第二软件无线电关键技术剖析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 软件无线电关键技术,第2章 软件无线电关键技术,2.1,射频,/,微波技术,2.1.1,概述,射频强调的是信号的辐射特性。,射频主要用途是迅速、准确地传输信息，克服距离上,的障碍，是传输信息的载体。,射频信号是模拟信号。,微波是一种波长较短的电磁波，微波的波长在,1mm1m,之间，其频率范围相当于,300GHz300MHz,。,微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面，微波技术都得到了广泛的应用。,2.1 射频/微波技术2.1.1 概述,2.1.2,微波“铁三角”,1.,微波“铁三角”的概念,射频,/,微波电路是构成通信系统、雷达系统和其它微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。,微波电路的核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和功率的关系,射频,/,微波电路的根本是能量的传输或变换。,射频,/,微波电路可分为以下三大类。,（,1,）微波无源电路,如金属谐振腔滤波器、介质腔体滤波器、微带滤波器、功率分配器、耦合器、程控衰减器等。,（,2,）微波有源电路,如微波放大器、微波振荡器、微波调制解调器、开关、移相器、混频器、倍频器、频率合成器,功率放大器等。,2.1.2 微波“铁三角” 1.微波“铁三角”的概念,（,3,）,T/R,组件,由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块,或,称为,T/R,组件。,为了实现上述各个电路的功能,需要解决的核心问题,是以下三大主要方面,:,频率、阻抗和功率。只要合理地,处理好三者的关系,就能实现预期的电路功能。,由于频率、阻抗和功率是贯穿射频,/,微波工程的三大,核心指标,将其称为“射频铁三角”，形象地反映了射频,/,微波工程的基本内容。,这三方面既有独立特性,又相互影响。这就是射频,/,微波工程的核心问题。,（3）T/R组件,（,1,）频率,频率是射频,/,微波工程中最基本的一个参数,对应于无线系统所工作的频谱范围,也规定了所研究的微波电路的基本前提,进而,决定微波电路的结构形式和器件材料。,直接影响频率的射频,/,微波电路有,:,1),信号产生器,用来产生特定频率的信号,如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。,2),频率变换器,将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号,如分频器、变频器、倍频器、混频器等。,（1）频率,3),频率选择电路,在复杂的频谱环境中,选择所关心的频谱范围。经典,的频率选择电路是滤波器,如低通滤波器、带通滤波器、,高通滤波器和带阻滤波器等。,近年发展起来的高速电子开关由于体积小,在许多,方面取代了滤波器实现频率选择。,在射频,/,微波工程中,这些电路可以独立工作,也可以,相互组合,还可以与其它电路组合,构成射频,/,微波电路,子系统。,这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、,功率计、网络分析仪等。,3)频率选择电路,（,2,）功率,功率用来描述射频,/,微波信号的能量大小,所有电路,或系统的设计目标都是实现射频,/,微波能量的最佳传递。,对射频,/,微波信号功率影响的主要电路有,:,1),衰减器,控制射频,/,微波信号功率的大小。通常是由有耗材料,(,电阻性材料,),构成。有固定衰减量和可调衰减量之分。,2),功分器,将一路射频,/,微波信号分成若干路的组件,可以是等分,的,也可是比例分配的,希望分配后信号的损失尽可能地,小。功分器也可用作功率合成器,在各个支路口接同频,同相等幅信号,在主路叠加输出。,（2）功率,3),耦合器,定向耦合器是一种特殊的分配器。通常是耦合一小,部分功率到支路,用以检测主路信号工作状态是否正常。,分支线耦合器和环形桥耦合器实现不同相位的功率,分配合成,配合微波二极管,完成多种功能微波电路,如,:,混频、变频、移相等。,4),放大器,提高射频,/,微波信号功率的电路。在射频,/,微波工程中,地位极为重要。,用于接收机中的小信号放大器,低噪声高增益贯串,设计任务的始终；用于发射机中的功率放大器,为了满足,要求的输出功率,不惜器件和电源成本；用于测试仪器中,的放大器,完善和丰富了仪器的功能。,3)耦合器,（,3,）阻抗,阻抗是在特定频率下,描述各种射频,/,微波电路对,微波信号能量传输影响的一个参数。,构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定了,电路阻抗参数大小。工程实际中,努力的方向是设法改进,阻抗特性,实现能量的最大传输。,所涉及的射频,/,微波电路有,:,1,）阻抗变换器,增加合适的元件或结构,实现一个阻抗向另一个阻抗,的过渡。,2,）阻抗匹配器,是一种特定的阻抗变换器,实现两个阻抗之间的匹配。,（3）阻抗,3,）天线,是一种特定的阻抗匹配器,实现射频,/,微波信号在封闭,传输线和空气媒体之间的匹配传送。,可以看出,:,射频铁三角渗透到射频,/,微波工程各个角落。,射频,/,微波工程核心问题就是建立稳定可靠的铁三角。,无论电磁场理论的方法还是等效网络的方法都可归结,为折中处理频率、阻抗、和功率的关系。,3）天线,2.,微波的特点,（,1,）似光性（波长短）,微波波长较短时,当微波的波长比地球上的宏观物体,(,如飞机、舰船、,导弹、卫星、建筑物等,),的几何尺寸小得多时，微波照射,到这些物体上将产生强烈的反射。,此直线传播的特点与几何光学相似，故可以说微波,具有“似光性”。利用这一特殊，可以制成体积小、,方向性很强的微波天线，用来发射或接收微弱的微波,信号，从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等,提供必要条件。,微波最早的应用实例,雷达。,2.