導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇無(wú)線(xiàn)電的定義，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

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關(guān)鍵詞：軟件定義無(wú)線(xiàn)電（SDR）；動(dòng)態(tài)范圍；信號(hào)；RF

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.8.014

首先，什么是軟件定義無(wú)線(xiàn)電（sDR）？大致來(lái)說(shuō)，軟件定義無(wú)線(xiàn)電是指信號(hào)鏈的一部分是軟件的任何無(wú)線(xiàn)電。具體來(lái)說(shuō)，它會(huì)具有以下部分或全部特性：寬帶、多頻段、多模式、多數(shù)據(jù)速率、軟件可重新配置，并且其數(shù)字轉(zhuǎn)換（接收或傳輸）會(huì)盡可能靠近天線(xiàn)。請(qǐng)注意，該描述也適用于現(xiàn)代信號(hào)（頻譜）分析儀等RF儀器儀表。

一般認(rèn)為是德克薩斯州加蘭的E-Systems（現(xiàn)Raytheon）公司在1984年構(gòu)建了第一臺(tái)軟件定義的基帶接收器，而第一臺(tái)軟件定義的基帶收發(fā)器可能是WSC-3（v）9，由E Systems加利福尼亞州佛羅里達(dá)圣彼得堡分部在1987年為Patrick AFB設(shè)計(jì)。1989年，Haseltine和Motorola ca.又為Rome AFB開(kāi)發(fā)出了新的無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品Speakeasy?，F(xiàn)代的示例包括衛(wèi)星和地面無(wú)線(xiàn)電、軍事聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)（JTRS）以及幾乎任何蜂窩或陸地移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電終端或基站。

從理論上來(lái)說(shuō)，要使數(shù)字轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理正常工作，應(yīng)該具有線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)，但實(shí)踐得出，將模擬片段放在一起后就需要一連串的妥協(xié)。不過(guò)，通過(guò)精心挑選元件和分布增益，可以在保持靈敏度的同時(shí)最大程度地?cái)U(kuò)大SDR的動(dòng)態(tài)范圍。而且，無(wú)論SDR是通信接收器基站還是信號(hào)分析儀，都適用相同的規(guī)則。

在一些標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)（例如，蜂窩系統(tǒng)）中，SDR在受控環(huán)境中工作，也就是說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)闡明了針對(duì)接收器和發(fā)射器的要求，而載波則為標(biāo)準(zhǔn)增加了裕量。在其他一些系統(tǒng)（如軍事、業(yè)余和陸地移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電）中，環(huán)境不受控制，也就是說(shuō)，最近的發(fā)射極可能就在隔壁，最遠(yuǎn)的可能剛好在視距的耳語(yǔ)范圍內(nèi)。

因此，在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，需要先制定一份檢查清單：

?標(biāo)準(zhǔn)有哪些要求？

?所需的最小和最大信號(hào)電平是多少7

?需要多少濾波？

哪些圖像濾波器、通道濾波器和抗混疊濾波器可用？

濾波器中的群延遲是否會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題？

?您使用的是什么架構(gòu)？

零中頻、單通道、雙通道或三通道轉(zhuǎn)換。您目前如何生成正交信號(hào)？

在模擬還是數(shù)字（IF采樣）域中？

選擇ADC本身就值得討論。ADC的動(dòng)態(tài)范圍可確定系統(tǒng)架構(gòu)（反之亦然）。首先，要查看信號(hào)帶寬和采樣頻率（準(zhǔn)確的采用頻率通常由時(shí)鐘和/或幀速率等數(shù)字信號(hào)處理要求確定）。為了獲得ADC的滿(mǎn)量程SNR，尤其是對(duì)高輸入頻率采樣時(shí)，能否生成足夠良好的時(shí)鐘，從而在不降低ADC的指定SNR的情況下以所需的頻率采樣？要使系統(tǒng)成為線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)，ADC必須提供足以支持所需信號(hào)、干擾信號(hào)以及增加的裕量的動(dòng)態(tài)范圍，以支持信號(hào)衰落和AGC響應(yīng)時(shí)間。

那么，多大的動(dòng)態(tài)范圍才夠呢？性能最高的軟件定義無(wú)線(xiàn)電（和RF實(shí)驗(yàn)室儀器）通常采用14至16位高速ADC，從而以盡可能高的頻率對(duì)帶寬高達(dá)250 MHz的信號(hào)采樣。為了按照標(biāo)準(zhǔn)（如802.11等字母數(shù)字組合）測(cè)試頻帶最寬的信號(hào)，行業(yè)偏向于使用14b AD9680等雙通道高速ADC在I和Q帶寬等于或高于500 MHz的基帶中對(duì)I和Q言號(hào)進(jìn)行正交采樣。一些應(yīng)用程序需要更小的動(dòng)態(tài)范圍，因此通常使用12b的GSPS ADC（如AD9625）來(lái)“抓取”帶寬為500 MHz的頻譜塊，并使用集成數(shù)字下變頻器來(lái)調(diào)低其基帶頻率。

