第3章無(wú)線電技術(shù)基礎(chǔ)3.1電磁場(chǎng)與電磁波3.2無(wú)線通信系統(tǒng)3.3射頻/微波技術(shù)3.4天線技術(shù)3.5信道技術(shù)3.6軟件無(wú)線電技術(shù)3.7認(rèn)知無(wú)線電3.8電磁兼容3.9本章小結(jié)◆教學(xué)提示

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)是無(wú)線電技術(shù)。本章簡(jiǎn)單介紹無(wú)線電所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)：信道技術(shù)、射頻/微波技術(shù)、天線技術(shù)、電波傳播、軟件無(wú)線電、認(rèn)知無(wú)線電、電磁兼容等。其中，重點(diǎn)是射頻/微波技術(shù)、天線技術(shù)和軟件無(wú)線電等。

信息化對(duì)于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著非常重要的影響，如圖3-1所示。3.1電磁場(chǎng)與電磁波

圖3-1信息化的影響當(dāng)今社會(huì)，技術(shù)發(fā)展之迅猛，對(duì)人們生活影響之重大，首推無(wú)線電技術(shù)。我們已經(jīng)進(jìn)入了無(wú)線時(shí)代，移動(dòng)通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等基于無(wú)線技術(shù)的現(xiàn)代通信手段，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

射頻/微波天線工程就是無(wú)線電領(lǐng)域的核心工程。過去的100多年來,人們對(duì)射頻/微波天線技術(shù)的認(rèn)識(shí)和使用日趨成熟。

無(wú)線通信與移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道是無(wú)線信道，發(fā)送端天線發(fā)射的射頻信號(hào)是無(wú)線電波，無(wú)線電波在自由空間中傳播，到達(dá)接收端后，被接收天線所接收。因此，無(wú)線通信與移動(dòng)通信技術(shù)的基礎(chǔ)是無(wú)線電技術(shù)。3.1.1無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展

無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展歷史如圖3-2所示。

圖3-2無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展歷史3.1.2麥克斯韋方程

無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程。

1873年，麥克斯韋建立了完整描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)定律的麥克斯韋方程組：

(3-1)

(3-2)

(3-3)

(3-4)其中， 為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量(V/m)；

為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量(Wb/m2)；

為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量(A/m)；

為電位移矢量(C/m2)；

為電流密度矢量(A/m2)；

為電荷密度(C/m3)；

麥克斯韋方程組是自由空間與介質(zhì)中電磁場(chǎng)的基本定律。它指出電與磁是可以相互轉(zhuǎn)換、相互依賴、相互對(duì)立的，共存于統(tǒng)一的電磁波中。電可以轉(zhuǎn)換為磁，而變化的磁場(chǎng)才能轉(zhuǎn)換為電。

電/磁場(chǎng)的空間變化，引起磁/電場(chǎng)的時(shí)間變化。

電/磁場(chǎng)的時(shí)間變化，導(dǎo)致磁/電場(chǎng)的空間變化。

1888年，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。

利用電磁波可以傳輸信息。

1898年，馬克尼首次完成了無(wú)線電通信的實(shí)驗(yàn)。從此，開啟了應(yīng)用無(wú)線電技術(shù)的嶄新時(shí)代。

通信系統(tǒng)主要由信源、發(fā)送部分、信道、噪聲與干擾、接收部分和信宿幾大部分組成。

無(wú)線通信系統(tǒng)利用無(wú)線電波來傳遞信息，如電視、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、移動(dòng)通信、衛(wèi)星等無(wú)線通信系統(tǒng)，如圖3-3所示。3.2無(wú)線通信系統(tǒng)

圖3-3無(wú)線通信系統(tǒng)框圖發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、饋線和發(fā)射天線組成；接收系統(tǒng)由接收天線、饋線和接收機(jī)組成。信息的傳輸過程如下：

(1)在發(fā)射端，信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)，調(diào)制成導(dǎo)行波能量，經(jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過發(fā)射天線，將其轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量，并輻射到預(yù)定方向。

(2)在無(wú)線信道中，電波經(jīng)過一定方式的傳播到達(dá)接收點(diǎn)。

(3)在接收端，接收天線將接收的電波轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量，經(jīng)饋線輸送至接收機(jī)輸入端。經(jīng)接收機(jī)解調(diào)后取出信號(hào)，就完成了信息的傳送。如果通信系統(tǒng)的信道為無(wú)線形式，那么就是無(wú)線通信系統(tǒng)。例如，我們常用的手機(jī)(移動(dòng)通信系統(tǒng))、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星電視等等。

圖3-4某手機(jī)系統(tǒng)的接收部分在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信源需要經(jīng)過調(diào)制成射頻無(wú)線電信號(hào)，才能從發(fā)射機(jī)發(fā)射到無(wú)線信道中。

例如，在GSM手機(jī)中，人說話的音頻(300～3400?Hz)信號(hào)，需要調(diào)制到射頻微波(900?MHz)，才能由天線發(fā)射到移動(dòng)信道中。

由于現(xiàn)代的無(wú)線通信系統(tǒng)大都工作在微波頻段，因此，無(wú)線電技術(shù)的三個(gè)主要分支是微波技術(shù)、天線技術(shù)和信道技術(shù)。

3.3.1射頻/微波的概念

射頻是指可以用于無(wú)線電信號(hào)發(fā)射與接收的頻率，通常包括中波、短波、超短波以及微波以上的頻段。

研究微波的產(chǎn)生、放大、傳輸、輻射、接收和測(cè)量的學(xué)科稱為微波技術(shù)，它是近代科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。

微波是頻率在300

MHz到3000?GHz之間、波長(zhǎng)在1?m到0.1?mm(空氣中)之間的射頻無(wú)線電波，如圖3-5所示。3.3射頻/微波技術(shù)

圖3-5微波在電磁波譜中的位置在電磁波的頻譜中，微波的左邊是超短波，右邊是紅外光波。

微波包括分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)部分。

微波技術(shù)所涉及的無(wú)線電頻譜，是分米波到毫米波段很寬范圍內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射與接收設(shè)備的工作頻率。

這些技術(shù)包括信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調(diào)、檢測(cè)、濾波、衰減、移相、開關(guān)等各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。微波具有下列獨(dú)特的性質(zhì)：