微波的特点（1）似光性（波长短）,微波波长较长时,当微波的波长与实验设备（比如波导、微带、,谐振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同数量级时，,使得电磁能量分布于整个微波电路之中，形成所谓,“分布参数”系统。,这与低频电路有原则区别，因为低频时电场和,磁场能量是分别集中于所谓“集总参数”的各个元件中。,微波波长较长时,（,2,）具有穿透性,利用本身的高频振荡，微波可以穿透电离层。,由于微波不能被电离层所反射，所以微波的地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需要用中继站接力。,另一方面，微波能穿透电离层，可以用来进行宇航通信、卫星通信和射电天文学研究等，因此微波开辟了电磁波谱中的一个的“宇宙窗口”。,微波还可以穿过生物体，即能够深入物质（介质）内部，研究分子和原子核的结构， 是近代微波波谱学和量子电子学所依据的基本物理基础。,（2）具有穿透性,宇,宙,窗,口,在微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”，因而微波是独特的宇宙通讯手段。,宇 在微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙,（,3,）,信息容量大（频率高）,由于微波频率极高，它的实际可用频带很宽，可达,10,9,Hz,数量级，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽,意味着信息容量大，因而微波可作为多路通信的载频。,另外，微波受外界干扰小，且不受电离层变化影响，,通信质量高于低频无线电波,。,（3） 信息容量大（频率高）,（,4,）量子特性,由于低频电波的频率很低，量子能量很小，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键，量子特性不明显。,微波波段的电磁波，单个量子的能量为,10,-6,10,-3,eV,。因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。同样，在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。,上述两点对近代尖端科学，如微波波谱学、量子无线电物理的发展都起着重要作用。,利用此特性和原理，可研制适用于许多微波波段的,器件,。,（4）量子特性,微波,似光性,定位天线,频率高,多路通信,穿透电离层,天文学研究,量子特性,微波波谱学,微波的特点归纳起来主要为以下几方面：,微波似光性定位天线 频率高 多路通信 穿透电离层 天文学研究,2.1.3,射频前端（,RF Front - End,）,射频前端：,靠近天线的部分，发射、接收和处理射频信号，,包括发射通路和接收通路。,射频前端部件包括：,天线,无源器件,滤波器、功分器、定向耦合器、隔离器、衰减器、,移相器、阻抗变换器、耦合器等。,有源器件,LNA,、,PA,、双工器、开关等。,作为智能天线系统中的关键部件，射频前端在一定,程度上决定了整个系统的通信质量。,2.1.3 射频前端（ RF Front - End ）射频,基本射频前端接收机电路,包括接收天线、射频滤波器、小信号低噪声放大器、本振、混频器、中频滤波器、中频放大器等。,基本射频前端接收机电路 包括接收天线、射频滤波器、小,基本射频前端发射机电路,包括中频放大器、中频滤波器、上变频混频器、射频滤波器、射频驱动放大器、射频功率放大器、载波振荡器、载波滤波器、发射天线等。,基本射频前端发射机电路 包括中频放大器、中频滤波器、上,1.,微波传输线,传输线是用来将电磁能量和信息从一处传输到另一,处的装置，应用于微波波段的传输线称为微波传输线。,传输线是指能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、,介质或由它们构成的导波系统的总称，其所引导的电磁,波称为导行波。,信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是,由传输线来完成。,把导行波传播的方向称为纵向，垂直于导行波传播,的方向称为横向。,1.微波传输线 传输线是用来将电磁能量和信息从一处传输,一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统,又称为均匀传输线。,传输线本身的不连续性可以构成各种形式的微波无源元器件，这些元器件和均匀传输线、有源元件及天线一起构成微波系统。,一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界条件均不变,微波传输线的用途和种类,在不同的工作条件下，对传输线的要求是不同的，因此须采用不同形式的传输线。在低频时，普通的双导线就可完成传输作用，例如电力传输线。但是，随着工作频率的升高，由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大使它的正常工作被破坏。因此，在高频和微波波段必须采用与低频情况下形式完全不同的传输线。,微波传输线的用途和种类,传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗性的谐振元件。,例如，长度小于,1/4,波长的终端短路或开路的传输线，其输入阻抗是感抗或容抗；长度可变的短路线可用作调配元件（短截线匹配器）。,又如长度为,1/4,波长的短路线或开路线分别等效于并联或串联谐振电路，称为谐振线；其中,1/4,波长短路线的输入阻抗为无穷大，可用作金属绝缘支撑等。,此外，还可利用分布参数传输线的延时特性制成仿真线等电路元件。,传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以,一般来讲，微波传输线从结构上大体可分为三类，,第一类是双导体结构的传输线，如平行双导线、同轴线、,带状线等。由于它主要传播的是横电磁波（波），,称为波传输线。,第二类是均匀填充介质的波导管，如矩形波导、,圆波导等，这一类传输线不能传输波，而只能,传输色散的横磁波（波）或横电波（波），,称为色散波传输线。,第三类是介质传输线。