ADC的動(dòng)態(tài)范圍是模擬和數(shù)字濾波之間的基本權(quán)衡。更多的模擬濾波會(huì)縮小干擾信號(hào)的幅度以及ADC的所需范圍，這就必須對(duì)所需的信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換以保持線(xiàn)性系統(tǒng)。但是，模擬濾波并不是理想的方式，它可能會(huì)出現(xiàn)群延遲和相位。在系統(tǒng)級(jí)別，模擬域的大量濾波操作也意味著可能要進(jìn)行大量費(fèi)用高昂的機(jī)械屏蔽工作以保持濾波器隔離，并且可能需要在多個(gè)IF級(jí)聯(lián)多個(gè)濾波器以最大程度地減少濾波器周?chē)?a href="http://www.yuanjingfilm.com/haowen/250927.html" target="_blank">電的情況。相反，數(shù)字濾波器具有出色的形狀因子，沒(méi)有漏電，其特性近乎理想，但需要提高ADC的動(dòng)態(tài)范圍以支持信號(hào)和干擾信號(hào)。

孰優(yōu)孰劣似乎顯而易見(jiàn)，但您必須將接收器設(shè)計(jì)為可在所有工作條件下保持對(duì)ADC的線(xiàn)性輸入。例如，這需要將AGC的響應(yīng)時(shí)間結(jié)合到ADC的裕量中，也就是說(shuō)，允許特定數(shù)量的dB作為裕量以考慮AGC反應(yīng)期間的輸入信號(hào)變化，這樣接收器不會(huì)因信號(hào)電平變化而出現(xiàn)過(guò)載。

此外，在UHF和微波信號(hào)中，您可能還希望針對(duì)信號(hào)衰落增加額外裕量，不管這種信號(hào)衰落是由于頻率較低還是信號(hào)被大樓或植物阻擋等環(huán)境條件而導(dǎo)致的。除此之外，您還需要考慮解調(diào)C/N比、鄰道和相間通道干擾信號(hào)以及全雙工系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的PA饋通效應(yīng)的裕量。

另外需要記住的是，窄帶接收器的AGC范圍比寬帶接收器更寬?；旧?，寬帶接收器會(huì)將大片頻譜小幅度地上移或下移，通常小于10dB，以使其保持在ADC的線(xiàn)性“窗口”中間。這與對(duì)整個(gè)蜂窩頻段進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)一樣。相反，窄帶接收器則高度依賴(lài)濾波以最大程度地減少通帶中的信號(hào)數(shù)，但必須能支持更大的干擾信號(hào)。它們通常在不受控的環(huán)境中使用，其AGC可作用于更窄的通帶中的信號(hào)。

在為接收器設(shè)計(jì)設(shè)置級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)和截距模型時(shí)，您實(shí)際上需要為系統(tǒng)建模三次：一次針對(duì)最小信號(hào)電平，即最大增益下的AGC關(guān)閉電平；第二次針對(duì)最大信號(hào)電平，即最大增益衰減下的AGC開(kāi)啟電平：最后一次針對(duì)接收器的標(biāo)稱(chēng)輸入電平。您還需要在所有三種模型中考慮交調(diào)效應(yīng)。幸運(yùn)的是，ADI的ADISIMRF（圖1）等免費(fèi)工具將助您一臂之力：這類(lèi)工具通常內(nèi)置適用于RF增益塊、混頻器、衰減器、巴倫、濾波器和高速轉(zhuǎn)換器的模型庫(kù)。

頻率規(guī)劃是另一項(xiàng)需要廣泛研究的有趣課題。您不僅需要為每個(gè)混頻器（圖2）制作一個(gè)混頻器表，而且可能還希望為發(fā)射路徑制作一個(gè)類(lèi)似的DAC表。此外，您還需要考慮在哪個(gè)奈奎斯特頻率區(qū)域使用轉(zhuǎn)換器（ADC或DAC）。系統(tǒng)時(shí)鐘通常是幀速率的倍數(shù)（這就是1.2288 MHz和13MHz的倍數(shù)之所以常見(jiàn)的原因）。幸運(yùn)的是，您可以使用足夠高的頻率（諧波不在頻帶范圍內(nèi)或目標(biāo)信號(hào)上）。您需要通過(guò)精心挑選系統(tǒng)時(shí)鐘、中頻和本振（LO）頻率來(lái)最大程度地減少內(nèi)外部干擾，因?yàn)檫@些頻率將與無(wú)法預(yù)見(jiàn)的后果混合。

針對(duì)級(jí)數(shù)和功能類(lèi)型（濾波器、混頻器、放大器等）設(shè)置了級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)和截距模型后，就需要執(zhí)行一些端計(jì)算。

