第二軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)剖析課件

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,第,2,章 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù),第2章 軟件無線電關(guān)鍵技術(shù),2.1,射頻,/,微波技術(shù),2.1.1,概述,射頻強調(diào)的是信號的輻射特性。,射頻主要用途是迅速、準確地傳輸信息，克服距離上,,的障礙，是傳輸信息的載體。,射頻信號是模擬信號。,,微波是一種波長較短的電磁波，微波的波長在,1mm~1m,,之間，其頻率范圍相當(dāng)于,30

2、0GHz~300MHz,。,,微波技術(shù)是近代發(fā)展起來的一門尖端科學(xué)技術(shù)，在雷達、通信、導(dǎo)航、遙感、電子對抗以及工農(nóng)業(yè)和科學(xué)研究等方面，微波技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。,2.1 射頻/微波技術(shù)2.1.1 概述,2.1.2,微波“鐵三角”,,1.,微波“鐵三角”的概念,,射頻,/,微波電路是構(gòu)成通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和其它微波應(yīng)用系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機的關(guān)鍵部件。,,,微波電路的核心問題是正確處理電路的阻抗、頻率和功率的關(guān)系,,,射頻,/,微波電路的根本是能量的傳輸或變換。,,射頻,/,微波電路可分為以下三大類。,（,1,）微波無源電路,,如金屬諧振腔濾波器、介質(zhì)腔體濾波器、微帶濾波器、功率分配器、耦合器

3、、程控衰減器等。,（,2,）微波有源電路,,如微波放大器、微波振蕩器、微波調(diào)制解調(diào)器、開關(guān)、移相器、混頻器、倍頻器、頻率合成器,,,功率放大器等。,,2.1.2 微波“鐵三角” 1.微波“鐵三角”的概念,（,3,）,T/R,組件,,由上述多種元器件構(gòu)成的微波發(fā)射接收功能模塊,,,或,稱為,T/R,組件。,,為了實現(xiàn)上述各個電路的功能,,,需要解決的核心問題,是以下三大主要方面,:,頻率、阻抗和功率。只要合理地,處理好三者的關(guān)系,,,就能實現(xiàn)預(yù)期的電路功能。,,由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻,/,微波工程的三大,核心指標,,,將其稱為“射頻鐵三角”，形象地反映了射頻,/,微波工程的基本內(nèi)容。,,

4、,這三方面既有獨立特性,,,又相互影響。這就是射頻,/,微波工程的核心問題。,（3）T/R組件,（,1,）頻率,頻率是射頻,/,微波工程中最基本的一個參數(shù),,,對應(yīng)于無線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍,,,也規(guī)定了所研究的微波電路的基本前提,,,進而,,,決定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。,,直接影響頻率的射頻,/,微波電路有,:,1),信號產(chǎn)生器,,用來產(chǎn)生特定頻率的信號,,,如點頻振蕩器、機械調(diào)諧振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。,,2),頻率變換器,,將一個或兩個頻率的信號變?yōu)榱硪粋€所希望的頻率信號,,,如分頻器、變頻器、倍頻器、混頻器等。,（1）頻率,3),頻率選擇電路,在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中,,,

5、選擇所關(guān)心的頻譜范圍。經(jīng)典,的頻率選擇電路是濾波器,,,如低通濾波器、帶通濾波器、,高通濾波器和帶阻濾波器等。,,近年發(fā)展起來的高速電子開關(guān)由于體積小,,,在許多,方面取代了濾波器實現(xiàn)頻率選擇。,,在射頻,/,微波工程中,,,這些電路可以獨立工作,,,也可以,相互組合,,,還可以與其它電路組合,,,構(gòu)成射頻,/,微波電路,子系統(tǒng)。,,這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、頻率計數(shù)器、,功率計、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。,3)頻率選擇電路,（,2,）功率,功率用來描述射頻,/,微波信號的能量大小,,,所有電路,或系統(tǒng)的設(shè)計目標都是實現(xiàn)射頻,/,微波能量的最佳傳遞。,,對射頻,/,微波信號功率影響的主要電路有,:,

6、1),衰減器,,控制射頻,/,微波信號功率的大小。通常是由有耗材料,(,電阻性材料,),構(gòu)成。有固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。,,2),功分器,將一路射頻,/,微波信號分成若干路的組件,,,可以是等分,的,,,也可是比例分配的,,,希望分配后信號的損失盡可能地,小。功分器也可用作功率合成器,,,在各個支路口接同頻,同相等幅信號,,,在主路疊加輸出。,（2）功率,3),耦合器,,定向耦合器是一種特殊的分配器。通常是耦合一小,部分功率到支路,,,用以檢測主路信號工作狀態(tài)是否正常。,,分支線耦合器和環(huán)形橋耦合器實現(xiàn)不同相位的功率,分配合成,,,配合微波二極管,,,完成多種功能微波電路,,,如,:,混頻

7、、變頻、移相等。,,4),放大器,,提高射頻,/,微波信號功率的電路。在射頻,/,微波工程中,地位極為重要。,,用于接收機中的小信號放大器,,,低噪聲高增益貫串,設(shè)計任務(wù)的始終；用于發(fā)射機中的功率放大器,,,為了滿足,要求的輸出功率,,,不惜器件和電源成本；用于測試儀器中,的放大器,,,完善和豐富了儀器的功能。,3)耦合器,（,3,）阻抗,阻抗是在特定頻率下,,,描述各種射頻,/,微波電路對,微波信號能量傳輸影響的一個參數(shù)。,,構(gòu)成電路的材料和結(jié)構(gòu)對工作頻率的響應(yīng)決定了,電路阻抗參數(shù)大小。工程實際中,,,努力的方向是設(shè)法改進,阻抗特性,,,實現(xiàn)能量的最大傳輸。,,所涉及的射頻,/,微波電路有,

8、:,1,）阻抗變換器,增加合適的元件或結(jié)構(gòu),,,實現(xiàn)一個阻抗向另一個阻抗,的過渡。,,2,）阻抗匹配器,,是一種特定的阻抗變換器,,,實現(xiàn)兩個阻抗之間的匹配。,（3）阻抗,3,）天線,,是一種特定的阻抗匹配器,,,實現(xiàn)射頻,/,微波信號在封閉,傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳送。,,可以看出,:,射頻鐵三角滲透到射頻,/,微波工程各個角落。,射頻,/,微波工程核心問題就是建立穩(wěn)定可靠的鐵三角。,,無論電磁場理論的方法還是等效網(wǎng)絡(luò)的方法都可歸結(jié),為折中處理頻率、阻抗、和功率的關(guān)系。,,3）天線,2.,微波的特點,（,1,）似光性（波長短）,微波波長較短時,當(dāng)微波的波長比地球上的宏觀物體,(,如飛機、

9、艦船、,導(dǎo)彈、衛(wèi)星、建筑物等,),的幾何尺寸小得多時，微波照射,到這些物體上將產(chǎn)生強烈的反射。,,此直線傳播的特點與幾何光學(xué)相似，故可以說微波,具有“似光性”。利用這一特殊，可以制成體積小、,方向性很強的微波天線，用來發(fā)射或接收微弱的微波,信號，從而為雷達、微波中繼通信、衛(wèi)星通信和導(dǎo)彈等,提供必要條件。,,微波最早的應(yīng)用實例,——,雷達。,2.微波的特點（1）似光性（波長短）,微波波長較長時,當(dāng)微波的波長與實驗設(shè)備（比如波導(dǎo)、微帶、,諧振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同數(shù)量級時，,使得電磁能量分布于整個微波電路之中，形成所謂,“分布參數(shù)”系統(tǒng)。,,這與低頻電路有原則區(qū)別，因為低頻時電場和,磁場