这类传输线传输的是色散,的横电波（波）和横磁波（波）混合波，并且,电磁波主要是沿线的表面传播，称为表面波传输线。,一般来讲，微波传输线从结构上大体可分为三类，,微波传输线的种类与用途,类 型,工 作 波 型,名 称,应 用 波 段,TEM,波传输线,TEM,型波,平行双线,同轴线,带状线、微带,米波、分米波,低频端,分米波、厘米波,分米波、厘米波,金属波导,TE,、,TM,型波,矩形波导、圆形波导、椭圆波导、脊波导,厘米波、毫米波低频端,表面波传输线,混合型波,介质波导、介质镜象线、单根表面波传输线,毫米波,微波传输线的种类与用途 类 型工 作 波 型名 称,各种类型的传输线,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(a),是平行双线，,(b),是同轴线，这两种传输线都属于,横电磁波传输线；,(c),是矩形波导，,(d),是圆形波导，这两种传输线是非横电磁波传输线。,图,(e),中的微带线，是准横电磁波传输线；,图,(f),中的光纤，是非横电磁波传输线。,各种类型的传输线(a) (b) (c),多种多样的微波传输线是针对不同频段和提高传输线的性能发展起来的，并投入具体的工程应用。,平行双线：传输的是,TEM,波，是使用最早最普遍的一种传输线；当频率提高到其对应的波长与双线的距离相比拟时，其辐射损耗显著增加；而减小平行双线距离会减小击穿电压降低其功率。,同轴线：采用封闭结构减少了平行双线可能出现的辐射损耗；但随着频率的提高，会出现,TE,和,TM,波，为了抑制,TE,和,TM,波，必须减小截面尺寸，会增加内导体的损耗，降低传输功率。,多种多样的微波传输线是针对不同频段和提高传输线的性能,金属波导：和同轴线比较，波导管除去内导体，不仅降低了内导体的损耗而且提高了传输线的功率容量；,其缺点是比较笨重、高频下批量成本高、 频带较窄等。,随着航空、航天事业发展的需要,对微波设备提出了体积要小、重量要轻、 可靠性要高、性能要优越、一致性要好、 成本要低等要求,这就促成了微波技术与半导体器件及集成电路的结合,产生了微波集成电路。,对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构,这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性,从而实现微波电路的集成化。,金属波导：和同轴线比较，波导管除去内导体，不仅降低了内导体的,传输线研究的问题和分析方法,传输特性（模式、相速度、波长、波阻抗以及其它相关的重要特性）、损耗特性、功率容量以及具体的工程用途等。,采用电路方法研究传输线的共性问题，采用电路和场分析结合的方法讨论每一种传输线的个性问题。,传输线研究的问题和分析方法,一种工作频率,40.5GHz,到,41.5GHz,的毫米波收发前端,一种工作频率 40.5GHz 到 41.5GHz 的毫米波,2.,软件雷达,按照,IEEE,的标准定义，雷达是通过发射电磁波信号，接收来自其威力覆盖范围内目标的回波，并从回波信号中提取位置和其它信息，以用于探测、定位，以及有时进行目标识别的电磁波系统。,雷达根据反射波的延迟、多普勒频移等参数提取,出目标的距离、方位、高度及速度等信息。,由于微波具有频带宽、穿透电离层能较强、似光性等优点，雷达就是利用了,微波,这些特性的典型代表。,2.软件雷达 按照IEEE的标准定义，雷达是通过发射电,雷达的原理及其基本组成,雷达的原理及其基本组成,由雷达发射机产生的电磁能,经收发开关后传输给天线,再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速,(,约,310,8,m/s),传播,如果目标恰好位于定向天线的波束内,则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后,就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息,并将结果送至终端显示。,由雷达发射机产生的电磁能, 经收发开关后传输给天线,脉冲雷达基本组成框图,脉冲雷达基本组成框图,雷达的工作频率,按照雷达的工作原理,不论发射波的频率如何,只要是通过辐射电磁能量和利用从目标反射回来的回波,以便对目标探测和定位,都属于雷达系统工作的范畴。常用的雷达工作频率范围为,22035 000MHz(220MHz35GHz),实际上各类雷达工作的频率在两头都超出了上述范围。 例如天波超视距,(OTH),雷达的工作频率为,4MHz,或,5MHz,而地波超视距的工作频率则低到,2MHz,。 在频谱的另一端,毫米波雷达可以工作到,94 GHz,激光,(Laser),雷达工作于更高的频率。工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大。,雷达的工作频率 按照雷达的工作原理, 不论发,雷达频率和电磁波频谱,雷达的工作频率和整个电磁波频谱如图所示,实际上绝大部分雷达工作于,200 MHz,至,10 000MHz,频段。,雷达频率和电磁波频谱 雷达的工作频率和整个电磁波频,雷达频段和对应的频率,雷达频段和对应的频率,收发共用一个发射机、 接收机的简化相控阵雷达方框图,收发共用一个发射机、 接收机的简化相控阵雷达方框图,雷达分类,按工作频段,米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达以及毫米波,雷达等。,按战术功能和用途,预警雷达,(,超远程雷达,),它的主要任务是发现洲际导弹、,战略轰炸机等,以便及早发出警报。它的特点是作用,距离远达数千公里,至于测定坐标的精确度和分辨力,是次要的。,搜索和警戒雷达,其任务是发现飞机,一般作用距离,在,400 km,以上,有的可达,600 km,。,雷达分类按工作频段,引导指挥雷达,(,监视雷达,),这种雷达用于对歼击机的引导和指挥作战,民用的机场调度雷达亦属这一类。,火控雷达,其任务是控制火炮,(,或地空导弹,),对空中目标进行瞄准攻击。,制导雷达,控制导弹去攻击目标。