例如，您首先需要使用以下等式計(jì)算ADC的噪聲系數(shù)（NF）：NF=Prs+174dBm-SNR-IOIog1oB（at300°K）其中prs是ADC的滿(mǎn)量程輸入功率（以dBm單位）PFS（dBm）=10log10 [PFS（mW）/1mW]

NR是ADC的信噪比（以dB為單位），以及B是要進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換的帶寬，需要考慮輸入濾波器的噪聲帶寬（圖3）。

請(qǐng)注意，如果您希望將所需信號(hào)加上干擾信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換以濾除數(shù)字域中的干擾信號(hào)，此帶寬可能比信號(hào)帶寬更寬。

幸運(yùn)的是，您可以通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)過(guò)采樣來(lái)提高ADC的噪聲系數(shù)。在這種情況下，計(jì)算噪聲系數(shù)的等式將變?yōu)椋篘F=PFS+174dBm-SNR-10log10B-10logl0[fs/2B]

其中，fS是采樣時(shí)鐘，B仍然是信號(hào)帶寬（或要進(jìn)行數(shù)字處理的帶寬）。一些IF采樣ADC（如AD9874和AD9864）會(huì)在帶通∑一架構(gòu)中使用過(guò)采樣和噪聲整形。這些ADC實(shí)際上是完整的IF子系統(tǒng)，接受IF輸入并提供接近100 dB的SNR，以及在輸出時(shí)抽取的16或24位I和Q數(shù)據(jù)。

過(guò)采樣并不是改善ADC噪聲系數(shù)的唯一途徑。您也可以使用變壓器在“無(wú)噪聲”增益下提高ADC的輸入電壓，如圖4所示AD6645。

篇2

（1.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班，四川 綿陽(yáng) 621010)

【摘　要】無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位準(zhǔn)確性問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、固定遮擋物以及走動(dòng)人員均會(huì)造成信號(hào)衰減，若使用傳統(tǒng)的RSSI定位算法其誤差太大無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。在不增加硬件開(kāi)銷(xiāo)的基礎(chǔ)上，提出一種可以提高定位精度的改進(jìn)定位算法。該算法首先通過(guò)離未知節(jié)點(diǎn)最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)劃分三角形子區(qū)域，再根據(jù)RSSI值估算出該區(qū)域內(nèi)路徑損耗模型的參數(shù)A、n，并進(jìn)一步通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作，得到測(cè)距誤差模型參數(shù)k、Δ，最終計(jì)算出精確的位置信息。仿真結(jié)果顯示：在相同的條件下，改進(jìn)后的算法具有更高的定位精度，誤差在1m以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足室內(nèi)定位的要求。

關(guān)鍵詞 節(jié)點(diǎn)定位；接收信號(hào)強(qiáng)度指示；測(cè)距；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

基金項(xiàng)目：西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目（13xnkf50）；西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目（14syjs-10）。

作者簡(jiǎn)介：潘小琴（1986—），女，漢族，重慶人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能機(jī)器人技術(shù)。

0　引言

目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤、室內(nèi)定位、智能巡檢、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域。由于室內(nèi)環(huán)境無(wú)線(xiàn)信道比較復(fù)雜，墻壁、地板、人員的遮擋都將引起非視距傳輸和多徑效應(yīng)等嚴(yán)重問(wèn)題，這阻礙了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。如何提高室內(nèi)定位的精度是一個(gè)非常具有實(shí)際意義的問(wèn)題。

室內(nèi)定位算法中，根據(jù)定位機(jī)制的不同，可以分為無(wú)需測(cè)距(Rang~Free)和基于測(cè)距（Rang~Based）兩類(lèi)。常見(jiàn)的無(wú)需測(cè)距機(jī)制有質(zhì)心法、DV~Hop法、APIT法等，這些算法需要節(jié)點(diǎn)部署得十分密集，并且定位精度與錨節(jié)點(diǎn)部署的位置有很大的關(guān)系[1]。然而室內(nèi)環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)通常按照具體要求進(jìn)行部署，分布不均勻，節(jié)點(diǎn)密度無(wú)法得到保證，因此采用測(cè)距定位機(jī)制比較合適[2]。常見(jiàn)的基于測(cè)距機(jī)制的方法有：接收信號(hào)強(qiáng)度指示、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差和到達(dá)角度。相比之下，RSSI方法使用RF信號(hào)，無(wú)需增加額外的測(cè)距硬件，設(shè)備簡(jiǎn)單、成本能耗低、節(jié)點(diǎn)硬件體積小，因此RSSI方法是室內(nèi)定位的實(shí)際可行的方法。