10、能量是分別集中于所謂“集總參數(shù)”的各個元件中。,微波波長較長時,（,2,）具有穿透性,利用本身的高頻振蕩，微波可以穿透電離層。,,,由于微波不能被電離層所反射，所以微波的地面通信只限于天線的視距范圍之內(nèi)，遠距離微波通信需要用中繼站接力。,,,另一方面，微波能穿透電離層，可以用來進行宇航通信、衛(wèi)星通信和射電天文學(xué)研究等，因此微波開辟了電磁波譜中的一個的“宇宙窗口”。,,微波還可以穿過生物體，即能夠深入物質(zhì)（介質(zhì)）內(nèi)部，研究分子和原子核的結(jié)構(gòu)， 是近代微波波譜學(xué)和量子電子學(xué)所依據(jù)的基本物理基礎(chǔ)。,（2）具有穿透性,宇,宙,窗,口,,,在微波波段有若干個可以通過電離層的“宇宙窗口”，因而微波是獨特的

11、宇宙通訊手段。,宇 在微波波段有若干個可以通過電離層的“宇宙,（,3,）,,信息容量大（頻率高）,由于微波頻率極高，它的實際可用頻帶很寬，可達,10,9,Hz,數(shù)量級，這是低頻無線電波無法比擬的。頻帶寬,意味著信息容量大，因而微波可作為多路通信的載頻。,,另外，微波受外界干擾小，且不受電離層變化影響，,通信質(zhì)量高于低頻無線電波,。,,（3） 信息容量大（頻率高）,（,4,）量子特性,由于低頻電波的頻率很低，量子能量很小，不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子間的鍵，量子特性不明顯。,微波波段的電磁波，單個量子的能量為,10,-6,~10,-3,eV,。因此，微波可用來研究分子和

12、原子的精細結(jié)構(gòu)。同樣，在超低溫時物體吸收一個微波量子也可產(chǎn)生顯著反應(yīng)。,上述兩點對近代尖端科學(xué)，如微波波譜學(xué)、量子無線電物理的發(fā)展都起著重要作用。,利用此特性和原理，可研制適用于許多微波波段的,器件,。,（4）量子特性,,微波,,,,,,,,,,,,似光性,定位天線,頻率高,,多路通信,,穿透電離層,,天文學(xué)研究,,量子特性,微波波譜學(xué),微波的特點歸納起來主要為以下幾方面：,微波似光性定位天線 頻率高 多路通信 穿透電離層 天文學(xué)研究,2.1.3,射頻前端（,RF Front - End,）,射頻前端：,靠近天線的部分，發(fā)射、接收和處理射頻信號，,包括發(fā)射通路和接收通路。,,射頻前端部件包括：

13、,天線,無源器件,濾波器、功分器、定向耦合器、隔離器、衰減器、,移相器、阻抗變換器、耦合器等。,有源器件,LNA,、,PA,、雙工器、開關(guān)等。,,作為智能天線系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，射頻前端在一定,程度上決定了整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量。,,2.1.3 射頻前端（ RF Front - End ）射頻,,基本射頻前端接收機電路,包括接收天線、射頻濾波器、小信號低噪聲放大器、本振、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器等。,基本射頻前端接收機電路 包括接收天線、射頻濾波器、小,基本射頻前端發(fā)射機電路,包括中頻放大器、中頻濾波器、上變頻混頻器、射頻濾波器、射頻驅(qū)動放大器、射頻功率放大器、載波振蕩器、載波濾波器、發(fā)

14、射天線等。,基本射頻前端發(fā)射機電路 包括中頻放大器、中頻濾波器、上,1.,微波傳輸線,傳輸線是用來將電磁能量和信息從一處傳輸?shù)搅硪?處的裝置，應(yīng)用于微波波段的傳輸線稱為微波傳輸線。,,,傳輸線是指能夠引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸?shù)膶?dǎo)體、,介質(zhì)或由它們構(gòu)成的導(dǎo)波系統(tǒng)的總稱，其所引導(dǎo)的電磁,波稱為導(dǎo)行波。,,信號從發(fā)射機到天線或從天線到接收機的傳送都是,由傳輸線來完成。,,把導(dǎo)行波傳播的方向稱為縱向，垂直于導(dǎo)行波傳播,的方向稱為橫向。,,,1.微波傳輸線 傳輸線是用來將電磁能量和信息從一處傳輸,一般將截面尺寸、形狀、媒介分布、材料及邊界條件均不變的導(dǎo)波系統(tǒng)稱為規(guī)則導(dǎo)波系統(tǒng),,,又稱為均勻傳

15、輸線。,,傳輸線本身的不連續(xù)性可以構(gòu)成各種形式的微波無源元器件，這些元器件和均勻傳輸線、有源元件及天線一起構(gòu)成微波系統(tǒng)。,一般將截面尺寸、形狀、媒介分布、材料及邊界條件均不變,微波傳輸線的用途和種類,在不同的工作條件下，對傳輸線的要求是不同的，因此須采用不同形式的傳輸線。在低頻時，普通的雙導(dǎo)線就可完成傳輸作用，例如電力傳輸線。但是，隨著工作頻率的升高，由于導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)和輻射效應(yīng)的增大使它的正常工作被破壞。因此，在高頻和微波波段必須采用與低頻情況下形式完全不同的傳輸線。,,,微波傳輸線的用途和種類,,傳輸線不僅用于傳送電能和電信號，還可以構(gòu)成電抗性的諧振元件。,,,例如，長度小于,1/4,波長

16、的終端短路或開路的傳輸線，其輸入阻抗是感抗或容抗；長度可變的短路線可用作調(diào)配元件（短截線匹配器）。,,,又如長度為,1/4,波長的短路線或開路線分別等效于并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，稱為諧振線；其中,1/4,波長短路線的輸入阻抗為無窮大，可用作金屬絕緣支撐等。,,,此外，還可利用分布參數(shù)傳輸線的延時特性制成仿真線等電路元件。,傳輸線不僅用于傳送電能和電信號，還可以,一般來講，微波傳輸線從結(jié)構(gòu)上大體可分為三類，,第一類是雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的傳輸線，如平行雙導(dǎo)線、同軸線、,帶狀線等。由于它主要傳播的是橫電磁波（ＴＥＭ波），,稱為ＴＥＭ波傳輸線。,,第二類是均勻填充介質(zhì)的波導(dǎo)管，如矩形波導(dǎo)、,圓波導(dǎo)等，這一類傳輸線

17、不能傳輸ＴＥＭ波，而只能,傳輸色散的橫磁波（ＴＭ波）或橫電波（ＴＥ波），,稱為色散波傳輸線。,,,第三類是介質(zhì)傳輸線。這類傳輸線傳輸?shù)氖巧?的橫電波（ＴＥ波）和橫磁波（ＴＭ波）混合波，并且,電磁波主要是沿線的表面?zhèn)鞑ィQ為表面波傳輸線。,,一般來講，微波傳輸線從結(jié)構(gòu)上大體可分為三類，,微波傳輸線的種類與用途,,類 型,,工 作 波 型,,名 稱,,應(yīng) 用 波 段,,TEM,波傳輸線,,TEM,型波,,平行雙線,同軸線,帶狀線、微帶,,米波、分米波,低頻端,分米波、厘米波,分米波、厘米波,,金屬波導(dǎo),,TE,、,TM,型波,,矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、脊波導(dǎo),,厘米波、毫米波低頻

