軟件無(wú)線電技術(shù)在廣播發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

王 磊

（國(guó)家廣播電視總局無(wú)線電臺(tái)管理局，北京 100045）

隨著無(wú)線廣播通信事業(yè)在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，無(wú)線頻率空間上的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。原有的固定帶寬或固定頻率點(diǎn)位的通信方式，不僅面臨頻率爭(zhēng)奪，也面臨多方干擾的實(shí)際困難[1]。在這樣的情況下，無(wú)線廣播通信亟需一種更靈活的技術(shù)方式完成通信過(guò)程。基于這種考慮，軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用而生。軟件無(wú)線電技術(shù)利用軟件手段，完成采樣、調(diào)制和編碼等技術(shù)工作，完全打破對(duì)于硬件設(shè)備的單純依賴[2]。當(dāng)然，軟件無(wú)線電技術(shù)不是完全脫離硬件，而是在同一套硬件系統(tǒng)下，可以更靈活的定義通信模式和配置頻率點(diǎn)與帶寬。與硬件無(wú)線電技術(shù)相比，軟件無(wú)線電技術(shù)在更多的硬件設(shè)備上具有通用性，針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境具有更大的靈活性[3]。在本文的研究工作中，將依托軟件無(wú)線電技術(shù)背景，針對(duì)廣播通信進(jìn)行發(fā)射機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)和測(cè)試。

1 基于軟件無(wú)線電的廣播發(fā)射機(jī)典型結(jié)構(gòu)分析

發(fā)射機(jī)是無(wú)線廣播通信的重要組成部分。由于發(fā)射機(jī)只負(fù)責(zé)向外發(fā)射有用信號(hào)，因此其中不含有其他噪聲信號(hào)，發(fā)射機(jī)的處理難度比接收機(jī)降低了，其功能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比接收器簡(jiǎn)單。

1.1 超外差結(jié)構(gòu)

無(wú)線廣播發(fā)射機(jī)有一種超外差結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)射器主要工作在模擬域內(nèi)，因此一開(kāi)始就設(shè)置了D/A轉(zhuǎn)換裝置。然后通過(guò)中頻濾波裝置對(duì)噪聲和雜質(zhì)進(jìn)行去除。再次，與震蕩信號(hào)進(jìn)行混頻處理。最終經(jīng)過(guò)功放放大，從天線向外發(fā)出。超外差式的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）對(duì)鏡像效應(yīng)有比較強(qiáng)的抵抗作用。2）對(duì)中頻濾波器的品質(zhì)要求不高，個(gè)別情況下甚至可以放棄使用中頻濾波器。

圖1 無(wú)線廣播發(fā)射機(jī)的超外差結(jié)構(gòu)

1.2 直上變結(jié)構(gòu)

直上變結(jié)構(gòu)是發(fā)射機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 直上變發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

直上變結(jié)構(gòu)是直接將原始信號(hào)變頻至預(yù)定頻段，這樣就直接規(guī)避了鏡像效應(yīng)的產(chǎn)生。從圖2的具體結(jié)構(gòu)上看，整個(gè)處理過(guò)程分為3個(gè)步驟：首先，進(jìn)行上變混頻；其次，進(jìn)行功率放大；最后，利用濾波器進(jìn)行去噪。

這種結(jié)構(gòu)的無(wú)線發(fā)射機(jī)也有一些缺點(diǎn)，其中最突出的問(wèn)題就是串?dāng)_問(wèn)題。這種串?dāng)_是雙向的：既有本地信號(hào)向輸出信號(hào)發(fā)出的串?dāng)_，又有有用信號(hào)向震蕩器的串?dāng)_。

2 基于軟件無(wú)線電的廣播發(fā)射機(jī)的參數(shù)分析

根據(jù)各參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，這就需要其對(duì)不同的信號(hào)具有較高的普適接收性能、較高的分辨性能以及較高的保真能力等。因此，對(duì)其性能影響最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)莫過(guò)于靈敏度、噪聲因子、動(dòng)態(tài)跨度和互調(diào)參數(shù)，下面逐一加以分析。