在實(shí)際應(yīng)用中，RSSI值需要轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的距離，而無(wú)線(xiàn)信號(hào)受環(huán)境影響衰減很大，僅僅依靠多次測(cè)量取平均無(wú)法得到準(zhǔn)確的距離值。據(jù)此，本文提出一種劃分子區(qū)域的動(dòng)態(tài)估計(jì)路徑損耗模型和測(cè)距誤差模型的定位算法。

1　定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和原理

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的原理為：通過(guò)依靠有限數(shù)量的位置坐標(biāo)已知的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，確定在待定位區(qū)域內(nèi)其他未知傳感器節(jié)點(diǎn)的位置。考慮到室內(nèi)定位通信距離短、速率低等特點(diǎn)，采用ZigBee技術(shù)搭建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

針對(duì)室內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)，采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行覆蓋，每個(gè)房間是一個(gè)單獨(dú)的定位區(qū)域，所有房間之間用中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。有三種設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、中繼節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，與上位機(jī)之間采用UART進(jìn)行通信。中繼節(jié)點(diǎn)用于協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的路由。單個(gè)房間內(nèi)全部是終端節(jié)點(diǎn)，固定位置的稱(chēng)為錨（anchor）節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)或者信標(biāo)（Beacon）節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)信息已知；坐標(biāo)信息未知的稱(chēng)為待定位節(jié)點(diǎn)、未知節(jié)點(diǎn)或者盲節(jié)點(diǎn)，需要依靠錨節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算自己的位置坐標(biāo)。

2　定位算法

2.1　RSSI測(cè)距定位s方法及不足

RSSI測(cè)距的思想是:已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗模型計(jì)算出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，最后使用定位算法計(jì)算出坐標(biāo)位置[3]。

在實(shí)際情況中，經(jīng)常使用簡(jiǎn)化后的Shadowing信道傳輸損耗模型：

上式中PL ( d )為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)距離為d時(shí)的路徑傳輸損耗，單位為dBm；d0為參考距離；PL0表示參考距離為d0的路徑傳輸損耗；n是路徑損耗指數(shù)，表征路徑損耗隨距離增加而增大的快慢程度，與環(huán)境有關(guān)；S是均值為0的高斯噪聲，其標(biāo)準(zhǔn)差Sσ隨節(jié)點(diǎn)布置環(huán)境的不同而不同；

接收節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度為：

RSSI＝Pt－PL（d）（2）

其中，Pt表示信號(hào)的發(fā)射功率，單位為dBm。

參考距離通常取1m，即d0=1，令A(yù)=Pt-PL0，對(duì)多次測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI取平均值，此時(shí)S均值為0，故上式化簡(jiǎn)為：

由上式可以看出，距離d受RSSI值和環(huán)境參數(shù)A、n的影響。文獻(xiàn)[4]從噪聲和干擾著手，對(duì)RSSI值進(jìn)行濾波、篩選處理，這些方法雖然可以提高測(cè)距精度，卻帶來(lái)了大量的通信和計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。文獻(xiàn)[5]從環(huán)境因素著手提出精確估計(jì)出定位區(qū)域內(nèi)的A和n。然而A、n是與射頻電路和無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸環(huán)境密切相關(guān)的，隨著定位節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，n是時(shí)變的。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示：由于多徑、反射、障礙物阻擋等因素的影響，相同距離對(duì)應(yīng)的RSSI相差很大，也就是不同環(huán)境對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)A、n是不同的，路徑損耗模型參數(shù)隨著環(huán)境的改變而改變。

2.2　算法的改進(jìn)

為了減小定位誤差，又不增加通信和計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，從環(huán)境因素著手，提出一種簡(jiǎn)單有效的改進(jìn)算法。算法先將定位區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，再利用多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信，動(dòng)態(tài)估計(jì)A、n在該子區(qū)域內(nèi)的較為精確的值[6]，并且進(jìn)一步推導(dǎo)出測(cè)量距離與實(shí)際距離之間的誤差模型，以此誤差模型來(lái)對(duì)測(cè)試距離進(jìn)行修正，最后通過(guò)定位算法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2.1　劃分子區(qū)域的路徑損耗模型參數(shù)估計(jì)

基本思想如圖1所示，X為未知節(jié)點(diǎn)，假設(shè)A、B、C、X兩兩之間能夠互相通信，且A、B、C、為距離X最近的三個(gè)不共線(xiàn)錨節(jié)點(diǎn)。我們假設(shè)ABC所在區(qū)域是一個(gè)比較小的范圍，可以近似認(rèn)為在這一區(qū)域內(nèi)路徑損耗模型參數(shù)A、n是相同的，因此，我們可以利用錨節(jié)點(diǎn)來(lái)估計(jì)出所需要的A、n。

2.2.2　測(cè)距誤差模型修正

由于公式（8）唯一確定A、n，數(shù)據(jù)具有偶然性，為了進(jìn)一步提高定位精度，利用三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信息對(duì)測(cè)距階段的距離測(cè)量值進(jìn)行修正。