18、端,,表面波傳輸線,,混合型波,,介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡象線、單根表面波傳輸線,,毫米波,,,微波傳輸線的種類與用途 類 型工 作 波 型名 稱,各種類型的傳輸線,(a),,(b),,(c),,(d),,(e),,(f),(a),是平行雙線，,(b),是同軸線，這兩種傳輸線都屬于,橫電磁波傳輸線；,(c),是矩形波導(dǎo)，,(d),是圓形波導(dǎo)，這兩種傳輸線是非橫電磁波傳輸線。,圖,(e),中的微帶線，是準橫電磁波傳輸線；,,圖,(f),中的光纖，是非橫電磁波傳輸線。,各種類型的傳輸線(a) (b) (c),,多種多樣的微波傳輸線是針對不同頻段和提高傳輸線的性能發(fā)展起來的，并投入

19、具體的工程應(yīng)用。,,平行雙線：傳輸?shù)氖?TEM,波，是使用最早最普遍的一種傳輸線；當(dāng)頻率提高到其對應(yīng)的波長與雙線的距離相比擬時，其輻射損耗顯著增加；而減小平行雙線距離會減小擊穿電壓降低其功率。,,同軸線：采用封閉結(jié)構(gòu)減少了平行雙線可能出現(xiàn)的輻射損耗；但隨著頻率的提高，會出現(xiàn),TE,和,TM,波，為了抑制,TE,和,TM,波，必須減小截面尺寸，會增加內(nèi)導(dǎo)體的損耗，降低傳輸功率。,多種多樣的微波傳輸線是針對不同頻段和提高傳輸線的性能,金屬波導(dǎo)：和同軸線比較，波導(dǎo)管除去內(nèi)導(dǎo)體，不僅降低了內(nèi)導(dǎo)體的損耗而且提高了傳輸線的功率容量；,其缺點是比較笨重、高頻下批量成本高、 頻帶較窄等。,,隨著航空、航天事業(yè)

20、發(fā)展的需要,,,對微波設(shè)備提出了體積要小、重量要輕、 可靠性要高、性能要優(yōu)越、一致性要好、 成本要低等要求,,,這就促成了微波技術(shù)與半導(dǎo)體器件及集成電路的結(jié)合,,,產(chǎn)生了微波集成電路。,,對微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具有平面型結(jié)構(gòu),,,這樣可以通過調(diào)整單一平面尺寸來控制其傳輸特性,,,從而實現(xiàn)微波電路的集成化。,金屬波導(dǎo)：和同軸線比較，波導(dǎo)管除去內(nèi)導(dǎo)體，不僅降低了內(nèi)導(dǎo)體的,傳輸線研究的問題和分析方法,,傳輸特性（模式、相速度、波長、波阻抗以及其它相關(guān)的重要特性）、損耗特性、功率容量以及具體的工程用途等。,,采用電路方法研究傳輸線的共性問題，采用電路和場分析結(jié)合的方法討論每一種傳輸

21、線的個性問題。,傳輸線研究的問題和分析方法,,一種工作頻率,40.5GHz,到,41.5GHz,的毫米波收發(fā)前端,一種工作頻率 40.5GHz 到 41.5GHz 的毫米波,2.,軟件雷達,按照,IEEE,的標準定義，雷達是通過發(fā)射電磁波信號，接收來自其威力覆蓋范圍內(nèi)目標的回波，并從回波信號中提取位置和其它信息，以用于探測、定位，以及有時進行目標識別的電磁波系統(tǒng)。,,,雷達根據(jù)反射波的延遲、多普勒頻移等參數(shù)提取,出目標的距離、方位、高度及速度等信息。,,,由于微波具有頻帶寬、穿透電離層能較強、似光性等優(yōu)點，雷達就是利用了,微波,這些特性的典型代表。,2.軟件雷達 按照IEEE的標準定義，

22、雷達是通過發(fā)射電,,雷達的原理及其基本組成,雷達的原理及其基本組成,,由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能,,,經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線,,,再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速,(,約,3×10,8,m/s),傳播,,,如果目標恰好位于定向天線的波束內(nèi),,,則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各方向散射,,,其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線搜集到這部分散射的電磁波后,,,就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機。接收機將這微弱信號放大并經(jīng)信號處理后即可獲取所需信息,,,并將結(jié)果送至終端顯示。,由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能, 經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線,,,脈沖雷達基本組成框圖,脈

23、沖雷達基本組成框圖,,雷達的工作頻率,,按照雷達的工作原理,,,不論發(fā)射波的頻率如何,,,只要是通過輻射電磁能量和利用從目標反射回來的回波,,,以便對目標探測和定位,,,都屬于雷達系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達工作頻率范圍為,220~35 000MHz(220MHz~35GHz),,實際上各類雷達工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。 例如天波超視距,(OTH),雷達的工作頻率為,4MHz,或,5MHz,,而地波超視距的工作頻率則低到,2MHz,。 在頻譜的另一端,,,毫米波雷達可以工作到,94 GHz,,激光,(Laser),雷達工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達在工程實現(xiàn)時差別很大。,雷達的工作

24、頻率 按照雷達的工作原理, 不論發(fā),,雷達頻率和電磁波頻譜,雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜如圖所示,,,實際上絕大部分雷達工作于,200 MHz,至,10 000MHz,頻段。,雷達頻率和電磁波頻譜 雷達的工作頻率和整個電磁波頻,,雷達頻段和對應(yīng)的頻率,雷達頻段和對應(yīng)的頻率,,收發(fā)共用一個發(fā)射機、 接收機的簡化相控陣雷達方框圖,收發(fā)共用一個發(fā)射機、 接收機的簡化相控陣雷達方框圖,,雷達分類,按工作頻段,,米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達以及毫米波,雷達等。,按戰(zhàn)術(shù)功能和用途,預(yù)警雷達,(,超遠程雷達,),,它的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈、,戰(zhàn)略轟炸機等,,,以便及早發(fā)出警報。

25、它的特點是作用,距離遠達數(shù)千公里,,,至于測定坐標的精確度和分辨力,是次要的。,搜索和警戒雷達,其任務(wù)是發(fā)現(xiàn)飛機,,,一般作用距離,在,400 km,以上,,,有的可達,600 km,。,,雷達分類按工作頻段,引導(dǎo)指揮雷達,(,監(jiān)視雷達,),,這種雷達用于對殲擊機的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn),,,民用的機場調(diào)度雷達亦屬這一類。,火控雷達,其任務(wù)是控制火炮,(,或地空導(dǎo)彈,),對空中目標進行瞄準攻擊。,制導(dǎo)雷達,控制導(dǎo)彈去攻擊目標。,戰(zhàn)場監(jiān)視雷達,機載雷達,,,機載截擊雷達、機載護尾雷達、機載導(dǎo)航雷達、,機載火控雷達,,引導(dǎo)指揮雷達(監(jiān)視雷達) 這種雷達用于對殲擊機的引導(dǎo)和指揮作,無線電測高儀,雷達引信（無