(1)似光性。微波波長(zhǎng)非常小，當(dāng)微波照射到某些物體上時(shí)，將產(chǎn)生顯著的反射和折射，就和光線的反射、折射一樣。同時(shí)微波的傳播特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣直線傳播且容易集中，即具有似光性。

利用微波的這一特性就可以獲得方向性好、體積小的天線設(shè)備，用于接收地面上或宇宙空間中各種物體反射回來的微弱信號(hào)，從而確定該物體的方位和距離，這就是無(wú)線通信中的雷達(dá)、導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)。

(2)穿透性。微波照射于介質(zhì)物體時(shí)，能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。微波是射頻波譜中唯一能穿透電離層的電磁波(光波除外)，因而成為人類外層空間的“宇宙窗口”。毫米波還能穿透等離子體，是遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和末端制導(dǎo)的重要手段。

(3)信息性。微波頻段占用的頻帶約300

GHz，而全部長(zhǎng)波、中波和短波頻段占有的頻帶總和不足30

MHz。微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相對(duì)帶寬，其可用的頻帶也是很寬的，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲?，F(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無(wú)一例外地都工作在微波波段。此外，微波信號(hào)還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息。這在目標(biāo)探測(cè)、遙感、目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中是十分重要的。3.3.2無(wú)線電頻譜

移動(dòng)信道傳播路徑復(fù)雜，在通信領(lǐng)域中，隨著用戶的不斷增加，無(wú)線電頻譜資源日益短缺。圖3-6為電磁波的頻譜波段劃分。

圖3-6電磁波的頻譜波段劃分例3-1常用無(wú)線通信系統(tǒng)的工作頻率。

解調(diào)幅(AM)無(wú)線電收音機(jī)：535～1605?kHz

短波收音機(jī)：3～30?MHz

調(diào)頻(FM)收音機(jī)：88～108?MHz

機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航設(shè)備：108～112?MHz

商業(yè)電視

2-4頻道：54～72?MHz

5-6頻道：76～88?MHz

7-13頻道：174～216?MHz

14-83頻道：470～890?MHz通信衛(wèi)星

上行：5.925～6.425?GHz

下行：3.70～4.20?GHz

頻譜作為一種資源，需要進(jìn)行嚴(yán)格管理。國(guó)際電信聯(lián)盟的文件中規(guī)定了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航和工業(yè)應(yīng)用等無(wú)線電設(shè)備所允許的工作頻段。

常用的微波頻段如表3-1所示。表3-1常用微波頻段的劃分3.3.3頻率、阻抗與功率

在微波技術(shù)與工程中，頻率、阻抗和功率是三大核心指標(biāo)，故將其稱為微波鐵三角。它能夠形象地反映微波技術(shù)與工程的基本內(nèi)容。這三方面既有獨(dú)立特性，又相互影響。三者的關(guān)系可以用圖3-7表示。

頻率是微波工程中最基本的一個(gè)參數(shù)，對(duì)應(yīng)于無(wú)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(jìn)而決定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。

功率用來描述微波信號(hào)的能量大小。所有電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)微波能量的最佳傳遞。

圖3-7微波鐵三角示意圖阻抗是在特定頻率下，描述各種微波電路對(duì)微波信號(hào)能量傳輸?shù)挠绊懙囊粋€(gè)參數(shù)。電路的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)的大小。在工程實(shí)際中，應(yīng)設(shè)法改進(jìn)阻抗特性，實(shí)現(xiàn)能量的最大傳輸。3.3.4微波技術(shù)的應(yīng)用

微波電路的經(jīng)典用途是通信和雷達(dá)系統(tǒng)。近年來發(fā)展最為迅猛的當(dāng)數(shù)無(wú)線通信與移動(dòng)通信系統(tǒng)。在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、遙感、電子對(duì)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。

1.雷達(dá)

雷達(dá)(RADAR)是英文無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距(RadioDetectionAndRanging)的縮寫。

雷達(dá)是微波技術(shù)應(yīng)用的典型例子。由于第二次世界大戰(zhàn)期間對(duì)于雷達(dá)的急需，微波技術(shù)才迅速發(fā)展起來?，F(xiàn)代雷達(dá)多數(shù)是微波雷達(dá)，這主要是由于這些雷達(dá)要求它所用的天線能像光探照燈那樣，把發(fā)射機(jī)的功率基本上全部集中于一個(gè)窄波束內(nèi)輻射出去。

設(shè)備的發(fā)射機(jī)通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波。雷達(dá)天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的某些信息，例如，目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等。

2.微波通信

微波通信是指用微波頻率作載波攜帶信息進(jìn)行通信的方式。

微波的傳播特性類似于光的傳播，即沿直線傳播，繞射能力很弱，一般進(jìn)行視距內(nèi)的傳播。所謂視距傳播，是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內(nèi)的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信以及雷達(dá)等都可以采用這種傳播方式，如圖3-8所示。

圖3-8視線距離設(shè)發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2，由于地球曲率的影響，當(dāng)兩天線A、B間的距離r

<?rv時(shí)，兩天線互相“看得見”，當(dāng)r

>?rv時(shí)，兩天線互相“看不見”，距離rv為收、發(fā)天線，高度分別為h2和h1時(shí)的視線極限距離，簡(jiǎn)稱視距。

對(duì)于長(zhǎng)距離通信可采用接力的方式，包括以下方式：

(1)微波中繼通信，或稱微波接力通信。

(2)對(duì)流層散射通信，利用對(duì)流層傳播進(jìn)行通信。

(3)衛(wèi)星通信，利用人造衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

3.微波爐

微波爐是一種利用微波輻射烹飪食物的廚房電器。

1946年，開始試制微波爐。

1947年，美國(guó)雷聲公司的P.L.斯潘塞獲得了第一個(gè)微波爐的專利。

1955年，美國(guó)泰潘公司將微波爐推向市場(chǎng)。

1975年，阿滿納公司首次推出采用微處理器的微波爐，具有10種烹飪速度和4種烹飪程序。

如圖3-9所示，微波爐主要由殼體、整流裝置、磁控管、波導(dǎo)、加熱室等部分組成。交變電流經(jīng)電源變壓器升壓到10千伏左右后，再經(jīng)高壓電容器和整流器整流、濾波，變?yōu)橹绷麟娸斀o磁控管。在磁控管內(nèi)電能轉(zhuǎn)換為微波能，經(jīng)波導(dǎo)傳輸?shù)浇饘侔逯谱鞯募訜崾摇０惭b在加熱室頂部的微波攪拌器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使微波在加熱室內(nèi)均勻分布。微波在加熱室內(nèi)來回反射，不斷被食物吸收來加熱食品。