假設(shè)影響錨節(jié)點(diǎn)A、B、C與未知節(jié)點(diǎn)X通信過(guò)程中的測(cè)距誤差和A、B、C互相通信過(guò)程中的誤差情況相同，設(shè)實(shí)際距離與測(cè)量距離滿(mǎn)足下列線(xiàn)性方程關(guān)系[7]：

dij是節(jié)點(diǎn)i到它鄰居節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際距離，rij是節(jié)點(diǎn)i到它鄰居節(jié)點(diǎn)j的測(cè)量距離，ij是節(jié)點(diǎn)i和j之間測(cè)距的隨機(jī)誤差。

依照公式（9）列出A、B、C之間的測(cè)距誤差關(guān)系式為：

已知根據(jù)RSSI值和環(huán)境參數(shù)A、n可以得到rAC、rBC、rAB，根據(jù)A、B、C的坐標(biāo)可以計(jì)算出dAC、dBC、dAB，利用最小二乘法[8]，計(jì)算出相應(yīng)的k與，從而得到測(cè)距誤差模型，用此模型來(lái)修正未知節(jié)點(diǎn)X與錨節(jié)點(diǎn)A、B、C之間的距離。

2.2.3　定位流程

改進(jìn)算法的定位流程如下所示。

1）未知節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)出自身信息和定位請(qǐng)求，比較錨節(jié)點(diǎn)返回的信號(hào)強(qiáng)度值，選取最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)參與定位；

2）選定錨節(jié)點(diǎn)，根據(jù)公式（4）計(jì)算各錨節(jié)點(diǎn)的A、n；根據(jù)公式（8）計(jì)算出ABC區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)A、n；

3）使用步驟2）得到的參數(shù)計(jì)算出A、B、C的測(cè)量距離rAB、rBC、rAC；由ABC的坐標(biāo)值計(jì)算出dAC、dBC、dAB；

4）使用最小二乘法，根據(jù)公式（10）計(jì)算出測(cè)距誤差模型參數(shù)k與；

5）未知節(jié)點(diǎn)周期性的向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身位置信息，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量距離rAX、rBX、rCX，用測(cè)量誤差模型對(duì)距離進(jìn)行修正，得到實(shí)際距離dAX、dBX、dCX；

6）最后，利用三邊定位算法，估算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息。

3　仿真結(jié)果分析

通過(guò)MATLAB仿真，分析比較路徑損耗模型參數(shù)采用典型值的算法與本文所提出的改進(jìn)型算法的定位性能。假設(shè)在100m?鄢100m的矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布200個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑為20m，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自100次仿真實(shí)驗(yàn)的平均值。

圖2給出了兩種算法的定位誤差與錨節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著錨節(jié)點(diǎn)所占比例上升，兩種算法的定位精度都在提高，在相同條件下，本文提出的改進(jìn)型算法始終優(yōu)于原始算法，與傳統(tǒng)算法相比提高了8%。這是因?yàn)殡S著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，相當(dāng)于錨節(jié)點(diǎn)密度在提高，也就是改進(jìn)算法的子區(qū)域劃分得更小，估計(jì)出的路徑損耗模型參數(shù)和測(cè)距誤差模型參數(shù)更加準(zhǔn)確，因而定位誤差更小。

圖3給出了兩種算法的覆蓋范圍和錨節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加兩種算法的定位覆蓋率均逐漸增加至1，但是改進(jìn)算法的定位覆蓋率范圍快速達(dá)到了100%。在實(shí)際的應(yīng)用中，改進(jìn)型算法可以使用更少的錨節(jié)點(diǎn)來(lái)覆蓋整個(gè)定位區(qū)域，從而可以節(jié)約成本。

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)室內(nèi)環(huán)境無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的過(guò)程中，存在著使用固定路徑損耗模型參數(shù)而定位精度不高的問(wèn)題，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑損耗模型參數(shù)A、n并通過(guò)測(cè)距誤差模型進(jìn)行距離修正的定位算法。經(jīng)過(guò)仿真研究驗(yàn)證了該算法的有效性，在保證相同定位精度的前提下，所需錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目減少，可以大大降低定位成本。同時(shí)與傳統(tǒng)算法相比，改進(jìn)算法在相同條件下節(jié)點(diǎn)定位精度明顯更高，魯棒性更好。

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篇3

關(guān)鍵詞： RFIC； CMOS； PGA； 數(shù)字自動(dòng)增益控制； 帶隙基準(zhǔn)電壓源

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0157?04

Design and research on automatic gain control circuit in wireless positioning system

ZHOU Yongqiang

（Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： Since the civilian requirement of satellite wireless positioning system is increased， the cheaper and lower?power consumption RF receiving front?end technology is studied and explored for business. A digital programmable gain control system used for wireless positioning system was designed and implemented， which can be applied to the emerging IMT?Advanced new generation 4G wireless communication network. The analog control mode and digital programmable mode are analyzed systematically. The mathematical model of the system was established to study the feasibility. The different realization forms of the speci?fic module are described while designing the chip， and the optimizable structures are proposed.