,战场监视雷达,机载雷达,机载截击雷达、机载护尾雷达、机载导航雷达、,机载火控雷达,引导指挥雷达(监视雷达) 这种雷达用于对歼击机的引导和指挥作,无线电测高仪,雷达引信（无线电引信）,气象雷达,航行管制,(,空中交通,),雷达,宇宙航行中用雷达,遥感设备,此外，在飞机导航,航道探测,(,用以保证航行安全,),公路上车速测量等方面,雷达也在发挥其积极作用。,无线电测高仪,按工作体制,连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、编码,脉冲雷达、动目标显示雷达、捷变频雷达、相控阵雷达,以及合成孔径雷达等。,不同用途、不同功能的雷达对信号参数（载频、,脉宽、内调制等）要求不同。,由于不同用途的雷达其信号参数完全不同，导致,功能单一、体制单一，无法适应在不同的环境下对不同,属性的目标进行智能化跟踪、探测的需要。对于目前,这种雷达参数相对固定不变的技术体制已经很难适应,越来越复杂的作战环境，雷达的生存能力也面临挑战。,按工作体制,“软件雷达”是以软件无线电为基础提出的现代雷达,设计新思想、新概念。它采用软件无线电的设计理念，,雷达信号波形和参数可以通过软件加载，根据不同的,作战环境需求而适时地改变，甚至进行“捷变参”工作，,即雷达参数（载频、脉宽、重复频率、脉内调制方式、,调制参数等）可以快速捷变，以有效应对电子战的威胁。,“软件雷达”的主要特点是雷达波形的软件化、可,编程、可升级。,软件雷达的信号波形和雷达处理算法不是固化的，,它可以随着雷达信号处理技术的发展，新的雷达体制,波形和处理算法可以重新通过加载新的算法软件来对,雷达进行升级改造 ，适应不断变化的军事需求。,“软件雷达”是以软件无线电为基础提出的现代雷达,DAC,雷达,波形,产生,器,DSP,+,软件,数字,上变,频,滤波,HPA,模拟,上变,频,软件雷达发射机,雷达信号：,根据所需发射的雷达信号波形，求出 和 后，,雷达波形产生器输出的正交数据为：,DAC 雷达 数字 滤波 HPA 模拟 软件雷达发射机,经过正交数字上变频和,D/A,变换即可得到一个中频,信号，然后通过模拟上变频，将其搬移到所需的雷达,信号载频上，再经高功率放大后，通过雷达无线发射机,可以在任一载频上产生任何体制（波形）的雷达信号，,前者主要取决于模拟上变频器、功放和天线的工作带宽，,而后者则主要取决于软件。,目前要实现全频段（从短波到毫米波）的软件化雷达,发射机还存在相当大的难度，尤其是宽带功放和天线是,其最主要的技术瓶颈。如果不考虑功放和天线，则实现,一种多频段、多体制、多功能的软件化雷达发射机是,完全可行的。,经过正交数字上变频和D/A变换即可得到一个中频,ADC,雷达,信号,处理,器,DSP,+,软件,数字,下变,频,宽带接收前端,软件雷达接收机,通过目标反射的雷达信号由天线接收后，送到接收,前端把射频信号变换为宽带中频信号，并进行放大后,再送到高速,ADC,变换为数字信号，然后由数字下变频,变换为正交的基带信号 ，雷达信号处理器,对正交数据 进行诸如检波（求模）、,FFT,等运算，并与发射信号作相关处理，即可计算得到到达,时间、多普勒频移以及反射信号电平等参数，进而实现,对目标的探测和定位。,ADC 雷达 数字宽带接收前端 软件雷达接收机 通,需要注意的是，为了能从反射的雷达信号中获取,与目标特性相关的信号到达时间、多普勒频移等信息，,雷达发射机和雷达接收机的所有时钟，包括本振以及,ADC,、,DAC,时钟等都必须严格同步（因为,1,s,的同步,误差将导致,150m,的测距误差）。为了解决软件同步,处理的困难，可以采取硬件相关处理的办法来解决。,需要注意的是，为了能从反射的雷达信号中获取,DAC,雷达,波形,产生,器,DSP,+,软件,数字,上变,频,滤波,HPA,模,拟,上,变,频,软件雷达系统的组成,分路,ADC,雷达,信号,相关,处理,器,数字,下变,频,宽带接收,前端,共用,本振源,T/R,ADC,数字,下变,频,DAC 雷达 数字滤波 HPA模 软件雷达系统的组成 分,由图可见，把雷达发射机输出的中频信号分成两路，,其中的一路与雷达接收机前端输出的中频信号一起,同时送到两个同步,A/D,变换器进行模数变换，并分别,经各自的数字下变频器变换为正交基带信号,和,，这两路正交数据再送到雷达信号相关,处理器进行相关运算，就可提取到达时间、多普勒频移,等有用信息。这种相关处理方法虽然增加了硬件的复杂,性，但降低了同步要求，尤其是避开了软件同步的困难，,是一种比较可行的软件雷达系统实现方案。,由图可见，把雷达发射机输出的中频信号分成两路，,2.2,智能天线技术,一、概述,软件无线电系统中的天线应具有自适应的能力，,即能够根据所选择的不同频段或不同应用，自动调整,增益等参数，使系统完全适应不同的传输环境、要求。,主要技术,宽带,/,多频段天线,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，,而宽带则意着天线设计的最高和最低频段之间有相邻,覆盖。,2.2 智能天线技术一、概述,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。,宽带天线设计的难点是同时满足小型化、宽带、,优良的时域特性以及系统性能优良等特点。,智能天线,智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线,阵列。它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，,使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷,对准干扰信号到达方向，达到充分、高效利用期望用户,信号并删除或抑制干扰信号的目的。,在实际应用中，要做到各个通信系统的互联互通，,二、智能天线的概念和原理,智能天线是利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和,(,或,),接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。,智能天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户；接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制；发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。