圖3-9微波爐微波加熱原理是基于物質(zhì)對(duì)微波的吸收作用而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。微波加熱的是一些能夠吸收微波的吸收性介質(zhì)，即含有極性分子的介質(zhì)材料。當(dāng)有極性分子的介質(zhì)材料置于微波電磁場(chǎng)中時(shí)，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子或已有的偶極子在交變電磁場(chǎng)的作用下重新排列，并隨著高頻交變電磁場(chǎng)以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動(dòng)，分子要隨著不斷變化的高頻電場(chǎng)的方向重新排列就必須克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互間作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，實(shí)現(xiàn)分子水平的“攪拌”，從而產(chǎn)生大量的熱量。由于微波頻率高，極性分子擺動(dòng)速度很快，因此，快速加熱是微波加熱的突出特點(diǎn)。水分子是極性分子，繞其對(duì)稱軸的旋轉(zhuǎn)頻率為22吉赫，在此頻率的水對(duì)微波產(chǎn)生共振吸收現(xiàn)象，對(duì)微波有很強(qiáng)的吸收作用。而一般食品中都含有水分子，因此可用微波快速烘干和烹調(diào)食品。

微波加熱不同于常規(guī)加熱。常規(guī)加熱是首先通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的傳熱方式加熱固體周圍的環(huán)境或固體表面，使固體的表面得到熱量，然后再通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳到固體內(nèi)部，其加熱介質(zhì)可以是熱空氣、爐氣和過熱蒸汽，也可以是遠(yuǎn)紅外線輻射等。這種加熱方式效率低、加熱時(shí)間長(zhǎng)。微波加熱是一種“冷熱源”，它在產(chǎn)生和接觸到物體時(shí)，不是一般熱氣而是電磁能，要在生物體內(nèi)經(jīng)過分子內(nèi)部作用才能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，使用這種能源加熱時(shí)，不會(huì)像其他能源那樣由外向內(nèi)傳輸熱能，當(dāng)內(nèi)部發(fā)熱時(shí)，外表就可能焦糊了。

微波爐的安全非常重要。由于使用很高微波功率源，泄漏電平必須很小，以避免使用戶暴露在有害的輻射中。

3.4.1天線的概念

天線的種類很多，按不同的分類方法可以分成不同的種類。

(1)按用途，可將天線分為通信天線、導(dǎo)航天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線和衛(wèi)星天線等。

(2)按工作波長(zhǎng)，可將天線分為超長(zhǎng)波天線、長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。3.4天線技術(shù)

(3)按輻射元的類型，可將天線分為線天線和面天線。線天線由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長(zhǎng)波、中波和短波波段。面天線由尺寸大于波長(zhǎng)的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成，主要用于微波波段。

(4)按天線特性，又可作如下劃分：

①按方向特性，可將天線分為定向天線、全向天線、強(qiáng)方向性天線和弱方向性天線；

②按極化特性，可將天線分為線極化(垂直極化和水平極化)天線和圓極化天線；

③按頻帶特性，可將天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。

(5)按饋電方式，可將天線分為對(duì)稱天線和非對(duì)稱天線。

(6)按天線上的電流，可將天線分為行波天線和駐波天線。

(7)按天線外形，可將天線分為V形天線、菱形天線、環(huán)行天線、螺旋天線、喇叭天線和反射面天線等。3.4.2天線的主要參數(shù)

1)方向性系數(shù)

方向性系數(shù)定義為，當(dāng)被研究天線的輻射功率和作為參考的無(wú)方向性天線的輻射功率相等時(shí)，被研究天線在最大輻射方向上，產(chǎn)生的功率通量密度與無(wú)方向性天線在同一點(diǎn)處輻射的功率通量密度之比。

2)天線效率

天線效率定義為，天線輻射功率與輸入到天線的總功率之比。

3)天線增益

天線增益定義為，在天線最大輻射方向上的某點(diǎn)，輻射場(chǎng)強(qiáng)相同時(shí)，無(wú)方向性天線所需要的輸入功率與所研究的實(shí)際天線需要的輸入功率之比。

4)輸入阻抗

天線輸入阻抗定義為，在天線輸入端的高頻電壓與輸入端電流之比。

5)天線的極化

(1)線極化：當(dāng)電場(chǎng)矢量只是大小隨時(shí)間變化而取向不變，其端點(diǎn)的軌跡為一直線時(shí)，稱為線極化。線極化波、電場(chǎng)矢量在傳播過程中總是在一個(gè)確定的平面內(nèi)，這個(gè)平面就是電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向和傳播方向所決定的平面，常稱為極化平面。

(2)圓極化：當(dāng)電場(chǎng)振幅為常量而電場(chǎng)矢量以角速度ω圍繞傳播方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，稱為圓極化。此時(shí)，如果在垂直于傳播方向的某一固定平面上觀察電磁波的電場(chǎng)矢量，則其端點(diǎn)隨著時(shí)間變化在該平面上畫出的軌跡是一個(gè)圓。3.4.3常用天線

1)對(duì)稱天線

對(duì)稱天線，可以看成是由一對(duì)終端開路的傳輸線兩臂向外張開而得來的，并假設(shè)張開前、后的電流分布相似，如圖3-10所示。

圖3-10對(duì)稱天線對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)與

??無(wú)關(guān)，它在與它垂直的平面(H面)內(nèi)是無(wú)方向性的，方向圖是一個(gè)圓，且與天線的電長(zhǎng)度l/λ無(wú)關(guān)。

2)單極天線

單極天線如圖3-11(a)所示。當(dāng)?shù)孛鏋闊o(wú)限大的理想導(dǎo)電平面時(shí)，垂直接地的單極天線，天線臂與其鏡像構(gòu)成一對(duì)稱振子，如圖3-11(b)所示。