26、線電引信）,氣象雷達,航行管制,(,空中交通,),雷達,宇宙航行中用雷達,遙感設(shè)備,此外，在飛機導(dǎo)航,,,航道探測,(,用以保證航行安全,),,公路上車速測量等方面,,,雷達也在發(fā)揮其積極作用。,,無線電測高儀,,按工作體制,連續(xù)波雷達、脈沖多普勒雷達、脈沖壓縮雷達、編碼,脈沖雷達、動目標顯示雷達、捷變頻雷達、相控陣雷達,以及合成孔徑雷達等。,,,不同用途、不同功能的雷達對信號參數(shù)（載頻、,脈寬、內(nèi)調(diào)制等）要求不同。,,,由于不同用途的雷達其信號參數(shù)完全不同，導(dǎo)致,功能單一、體制單一，無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對不同,屬性的目標進行智能化跟蹤、探測的需要。對于目前,這種雷達參數(shù)相對固定不變的技術(shù)體

27、制已經(jīng)很難適應(yīng),越來越復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境，雷達的生存能力也面臨挑戰(zhàn)。,,按工作體制,,“軟件雷達”是以軟件無線電為基礎(chǔ)提出的現(xiàn)代雷達,設(shè)計新思想、新概念。它采用軟件無線電的設(shè)計理念，,雷達信號波形和參數(shù)可以通過軟件加載，根據(jù)不同的,作戰(zhàn)環(huán)境需求而適時地改變，甚至進行“捷變參”工作，,即雷達參數(shù)（載頻、脈寬、重復(fù)頻率、脈內(nèi)調(diào)制方式、,調(diào)制參數(shù)等）可以快速捷變，以有效應(yīng)對電子戰(zhàn)的威脅。,,,“軟件雷達”的主要特點是雷達波形的軟件化、可,編程、可升級。,,,軟件雷達的信號波形和雷達處理算法不是固化的，,它可以隨著雷達信號處理技術(shù)的發(fā)展，新的雷達體制,波形和處理算法可以重新通過加載新的算法軟件來對,雷達進

28、行升級改造 ，適應(yīng)不斷變化的軍事需求。,“軟件雷達”是以軟件無線電為基礎(chǔ)提出的現(xiàn)代雷達,DAC,雷達,,波形,產(chǎn)生,,器,DSP,+,,軟件,,數(shù)字,,上變,,頻,,濾波,HPA,,模擬,,上變,,頻,,,,,,軟件雷達發(fā)射機,雷達信號：,根據(jù)所需發(fā)射的雷達信號波形，求出 和 后，,雷達波形產(chǎn)生器輸出的正交數(shù)據(jù)為：,DAC 雷達 數(shù)字 濾波 HPA 模擬 軟件雷達發(fā)射機,經(jīng)過正交數(shù)字上變頻和,D/A,變換即可得到一個中頻,信號，然后通過模擬上變頻，將其搬移到所需的雷達,信號載頻上，再經(jīng)高功率放大后，通過雷達無線發(fā)射機,可以在任一載頻上產(chǎn)生任何體制（波形）的雷達信號，,前者主要取決

29、于模擬上變頻器、功放和天線的工作帶寬，,而后者則主要取決于軟件。,,,目前要實現(xiàn)全頻段（從短波到毫米波）的軟件化雷達,發(fā)射機還存在相當(dāng)大的難度，尤其是寬帶功放和天線是,其最主要的技術(shù)瓶頸。如果不考慮功放和天線，則實現(xiàn),一種多頻段、多體制、多功能的軟件化雷達發(fā)射機是,完全可行的。,經(jīng)過正交數(shù)字上變頻和D/A變換即可得到一個中頻,ADC,雷達,,信號,處理,,器,DSP,+,,軟件,,數(shù)字,,下變,,頻,寬帶接收前端,,,,,,軟件雷達接收機,通過目標反射的雷達信號由天線接收后，送到接收,前端把射頻信號變換為寬帶中頻信號，并進行放大后,再送到高速,ADC,變換為數(shù)字信號，然后由數(shù)字下變頻,變換為正

30、交的基帶信號 ，雷達信號處理器,對正交數(shù)據(jù) 進行諸如檢波（求模）、,FFT,等運算，并與發(fā)射信號作相關(guān)處理，即可計算得到到達,時間、多普勒頻移以及反射信號電平等參數(shù)，進而實現(xiàn),對目標的探測和定位。,ADC 雷達 數(shù)字寬帶接收前端 軟件雷達接收機 通,需要注意的是，為了能從反射的雷達信號中獲取,與目標特性相關(guān)的信號到達時間、多普勒頻移等信息，,雷達發(fā)射機和雷達接收機的所有時鐘，包括本振以及,ADC,、,DAC,時鐘等都必須嚴格同步（因為,1,μ,s,,的同步,誤差將導(dǎo)致,150m,的測距誤差）。為了解決軟件同步,處理的困難，可以采取硬件相關(guān)處理的辦

31、法來解決。,需要注意的是，為了能從反射的雷達信號中獲取,DAC,,雷達,,波形,產(chǎn)生,,器,DSP,+,,軟件,,數(shù)字,,上變,,頻,濾波,HPA,模,擬,上,變,頻,,,,,,軟件雷達系統(tǒng)的組成,分路,ADC,,,雷達,,信號,,相關(guān),處理,,器,,,數(shù)字,,下變,,頻,寬帶接收,前端,,,,共用,本振源,T/R,ADC,,數(shù)字,,下變,,頻,,,,,DAC 雷達 數(shù)字濾波 HPA模 軟件雷達系統(tǒng)的組成 分,由圖可見，把雷達發(fā)射機輸出的中頻信號分成兩路，,其中的一路與雷達接收機前端輸出的中頻信號一起,同時送到兩個同步,A/D,變換器進行模數(shù)變換，并分別,經(jīng)各自的數(shù)字下變頻器變換為正交基帶信

32、號,和,,，這兩路正交數(shù)據(jù)再送到雷達信號相關(guān),處理器進行相關(guān)運算，就可提取到達時間、多普勒頻移,等有用信息。這種相關(guān)處理方法雖然增加了硬件的復(fù)雜,性，但降低了同步要求，尤其是避開了軟件同步的困難，,是一種比較可行的軟件雷達系統(tǒng)實現(xiàn)方案。,由圖可見，把雷達發(fā)射機輸出的中頻信號分成兩路，,2.2,智能天線技術(shù),一、概述,,軟件無線電系統(tǒng)中的天線應(yīng)具有自適應(yīng)的能力，,即能夠根據(jù)所選擇的不同頻段或不同應(yīng)用，自動調(diào)整,增益等參數(shù)，使系統(tǒng)完全適應(yīng)不同的傳輸環(huán)境、要求。,,主要技術(shù),寬帶,/,多頻段天線,多頻段和寬帶天線的設(shè)計使天線能夠在寬頻段上,工作，但多頻段意味著能在幾個分離的不同頻段上工作，,在所設(shè)計

33、的天線最高和最低頻率之間常常無相鄰覆蓋，,而寬帶則意著天線設(shè)計的最高和最低頻段之間有相鄰,覆蓋。,,2.2 智能天線技術(shù)一、概述,在實際應(yīng)用中，要做到各個通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通，,顯然要求射頻天線具有良好的多頻段性能和可程控的,多頻段、多功率射頻轉(zhuǎn)換能力。,,,寬帶天線設(shè)計的難點是同時滿足小型化、寬帶、,優(yōu)良的時域特性以及系統(tǒng)性能優(yōu)良等特點。,,,智能天線,智能天線是一種具有測向和波束形成能力的天線,陣列。它利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，,使天線主波束對準期望用戶信號到達方向，旁瓣或零陷,對準干擾信號到達方向，達到充分、高效利用期望用戶,信號并刪除或抑制干擾信號的目的。,在實際應(yīng)用中，要