,二、智能天线的概念和原理 智能天线是利用多个天线阵元的组,Talk,Talk,干扰,自适应阵列基站,普通基站,智能天线的作用,使用智能天线：,能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端,正在通信的移动终端在整个小区内处于受跟踪状态,不使用智能天线：,能量分布于整个小区内,所有小区内的移动终端均相互干扰，此干扰是,CDMA,容量限制的主要原因,TalkTalk干扰自适应阵列基站普通基站智能天线的作用使用,普通天线,智能天线,有智能天线,能量只是指向有移动用户活动的小区区域；手机在整个小区被跟踪。,没有智能天线,能量分布于整个小区，,在没有移动用户活动的区域，干扰不会下降。,普通天线智能天线有智能天线没有智能天线,优点,智能天线潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善误比特率,(BER,Bit Error Rate,）性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低等。,优点,智能天线,智能天线技术,智能天线智能天线技术,三、智能天线的形式,根据工作方式的不同：,预多波束或切换波束系统；,自适应阵列系统；,根据波束形成的不同：,阵元空间处理方式；,波束空间处理方式；,三、智能天线的形式根据工作方式的不同：,切换波束系统,切换波束系统,第二软件无线电关键技术剖析课件,波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。,波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，,每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心，当使用者是在波束边缘，干扰信号在波束的中央，接收效果最差。因此，与自适应天线阵比较，波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真，波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向,(DOA),的优势。,每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变,自适应阵列系统,自适应阵列系统,阵元空间处理方式,阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各种阵元均参与自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。,阵元空间处理方式阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样进,波束空间处理方式,包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波束；,第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元是从整天计算最优的加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理；,计算量小，收敛快，且具有良好的波束保形性能，是当前自适应阵列处理技术的发展方向。,波束空间处理方式包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定,智能天线的结构,典型阵列；,结构原理；,系统组成。,智能天线的结构典型阵列；,典型阵列,均匀线阵；,随机分步线阵；,十字阵；,圆阵；,面阵，等。,典型阵列均匀线阵；,结构原理图,结构原理图,智能天线的系统组成,天线阵列：,天线阵元数量与天线阵元的配置方式，对智能天线的性能有着重要的影响；,模数转换：,接收链路：模拟信号 数字信号,发射链路：数字信号 模拟信号,智能处理：,天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变化而自适应地进行调整，包括：,以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器，用来产生自适应的最优权值系数：,以动态自适应加权网络构成自适应波束形成网络,智能天线的系统组成天线阵列：,智能天线的赋形,波束形成技术：,使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向，提高阵列输出所需信号的强度；,零点技术：,使阵列天线方向图的零点对准干扰方向，减少干扰信号的强度；,空间谱估计技术：,处理带宽内信号的到达方向,DOA,（,Direction of Arrival,）的问题；,智能天线的赋形波束形成技术：,智能天线的常用准则,最大信干噪比准则：,最佳加权使得阵列输出信号的信号干扰噪声比最大；,最小均方误差准则：,最佳加权使得阵列输出和有用信号的均方误差最小；,最小方差准则：,最佳加权使得阵列输出噪声的方差最小；,最大似然准则：,经过空时加权后的估计信号与期望信号有最大可能的相似。,智能天线的常用准则最大信干噪比准则：,三类经典的波束形成算法,（,1,）基于训练序或者参考序列的波束形成算法,基于训练信号或者是参考信号的方法，不需要估计,信号到达方向，对天线阵本身的结构也没有过多的,限制，而且这类算法易于实现，但是发射训练信号,会降低系统的利用率，而且算法的收敛速度较慢。,常见的算法有最陡梯度下降算法、,LMS,、,NLMS,、,简化的,LMS,以及后面将要提及的,NVSS,算法、,MNLMS,算法等。,三类经典的波束形成算法,（,2,）基于,DOA,的波束形成算法,基于,DOA,的算法，在参考用户信号方向已知的情况下，根据线性约束最小方差准则，计算自适应权值。在参考信号方向未知的情况下，需要借助于,MUSIC(,多重信号分类,),算法估计信号到达方向,(DOA),。