軟件無線電的電磁兼容分析

1　軟件無線電概述

軟件無線電是1992年由MIL TRE公司首次提出的，它的中心思想是.構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能　如工作頻段，調(diào)制解調(diào)類型，數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件編程來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)?？梢哉f這種無線電臺是可用軟件控制和再定義的電臺。

軟件無線電具有如下的特點：

第一、具有很強的靈活性，軟件無線電可以通過增加軟件模塊來增加新的通信功能?？梢酝ㄟ^調(diào)用不同的軟件，轉(zhuǎn)換不同的通信方式，實現(xiàn)與其他無線電臺的通信，并可作為其他電臺的射頻中繼。

第二、具有極強的開放性。軟件無線電采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件技術(shù)的發(fā)展而更新或擴展。軟件無線電不僅能和新體制電臺通信還能與舊體制電臺兼容，延長了無線電臺的生命周期。

軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)

軟件無線電主要由天線射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器(DSP)以及各種應(yīng)用軟件組

成。

軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，要求每個頻段的特性均勻，以滿足各個頻段使用的需要，并采用智能化天線技術(shù)。射頻前端在發(fā)射時主要完成上變頻濾波、功率放大等任務(wù)。接收時實現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。A/D-D/A轉(zhuǎn)換器主要是實現(xiàn)信號的模擬、數(shù)碼的互相轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號處理器(DSP)主要完成基帶信號和處理，信號的調(diào)制解調(diào)各種抗干擾、抗衰落、自適用均衡算法的實現(xiàn).信號源的編碼、解碼等。

2　軟件無線電emc分析的工程模型

軟件無線電的工作頻段可覆蓋VHF、UHF等多個頻段，具備AM、FM、PM等調(diào)制方式以及PSK、FSK等多種數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式。軟件無線電通信方式的多樣性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，勢必增加軟件無線電EMC分析的難度。依靠人工計算的方法進(jìn)行EMC分析已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足軟件無線電系統(tǒng)的要求，必須依靠計算機技術(shù)結(jié)合軟件無線電的特點建立EMC軟件分析系統(tǒng)。

軟件無線電的核心思想是對天線感應(yīng)的射頻模擬信號盡可能地直接進(jìn)行數(shù)字化，將其變換為適合于數(shù)字信號處理器或計算機處理的數(shù)據(jù)流，然后通過軟件(即對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理)來完成無線電臺的各種功能。根據(jù)這一特點可知，軟件無線電數(shù)學(xué)模型是軟件、無線電工程設(shè)計以及專用集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，也是軟件無線電理論分析的最佳途徑，那么根據(jù)干擾三要素建立軟件無線電接收機、發(fā)射機數(shù)學(xué)模型和電波傳播模型將是EMC分析系統(tǒng)軟件的重要工程模型。本文以單通道軟件無線電收發(fā)信機為例，討論其數(shù)學(xué)模型的建立。

所謂單通道收發(fā)信機是指電臺接收機在同一時刻只能接收選擇一個信道的信號進(jìn)行接收解調(diào)分析，同理該無線電臺的發(fā)射機在同一時刻只能發(fā)射一個選擇的信道信號進(jìn)行調(diào)解發(fā)射。

1.單通道軟件無線電接收機數(shù)學(xué)模型

任何一種調(diào)制形式的信號S(n)均可表示為：S(n)=a(n)cos[won+w(n)]

a(n)、w(n)分別為信號的幅度調(diào)制分量和相位調(diào)制分量，wo為信號(數(shù)字)載頻或中心頻率。如果用正交分量來表示則上式為：

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)

分別稱為信號的同相分量和正交分量。

載頻wo不含信息，用同相、正交分量即可完全描述給定信號的特征。而對信號進(jìn)行接收解調(diào)的目的實際上也就是提取這兩個正交分量。

2、單通道軟件無線電發(fā)射機數(shù)學(xué)模型

任何一種無線電信號可表示為

s(t)=a(t)cos[2πfot+Ψ(t)]

