软件无线电结构及其电磁兼容分析
中国联通 2022-09-27

1 软件无线电概述

软件无线电是1992年由MIL TRE公司首次提出的,它的中心思想是.构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能如工作频段,调制解调类型,数据格式、加密模式、通信协议等用软件编程来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种无线电台是可用软件控制和再定义的电台。

软件无线电具有如下的特点:

第一、具有很强的灵活性,软件无线电可以通过增加软件模块来增加新的通信功能。可以通过调用不同的软件,转换不同的通信方式,实现与其他无线电台的通信,并可作为其他电台的射频中继。

第二、具有极强的开放性。软件无线电采用标准化、模块化的结构,其硬件可以随着器件技术的发展而更新或扩展。软件无线电不仅能和新体制电台通信还能与旧体制电台兼容,延长了无线电台的生命周期。

软件无线电的基本结构

软件无线电主要由天线射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器(DSP)以及各种应用软件组成。

软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段,要求每个频段的特性均匀,以满足各个频段使用的需要,并采用智能化天线技术。射频前端在发射时主要完成上变频滤波、功率放大等任务。接收时实现滤波、放大、下变频等功能。A/D-D/A转换器主要是实现信号的模拟、数码的互相转换。数字信号处理器(DSP)主要完成基带信号和处理,信号的调制解调各种抗干扰、抗衰落、自适用均衡算法的实现.信号源的编码、解码等。

2 软件无线电EMC分析的工程模型

软件无线电的工作频段可覆盖VHF、UHF等多个频段,具备AM、FM、PM等调制方式以及PSK、FSK等多种数字调制解调方式。软件无线电通信方式的多样性和系统的复杂性,势必增加软件无线电EMC分析的难度。依靠人工计算的方法进行EMC分析已远远不能满足软件无线电系统的要求,必须依靠计算机技术结合软件无线电的特点建立EMC软件分析系统。

软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化,将其变换为适合于数字信号处理器或计算机处理的数据流,然后通过软件(即对数据进行数学处理)来完成无线电台的各种功能。根据这一特点可知,软件无线电数学模型是软件、无线电工程设计以及专用集成电路设计的基础和前提,也是软件无线电理论分析的最佳途径,那么根据干扰三要素建立软件无线电接收机、发射机数学模型和电波传播模型将是EMC分析系统软件的重要工程模型。本文以单通道软件无线电收发信机为例,讨论其数学模型的建立。

所谓单通道收发信机是指电台接收机在同一时刻只能接收选择一个信道的信号进行接收解调分析,同理该无线电台的发射机在同一时刻只能发射一个选择的信道信号进行调解发射。

1).单通道软件无线电接收机数学模型

任何一种调制形式的信号S(n)均可表示为:S(n)=a(n)cos[won+w(n)]

a(n)、w(n)分别为信号的幅度调制分量和相位调制分量,wo为信号(数字)载频或中心频率。如果用正交分量来表示则上式为:

S(n)=I(n)cos(won)-Q(n)sin(won)

式中,I(n)=a(n)cos Ψ (n)、Q(n)=a(n)sin Ψ (n)

分别称为信号的同相分量和正交分量。

载频wo不含信息,用同相、正交分量即可完全描述给定信号的特征。而对信号进行接收解调的目的实际上也就是提取这两个正交分量。

2)、单通道软件无线电发射机数学模型

任何一种无线电信号可表示为

s(t)=a(t)cos[2πfot+Ψ(t)]

式中a(t)、Ψ(t)分别表示信号的幅度调制信息和相位调制信息,fo为信号载频(中心频率),而频率调制信息也反映在相位调制信息中,即:

f(t)=dΨ(t)

dt

对上式进行数字化,可得:

S(nTs)=a(nTs)cos[2πfonTs+Ψ(nTs)]

式中,Ts=1/fs为采样间隔,上式可简化为:S(n)=a(n)cos[won+Ψ(n)]

式中,wo=2πfonTs为数字角频率,对上式进行正交分解:

S(n)=I(n)cos(won)+Q(n)si(won)

式中,I(n)=a(n)cos Ψ (n),Q(n)=-a(n)sin Ψ(n)。

调制的方法是根据调制方式求出I(n)、Q(n),然后分别与两个正交本振cos(won)、sin(won)调制相乘并求和,即可得到调制信号S(n)。

单通道软件无线电收发信机的数学模型是最简单的软件无线电收发信机数学模型,实际应用中包括并行多通道软件无线电收发信机、信道化软件无线电收发信机等,这些数学模型都是以软件无线电收发信机数学模型为基础建立的。

3).电波传播模型

无线电波传播模型主要用于计算传播损耗,常用的电波传播模型主要有两种,一种是基以经验公式的OM模型,另一种是基于统计的Longiy/Rice模型。本文重点介绍在移动通信工程设计中广泛应用的OM模型(okumura模型)。OM模型适用的范围:频率100MHz-1 000MHz基地站天线为数30-200M,移动站天线为数1-10M,传播距离1-20KM的场强预测。

电波传播衰耗中值与工作频率、通信距离、天线高度、地形特征等存在一定的关系。OM模型给出了电波传播的各种衰耗图表,可对信号中值作出预测。(图表略)

(1)准平滑地形市区的信号中值

LT=Lbs+Am(f、d)-Hb(hb、d)-Hm(hm、f)

式中,Lbs为自由空间的传播衰耗

Lbs=32.45+20lgd+201g

f

式中Am(f、d)是基本损耗中值

Hb(hb、d)是基地站天线高度的增益因子

Hm(hm、f)是移动台天线高度的增益因子。这三个数值可由OM模型相关图表资料查得。

(2)任意地形地物情况下的传播衰耗中值:

LA=LT-KT

LT为能平滑地形市区的传播衰耗中值;

KT为地形地物的修正因子,可由OM模型的相关图表查得。

根据电波传播模型、软件无线电发射机、接收机数学模型,以及相关的频率、台站、设备、监测数据库等。通过计算机编程分析,可对场强、干扰进行预测实现EMC分析。

软件无线电概念最早是为军事通信的互联互通问题而提出来的。经过近十年来的迅速发展,软件无线电己从军事领域的演示阶段发展成为现代移动通信(特别是第三代移动通信)的基石。软件无线电突破了传统无线电台的局限性可在同一硬件平台上通过选用不同的应用软件改变通信方式,满足不同环境不同通信用途的需要。软件无线电可以说是EMC技术的发展和延伸。一方面软件无线电能根据不同通信要求主动兼容多种通信体制,提高频谱利用率,另一方面能根据所处电磁环境的情况,对调制方式,天馈系统等作出选择调整,提高系统抗干扰能力。软件无线电是在一定程度上的积极的电磁兼容。

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