34、做到各個通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通，,二、智能天線的概念和原理,智能天線是利用多個天線陣元的組合進行信號處理，自動調(diào)整發(fā)射和,(,或,),接收方向圖，以針對不同的信號環(huán)境達到最優(yōu)性能。,,智能天線以多個高增益窄帶波束動態(tài)地跟蹤多個期望用戶；接收模式下，來自窄帶波束以外地信號被抑制；發(fā)射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄帶波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。,二、智能天線的概念和原理 智能天線是利用多個天線陣元的組,,,,,,,,,,Talk,Talk,干擾,自適應(yīng)陣列基站,普通基站,智能天線的作用,使用智能天線：,能量僅指向小區(qū)內(nèi)處于激活狀態(tài)的移動終端,正在通信的移動終端在整

35、個小區(qū)內(nèi)處于受跟蹤狀態(tài),不使用智能天線：,能量分布于整個小區(qū)內(nèi),所有小區(qū)內(nèi)的移動終端均相互干擾，此干擾是,CDMA,容量限制的主要原因,TalkTalk干擾自適應(yīng)陣列基站普通基站智能天線的作用使用,,普通天線,,智能天線,有智能天線,,能量只是指向有移動用戶活動的小區(qū)區(qū)域；手機在整個小區(qū)被跟蹤。,沒有智能天線,,能量分布于整個小區(qū)，,在沒有移動用戶活動的區(qū)域，干擾不會下降。,普通天線智能天線有智能天線沒有智能天線,優(yōu)點,,智能天線潛在的性能效益表現(xiàn)在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時延擴展、支持高數(shù)據(jù)速率、抑制干擾、減少遠近效應(yīng)、減小中斷概率、改善誤比特率,(BER,Bit Error Rate

36、,）性能、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜效率、支持靈活有效的越區(qū)切換、擴大小區(qū)覆蓋范圍、靈活的小區(qū)管理、延長移動臺電池壽命、以及維護和運營成本較低等。,優(yōu)點,智能天線,智能天線技術(shù),智能天線智能天線技術(shù),三、智能天線的形式,根據(jù)工作方式的不同：,預(yù)多波束或切換波束系統(tǒng)；,自適應(yīng)陣列系統(tǒng)；,,根據(jù)波束形成的不同：,陣元空間處理方式；,波束空間處理方式；,三、智能天線的形式根據(jù)工作方式的不同：,切換波束系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,切換波束系統(tǒng),第二軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)剖析課件,波束轉(zhuǎn)換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，通過陣列天線技術(shù)在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發(fā)送不同的信號，它從

37、幾個預(yù)定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當(dāng)移動臺越過扇區(qū)時，從一個波束切換到另一個波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質(zhì)量。,波束轉(zhuǎn)換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，,每個波束的方向是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數(shù)而變化。對于移動用戶，基站選擇不同的對應(yīng)波束，使接收的信號強度最大。但用戶信號未必在固定波束中心，當(dāng)使用者是在波束邊緣，干擾信號在波束的中央，接收效果最差。因此，與自適應(yīng)天線陣比較，波束轉(zhuǎn)換天線不能實現(xiàn)最佳的信號接收。由于扇形失真，波束轉(zhuǎn)換天線增益在方位角上不均勻分布。但波束轉(zhuǎn)換天線有結(jié)構(gòu)簡單和不需要判斷用戶信號方向,(DOA),的優(yōu)勢。,每個波束

38、的方向是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數(shù)而變,自適應(yīng)陣列系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自適應(yīng)陣列系統(tǒng),陣元空間處理方式,陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣進行加權(quán)求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向。由于各種陣元均參與自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整，這種方式屬于全自適應(yīng)陣列處理。,陣元空間處理方式陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣進,波束空間處理方式,包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定加權(quán)求和，形成多個指向不同方向的波束；,第二級對第一級的波束輸出進行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整后合成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元是從整天計算最優(yōu)的

39、加權(quán)系數(shù)作自適應(yīng)處理，而是僅對其中的部分陣元作自適應(yīng)處理，因此，屬于部分自適應(yīng)陣列處理；,計算量小，收斂快，且具有良好的波束保形性能，是當(dāng)前自適應(yīng)陣列處理技術(shù)的發(fā)展方向。,波束空間處理方式包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定,智能天線的結(jié)構(gòu),典型陣列；,結(jié)構(gòu)原理；,系統(tǒng)組成。,智能天線的結(jié)構(gòu)典型陣列；,典型陣列,均勻線陣；,隨機分步線陣；,十字陣；,圓陣；,面陣，等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,典型陣列均勻線陣；,結(jié)構(gòu)原理圖,,結(jié)構(gòu)原理圖,智能天線的系統(tǒng)組成,天線陣列：,天線陣元數(shù)量與天線陣元的配置方式，對智能天線的性能有著重要的影響；,模數(shù)轉(zhuǎn)換：,接收鏈路：模擬信號 → 數(shù)

40、字信號,發(fā)射鏈路：數(shù)字信號 → 模擬信號,智能處理：,天線波束在一定范圍內(nèi)能根據(jù)用戶的需要和天線傳播環(huán)境的變化而自適應(yīng)地進行調(diào)整，包括：,以數(shù)字信號處理器和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號處理器，用來產(chǎn)生自適應(yīng)的最優(yōu)權(quán)值系數(shù)：,以動態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò),智能天線的系統(tǒng)組成天線陣列：,智能天線的賦形,波束形成技術(shù)：,使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，提高陣列輸出所需信號的強度；,,零點技術(shù)：,使陣列天線方向圖的零點對準干擾方向，減少干擾信號的強度；,,空間譜估計技術(shù)：,處理帶寬內(nèi)信號的到達方向,DOA,（,Direction of Arrival,）的問題；,智能天線的賦形

41、波束形成技術(shù)：,,,智能天線的常用準則,最大信干噪比準則：,最佳加權(quán)使得陣列輸出信號的信號干擾噪聲比最大；,,最小均方誤差準則：,最佳加權(quán)使得陣列輸出和有用信號的均方誤差最??；,,最小方差準則：,最佳加權(quán)使得陣列輸出噪聲的方差最小；,,最大似然準則：,經(jīng)過空時加權(quán)后的估計信號與期望信號有最大可能的相似。,智能天線的常用準則最大信干噪比準則：,,三類經(jīng)典的波束形成算法,（,1,）基于訓(xùn)練序或者參考序列的波束形成算法,基于訓(xùn)練信號或者是參考信號的方法，不需要估計,信號到達方向，對天線陣本身的結(jié)構(gòu)也沒有過多的,限制，而且這類算法易于實現(xiàn)，但是發(fā)射訓(xùn)練信號,會降低系統(tǒng)的利用率，而且算法的收斂速度較慢。

42、,,常見的算法有最陡梯度下降算法、,LMS,、,NLMS,、,簡化的,LMS,以及后面將要提及的,NVSS,算法、,MNLMS,算法等。,三類經(jīng)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，在參考用戶信號方向已知的情況下，根據(jù)線性約束最小方差準則，計算自適應(yīng)權(quán)值。在參考信號方向未知的情況下，需要借助于,MUSIC(,多重信號分類,),算法估計信號到達方向,(DOA),。這類方法在分析上比較容易理解，但它有以下問題必須在無線系統(tǒng)中加以解決：,(1),需要估計信號的到達方向，這就涉及到復(fù)雜的矩陣運算：,(2),需要陣列引導(dǎo)向量的準確信息，對誤差比較敏感；,(3),