圖3-11單極天線及其鏡像

3)喇叭天線

喇叭天線，是波導(dǎo)口逐漸張開而形成的天線，如圖3-12所示。

根據(jù)惠更斯原理，終端開口的波導(dǎo)管可以構(gòu)成一個(gè)輻射器。

4)拋物面天線

為提高喇叭天線性能，給其增加反射拋物面，構(gòu)成拋物面天線，如圖3-13所示。

圖3-12各種喇叭天線

圖3-13旋轉(zhuǎn)拋物面天線

圖3-14卡塞格倫天線

5)卡塞格倫天線

為減少旋轉(zhuǎn)拋物面天線中輻射器的遮擋，采用雙反射器，構(gòu)成卡塞格倫天線。

雙反射器天線由主反射器、副反射器(或分別稱為主反射面、副反射面)和輻射器三部分組成，如圖3-14所示。主反射器為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射器通常為一旋轉(zhuǎn)雙曲面。

卡塞格倫天線，可以用一個(gè)口徑尺寸與原拋物面相同，但焦距放大了M倍的旋轉(zhuǎn)拋物面天線來等效，且具有相同的場(chǎng)分布。3.4.4智能天線

智能天線采用空分多址(SDMA)技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同地址碼的用戶信號(hào)區(qū)分開來，可最大限度地利用有限的信道資源。

1.智能天線的概念

智能天線的概念來源于雷達(dá)和聲納系統(tǒng)所采用的陣列天線。它可以通過某種智能算法來合并信號(hào)、自動(dòng)適應(yīng)不同的信號(hào)環(huán)境。對(duì)于給定的方向，天線增益是可以調(diào)整的。智能天線也就是自適應(yīng)天線。它由多個(gè)天線單元組成，構(gòu)成一個(gè)天線陣列。在每個(gè)天線后面接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。

所謂智能或者自適應(yīng)，就是指這些加權(quán)器的系數(shù)，可以根據(jù)一定的智能或者自適應(yīng)算法進(jìn)行更新調(diào)整。

智能天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有較高的接收靈敏度。

(2)使空分多址系統(tǒng)(SDMA)成為可能。

(3)消除在上下鏈路中的干擾。

(4)抑制多徑衰落效應(yīng)。

2.數(shù)字智能天線

智能天線的核心在于數(shù)字信號(hào)處理部分，它根據(jù)一定的準(zhǔn)則，使天線陣產(chǎn)生定向波束指向用戶，并自動(dòng)調(diào)整系數(shù)來實(shí)現(xiàn)所需的空間濾波。

數(shù)字智能天線需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題是：

(1)辨識(shí)信號(hào)的方向。

(2)數(shù)字賦形的實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字智能天線在射頻或中頻將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字波束賦形。3.4.5多輸入多輸出技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)是為了提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落能力而出現(xiàn)的一種新技術(shù)。它已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

發(fā)送到接收機(jī)的信號(hào)會(huì)受到傳播環(huán)境中地形、地物的影響而產(chǎn)生繞射、反射或散射，因而形成多徑傳播。多徑傳播將使接收端的合成信號(hào)在幅度、相位和到達(dá)時(shí)間上發(fā)生隨機(jī)變化，嚴(yán)重地降低接收信號(hào)的傳輸質(zhì)量，這就是所謂的多徑衰落。為提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的抗衰落能力，可以采用分集接收技術(shù)。分集接收技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方法。最初在衰落信道環(huán)境中提出的是天線分集接收技術(shù)。天線分集包括空間分集、極化分集和角度分集三種。

常見的是空間分集。在空間分集技術(shù)中，天線陣列的陣元之間的間隔需要大于相干距離，以便獲得比較低的衰落相關(guān)性。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為抗擊多徑衰落，若采用多天線系統(tǒng)代替單天線系統(tǒng)，則系統(tǒng)的抗衰落性能會(huì)有很大提高。若發(fā)射與接收都采用多天線系統(tǒng)，則構(gòu)成了多輸入多輸出系統(tǒng)。采用多輸入多輸出系統(tǒng)可以有效提高信道容量。若接收天線數(shù)目不少于發(fā)射天線數(shù)目，則多輸入多輸出系統(tǒng)的信息容量隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加而線性增加。

3.5.1無(wú)線電波傳播

無(wú)線電波是指頻率在幾赫茲至數(shù)千吉赫茲范圍內(nèi)的電磁波。發(fā)射天線所輻射的電磁波，在自由空間中，到達(dá)接收天線的傳播過程，稱為無(wú)線電波傳播。3.5信道技術(shù)在傳播過程中，無(wú)線電波有可能受到反射、折射、繞射、散射和吸收，電磁波強(qiáng)度將發(fā)生衰減，傳播方向、傳播速度或極化形式將發(fā)生變化，傳輸波形將產(chǎn)生畸變。

此外，由于是無(wú)線信道，傳輸中還將引入干擾和噪聲。這些，都會(huì)對(duì)通信信號(hào)的質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。3.5.2無(wú)線信道

在無(wú)線通信中，信號(hào)傳輸?shù)男诺朗菬o(wú)線的。無(wú)線電波在無(wú)線信道中的傳播可以分為以下三種情況：

(1)在大氣中傳播。

(2)在電離層中傳播。

(3)在外層空間傳播。

1.大氣衰減

無(wú)線電波在大氣中傳播，大氣對(duì)電波的衰減主要來自兩個(gè)方面：

(1)云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)電波的諧振吸收。熱吸收與小水滴的濃度有關(guān)，諧振吸收與工作波長(zhǎng)有關(guān)。

(2)云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的散射。散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比，與波長(zhǎng)的四次方成反比。

當(dāng)工作波長(zhǎng)短于5?cm時(shí)，就應(yīng)該考慮大氣層對(duì)電波的衰減，尤其當(dāng)工作波長(zhǎng)短于3?cm時(shí)，大氣層對(duì)電波的衰減將趨于嚴(yán)重。

對(duì)于云、霧、雨、雪對(duì)微波傳播的影響來說，降雨引起的衰減最為嚴(yán)重。對(duì)10?GHz以上頻率的電波，由降雨引起的衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)中，都要考慮由降雨引起的衰減。