这类方法在分析上比较容易理解，但它有以下问题必须在无线系统中加以解决：,(1),需要估计信号的到达方向，这就涉及到复杂的矩阵运算：,(2),需要阵列引导向量的准确信息，对误差比较敏感；,(3),要求用户数包括多径数日小于阵元数，而在无线系统中，用户数,(,包括多径数,),远远大于阵元数；,(4),需要准确估计信源数目，信源数目估计是否准确将严重影响算法性能。,（2）基于DOA的波束形成算法,（,3,）基于信号的盲波束形成算法,基于信号结构的盲波束形成算法，利用信号本身的时域特性来计算自适应权矢量。,直接利用系统的特性而不需要发送训练序列的,自适应算法称为盲算法。,常见的算法有恒模算法、基于高阶累积量的盲处理算法以及许多其它的盲处理算法。,（3）基于信号的盲波束形成算法,四、基于软件无线电的智能天线组成结构,（,1,）单信道智能天线,四、基于软件无线电的智能天线组成结构,通过天线阵感应的射频信号首先经过前端模拟预处,理，变换为适合于,A/D,采样的宽带中频信号。经,A/D,数字,化后送到数字下变频器（,DDC,）。每个天线阵元经过相同,的数字下变频后，同时送到,M,个数字波束形成器（,DBF,），,分别进行不同指向的波束形成运算，最终获得所需的,M,个,波束。,信息解调模块（,DEMOD,）要么对所形成的这,M,个波束,同时进行解调，要么选取其中信噪比最大的波束进行,解调，前者可以实现同频空分复用，后者则可以实现,定向接收，改善输出信噪比。其中，,M,个,DBF,可以用一个,数字多波束形成器（,DMBF,）来实现。,由于,DDC,只能对准一个频率信号进行数字下变频，因此,同一时刻只能对一个信道（同一频率）的信号进行数字,波束形成。,通过天线阵感应的射频信号首先经过前端模拟预处,（,2,）多信道智能天线,（2）多信道智能天线,如果每个单信道多波束形成器,SCMBF,分别能形成,M,个波束，则这种多信道波束智能天线总共可形成,L M,个波束，每组（共,L,组）波束对应的信号频率分别为,f,1,f,2, f,L,。,如果每个单信道多波束形成器SCMBF分别能形成M个波,（,3,）多相滤波信道化智能天线,（3）多相滤波信道化智能天线,宽带中频信号经,A/D,采样数字化后，送到多相滤波,信道化接收机模块（,PPCR,），进行信道化处理，同时,输出,L=B,W,/B,路正交基带信号。其中，,B,W,为中频总带宽，,B,为信道带宽。,后续的多波束形成器（,DMBF,）则选取其中的一个,信道进行数字多波束形成，产生于该信道（频率）相,对应的多个波束，并完成解调。,如果要求对整个中频带宽内的所有信道同时形成,多波束，则,DMBF,的数目为,L=B,W,/B,个。,宽带中频信号经A/D采样数字化后，送到多相滤波,这种信道化智能天线的最大特点是能够实现频域、,空域上的全波束形成。它不仅能用来实现同频空分通信，增大信道容量，也可用来对空间电磁环境进行,监测分析（信道搜索监视），以选择频域、空域上,最佳的波束与用户进行通信，实现真正意义上的智能化。,这种信道化智能天线的最大特点是能够实现频域、,智能天线的研究方向,论证智能天线对通信系统的功效,对通信系统容量的提高；,抗多径干扰的性能。,提出优化方案和快速算法,信道模型研究,除了关注支信道的一般特性外，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。,智能天线的研究方向论证智能天线对通信系统的功效,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，如基于自适应,衡模算法等。,硬件实现,主要是天线阵列的物理实现和信号处理算法,的实时实现。,智能化发射,2.3,多输入多输出技术,一、分集技术,分集的目的：在无线通信的信道传输过程中，由于,大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变,化的现象叫衰落。,对抗衰落的有效技术之一就是对独立的衰落信号进,行,分集合并,。,分集接收的基本思想就是把接收到的多个衰落独立,的信号加以处理，合理地利用这些信号的能量来改善接,收信号的质量。,分集接收充分利用接收信号的能量，因此无需增加,发射信号的功率而可以使接收信号得到改善。,2.3 多输入多输出技术,分集的概念,分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于,独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过,适当的合并后，接收信号的衰落程度就会减小，提高了,接收信号的可靠性。,原理：,利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号的,统计独立性进行合并，从而实现分集。,首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径可以,是不同的空间、不同的极化、不同的频率、不同的时间。,其次，要以某种方法进行合并。,分集的概念,分集的种类,衰落的种类：大尺度衰落和小尺度衰落。,移动无线信号的衰落包括了两个方面：一个来自因,地形地物造成的阴影衰落，它使接收的信号平均功率,（或者信号的中值）在一个比较长的空间（或时间）,区间内发生波动，这是一种宏观衰落；,而多径传播使得信号在一个短距离上（或一段时间,内）信号强度发生急剧的变化（但信号的平均功率不,变），这是一种微观衰落。,针对这两种不同的衰落，常用的分集技术可以分为,两类：宏观分集和微观分集。,分集的种类,1.,宏观分集,为了消除阴影区域的信号衰落，可以在两个不同的,地点（比如蜂窝小区的对角上,),和不同的方向上分别设置,一个基站，这两个基站可以同时接收移动台的信号。,由于两个基站接收天线相距很远，所接收到的信号,衰落是相互独立的，由此得到了两个衰落独立并且携带,同一信息的信号。,由于传播路径的不同，两个基站所得到的信号强度,一般是不相等的，通常用接收信号的平均功率来表征。,对于移动台，可以选择两个基站中信号强度较强的进行,通信，并且当移动台位置不同时，可以选择不同的基站,进行通信，这就是宏观分集中所采用的信号合并技术。,1.宏观分集,宏观分集示意图,如图所示，终端保持同两个基站间的无线链路，两条链路传输同样的数据并在网络侧进行合并，这就是典型的宏分集场景。