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、標準化、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。軟件無線電采用標準化、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行EMC分析已遠遠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。