Keywords： RFIC； CMOS； PGA； digital automatic gain control； bandgap reference voltage source

0 引 言

隨著CMOS工藝的發(fā)展，數(shù)字電路在晶體管柵寬降低中受益最大，能夠?qū)崿F(xiàn)廉價(jià)的、大數(shù)量和快速的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。所以射頻收發(fā)機(jī)中，可以考慮采用接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，采用限幅放大器附加全波檢流器、低通濾波器實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)[1]。通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器檢測(cè)得到的信號(hào)傳給數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行分析。根據(jù)輸入電壓值，反饋數(shù)字信號(hào)給射頻端和中頻端的放大器模塊，從而達(dá)到控制增益的目的。隨著數(shù)字電路處理速度的提高，該模式下能夠快速地控制增益，而且不構(gòu)成模擬反饋環(huán)路，系統(tǒng)穩(wěn)定性也極佳[2]。

本文主要對(duì)射頻接收機(jī)前端中頻部分的自動(dòng)增益控制模塊進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)該模塊國(guó)內(nèi)外已有的研究成果進(jìn)行總結(jié)，分析了多種實(shí)現(xiàn)該功能的方法。最后，設(shè)計(jì)了一種能夠集成接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)功能的數(shù)字可編程增益控制模塊。信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器檢測(cè)輸入信號(hào)的電壓強(qiáng)度，將得到的參考電壓反饋給片外的數(shù)字信號(hào)處理器，再利用數(shù)字信號(hào)控制整個(gè)放大器的增益。該控制模式下，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)和增益控制。

1 數(shù)字可編程自動(dòng)增益控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 閉合環(huán)路系統(tǒng)建模

自動(dòng)增益控制系統(tǒng)可以采用閉環(huán)或開(kāi)環(huán)的模式控制。采用閉環(huán)模式時(shí)，無(wú)需額外的控制增益信號(hào)，對(duì)電路的需求少并且精度較好。但是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要充分考慮到穩(wěn)定性的問(wèn)題，應(yīng)確保在大增益下不會(huì)產(chǎn)生振蕩，并且能檢測(cè)到的最小信號(hào)強(qiáng)度有限。與之相對(duì)，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)能夠在提供大增益、大帶寬的前提下保證有較好的穩(wěn)定性。但是，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的增益控制精度往往弱于閉環(huán)系統(tǒng)。此次設(shè)計(jì)中，采用數(shù)字增益控制系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)增益控制系統(tǒng)?？梢钥紤]內(nèi)部集成信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制增益。數(shù)字自動(dòng)增益控制系統(tǒng)采用接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。并將對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)反饋給片外的數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行進(jìn)一步處理，這是一種開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)。圖1為數(shù)字信號(hào)處理芯片對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)得到的直流信號(hào)進(jìn)行處理的流程圖。

由于RSSI信號(hào)隨著工藝角和溫度的不同有一定的變化?？梢钥紤]在使用前采用數(shù)字校準(zhǔn)。初始化時(shí)，在兩個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸入最大功率信號(hào)-50 dBm和0 dBm，依照下式得到其對(duì)應(yīng)的最大和最小RSSI輸出直流電平值。

[Vn=Vmax-（n-1）Vmax-VminNtot-1] （1）

當(dāng)接收信號(hào)輸入時(shí)，在時(shí)鐘周期內(nèi)，可以檢測(cè)得到直流電平[V。]按照?qǐng)D1所示的邏輯對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判斷。然后根據(jù)初始化時(shí)已經(jīng)儲(chǔ)存好的邏輯查表，將控制增益的信號(hào)反饋給數(shù)字增益放大器，達(dá)到增益控制的目的。

如果需要采用內(nèi)部控制模式實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以考慮下面列舉的數(shù)?；旌想娐纺Ｊ綄?shí)現(xiàn)。該電路實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似于模數(shù)轉(zhuǎn)化器的功能。

1.2 放大器設(shè)計(jì)

在數(shù)字控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩種固定增益放大器：一種采用MOS管比值對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；另一種采用電阻比值控制放大器增益。

第一種利用NMOS作為跨導(dǎo)將輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流，同時(shí)利用二極管連接形式的NMOS管作為負(fù)載管提供負(fù)載電阻。通過(guò)頂端的PMOS電流鏡實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)管和負(fù)載管上分布近似相等的電流。利用長(zhǎng)溝道模型可以分析得出：

