软件无线电的射频天线

软件无线电是近几年提出的一种新的无线电通信的体系结构。其基本概念是把硬件作为无线电通信的基本平台,而将尽可能多的通信功能转为用软件实现,从而改变了长期以来通信电台一直沿袭的为某一特定用途设计,采用“硬布线”和“硬件堆集”的传统方法,使得无线通信的新系统、新产品的开发逐步由硬件设计转到软件设计上来。这样,系统和产品的改进与升级换代,不同系统之间的互联互通,只需更换软件即可,非常方便且代价小。可以预料,软件无线电的出现,与个人PC所经历的变革一样,必将使无线电通信领域产生一场质的飞跃。

　　从软件无线电的技术实现角度来看,关键技术是采用多频段和宽带天线以及智能天线(Smart Antenna),将A/D、D/A变换尽可能地靠近射频天线端口,即由现在的基带移到中频,甚至射频,A/D变换后的所有处理都用可编程DSP,依靠软件编程来实现。因此,这种体系结构具有很强的通用性,是实现多频段、多工作模式和多用户通信的最佳途径。

　　软件无线电有许多问题急待解决,主要是:射频天线、高速模数转换器、高速DSP、各种通信协议。

1 多频段和宽带天线

　　首先澄清两个不同概念,即多频段和宽带天线的概念。多频段和宽带天线的设计使天线能够在宽频段上工作,但多频段意味着能在几个分离的不同频段上工作,在所设计的天线最高和最低频率之间常常无相邻覆盖,而宽带则意味着天线设计的最高和最低频段之间有相邻覆盖。在实际应用中,要做到各个通信系统的互联互通,显然要求射频天线具有良好的多频段性能和可程控的多频段、多功率射频转换能力。

　　从军事应用上看,各军种对能在多个频段上工作的天线需求强烈,这主要来源于各军种的“战场数字化”的宏伟计划,所谓数字化是指利用现有无线电链路在各战斗梯队之间实时地传送各种话音、数据和图象等多种信息。为达到这一目的,正在努力实施装备多频段、多工作方式无线电台的计划,而多频段天线则是多频段、多工作方式无线电台的关键部件之一。美军早在1992年就开始了“易通话”(Speakeasy)这一软件无线电系统计划的研究。该计划旨在研究出一种多频段、多工作模式电台(MBMMR-Multiband multimade Radio),其第一阶段的高级开发模型已向政府演示了几种功能:分别与4种不同的电台通信(Have Quick、HF Modem、HF、SINCGARS)实现了互通,同时实现了HAVE Quick跳频网和SINCGARS跳频网的网间互通;通信业务包括话音、数据和图象,而同时改变两个互联的Speakeasy电台的传输波形则显示了系统的可编程性。进入第二阶段后,“易通话”计划将着重开发一种能在几个可选工作频段上,使用若干个可选择的工作波形同时在多信道上同步通信的系统。

　　对于机载天线而言,今后的努力方向是能将多频段天线和宽带天线综合到飞机中,即将天线装在机壳内,以减少空气阻力和飞机的凸出部件造成的电磁干扰,这种超薄阵列和共形天线技术,使实现“灵巧机壳”成为可能。同时,由于不必使用各种分离天线,可避免由于天线的近距相互干扰而产生的信号畸变和失真。

　　解决宽带和多频段天线设计问题的方法是采用先进的计算机仿真技术来模拟新天线的设计特性,如GTE政府系统公司已经研制出能够同时在两个频率点发送和接收卡塞格伦反射器天线,这种天线的副反射器在反射一个频率的同时,能够让另一个频率通过;同时巴尔的摩Westinghouse电子系统集团已研制出一种将L波段的敌我识别系统(IFF)集成到S波段无线电台中的多频段天线。但要真正找到多频段天线的最佳解决方案,恐怕还要待以时日。

2 智能天线(Smart Antenna)

　　智能天线的基本思想是:天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望用户。发射信号时,使期望用户能接收到最大功率信号;接收时,抑制窄波束以外的干扰信号;这里所说的跟踪并不一定要将高增益窄波束指向期望用户的物理方向,因为移动用户的实际物理方向随机变化,难以确定。因此,智能天线波束跟踪的真正含义是:在最佳路径方向上形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化,而且这种跟踪无需关于期望信号和干扰环境先验信息。图1为智能天线波束跟踪的基本思想[2]。

智能天线与传统天线有着本质的区别,其理论基于信号统计检测、估值理论和最优控制理论,随着自适应天线和高分辨阵列信号处理技术的不断发展,智能天线成为天线发展的一个热门话题。图2为一个Ku波段移动卫星通信系统上行链路的简单例子[3]。多址方式为FDMA,S1与S4用同一频率,假定S1是期望用户,则天线主波束指向并跟踪S1,而在S4方向上是零陷,采用高分辨阵列处理中的MUSIC算法[4]估计信号到达方向矢量(用以初始化自适应跟踪算法),波束形成采用自适应天线的最小均方误差算法。

由此可以看出智能天线的几个特点:

　　·具有空分多址的能力。对进入的多路信号可独立地处理,对不同方向的信号可以根据不同的信号和干扰特性采用不同的自适应算法。

　　·波束成形和控制等目前可以用DSP实现,从而具有功能扩展能力,易于与软件无线电台接口。

目前,智能天线的研究包括:

　　·信道模型研究。除了关心移动信道的一般特性外,还要研究多径信号的空间特征和DOA(Direction of Arrival，信号到达方向)扩展。

　　·智能化发射。主要是构造最优化准则,在一定的约束(如功率约束等)下,使期望用户接收的信号功率最大,而使非期望用户接收的信号功率最小。

　　·智能化接收。主要研究天线阵列的输出,主要基于自适应衡模算法(CMA.Constant Modulus Algorithm)的CM阵[5]。

　　·硬件实现。主要天线阵列的物理实现和信号处理算法的实时实现。

3 商用产品在军事中的应用

　　军用天线的设计目前面临的问题是如何以较低的成本设计出高性能的天线,采用的方法是普遍使用商用流行产品(COTS)。通过对COTS天线进行必要的改进,以适应极其恶劣的环境要求。如美国加州查茨沃斯的TECOM工业公司的T-4000高增益天线系统,就是以国际海事卫星组织使用的电调相控阵天线为基础,发展适用于飞机使用的天线系统,如空军C-135飞机。另外,Westinghouse也正在积极寻求民用客户,如联邦航空管理局和航空航天局,在这些民用合同竞争过程中,该公司已将为美国空军制造天线的长期计划提到议事日程。这一计划包括为空军E-3空中预警飞机设计的超低副瓣天线,为B1轰炸机首次生产X波段电子扫描无源阵列天线和为F-22战斗机制造X波段有源阵列天线。

　　以上仅就软件无线电中射频天线的发展状况,探讨了多频段和宽带天线、智能天线的理论和技术实现问题,还很不全面,所涉及技术问题有待继续深入研究。此外,有关软件无线电的其它关键技术如高速模数转换器、高速DSP以及通信协议等也应予以关注和研究。