2.1 靈敏度

一個(gè)高質(zhì)量的廣播發(fā)收過(guò)程可能要面對(duì)不同頻率、幅度的信號(hào)。當(dāng)有用信號(hào)的自身幅度很小，噪聲信號(hào)幅度又很大時(shí)，有用信號(hào)就變成了微弱信號(hào)。這時(shí)，就需要接收器具有較高的靈敏度，才能從中分辨出有用信號(hào)并將其采集出來(lái)。

在無(wú)線廣播通信領(lǐng)域，靈敏度參數(shù)一般定義為公式（1）的形式。

式中：A為靈敏度；P為信號(hào)功率；Punit為單位功率。

靈敏度參數(shù)主要受到通信信道固有熱噪聲、震蕩器本震噪聲以及放大器本底噪聲的影響，此外，裝置的失真度對(duì)靈敏度也有一定的制約。

2.2 噪聲因子

噪聲因子和噪聲系數(shù)是信號(hào)處理領(lǐng)域常用的參數(shù)指標(biāo)，對(duì)于無(wú)線廣播通信的接收器來(lái)說(shuō)，這2個(gè)參數(shù)也非常重要。噪聲因子的一般定義格式是輸入信噪比和輸出信噪比的商，如公式（2）所示。

噪聲系數(shù)與噪聲因子之間有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，如公式（3）所示。

NF=10logF（3）

在一個(gè)電氣裝置中，每個(gè)元件都會(huì)有其固有噪聲。因此，裝置對(duì)應(yīng)的總體噪聲是各元器件噪聲以某種方式組合在一起的效果。這體現(xiàn)在噪聲系數(shù)上，就表現(xiàn)出裝置總的噪聲系數(shù)和各元器件噪聲系數(shù)的關(guān)系。

如果設(shè)一組元器件級(jí)聯(lián)在一起，并且每個(gè)元器件都可以用一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，那么裝置形成的總體噪聲系數(shù)如公式（4）所示。

式中：Fi、Gi分別為每級(jí)的噪聲因子和增益。

在無(wú)線廣播通信裝置中，還要特別注意靈敏度和噪聲系數(shù)之間的關(guān)系。一般來(lái)講，為了保證靈敏度高，必須要盡可能地降低噪聲系數(shù)。

在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須充分考慮發(fā)射信號(hào)的頻率區(qū)間、裝置的發(fā)射功率、裝置的發(fā)射效率和裝置的可靠性等技術(shù)參數(shù)。

2.3 頻率區(qū)間

頻率直接決定了其他通信網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備對(duì)此信號(hào)接收的效果和區(qū)間，是無(wú)線廣播通信裝置發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。一般來(lái)講，一個(gè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)頻率區(qū)間，必須設(shè)置在國(guó)家相關(guān)部門(mén)允許的范圍內(nèi)。如果出現(xiàn)特殊情況，就需要向相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)?zhí)厥忸l段。在遵循以上原則的基礎(chǔ)上，當(dāng)設(shè)置頻率區(qū)間時(shí)，中心頻率也應(yīng)該盡可能高，以便獲取更寬的通頻帶。

2.4 發(fā)射功率

發(fā)射功率是決定信號(hào)能否有效發(fā)射的重要參數(shù)。發(fā)射功率過(guò)高不僅會(huì)造成裝置能耗加劇，也會(huì)對(duì)周圍其他設(shè)備形成干擾。發(fā)射功率過(guò)低，會(huì)降低通信品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法有效發(fā)送信號(hào)。

因此，發(fā)射功率這一參數(shù)應(yīng)該是在充分考慮距離遠(yuǎn)近、調(diào)制方案、信噪比以及周邊環(huán)境等因素的前提下，并且在保證信號(hào)能夠正常發(fā)送的情況下，盡可能地使用低的發(fā)射功率。

2.5 發(fā)射效率

發(fā)射效率更多地反映了無(wú)線廣播通信裝置發(fā)射器的能耗情況，是國(guó)家推出節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等基本國(guó)策后的重要技術(shù)參數(shù)。從現(xiàn)有的情況看，這一參數(shù)一般用輸出功率和直流功率之商來(lái)表示，如公式（5） 所示。