2.電離層影響

電離層是地球高空大氣層的一部分，從離地面60?km的高度，一直延伸到1000km的高空。

由于電離層的電子不是均勻分布的，其電子濃度N隨高度與位置的不同而變化，因此，電離層是非均勻媒質(zhì)，電波在其中傳播必然有反射、折射與散射等現(xiàn)象發(fā)生。

電離層的電子濃度變化具有以下規(guī)律：

(1)晝夜變化規(guī)律。

(2)季節(jié)變化規(guī)律。

(3)太陽(yáng)黑子周期(11年)變化規(guī)律。在電離層中，電波的傳播特性與波的頻率有關(guān)。電磁波通過電離層會(huì)產(chǎn)生法拉弟旋轉(zhuǎn)，引起極化方向的改變。

3.外層空間

電磁波經(jīng)低空大氣層和電離層到達(dá)外層空間的傳播方式稱為外層空間傳播。如衛(wèi)星傳播、宇宙探測(cè)等均屬于這種遠(yuǎn)距離傳播。

由于電磁波傳播的距離很遠(yuǎn)，且主要是在大氣以外的宇宙空間內(nèi)進(jìn)行的，而宇宙空間近似于真空狀態(tài)，因而電波在其中傳播時(shí)，其傳輸特性比較穩(wěn)定。3.5.3無(wú)線信道中的電波傳播

本小節(jié)主要討論兩種情況下的電波傳播：地面波和電離層波。

1.地面波

地面波傳播是指電磁波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r。當(dāng)天線低架于地面，天線架設(shè)長(zhǎng)度比波長(zhǎng)小得多，且最大輻射方向沿地面時(shí)，電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ摹?/p>

(1)地面的性質(zhì)、地貌、地物等情況都會(huì)影響地面波的傳播。在長(zhǎng)、中波波段和短波的低頻段，均可用這種傳播方式。

(2)地面波沿地球表面附近的空間傳播，地面上有高低不平的障礙物。根據(jù)波的衍射特性，當(dāng)波長(zhǎng)大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時(shí)，波才能明顯地繞到障礙物的后面。

(3)地面上的障礙物一般不太大，長(zhǎng)波可以很好地繞過它們。中波和中短波也能較好地繞過。短波和微波由于波長(zhǎng)過短，繞過障礙物的本領(lǐng)就很差了。

(4)由于障礙物的高度比波長(zhǎng)大，因而短波和微波在地面上不能繞射，而是沿直線傳播。

(5)由于水平分量在地面上會(huì)引起較大的傳導(dǎo)電流，從而增加功率損失。地面對(duì)水平極化波吸收大，因此，表面波多采用垂直極化波。因此，表面波需要采用垂直于地面的直立天線。

2.電離層波

電離層波具有以下特點(diǎn)：

(1)頻率的選擇很重要。頻率太高，電波將穿透電離層射向太空。頻率太低，電離層吸收太大，以至不能保證必要的信噪比。

(2)電離層傳播的隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重，多徑時(shí)延較大，信道帶寬較窄。因此，它對(duì)傳輸信號(hào)的帶寬有很大限制。

(3)電離層所能反射的頻率范圍是有限的，一般是短波范圍。由于波段范圍較窄，因此，短波電臺(tái)特別擁擠，電臺(tái)間的干擾很大。

(4)由于電離層傳播是靠高空電離層的反射進(jìn)行的，因而受地面的吸收及障礙物的影響較小，傳輸損耗較小，因此，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

(5)電離層通信，特別是短波通信，建立迅速，機(jī)動(dòng)性好，設(shè)備簡(jiǎn)單。3.5.4信道特征

研究無(wú)線通信系統(tǒng)首先要研究無(wú)線信道的電波傳播特性。

信道的基本組成如圖3-15所示。根據(jù)研究問題的不同需要，可以選擇不同的信道模型。

圖3-15信道的基本組成調(diào)制信道和編碼信道是通信系統(tǒng)中常用的兩種廣義信道。

調(diào)制信道是指圖3-15中從調(diào)制器的輸出端到解調(diào)器的輸入端的部分，包括發(fā)轉(zhuǎn)換裝置、媒質(zhì)和收轉(zhuǎn)換裝置三部分。

編碼信道是指圖3-15中從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分，包括調(diào)制器、調(diào)制信道和解調(diào)器。

無(wú)線信道的傳輸函數(shù)，隨時(shí)間隨機(jī)快速變化，是隨機(jī)參量信道，簡(jiǎn)稱隨參信道。

1)陸地移動(dòng)通信信道

如圖3-16所示，陸地移動(dòng)通信信道，是指基站天線和手機(jī)天線之間的傳播路徑。

圖3-16陸地移動(dòng)通信信道陸地移動(dòng)通信工作頻段主要在射頻與微波頻段，電波傳播以直射波為主。但是，由于城市建筑群和其他地形、地物的影響，電波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射波、散射波、地面波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜。

移動(dòng)信道是典型的隨參信道。

2)衛(wèi)星通信信道

圖3-17為衛(wèi)星通信信道，衛(wèi)星與地面站之間的信號(hào)需要經(jīng)過電離層傳播。

衛(wèi)星與地面站之間的信道中，微波信號(hào)經(jīng)過電離層會(huì)產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)，使電波的極化發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，在衛(wèi)星通信中需要使用圓極化波信號(hào)。

圖3-17衛(wèi)星通信信道

3.6.1硬件無(wú)線電的概念

所謂硬件無(wú)線電，是指無(wú)線電設(shè)備的功能由硬件結(jié)構(gòu)確定，系統(tǒng)的工作很少有軟件參與，它們?cè)诠δ苌鲜谴_定的。

長(zhǎng)期以來，我們都在使用各種不同的硬件無(wú)線電系統(tǒng)。例如，手機(jī)、收音機(jī)、電視機(jī)、電話機(jī)、傳真機(jī)等。3.6軟件無(wú)線電技術(shù)隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，電子信息設(shè)備在軍事領(lǐng)域中的作用越來越重要。軍事現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志就是軍事信息化。無(wú)線通信已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要信息傳輸手段。