43、要求用戶數(shù)包括多徑數(shù)日小于陣元數(shù)，而在無線系統(tǒng)中，用戶數(shù),(,包括多徑數(shù),),遠遠大于陣元數(shù)；,(4),需要準確估計信源數(shù)目，信源數(shù)目估計是否準確將嚴重影響算法性能。,（2）基于DOA的波束形成算法,（,3,）基于信號的盲波束形成算法,基于信號結(jié)構(gòu)的盲波束形成算法，利用信號本身的時域特性來計算自適應(yīng)權(quán)矢量。,,直接利用系統(tǒng)的特性而不需要發(fā)送訓(xùn)練序列的,自適應(yīng)算法稱為盲算法。,,常見的算法有恒模算法、基于高階累積量的盲處理算法以及許多其它的盲處理算法。,（3）基于信號的盲波束形成算法,四、基于軟件無線電的智能天線組成結(jié)構(gòu),（,1,）單信道智能天線,四、基于軟件無線電的智能天線組成結(jié)構(gòu),通過天線陣

44、感應(yīng)的射頻信號首先經(jīng)過前端模擬預(yù)處,理，變換為適合于,A/D,采樣的寬帶中頻信號。經(jīng),A/D,數(shù)字,化后送到數(shù)字下變頻器（,DDC,）。每個天線陣元經(jīng)過相同,的數(shù)字下變頻后，同時送到,M,個數(shù)字波束形成器（,DBF,），,分別進行不同指向的波束形成運算，最終獲得所需的,M,個,波束。,信息解調(diào)模塊（,DEMOD,）要么對所形成的這,M,個波束,同時進行解調(diào)，要么選取其中信噪比最大的波束進行,解調(diào)，前者可以實現(xiàn)同頻空分復(fù)用，后者則可以實現(xiàn),定向接收，改善輸出信噪比。其中，,M,個,DBF,可以用一個,數(shù)字多波束形成器（,DMBF,）來實現(xiàn)。,由于,DDC,只能對準一個頻率信號進行數(shù)字下變頻，因此

45、,同一時刻只能對一個信道（同一頻率）的信號進行數(shù)字,波束形成。,通過天線陣感應(yīng)的射頻信號首先經(jīng)過前端模擬預(yù)處,（,2,）多信道智能天線,（2）多信道智能天線,如果每個單信道多波束形成器,SCMBF,分別能形成,M,個波束，則這種多信道波束智能天線總共可形成,L × M,個波束，每組（共,L,組）波束對應(yīng)的信號頻率分別為,f,1,f,2,…… f,L,。,如果每個單信道多波束形成器SCMBF分別能形成M個波,（,3,）多相濾波信道化智能天線,（3）多相濾波信道化智能天線,寬帶中頻信號經(jīng),A/D,采樣數(shù)字化后，送到多相濾波,信道化接收機模塊（,PPCR,），進行信道化處理，同時,輸出,L=B,W,

46、/B,路正交基帶信號。其中，,B,W,為中頻總帶寬，,B,為信道帶寬。,,,后續(xù)的多波束形成器（,DMBF,）則選取其中的一個,信道進行數(shù)字多波束形成，產(chǎn)生于該信道（頻率）相,對應(yīng)的多個波束，并完成解調(diào)。,,,如果要求對整個中頻帶寬內(nèi)的所有信道同時形成,多波束，則,DMBF,的數(shù)目為,L=B,W,/B,個。,,寬帶中頻信號經(jīng)A/D采樣數(shù)字化后，送到多相濾波,,這種信道化智能天線的最大特點是能夠?qū)崿F(xiàn)頻域、,空域上的全波束形成。它不僅能用來實現(xiàn)同頻空分通信，增大信道容量，也可用來對空間電磁環(huán)境進行,監(jiān)測分析（信道搜索監(jiān)視），以選擇頻域、空域上,最佳的波束與用戶進行通信，實現(xiàn)真正意義上的智能化。,這

47、種信道化智能天線的最大特點是能夠?qū)崿F(xiàn)頻域、,智能天線的研究方向,論證智能天線對通信系統(tǒng)的功效,對通信系統(tǒng)容量的提高；,抗多徑干擾的性能。,,提出優(yōu)化方案和快速算法,,信道模型研究,除了關(guān)注支信道的一般特性外，還要研究多徑,信號的空間特征和,DOA,（,Direction of Arrival,，信號,到達方向）擴展。,,,,,智能天線的研究方向論證智能天線對通信系統(tǒng)的功效,智能化發(fā)射,,主要是構(gòu)造最優(yōu)化準則，在一定的約束（如,功率約束等）下，使期望用戶接收的信號功率最,大，而使非期望用戶接收的信號功率最小。,,智能化接收,,主要研究天線陣列的輸出，如基于自適應(yīng),衡模算法等。,,硬件實現(xiàn),,主要

48、是天線陣列的物理實現(xiàn)和信號處理算法,的實時實現(xiàn)。,智能化發(fā)射,2.3,多輸入多輸出技術(shù),一、分集技術(shù),分集的目的：在無線通信的信道傳輸過程中，由于,大氣及地面的影響而發(fā)生傳播損耗及傳播延時隨時間變,化的現(xiàn)象叫衰落。,對抗衰落的有效技術(shù)之一就是對獨立的衰落信號進,行,分集合并,。,,分集接收的基本思想就是把接收到的多個衰落獨立,的信號加以處理，合理地利用這些信號的能量來改善接,收信號的質(zhì)量。,分集接收充分利用接收信號的能量，因此無需增加,發(fā)射信號的功率而可以使接收信號得到改善。,2.3 多輸入多輸出技術(shù),分集的概念,分集就是在獨立的衰落路徑上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，由于,獨立路徑在同一時刻經(jīng)歷深衰落的概

49、率很小，因此經(jīng)過,適當(dāng)?shù)暮喜⒑?，接收信號的衰落程度就會減小，提高了,接收信號的可靠性。,,原理：,,利用無線傳播環(huán)境中來自不同途徑的多徑信號的,統(tǒng)計獨立性進行合并，從而實現(xiàn)分集。,,首先要找出來自不同途徑的多徑信號，這些途徑可以,是不同的空間、不同的極化、不同的頻率、不同的時間。,其次，要以某種方法進行合并。,分集的概念,分集的種類,衰落的種類：大尺度衰落和小尺度衰落。,,移動無線信號的衰落包括了兩個方面：一個來自因,地形地物造成的陰影衰落，它使接收的信號平均功率,（或者信號的中值）在一個比較長的空間（或時間）,區(qū)間內(nèi)發(fā)生波動，這是一種宏觀衰落；,,而多徑傳播使得信號在一個短距離上（或一段時間

50、,內(nèi)）信號強度發(fā)生急劇的變化（但信號的平均功率不,變），這是一種微觀衰落。,,針對這兩種不同的衰落，常用的分集技術(shù)可以分為,兩類：宏觀分集和微觀分集。,分集的種類,1.,宏觀分集,為了消除陰影區(qū)域的信號衰落，可以在兩個不同的,地點（比如蜂窩小區(qū)的對角上,),和不同的方向上分別設(shè)置,一個基站，這兩個基站可以同時接收移動臺的信號。,,由于兩個基站接收天線相距很遠，所接收到的信號,衰落是相互獨立的，由此得到了兩個衰落獨立并且攜帶,同一信息的信號。,,由于傳播路徑的不同，兩個基站所得到的信號強度,一般是不相等的，通常用接收信號的平均功率來表征。,對于移動臺，可以選擇兩個基站中信號強度較強的進行,通信，