2.6 可靠性

無(wú)線廣播通信裝置發(fā)射器的可靠性主要是指其長(zhǎng)時(shí)間處于正常工作情況下的穩(wěn)定性。一般又可以分解為2個(gè)子問(wèn)題，即熱穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。當(dāng)裝置長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，各器件的溫度隨之升高，也使整個(gè)發(fā)射環(huán)境的整體溫度升高。在這種情況下，裝置還能否正常工作是關(guān)鍵。因此，在設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的過(guò)程中應(yīng)該考慮散熱通道和散熱設(shè)備的配置。頻率穩(wěn)定性是指發(fā)射器能否使信號(hào)發(fā)射穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，而不出現(xiàn)大的變化。

3 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及變頻性能分析

與接收器相比，發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)相對(duì)容易。本文結(jié)合上一章提出的技術(shù)參數(shù)需求，協(xié)同接收器的設(shè)計(jì)方案，發(fā)射器設(shè)計(jì)也采用雙變頻超外差結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 本文的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)方案

為了驗(yàn)證發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理以及確定如何在各級(jí)元器件上進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)參數(shù)分配，與接收器一樣，在SCW仿真平臺(tái)下進(jìn)行測(cè)試。仿真進(jìn)程和測(cè)試結(jié)果同接收器類似，本文為無(wú)線通信裝置所設(shè)計(jì)的發(fā)射器的結(jié)構(gòu)是合理的，可以在任務(wù)預(yù)期目標(biāo)內(nèi)進(jìn)行指標(biāo)分解，在既定頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號(hào)。

軟件無(wú)線電技術(shù)要求廣播通信具有最大的靈活性，為此，考察了本文設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)所具有的變頻能力。這里重點(diǎn)測(cè)試了信號(hào)發(fā)射過(guò)程中的3種變頻性能。

3.1 一次變換到高中頻區(qū)域

圖4是一次變換到高中頻區(qū)域的變頻方案。在該方案中，有關(guān)信號(hào)處理部分相對(duì)簡(jiǎn)單，但會(huì)增加模數(shù)轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷，因此一般在數(shù)字中頻接收器中使用。

圖4 一次變換到高中頻區(qū)域

這種變頻方案的優(yōu)點(diǎn)如下，因?yàn)殓R像信號(hào)和有用信號(hào)的頻率跨度大，對(duì)于鏡像效應(yīng)的抑制無(wú)須過(guò)多的帶寬。

3.2 一次變換到低中頻區(qū)域

一次變換到低中頻區(qū)域的方案如圖5所示。

圖5 一次變換到低中頻區(qū)域

從圖5可以看出，這種方案中鏡像信號(hào)與RF信號(hào)之間的頻率跨度窄。因此，對(duì)于鏡像效應(yīng)的抑制效果不理想，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求也隨之降低。

3.3 兩次變換到低中頻區(qū)域

兩次變換到低中頻區(qū)域是在一次變換到高中頻區(qū)域后進(jìn)行進(jìn)一步處理，而實(shí)質(zhì)上是方案一和方案二的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。經(jīng)過(guò)2次變頻，可以有效地抑制鏡像效應(yīng)，還降低了裝置對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置的條件要求。通過(guò)以上比較，本文在無(wú)線廣播通信的發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中，選擇了兩次變換到低中頻區(qū)域的變頻方案。

4 結(jié)論

軟件無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)，改進(jìn)了硬件無(wú)線電不足之處，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線廣播通信更好的靈活性和通用性。在軟件無(wú)線電的技術(shù)背景下，對(duì)廣播通信的發(fā)射機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)是在典型的超外差結(jié)構(gòu)和直上變結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行雙變頻超外差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)3種變頻的靈活調(diào)整：一次變換到高中頻區(qū)域，一次變換到低中頻區(qū)域，兩次變換到低中頻區(qū)域。測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了軟件無(wú)線電的靈活性特征。