軍用無(wú)線設(shè)備都是針對(duì)不同的軍事需求而設(shè)計(jì)的。對(duì)于不同的軍用無(wú)線通信設(shè)備而言，雖然它們的發(fā)送與接收單元有許多相似的功能，但結(jié)構(gòu)卻有許多不同，不能通用。不同無(wú)線通信設(shè)備的射頻載波不同、調(diào)制方式不同、波形結(jié)構(gòu)不同等等。這就使得軍事無(wú)線裝備具有如下特點(diǎn)：

(1)品種多。

(2)系列多。

(3)通用性差。

(4)協(xié)同能力差。

這種局面，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)海、陸、空、天立體協(xié)同作戰(zhàn)的要求。因此，必須考慮如何解決。這種問題的解決方案就是軟件無(wú)線電。3.6.2軟件無(wú)線電的概念

軟件無(wú)線電是20世紀(jì)末發(fā)展起來的通信新技術(shù)，是通信領(lǐng)域的第三次革命。這三次革命分別為：

第一次，從固定通信到移動(dòng)通信。

第二次，從模擬通信到數(shù)字通信。

第三次，從硬件無(wú)線電到軟件無(wú)線電。

1.軟件無(wú)線電的定義

1992年，美國(guó)MITRE公司的JosephMitolaIII首次明確提出了“軟件無(wú)線電”的概念。他給出的軟件無(wú)線電的定義為：

定義1：軟件無(wú)線電是多頻帶無(wú)線電，它具有寬帶的天線、射頻轉(zhuǎn)換、，模/數(shù)和數(shù)/模變換，能夠支持多個(gè)空中接口和協(xié)議，在理想狀態(tài)下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通過軟件定義。

這個(gè)最初的定義，明確提出了軟件無(wú)線電的概念，給出了軟件無(wú)線電的基本含義和理想結(jié)果。軟件無(wú)線電論壇()給出的軟件無(wú)線電的定義為：

定義2：軟件無(wú)線電是一種新型的無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，它通過硬件和軟件的結(jié)合，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和用戶終端具有可重配置能力。

2.軟件無(wú)線電的含義

軟件無(wú)線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無(wú)線設(shè)備的有效而且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案，可以通過軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)功能提高。

軟件無(wú)線電可以使整個(gè)系統(tǒng)(包括網(wǎng)絡(luò)和用戶終端)采用動(dòng)態(tài)的軟件編程對(duì)設(shè)備進(jìn)行重配置。也就是說，相同的硬件可以通過軟件定義來完成不同的功能。

3.軟件無(wú)線電的特點(diǎn)

軟件無(wú)線電的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實(shí)現(xiàn)靈活，升級(jí)換代方便。

(2)易于實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的互操作。

(3)由于通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，因此更易于采用新的信號(hào)處理手段，從而提高了系統(tǒng)抗干擾的性能。

(4)擁有較強(qiáng)的跟蹤新技術(shù)的能力。3.6.3軟件無(wú)線電系統(tǒng)

軟件無(wú)線電系統(tǒng)用軟件控制參數(shù)，例如，頻帶、調(diào)制、波形、檢測(cè)等，不需要對(duì)硬件進(jìn)行修改，就可以改變系統(tǒng)的功能。

如圖3-18所示，軟件天線電系統(tǒng)中仍然存在模擬處理部分，例如，射頻或中頻電路。

軟件無(wú)線電能夠通過軟件控制相當(dāng)寬的頻率范圍，可以通過下載軟件來為系統(tǒng)增加新的功能。一個(gè)實(shí)際的軟件無(wú)線電系統(tǒng)的基本組成如圖3-19所示。

圖3-18軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)示意圖

圖3-19實(shí)際的軟件無(wú)線電系統(tǒng)的基本組成軟件無(wú)線電系統(tǒng)的基本組成包括以下部分：

(1)天線：發(fā)射與接收天線陣列。

(2)射頻前端。

(3)變頻部分：本振、上變頻、下變頻。

(4)濾波器部分。

(5)模數(shù)轉(zhuǎn)換部分：ADC、DAC。

(6)數(shù)字信號(hào)處理部分。

(7)系統(tǒng)控制部分。

軟件無(wú)線電系統(tǒng)接收信號(hào)的過程如下：

(1)天線接收模擬無(wú)線電信號(hào)。

(2)信號(hào)經(jīng)過天線耦合到射頻部分。

(3)經(jīng)過下變頻降低頻率。

(4)模擬信號(hào)由ADC經(jīng)過采樣、量化、編碼，得到數(shù)字信號(hào)。

(5)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，存儲(chǔ)或輸出給信宿。

軟件無(wú)線電系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的過程如下：

(1)發(fā)射信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，成為需要的數(shù)字信號(hào)。

(2)數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

(3)經(jīng)上變頻升高至射頻。

(4)經(jīng)天線耦合器耦合至天線。

(5)經(jīng)天線發(fā)射出去。3.6.4軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

支撐軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)主要介紹如下幾種。

1)射頻/微波技術(shù)

射頻/微波技術(shù)所涉及的無(wú)線電頻譜，是從中波到毫米波段很寬范圍內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)的發(fā)射與接收設(shè)備的工作頻率。

這些技術(shù)包括信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調(diào)、檢測(cè)、濾波、衰減、移相、開關(guān)等各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

2)智能天線技術(shù)

智能天線是這樣一種天線陣列系統(tǒng)，它通過智能算法來合并天線陣因子的信號(hào)，以自動(dòng)適應(yīng)不同的信號(hào)環(huán)境。

智能天線對(duì)于給定的方向，它的天線增益是可以自動(dòng)調(diào)節(jié)的。這樣，可以適應(yīng)不同通信的需求。

3)多輸入多輸出技術(shù)

在多徑環(huán)境中，可以使用多天線系統(tǒng)代替單天線系統(tǒng)。這樣，利用空間分集技術(shù)，可以大大提高系統(tǒng)的抗衰落性能。

多輸入多輸出系統(tǒng)，就是在發(fā)射端與接收段都使用多個(gè)天線。采用多輸入多輸出技術(shù)，還可以有效提高信道容量。研究結(jié)果表明：如果接收天線數(shù)量不少于發(fā)射天線數(shù)量，那么，隨著發(fā)射天線數(shù)量的增加，多輸入多輸出系統(tǒng)的信息容量就會(huì)線性增加。