51、并且當(dāng)移動臺位置不同時，可以選擇不同的基站,進行通信，這就是宏觀分集中所采用的信號合并技術(shù)。,,1.宏觀分集,宏觀分集示意圖,如圖所示，終端保持同兩個基站間的無線鏈路，兩條鏈路傳輸同樣的數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行合并，這就是典型的宏分集場景?？偟膩碚f，宏分集就是用位于不同地點的多個接收機和發(fā)射機實現(xiàn)的分集方式。,宏觀分集示意圖 如圖所示，終端保持同兩個基站間的無線鏈,顯然，只要在各個方向上的信號傳播不是同時受到,陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴重的慢衰落,(,基站天線,的架設(shè)可以防止這種情況發(fā)生,),，這種辦法就能保持,通信不會中斷。,,宏觀分集需要設(shè)置多個基站，因此也稱為多基站,分集。,,顯然，只

52、要在各個方向上的信號傳播不是同時受到,2.,微觀分集,在一個局部區(qū)域（一個短距離上），信號衰落所,呈現(xiàn)的獨立性是多方面的，比如時間、頻率、空間、,角度以及攜帶信息的電磁波的極化方式等。,,,利用這些特點，采用相應(yīng)的方法可以得到來自同一,發(fā)射機、衰落獨立的多個信號。這就有多種分集技術(shù)：,空間分集、極化分集、角度分集、頻率分集以及時間,分集等。,2.微觀分集,(1),空間分集,使用多個發(fā)送天線或接收天線，即天線陣列，其陣元之間有一定的距離。這種分集方式叫做空間分集。,,,如果天線安裝的間隔足夠大（對于均勻散列環(huán)境及全向的發(fā)送和接收天線，達到衰落獨立所需要的最小間距近似為波長的一半），那么不同天線接

53、收到的信號幅度和相位的衰落是不相關(guān)的，即不同天線對之間的衰落路徑是獨立的。,,,(1)空間分集,1.,接收分集,如果發(fā)射端使用單個天線，接收端使用多個天線，,則這種天線系統(tǒng)稱為單輸入多輸出（,SIMO,）系統(tǒng)，相應(yīng),的分集稱為接收分集。,,,1,副發(fā)射天線和,M,副接收天線，接收分集將多個接收天線上的獨立衰落信號合并為一路，再送給解調(diào)器。,,1.接收分集 1副發(fā)射天線和M副接收天線，接收分集將多個接,,單輸入多輸出（,SIMO,）信道，實現(xiàn)獨立的衰落路徑,不需要增加發(fā)送功率或帶寬，通過分集信號進行相干合,并，改善接收端信噪比，獲得陣列增益，提高信道的容量和頻譜的使用效率。,,2.,發(fā)送分集,

54、如果發(fā)射端使用多個天線，接收端使用單個天線，,則稱為多輸入單輸出（,MISO,）系統(tǒng)，相應(yīng)的分集稱為,發(fā)射分集。,單輸入多輸出（SIMO）信道，實現(xiàn)獨立的衰落路徑2.,,多輸入單輸出（,MISO,）信道，發(fā)送分集的設(shè)計與發(fā)送端是否知道復(fù)信道增益信息有關(guān)，發(fā)送分集同樣也能獲得陣列增益。多根發(fā)送天線，總發(fā)送功率是各天線上發(fā)送功率的和。,發(fā)送分集適合于發(fā)送端在空間、供電能力以及處理能力方面比接收端更富裕的系統(tǒng)，比如蜂窩系統(tǒng)。,多輸入單輸出（MISO）信道，發(fā)送分集的設(shè)計與發(fā)送端,,對于空間分集而言，分集的支路數(shù),M,越大，分集,的效果越好。但當(dāng),M,較大時，分集的復(fù)雜性增加，分,集增益的增加隨著,M

55、,的增大而變得緩慢。,,分集增益定義為分集合并后誤碼率斜率的變化。,對于空間分集而言，分集的支路數(shù) M 越大，分集,(2),時間分集,基本思想：不同時間發(fā)送相同信息，時間間隔必須大于,信道相干時間,（信道基本保持不變的時間段）。對信息進行編碼并將編碼后的碼元分散到不同的時間段，時間間隔大于相干時間，從而使得碼字的不同部分經(jīng)歷相互獨立的衰落。,,通過編碼和交織可以實現(xiàn)時間分集。,,在移動環(huán)境中，信道的特性隨時間變化。當(dāng)移動的時間足夠長（或移動的距離足夠大），大于信道的相干時間時，則這兩個時刻（或地點）無線信道衰落特性是不同的，可以認為是獨立的?？梢栽诓煌臅r間段發(fā)送同一信息，接收端則在不同的時間

56、段接收這些衰落獨立的信號。,(2)時間分集,時間分集要求在收發(fā)信機都有存儲器，這使得它更適合于移動數(shù)字傳輸。時間分集只需使用一部接收機和一副天線。若信號發(fā)送,M,次，則接收機重復(fù)使用以接收,M,個衰落蝕立的信號。此時稱系統(tǒng)為,M,重時間分集系統(tǒng)。,,交織之所以被稱為隱分集是因為其并沒有采用,發(fā)送重復(fù)信息的方式，但是它仍然利用了時間分集中將碼字放入不同的獨立衰落的時間段的方式發(fā)送。,,時間分集要求在收發(fā)信機都有存儲器，這使得它更適合于移,(3),極化分集,在移動環(huán)境下，兩個在同一地點極化方向相互正交,的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關(guān)衰落特性。利用這一點，,在發(fā)端同一地點分別裝上垂直極化天線和水平極化

57、天線，,就可得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號。,,極化分集實際上是空間分集的特殊情況，其分集支路,只有兩路。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，節(jié)省空間，,缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，信號功率將,有,3dB,的損失。,,(3)極化分集,(4),角度分集,角度分集的做法是使電磁波通過幾個不同路徑，并,以不同角度到達接收端。接收端利用多個方向性尖銳的,接收天線分離出不同方向上來的信號，由于這些分量具,有相互獨立的衰落特性，因而可以實現(xiàn)角度分集并獲得,抗衰落的效果。,,由于地形地貌和建筑物等環(huán)境的不同，到達接收端,的不同路徑的信號可能來自于不同的方向，在接收端，,采用方向性天線，分別指向不同的信號到

58、達方向，則每,個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。,,(4)角度分集,(5),頻率分集,由于頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩個信號所遭受的,衰落是不相關(guān)的，因此，可以用兩個以上不同的頻率,傳輸同一信息，以實現(xiàn)頻率分集。,,將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，只要,載頻之間的間隔足夠大（大于相干帶寬），那么在接收,端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號。,,該方法的優(yōu)點是減少了天線的數(shù)目。但缺點是需要,兩部以上的發(fā)射機同時發(fā)送同一信號，要占用更多的,頻譜資源，并用兩部以上的接收機來接收信號。,(5)頻率分集,(6),場分量分集,根據(jù)電磁場理論可知，電磁波的,E,場和,H,場分量載有,相同的信息，而反射