式中a(t)、Ψ(t)分別表示信號的幅度調(diào)制信息和相位調(diào)制信息，fo為信號載頻(中心頻率)，而頻率調(diào)制信息也反映在相位調(diào)制信息中，即:

f(t)=dΨ(t)dt

對上式進(jìn)行數(shù)字化，可得：

S(nTs)=a(nTs)cos[2πfonTs+Ψ(nTs)]

式中，Ts=1/fs為采樣間隔，上式可簡化為：S(n)=a(n)cos[won+Ψ(n)]

式中，wo=2πfonTs為數(shù)字角頻率，對上式進(jìn)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)。

調(diào)制的方法是根據(jù)調(diào)制方式求出I(n)、Q(n)，然后分別與兩個正交本振cos(won)、sin(won)調(diào)制相乘并求和，即可得到調(diào)制信號S(n)。

單通道軟件無線電收發(fā)信機的數(shù)學(xué)模型是最簡單的軟件無線電收發(fā)信機數(shù)學(xué)模型，實際應(yīng)用中包括并行多通道軟件無線電收發(fā)信機、信道化軟件無線電收發(fā)信機等，這些數(shù)學(xué)模型都是以軟件無線電收發(fā)信機數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)建立的。

3.電波傳播模型

無線電波傳播模型主要用于計算傳播損耗，常用的電波傳播模型主要有兩種，一種是基以經(jīng)驗公式的OM模型，另一種是基于統(tǒng)計的Longiy/Rice模型。本文重點介紹在移動通信工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的OM模型(okumura模型)。OM模型適用的范圍：頻率100MHz-1 000MHz基地站天線為數(shù)30-200M，移動站天線為數(shù)1-10M，傳播距離1-20KM的場強預(yù)測。

電波傳播衰耗中值與工作頻率、通信距離、天線高度、地形特征等存在一定的關(guān)系。OM模型給出了電波傳播的各種衰耗圖表，可對信號中值作出預(yù)測。(圖表略)

(1)準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的信號中值

LT=Lbs+Am(f、d)-Hb(hb、d)-Hm(hm、f)

式中，Lbs為自由空間的傳播衰耗

Lbs=32.45+20lgd+201gf

式中Am(f、d)是基本損耗中值

Hb(hb、d)是基地站天線高度的增益因子

Hm(hm、f)是移動臺天線高度的增益因子。這三個數(shù)值可由OM模型相關(guān)圖表資料查得。

(2)任意地形地物情況下的傳播衰耗中值：

LA=LT-KT

LT為能平滑地形市區(qū)的傳播衰耗中值;

KT為地形地物的修正因子，可由OM模型的相關(guān)圖表查得。

根據(jù)電波傳播模型、軟件無線電發(fā)射機、接收機數(shù)學(xué)模型，以及相關(guān)的頻率、臺站、設(shè)備、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等。通過計算機編程分析，可對場強、干擾進(jìn)行預(yù)測實現(xiàn)emc分析。

軟件無線電概念最早是為軍事通信的互聯(lián)互通問題而提出來的。經(jīng)過近十年來的迅速發(fā)展，軟件無線電己從軍事領(lǐng)域的演示階段發(fā)展成為現(xiàn)代移動通信(特別是第三代移動通信)的基石。軟件無線電突破了傳統(tǒng)無線電臺的局限性可在同一硬件平臺上通過選用不同的應(yīng)用軟件改變通信方式，滿足不同環(huán)境不同通信用途的需要。軟件無線電可以說是EMC技術(shù)的發(fā)展和延伸。一方面軟件無線電能根據(jù)不同通信要求主動兼容多種通信體制，提高頻譜利用率，另一方面能根據(jù)所處電磁環(huán)境的情況，對調(diào)制方式，天饋系統(tǒng)等作出選擇調(diào)整，提高系統(tǒng)抗干擾能力。軟件無線電是在一定程度上的積極的電磁兼容。