4)采樣技術(shù)

實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的基礎(chǔ)是數(shù)字技術(shù)，其核心是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字處理，首先必須進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換。

在軟件無(wú)線電中，模擬/數(shù)字變換器(A/DC)的性能將直接影響系統(tǒng)的性能。A/D變換分為三步：采樣、量化和編碼。

采樣結(jié)果對(duì)模/數(shù)變換器的輸出信號(hào)有著重要影響。

5)調(diào)制解調(diào)技術(shù)

在無(wú)線通信中，在無(wú)線信道中傳播的是無(wú)線電波，調(diào)制與解調(diào)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道傳輸?shù)幕炯夹g(shù)之一。

在發(fā)射端，調(diào)制的目的，是把要傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)變換成適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)。該信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。

在接收端，需要將接收到的已調(diào)信號(hào)，還原成系統(tǒng)所傳輸?shù)脑夹盘?hào)，該過程稱為解調(diào)。

6)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

軟件無(wú)線電對(duì)信號(hào)處理的要求包括：

(1)能夠執(zhí)行大量的乘累加運(yùn)算。

(2)具有某些特定模式。

(3)大部分處理時(shí)間用于執(zhí)行相對(duì)小循環(huán)的操作上。

(4)具有高速的數(shù)據(jù)吞吐能力。

(5)信號(hào)處理數(shù)值范圍較寬。

7)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

軟件無(wú)線電以軟件方式實(shí)現(xiàn)各種空中接口，提供各種靈活的無(wú)線通信方式。在軟件無(wú)線電中，軟件的作用是非常重要的。軟件無(wú)線電的軟件設(shè)計(jì)包括：軟件的功能設(shè)計(jì)；軟件與硬件之間的關(guān)系設(shè)計(jì)；軟件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

軟件無(wú)線電的軟件應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

(1)具有良好的開放性。

(2)采用模塊化結(jié)構(gòu)。

(3)具有可重用性。

8)信息安全技術(shù)

由于無(wú)線通信系統(tǒng)的開放性，信息傳輸中的信息安全是一個(gè)非常重要的問題。因?yàn)樵诠脽o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，存在著各種各樣的安全漏洞和威脅，所以信息安全涉及的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。

信息安全需要研究的領(lǐng)域包括：

(1)信息的保密性。

(2)信息的完整性。

(3)信息的可用性。

(4)信息的真實(shí)性。

(5)信息的可控性等。

9)同步技術(shù)

所謂同步，是指收發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，又稱為定時(shí)。同步技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，按照同步技術(shù)的功用不同，可以分為：載波同步；位同步；群同步；網(wǎng)同步。

10)電磁兼容技術(shù)

該技術(shù)將在3.8節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.6.5軟件無(wú)線電的應(yīng)用

軟件無(wú)線電典型的應(yīng)用項(xiàng)目是美軍的易通話(SpeakEasy)計(jì)劃。

易通話計(jì)劃是美軍的軍用軟件無(wú)線電通信電臺(tái)開發(fā)計(jì)劃。為解決多兵種之間的互通，主要開發(fā)面向未來軍事需求的、具備多媒體網(wǎng)絡(luò)操作的無(wú)線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)。

易通話計(jì)劃的實(shí)施分兩個(gè)階段：

(1)完成基于軟件無(wú)線電構(gòu)建電臺(tái)的可行性研究與適用性驗(yàn)證。

(2)創(chuàng)建一個(gè)可行的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)。

易通話計(jì)劃的主要參數(shù)如下：

(1)電臺(tái)工作頻率為2MHz～2GHz。

(2)利用可編程處理技術(shù)與15個(gè)電臺(tái)兼容。

(3)具備調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等各種調(diào)制解調(diào)方式。

(4)可以作為各種不同模式電臺(tái)之間通信的中繼轉(zhuǎn)發(fā)電臺(tái)。

易通話計(jì)劃的電臺(tái)軟件與硬件系統(tǒng)都采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)，利用高速控制和數(shù)據(jù)總線提高其靈活性和可靠性。

隨著技術(shù)進(jìn)步與業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，可以通過更新部分模塊，實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的升級(jí)。

3.7.1認(rèn)知無(wú)線電的概念

通信中的基本矛盾是：日益增長(zhǎng)的用戶需求和日見擁擠的頻譜資源之間的矛盾越來越突出。

由于授權(quán)頻段的獨(dú)享性和非授權(quán)頻段的飽和，頻譜資源的緊張已經(jīng)成為制約無(wú)線通信業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。3.7認(rèn)?知?無(wú)?線?電有專家預(yù)言，未來戰(zhàn)爭(zhēng)的獲勝者，必將是最善于控制、駕御和運(yùn)用電磁頻譜的一方。頻譜的重用技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代無(wú)線通信領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。

認(rèn)知無(wú)線電(CR，CognitiveRadio)就是利用頻譜空洞提高頻譜利用率的軟件無(wú)線電，是智能化的軟件無(wú)線電。

1.頻譜重用

在頻譜重用技術(shù)的研究中，主要有以下兩個(gè)方向：

(1)降低信號(hào)的功率譜密度，來進(jìn)行頻譜復(fù)用。

(2)采用靈活的頻譜管理技術(shù)，來提高頻譜利用率。當(dāng)前存在的最主要問題，不是沒有頻譜可用，而是現(xiàn)有的頻譜利用率嚴(yán)重不足，這就是所謂的頻譜空洞問題。

頻譜空洞是指，分配給授權(quán)用戶的一個(gè)頻段，在特定時(shí)間和特定區(qū)域時(shí)，這個(gè)頻段未被授權(quán)用戶使用。

認(rèn)知無(wú)線電的思想是，在授權(quán)用戶不使用的情況下，未授權(quán)用戶可以接入頻譜空洞，以提高頻譜的利用率。

認(rèn)知無(wú)線電是一種非常新穎的無(wú)線通信理念，它在提高無(wú)線頻譜利用率的基礎(chǔ)上，提出了全新的思路，必將引起未來通信技術(shù)的重大變革。