59、的機理不同。例如，一個散射體,反射,E,波和,H,波的駐波圖形相位差,90°,，即當(dāng),E,波為最大,時，,H,波為最小。,,在移動信道中，多個,E,波和,H,波疊加，結(jié)果表明，,E,Z,、,H,X,和,H,Y,的分量是互不相關(guān)的。因此，通過接收三個,場分量，也可以獲得分集的效果。,,場分量分集不要求天線間有實體上的間隔，因此適用,于較低工作頻段（例如低于,100MHz,）。當(dāng)工作頻率較高,時（例如,800,～,900MHz,），空間分集在結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)。,場分量分集和空間分集的優(yōu)點是不像極化分集那樣要,損失,3dB,的輻射功率。,(6)場分量分集,(7),路徑分集,路徑分集的依據(jù)是來自兩個不同

60、路徑信號的時延,大于某一值時，這兩個衰落信號可看作互不相關(guān)。,,因此，如果電磁波經(jīng)過兩條不同路徑傳播時的時延大于相干時間，則這兩個信號的衰落特性也是彼此獨立的。,(7)路徑分集,3.,合并方式,分集的主要目的是對獨立的衰落路徑進行相干合并,來減輕衰落的影響，合并后的輸出是不同衰落支路的,加權(quán)和。合并方式：選擇合并、門限合并、最大比合并、,等增益合并等。,,,（,1,）選擇合并,選擇式合并是所有合并方式中最簡單的一種，,合并器選擇多條支路中信噪比最大的支路作為輸出信號。,3.合并方式,第二軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)剖析課件,選擇可以放在射頻信號解調(diào)前，也可以放在信號解調(diào)成基帶信號后進行。,,為了能即時切

61、換到信噪比最高的支路上，需要接收機對每條支路上信噪比進行實時檢測。合并器相當(dāng)于一個開關(guān)，根據(jù)檢測到的信噪比切換到相應(yīng)的支路。,,特點：,選擇合并只需要一個接收機，隨時切換到被選的天線支路上；,選擇合并輸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，可以采用相干調(diào)制或差分調(diào)制。,,選擇可以放在射頻信號解調(diào)前，也可以放在信號解調(diào)成基帶,（,2,）門限合并,門限合并是一種比選擇合并更簡單的合并方式。它,用同一個接收機順序監(jiān)測每條支路，輸出第一個信噪比,高于門限值的信號，從而避免了在每條支路上都安裝,一個接收機。,,門限合并與選擇合并一樣，每個時刻只有一路信號,輸出，不需要各路同相，因此相干

62、調(diào)制和差分調(diào)制都,可以采用門限合并。,,一旦選定支路后，只要該支路的信噪比一直高于,門限值，合并器就始終輸出這個支路上的信號。當(dāng)這條,支路上的信噪比低于門限值時，才切換到其它支路。,（2）門限合并,決定切換到哪一個其它支路上有不同方法，最簡單的就是隨機切換。,,只有兩條支路時，就是直接切換到另一條支路上。,這種方法叫做切停合并。它并不是選擇信噪比最高的支路，所以性能介于無分集和理想選擇合并之間。,決定切換到哪一個其它支路上有不同方法，最簡單的就是隨,（,3,）最大比合并,在選擇合并方式中，只選擇其中一路信號作為有效輸出，其余信號不再利用。這些未被利用的信號都攜帶有相同的有用信息，若能將其合理利

63、用，應(yīng)該會明顯,改善合并器輸出的信噪比。,,最大比合并先把各條支路的信號進行加權(quán)，在信號合并前對各路信號進行相位調(diào)整，使其同相，然后進行合并。合并器的輸出為各條支路信號的加權(quán)和，充分,利用了各條支路的信息。,,（3）最大比合并,第二軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)剖析課件,（,4,）等增益合并,最大比合并擁有最好的合并能力，但通過分析可知，這種方法要求有準確的加權(quán)系數(shù)，這些值測量起來是非常困難的。,,等增益合并是以相同的權(quán)重對各支路上的信號進行同相合并。雖然性能有所下降，但實現(xiàn)起來較為簡單。,,（4）等增益合并,多用戶分集,--,機會通信,單用戶分集基本思想：,通過不同的路徑發(fā)送載有相同信息的信號，在接收端

64、就可以得到數(shù)據(jù)碼元的多個相互獨立的副本，從中選擇信號最強的或者采用加權(quán)和的方式得到發(fā)送信息，從而實現(xiàn)更,可靠,的檢測，改善系統(tǒng)的性能。,用于點對點通信。,,多用戶分集基本思想：,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量衰落相互獨立的用戶時，在任意時刻都將有很高的概率存在一個用戶擁有強信號信道。如果僅允許該用戶發(fā)射信號，那么就會以最高效的方式利用信道資源，從而使總的系統(tǒng),吞吐量,最大化。用戶數(shù)量越多，信號較強的信道更容易成為信號最強的信道，于是多用戶分集增益也就越大。,多用戶分集 -- 機會通信,第二軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)剖析課件,單用戶分集目的：,傳統(tǒng)分集技術(shù)的主要目的是改善衰落信道中通信的可靠性；是為了抵消衰落的負面影

65、響，適用于點對點鏈路。,,多用戶分集目的：,多用戶分集的作用則是增加快衰落信道中的總的吞吐量，利用信道衰落來改善系統(tǒng)性能；多用戶增益的好處是系統(tǒng)級的，惠及網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶。機會通信就是利用多用戶分集增益，人為地制造出隨機波動范圍大的信道，來提高系統(tǒng)總的吞吐量。,單用戶分集目的：,最大化信道吞吐量的方法,根據(jù)信道條件調(diào)度用戶發(fā)送的方法為機會調(diào)度。,,下行鏈路：把系統(tǒng)的全部帶寬分配給信道條件最好的用戶。,,上行鏈路：,如果各用戶衰落分布和平均功率相同，則把系統(tǒng)的全部帶寬分配給信道條件最好的用戶；,,如果各用戶衰落分布和平均功率不同，則選擇加權(quán)信道增益最大的用戶，加權(quán)值取決于信道增益、衰落分布、平均

66、功率等約束條件。,最大化信道吞吐量的方法,機會調(diào)度存在兩個問題：公平性和延時,如果信道衰落很慢，某一用戶可能會長期占用信道，使其他用戶相鄰兩次發(fā)送的時間間隔相當(dāng)長。,,平均信噪比很低的用戶的信道變?yōu)樗矔r信噪比最高的機會很低，發(fā)送的機會很少，造成系統(tǒng)資源的分配不公平。,,正比公平調(diào)度：,正比公平算法在進行調(diào)度時同時考慮了用戶的信道質(zhì)量和過去一段時間獲得的吞吐量。,主要優(yōu)點是綜合考慮了用戶的信道條件與用戶之間的服務(wù)公平性，能夠在系統(tǒng)吞吐量和服務(wù)公平性之間取得一定的折中，是目前采用較多的一種算法。,機會調(diào)度存在兩個問題：公平性和延時,研究熱點：,在資源分配中，如何獲取最優(yōu)資源分配，同時滿足公平性及延時性要求；,,在信道測量與反饋過程中，如何獲取精確的信道信息質(zhì)量，并在保持系統(tǒng)性能的同時減少反饋量；,,在機會波束成形中，如何合理地配置天線增益，從而達到增加信道波動、獲取更高的多用戶分集增益的目的。,研究熱點：,二、多天線技術(shù),1.,概述,多天線技術(shù)主要是指智能天線技術(shù)和,MIMO,技術(shù)。,多天線技術(shù)是對發(fā)射與接收信號進行空域的處理，,如果與時域相結(jié)合，變成為空時信號處理技術(shù)，通過,空時信號的處