiàn)系統，如空軍C-135飛機。另外，Westinghouse也正在積極尋求民用客戶(hù)，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(guò)程中，該公司已將為美國空軍制造天線(xiàn)的長(cháng)期計劃提到儀事日程。這一計劃包括為空軍E-3空中預警飛機設計的超低副瓣天線(xiàn)，為B1轟炸機首次生產(chǎn)X波段電子掃描無(wú)源陣列天線(xiàn)和為F-22戰斗機制造X波段有源陣列天線(xiàn)。

以上僅就軟件天線(xiàn)電中射頻天線(xiàn)的發(fā)展狀況，探討了多頻段和寬帶天線(xiàn)、智能天線(xiàn)的理論和技術(shù)實(shí)現問(wèn)題，還很全面，所涉及技術(shù)問(wèn)題有待繼續探入研究。此外，有關(guān)軟件無(wú)線(xiàn)電的其它關(guān)鍵技術(shù)如高速模數轉換器、高速DSP以及通信協(xié)議等也應予以關(guān)注和研究。

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