2.認(rèn)知概念

所謂認(rèn)知，是指介于輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)之間的智能狀態(tài)和處理過程。也就是說，采用學(xué)習(xí)、理解、綜合等方式探索事物的一般性原理。

為了能夠根據(jù)新的環(huán)境作出調(diào)整，無(wú)線電系統(tǒng)必須能夠?qū)W習(xí)。圖3-20為基本的機(jī)器學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)。

圖3-20基本的機(jī)器學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)在這個(gè)基本的機(jī)器學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)中，機(jī)器的學(xué)習(xí)過程如下：

(1)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過傳感器、外部參數(shù)輸入等方式對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知。

(2)從感知結(jié)果得出結(jié)論，并對(duì)這些行為結(jié)果預(yù)測(cè)。

(3)預(yù)測(cè)行為對(duì)環(huán)境造成影響和變化。

(4)學(xué)習(xí)組件接收這些變化，并與期望變化進(jìn)行對(duì)比。

(5)若實(shí)際變化與期望變化相同或接近，則基于實(shí)際變化與期望變化的接近程度，學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)促成該結(jié)果的參數(shù)。

(6)若實(shí)際變化與期望變化不符，則學(xué)習(xí)系統(tǒng)就會(huì)改變決策過程的參數(shù)，使其更符合實(shí)際結(jié)果。

3.認(rèn)知無(wú)線電的發(fā)展

1999年，JosephMitolaIII發(fā)表文章，首次提出了認(rèn)知無(wú)線電的概念，并描述了如何通過無(wú)線知識(shí)描述語(yǔ)言(RKRL)來增強(qiáng)個(gè)人無(wú)線業(yè)務(wù)的靈活性。

2000年5月，JosephMitolaIII給出了認(rèn)知無(wú)線電的概念綜述。

2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)發(fā)表了可能改變頻譜政策的報(bào)告，籌備了認(rèn)知無(wú)線電工作組。

2003年5月，認(rèn)知無(wú)線電工作組在華盛頓成立。

2003年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)公布了《FCC規(guī)則第15章》修正案，明確只要具備認(rèn)知無(wú)線電功能，即使是其用途未經(jīng)許可的無(wú)線終端，也可以使用需要無(wú)線許可的現(xiàn)有無(wú)線頻帶。

2004年5月，美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)發(fā)布了法規(guī)制定提案通告(NPRM)，允許未授權(quán)用戶在不影響授權(quán)用戶業(yè)務(wù)的前提下，通過基于認(rèn)知無(wú)線電的技術(shù)使用電視廣播頻段中的空閑無(wú)線資源。

2004年10月，美國(guó)電子和電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)正式成立IEEE802.22工作組——無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)工作組，于2007年下半年完成標(biāo)準(zhǔn)化工作。其目的是研究基于認(rèn)知無(wú)線電的物理層、媒體訪問控制層和空中接口，以無(wú)干擾的方式使用已分配給電視廣播的甚高頻/超高頻(VHF/UHF：54～862?MHz)頻帶作為寬帶接入頻段。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局，基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)開展了下一代無(wú)線通信項(xiàng)目的研發(fā)，研究和開發(fā)頻譜捷變無(wú)線電，這些無(wú)線電臺(tái)可以在使用法規(guī)的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)變化的無(wú)線環(huán)境，在不干擾其他正常工作無(wú)線電臺(tái)的前提下，使接入頻譜范圍擴(kuò)大10倍。頻譜捷變無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用，可以使頻譜利用率增加10倍。3.7.2認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電具有以下兩個(gè)重要能力：

(1)認(rèn)知能力：感知環(huán)境信息的能力。

(2)可重配置能力：自適應(yīng)動(dòng)態(tài)無(wú)線環(huán)境的能力。

1.認(rèn)知能力

認(rèn)知能力是認(rèn)知無(wú)線電與軟件無(wú)線電的區(qū)別所在。它是捕獲與感知無(wú)線環(huán)境信息的能力。

認(rèn)知能力是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)，它可以獲得無(wú)線環(huán)境在空間以及時(shí)間域上的變化情況。認(rèn)知能力具有以下作用：

(1)確定特定的時(shí)間和空間頻譜中未被使用的部分。

(2)根據(jù)上述信息，選擇最好的頻段與合適的傳輸參數(shù)，以不干擾授權(quán)用戶。

(3)若這個(gè)頻段有授權(quán)用戶，則或者離開這個(gè)頻段，或者改變發(fā)射功率、調(diào)制方式等參數(shù)，以保證不干擾授權(quán)用戶。

2.可重配置能力

可重配置能力使得無(wú)線系統(tǒng)可以在不需要任何硬件變化的條件下，根據(jù)無(wú)線環(huán)境動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

可重配置能力，使得無(wú)線系統(tǒng)可以方便的配置以下傳輸參數(shù)：

(1)工作頻率。

(2)調(diào)制方式。

(3)發(fā)射功率。

(4)通信協(xié)議。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，這些傳輸參數(shù)的重配置，不僅可以在傳輸開始時(shí)進(jìn)行，而且可以在傳輸過程中進(jìn)行。

認(rèn)知無(wú)線電作為智能化的軟件無(wú)線電，除了需要第3.6.4小節(jié)所介紹的軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)之外，為了能夠智能利用頻譜空洞，還需要一些技術(shù)，例如，地理定位技術(shù)，頻譜感知技術(shù)，人工智能技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，電磁兼容技術(shù)，認(rèn)知技術(shù)等。3.7.3認(rèn)知無(wú)線電的應(yīng)用

例3-2基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。

解

無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)是最早利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)。

IEEE802.22工作組，致力于設(shè)計(jì)世界上第一個(gè)基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)。它工作在電視頻段，通過頻譜檢測(cè)、設(shè)備檢測(cè)、干擾避免、頻帶管理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效的系統(tǒng)共存和頻譜資源共享。

IEEE802.22系統(tǒng)需要保護(hù)的授權(quán)業(yè)務(wù)包括：廣播電視，無(wú)線麥克風(fēng)，載波頻率。

IEEE802.22系統(tǒng)的載波頻率分為：54～72MHz，76～88MHz，740～806