[Av=gminputgmload=（WL）iIinput（WL）lIinput] （2）

長(zhǎng)溝道模型認(rèn)為晶體管的I?V曲線(xiàn)按照平方率規(guī)律，然而在亞微米工藝中，長(zhǎng)溝道器件不再表現(xiàn)為理想的平方率器件。如果是理想的平方率器件，對(duì)DSI二次求導(dǎo)應(yīng)該為常數(shù)。然而，gm的導(dǎo)數(shù)僅僅在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)顯示為常數(shù)。如果變大，gm由常數(shù)下降，這是由于高電場(chǎng)引起的，例如遷移率衰減和速度飽和。因此，為獲得長(zhǎng)溝道模型分析下的性能，深亞微米半導(dǎo)體工藝中需在合適范圍內(nèi)選擇正確的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。這點(diǎn)對(duì)以上這一模塊的設(shè)計(jì)是十分重要的。

第二種設(shè)計(jì)的固定增益放大器利用電阻比值來(lái)獲得精確增益。在集成電路設(shè)計(jì)中，電阻的絕對(duì)值在不同工藝下變化較大（誤差10%～25%），但是不同電阻間的比值在很好的版圖布局下能夠做到比較精確（誤差

[Av=KRLOADRgm] （3）

式中：[K]為電流鏡提供的增益；[Rgm]為充當(dāng)跨導(dǎo)的阻抗；[RLOAD]為負(fù)載電阻。電路中沒(méi)有引入共模反饋電路，完全利用兩電阻的中點(diǎn)近似的共模電壓對(duì)電路進(jìn)行偏置。由于放大器的增益主要和電阻比值、電流鏡像有關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的線(xiàn)性度。前端輸入管起到緩沖器的作用。當(dāng)共模偏置電壓有較大變化時(shí)，對(duì)放大器增益影響也很小。

1.3 數(shù)字控制模塊設(shè)計(jì)

可編程增益放大電路系統(tǒng)采用多比特?cái)?shù)字信號(hào)來(lái)控制增益。同時(shí)，為了減少對(duì)片外電路的影響，可以考慮利用串型信號(hào)來(lái)控制多比特電路。這需要針對(duì)該電路設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字電路模塊。數(shù)字模塊采用3線(xiàn)，串聯(lián)信號(hào)控制系統(tǒng)增益的模式。CLK為時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)其處在上升沿時(shí)觸發(fā)電路；LCH為控制信號(hào)，高電平時(shí)系統(tǒng)不做出反應(yīng)，下降為低電平時(shí)，隨著時(shí)鐘上升沿跳躍而向電路寄存器中讀入SDI/SDO，即串聯(lián)輸入/輸出信號(hào)。數(shù)字模塊能夠向整個(gè)系統(tǒng)中讀入增益，同時(shí)也能夠讀出系統(tǒng)目前的增益大小。

增益寫(xiě)入模式中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，LCH為鎖存器信號(hào)，SDI為輸入的控制信號(hào)，WR=1指示現(xiàn)在需寫(xiě)入數(shù)據(jù)，AD1AD2=00為有效地址，后幾位為輸入的控制字，控制數(shù)字模塊增益。

增益讀取模式中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，LCH為鎖存器信號(hào)，SDI為輸入的控制信號(hào)，SDO為輸出的控制信號(hào)，WR=1指示現(xiàn)在需寫(xiě)入數(shù)據(jù)，AD1AD2=00時(shí)為有效地址，后幾位為輸入的控制字，控制數(shù)字模塊增益。利用Verilog HDL編寫(xiě)數(shù)字模塊程序，分析多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。digital.v對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制；s2p.v將串聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)成并聯(lián)信號(hào)；encod.v將得到的并聯(lián)信號(hào)的前三位進(jìn)行解碼，確定讀寫(xiě)操作和針對(duì)的地址；rpga.v將pga中的數(shù)據(jù)讀出；wpga.v將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入pga。

2 帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 帶隙基準(zhǔn)電壓源原理

帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)是利用雙極型晶體管基極和發(fā)射極電壓[VBE]變化具有的負(fù)溫度系數(shù)，以及不同偏置電流下的兩個(gè)雙極型晶體管的電壓差具有的正溫度系數(shù)。兩電壓線(xiàn)性疊加可獲得低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源[VBE。]這樣就能夠提供一個(gè)與電源、工藝和溫度特性基本無(wú)關(guān)的直流電壓?；鶞?zhǔn)電壓的產(chǎn)生中除了要避免電源、工藝和溫度的不確定性外，還需要考慮輸出的噪聲、輸出阻抗和功耗。雙極型晶體管的輸出電流和基級(jí)?發(fā)射級(jí)間電壓的指數(shù)關(guān)系：

[Ic=Isexp（VBEVT）] （4）

通過(guò)兩個(gè)相同偏置電流，并聯(lián)晶體管數(shù)目比值為[1∶n，]的兩個(gè)雙極型晶體管間基極?發(fā)射極電勢(shì)差顯示出正的溫度特性：