总的来说，宏分集就是用位于不同地点的多个接收机和发射机实现的分集方式。,宏观分集示意图 如图所示，终端保持同两个基站间的无线链,显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到,阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落,(,基站天线,的架设可以防止这种情况发生,),，这种办法就能保持,通信不会中断。,宏观分集需要设置多个基站，因此也称为多基站,分集。,显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到,2.,微观分集,在一个局部区域（一个短距离上），信号衰落所,呈现的独立性是多方面的，比如时间、频率、空间、,角度以及携带信息的电磁波的极化方式等。,利用这些特点，采用相应的方法可以得到来自同一,发射机、衰落独立的多个信号。这就有多种分集技术：,空间分集、极化分集、角度分集、频率分集以及时间,分集等。,2.微观分集,(1),空间分集,使用多个发送天线或接收天线，即天线阵列，其阵元之间有一定的距离。这种分集方式叫做空间分集。,如果天线安装的间隔足够大（对于均匀散列环境及全向的发送和接收天线，达到衰落独立所需要的最小间距近似为波长的一半），那么不同天线接收到的信号幅度和相位的衰落是不相关的，即不同天线对之间的衰落路径是独立的。,(1)空间分集,1.,接收分集,如果发射端使用单个天线，接收端使用多个天线，,则这种天线系统称为单输入多输出（,SIMO,）系统，相应,的分集称为接收分集。,1,副发射天线和,M,副接收天线，接收分集将多个接收天线上的独立衰落信号合并为一路，再送给解调器。,1.接收分集 1副发射天线和M副接收天线，接收分集将多个接,单输入多输出（,SIMO,）信道，实现独立的衰落路径,不需要增加发送功率或带宽，通过分集信号进行相干合,并，改善接收端信噪比，获得阵列增益，提高信道的容量和频谱的使用效率。,2.,发送分集,如果发射端使用多个天线，接收端使用单个天线，,则称为多输入单输出（,MISO,）系统，相应的分集称为,发射分集。,单输入多输出（SIMO）信道，实现独立的衰落路径2.,多输入单输出（,MISO,）信道，发送分集的设计与发送端是否知道复信道增益信息有关，发送分集同样也能获得阵列增益。多根发送天线，总发送功率是各天线上发送功率的和。,发送分集适合于发送端在空间、供电能力以及处理能力方面比接收端更富裕的系统，比如蜂窝系统。,多输入单输出（MISO）信道，发送分集的设计与发送端,对于空间分集而言，分集的支路数,M,越大，分集,的效果越好。但当,M,较大时，分集的复杂性增加，分,集增益的增加随着,M,的增大而变得缓慢。,分集增益定义为分集合并后误码率斜率的变化。,对于空间分集而言，分集的支路数 M 越大，分集,(2),时间分集,基本思想：不同时间发送相同信息，时间间隔必须大于,信道相干时间,（信道基本保持不变的时间段）。对信息进行编码并将编码后的码元分散到不同的时间段，时间间隔大于相干时间，从而使得码字的不同部分经历相互独立的衰落。,通过编码和交织可以实现时间分集。,在移动环境中，信道的特性随时间变化。当移动的时间足够长（或移动的距离足够大），大于信道的相干时间时，则这两个时刻（或地点）无线信道衰落特性是不同的，可以认为是独立的。可以在不同的时间段发送同一信息，接收端则在不同的时间段接收这些衰落独立的信号。,(2)时间分集,时间分集要求在收发信机都有存储器，这使得它更适合于移动数字传输。时间分集只需使用一部接收机和一副天线。若信号发送,M,次，则接收机重复使用以接收,M,个衰落蚀立的信号。此时称系统为,M,重时间分集系统。,交织之所以被称为隐分集是因为其并没有采用,发送重复信息的方式，但是它仍然利用了时间分集中将码字放入不同的独立衰落的时间段的方式发送。,时间分集要求在收发信机都有存储器，这使得它更适合于移,(3),极化分集,在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交,的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性。利用这一点，,在发端同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线，,就可得到两路衰落特性不相关的信号。,极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路,只有两路。这种方法的优点是结构比较紧凑，节省空间，,缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，信号功率将,有,3dB,的损失。,(3)极化分集,(4),角度分集,角度分集的做法是使电磁波通过几个不同路径，并,以不同角度到达接收端。接收端利用多个方向性尖锐的,接收天线分离出不同方向上来的信号，由于这些分量具,有相互独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得,抗衰落的效果。,由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端,的不同路径的信号可能来自于不同的方向，在接收端，,采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每,个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。,(4)角度分集,(5),频率分集,由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的,衰落是不相关的，因此，可以用两个以上不同的频率,传输同一信息，以实现频率分集。,将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要,载频之间的间隔足够大（大于相干带宽），那么在接收,端就可以得到衰落特性不相关的信号。,该方法的优点是减少了天线的数目。但缺点是需要,两部以上的发射机同时发送同一信号，要占用更多的,频谱资源，并用两部以上的接收机来接收信号。