寬頻段智能天線技術(shù) - 軟件無線電的概念、主要原理、關(guān)鍵技術(shù)介紹及在生活中的廣泛應(yīng)用

軟件無線電要求接收機(jī)從天線接收的應(yīng)該是寬頻帶信號，同時(shí)，由于射頻信號的高頻率，使得信號干擾成為嚴(yán)重問題，為獲取寬帶信號和減少干擾，使用寬帶智能天線成為最好的選擇。由于頻譜資源的缺乏，提出了從空域來提高頻譜利用率的想法，對位于不同空域的用戶分配相同的時(shí)間，頻率和偽碼，通過電磁信號的空間隔離來消除用戶之間的干擾。智能天線就是在這種想法下提出的一種新型天線系統(tǒng)通過對多個(gè)天線陣元輸出的信號進(jìn)行幅相加權(quán)獲得所需的天線波束指向來實(shí)現(xiàn)空間分離。基于軟件無線電的智能天線包括單信道智能天線，多信道智能天線和信道化智能天線。它們的核心和理論基礎(chǔ)是波束形成法。

●? A/D技術(shù)

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是將A/D和D/A盡量靠近射頻前端，為減少模擬環(huán)節(jié)，在較高的中頻乃至射頻信號進(jìn)行數(shù)字化，要求A/D具有適中的采樣速率和很高的工作帶寬。A/D的工作過程大致可以分為采樣，保持，量化，編碼，輸出等幾個(gè)環(huán)節(jié)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，衡量A/D轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)有：A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，位數(shù)越高，靈敏度越高；信噪比（SNR），提高采樣頻率或降低模擬信號帶寬都可以提高A/D信噪比；無雜散動(dòng)態(tài)（SFDR），反映的是在A/D輸入端存在大信號時(shí)，能檢測出小信號的能力；有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB），信號越大，信號頻率越低，所得到的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多；孔徑誤差，是由于模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時(shí)間來完成采樣，量化，編碼等工作而引起的，可在其前加一個(gè)采樣保持放大器，從而減少孔徑誤差。在軟件無線電的設(shè)計(jì)中，A/D器件的選擇應(yīng)保證軟件無線電功能和性能的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)遵循以下選取原則：

1、采樣速率選擇：若A/D之前的帶通濾波器的矩形系數(shù)為r,為防止帶外信號影響有用信號，應(yīng)取采樣速率fs≥2B’=2rB,允許過渡帶混疊時(shí)，fs≥(r+1)B
2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取決于器件的轉(zhuǎn)換位數(shù)和器件的信號輸入范圍，轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，信號輸入范圍越小，A/D的轉(zhuǎn)換性能越好。
3、一般來說A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好。因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換位數(shù)越高，其動(dòng)態(tài)范圍越高。
4、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)，其功耗盡可能的低。
5、根據(jù)接口特征考慮選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)。

●? 數(shù)字下/上變頻器

數(shù)字下/上變頻器主要是基于前面所述的抽取和內(nèi)插理論。

數(shù)字下變頻（DDC）和模擬下變頻是一樣的，就是輸入信號與一個(gè)本地震蕩信號的乘法運(yùn)算。與模擬下變頻相比，數(shù)字下變頻的運(yùn)算速度受DSP處理速度的限制，同時(shí)其運(yùn)算速度決定了其輸入信號數(shù)據(jù)流可達(dá)到的最高速率，相應(yīng)也限定了ADC的最高采樣率。數(shù)字下變頻器的組成包括數(shù)字混頻器，數(shù)字控制振蕩器（NCO）和低通濾波器。

NCO產(chǎn)生的本振信號輸入到數(shù)字混頻器與輸入的信號進(jìn)行混頻。數(shù)字混頻器 就是一個(gè)乘法器，信號經(jīng)混頻后，輸出到低通濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號，然后進(jìn)行抽取處理。由于下變頻器工作原理較簡單，可以很方便地利用FPGA或ASIC技術(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。典型的數(shù)字下變頻有功能強(qiáng)大的單信道DDC產(chǎn)品HSP50214B及四通道的HSP50216。

數(shù)字上變頻（DUC）的主要功能是對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和混頻。典型的代表是只能進(jìn)行單路數(shù)據(jù)調(diào)制的HSP50215和可進(jìn)行四路數(shù)據(jù)調(diào)制的GC4114

●? 數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理器（DSP）是整個(gè)軟件無線電方案的靈魂和核心所在。軟件無線電的靈活性，開放性，兼容性等特點(diǎn)是通過以數(shù)字信號處理器為中心的通用硬件平臺及DSP軟件來實(shí)現(xiàn)的，從前端接收來的信號或?qū)墓Ψ虐l(fā)射出去的信號都要經(jīng)過數(shù)字信號處理器的處理：或進(jìn)行頻譜分析，信號解調(diào)，信號類型識別，或進(jìn)行信號的數(shù)字上下變頻，或進(jìn)行各種式樣的數(shù)字調(diào)制，數(shù)字濾波，比特流的編碼，譯碼，同步信號的獲取等。軟件無線電中的數(shù)字信號處理器除了能適應(yīng)運(yùn)算的高速度，高精度，大動(dòng)態(tài)范圍，大運(yùn)算量外，還應(yīng)具有高效率的結(jié)構(gòu)和指令集，較大的內(nèi)存容量，較低的功耗等特點(diǎn)。DSP的重要特點(diǎn)是其處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的微處理器，功能是快速實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，尤其在卷積，相關(guān)，濾波，F(xiàn)FT等應(yīng)用要用到的乘法累加運(yùn)算中更能發(fā)揮其作用。DSP的編程既可以用匯編語言又可以用C語言，極大地方便了其開發(fā)人員。目前的DSP在功能和性能上都還不能滿足軟件無線電的要求，可以采用多率信號處理技術(shù)對采樣信號進(jìn)行預(yù)處理后（即所謂的數(shù)字下變頻器）然后再用DSP來完成各種功能，也可以用多個(gè)DSP芯片并行處理的方法來提高DSP的數(shù)據(jù)處理能力。

三、軟件無線電的應(yīng)用

●?個(gè)人移動(dòng)通信