,(5)频率分集,(6),场分量分集,根据电磁场理论可知，电磁波的,E,场和,H,场分量载有,相同的信息，而反射的机理不同。例如，一个散射体,反射,E,波和,H,波的驻波图形相位差,90,，即当,E,波为最大,时，,H,波为最小。,在移动信道中，多个,E,波和,H,波叠加，结果表明，,E,Z,、,H,X,和,H,Y,的分量是互不相关的。因此，通过接收三个,场分量，也可以获得分集的效果。,场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用,于较低工作频段（例如低于,100MHz,）。当工作频率较高,时（例如,800,900MHz,），空间分集在结构上容易实现。,场分量分集和空间分集的优点是不像极化分集那样要,损失,3dB,的辐射功率。,(6)场分量分集,(7),路径分集,路径分集的依据是来自两个不同路径信号的时延,大于某一值时，这两个衰落信号可看作互不相关。,因此，如果电磁波经过两条不同路径传播时的时延大于相干时间，则这两个信号的衰落特性也是彼此独立的。,(7)路径分集,3.,合并方式,分集的主要目的是对独立的衰落路径进行相干合并,来减轻衰落的影响，合并后的输出是不同衰落支路的,加权和。合并方式：选择合并、门限合并、最大比合并、,等增益合并等。,（,1,）选择合并,选择式合并是所有合并方式中最简单的一种，,合并器选择多条支路中信噪比最大的支路作为输出信号。,3.合并方式,第二软件无线电关键技术剖析课件,选择可以放在射频信号解调前，也可以放在信号解调成基带信号后进行。,为了能即时切换到信噪比最高的支路上，需要接收机对每条支路上信噪比进行实时检测。合并器相当于一个开关，根据检测到的信噪比切换到相应的支路。,特点：,选择合并只需要一个接收机，随时切换到被选的天线支路上；,选择合并输出的信噪比等于各支路信噪比的最大值；,不需要各支路同相，可以采用相干调制或差分调制。,选择可以放在射频信号解调前，也可以放在信号解调成基带,（,2,）门限合并,门限合并是一种比选择合并更简单的合并方式。它,用同一个接收机顺序监测每条支路，输出第一个信噪比,高于门限值的信号，从而避免了在每条支路上都安装,一个接收机。,门限合并与选择合并一样，每个时刻只有一路信号,输出，不需要各路同相，因此相干调制和差分调制都,可以采用门限合并。,一旦选定支路后，只要该支路的信噪比一直高于,门限值，合并器就始终输出这个支路上的信号。当这条,支路上的信噪比低于门限值时，才切换到其它支路。,（2）门限合并,决定切换到哪一个其它支路上有不同方法，最简单的就是随机切换。,只有两条支路时，就是直接切换到另一条支路上。,这种方法叫做切停合并。它并不是选择信噪比最高的支路，所以性能介于无分集和理想选择合并之间。,决定切换到哪一个其它支路上有不同方法，最简单的就是随,（,3,）最大比合并,在选择合并方式中，只选择其中一路信号作为有效输出，其余信号不再利用。这些未被利用的信号都携带有相同的有用信息，若能将其合理利用，应该会明显,改善合并器输出的信噪比。,最大比合并先把各条支路的信号进行加权，在信号合并前对各路信号进行相位调整，使其同相，然后进行合并。合并器的输出为各条支路信号的加权和，充分,利用了各条支路的信息。,（3）最大比合并,第二软件无线电关键技术剖析课件,（,4,）等增益合并,最大比合并拥有最好的合并能力，但通过分析可知，这种方法要求有准确的加权系数，这些值测量起来是非常困难的。,等增益合并是以相同的权重对各支路上的信号进行同相合并。虽然性能有所下降，但实现起来较为简单。,（4）等增益合并,多用户分集,-,机会通信,单用户分集基本思想：,通过不同的路径发送载有相同信息的信号，在接收端就可以得到数据码元的多个相互独立的副本，从中选择信号最强的或者采用加权和的方式得到发送信息，从而实现更,可靠,的检测，改善系统的性能。,用于点对点通信。,多用户分集基本思想：,当网络中存在大量衰落相互独立的用户时，在任意时刻都将有很高的概率存在一个用户拥有强信号信道。如果仅允许该用户发射信号，那么就会以最高效的方式利用信道资源，从而使总的系统,吞吐量,最大化。用户数量越多，信号较强的信道更容易成为信号最强的信道，于是多用户分集增益也就越大。,多用户分集 - 机会通信,第二软件无线电关键技术剖析课件,单用户分集目的：,传统分集技术的主要目的是改善衰落信道中通信的可靠性；是为了抵消衰落的负面影响，适用于点对点链路。,多用户分集目的：,多用户分集的作用则是增加快衰落信道中的总的吞吐量，利用信道衰落来改善系统性能；多用户增益的好处是系统级的，惠及网络中的所有用户。机会通信就是利用多用户分集增益，人为地制造出随机波动范围大的信道，来提高系统总的吞吐量。,单用户分集目的：,最大化信道吞吐量的方法,根据信道条件调度用户发送的方法为机会调度。,下行链路：把系统的全部带宽分配给信道条件最好的用户。,上行链路：,如果各用户衰落分布和平均功率相同，则把系统的全部带宽分配给信道条件最好的用户；,如果各用户衰落分布和平均功率不同，则选择加权信道增益最大的用户，加权值取决于信道增益、衰落分布、平均功率等约束条件。,最大化信道吞吐量的方法,机会调度存在两个问题：公平性和延时,如果信道衰落很慢，某一用户可能会长期占用信道，使其他用户相邻两次发送的时间间隔相当长。,平均信噪比很低的用户的信道变为瞬时信噪比最高的机会很低，发送的机会很少，造成系统资源的分配不公平。,正比公平调度：,正比公平算法在进行调度时同时考虑了用户的信道质量和过去一段时间获得的吞吐量。,主要优点是综合考虑了用户的信道条件与用户之间的服务公平性，能够在系统吞吐量和服务公平性之间取得一定的折中，是目前采用较多的一种算法。,机会调度存在两个问题：公平性和延时,研究热点：,在资源分配中，如何获取最优资源分配，同时满足公平性及延时性要求；,在信道测量与反馈过程中，如何获取精确的信道信息质量，并在保持系统性能的同时减少反馈量；,在机会波束成形中，如何合理地配置天线增益，从而达到增加信道波动、获取更高的多用户分集增益的目的。,研究热点：,二、多天线技术,1.,概述,多天线技术主要是指智能天线技术和,MIMO,技术。,多天线技术是对发射与接收信号进行空域的处理，,如果与时域相结合，变成为空时信号处理技术，通过,空时信号的处