[ΔVBE=VBE1-VBE2=VTlnn] （5）

如果取兩個(gè)電壓之和，就有可能得到一定范圍溫度內(nèi)與溫度基本無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。PMOS管構(gòu)成電流鏡，保證每條支路中的電流一致。高增益的運(yùn)算放大器保證兩個(gè)輸入端的電壓一致。通過(guò)推導(dǎo)，可以得到輸出參考電壓為：

[Vref=R3R1R1VTlnnR2+VBE1≈R3R1×1.12] （6）

在CMOS工藝中，電阻的比值能夠做到較為準(zhǔn)確。合理的配置電阻阻值的比例和雙極型晶體管的面積，可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)溫度系數(shù)的抵消。在得到基準(zhǔn)電壓的同時(shí)，在每條支路上已經(jīng)提供了一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的電流，不過(guò)此時(shí)的電流值由于電阻的絕對(duì)值在不同工藝下的變化而產(chǎn)生了偏差，電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要將該偏差進(jìn)行充分考慮。再加上R?2R電流分配網(wǎng)絡(luò)，可以由同一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源提供不同的數(shù)量級(jí)，與溫度、供給電壓基本無(wú)關(guān)的電流。

2.2 核心模塊設(shè)計(jì)

首先，需要確定兩個(gè)CMOS工藝上寄生雙極性晶體管取值，根據(jù)其比值和最終需要的輸出電壓來(lái)確定電阻的取值。

其次，是模塊中運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。放大器的性能指標(biāo)很重要，由于運(yùn)放在此處為誤差放大器，起到負(fù)反饋的作用。從精度上考慮，應(yīng)當(dāng)采用大增益的運(yùn)放；但是從穩(wěn)定性上考慮，應(yīng)當(dāng)采用的運(yùn)放增益需要小?？紤]到能采用CMOS 3.3 V的工藝，可以獲得足夠的電源電壓，所以采用折疊型放大器，單級(jí)放大，充當(dāng)帶隙基準(zhǔn)電壓源中的放大器。這樣在獲得足夠增益的同時(shí)，也能夠得到較好的相位裕度，即系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

最后，應(yīng)該對(duì)電路設(shè)計(jì)開(kāi)啟模塊。以保證在突然加電時(shí)，整個(gè)電路能夠順利的開(kāi)啟而不是陷入零狀態(tài)。電路開(kāi)啟的目的是在電路中引入額外的激勵(lì)。對(duì)開(kāi)啟電路進(jìn)行分析可以得出，電路需要開(kāi)啟時(shí)，M2的柵壓為低電位，關(guān)閉。M1的柵壓為低電位，開(kāi)啟。從而在M3的柵上形成高電位，而電路未開(kāi)啟時(shí)，M3的漏端也為高電位，從而M3中流過(guò)電流，此電流流入放大器中，通過(guò)放大器中的電流鏡開(kāi)啟整個(gè)電路。

電路開(kāi)啟后，M2上的柵電壓拉高，導(dǎo)通。由于M1的寬長(zhǎng)遠(yuǎn)小于M2的寬長(zhǎng)比。當(dāng)電路維持穩(wěn)定時(shí)M2的漏源電壓特別小，使得M3截止。而且同時(shí)M1和M2組成的支路消耗的電流也特別小。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路進(jìn)行開(kāi)啟后對(duì)其他核心電路沒(méi)有影響的目的。

3 仿真和測(cè)試結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

此次設(shè)計(jì)的數(shù)字可編程增益控制模塊，采用中芯國(guó)際0.18 μm混合信號(hào)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。核心模塊的版圖面積為170 μm×91.6 μm，含有帶隙基準(zhǔn)電壓源后，面積為223.6 μm×270 μm，最終測(cè)試用的芯片面積為1 140 μm×838 μm。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源在整個(gè)射頻接收發(fā)端芯片中，為公用模塊，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)。核心模塊實(shí)際占用芯片面積較小。采用將芯片焊接到PCB版上進(jìn)行測(cè)試。

線(xiàn)性度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的另外一個(gè)要點(diǎn)，可以通過(guò)1 dB交調(diào)點(diǎn)和三階互調(diào)節(jié)點(diǎn)描述，反映了系統(tǒng)能夠承受的、較小失真的最大輸入和輸出電平。系統(tǒng)線(xiàn)性度仿真如圖2所示。

在整個(gè)增益控制系統(tǒng)中，除了中頻放大模塊外，還外加集成了接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊，其和片外低通濾波器一起，反饋電壓信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)而對(duì)接收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行指示。接收信號(hào)強(qiáng)度指示曲線(xiàn)如圖3所示，可以看出在較大的范圍內(nèi)（>50 dB），能夠線(xiàn)性地對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，滿(mǎn)足此次設(shè)計(jì)的要求。

此次帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)中，采用中芯國(guó)際0.18 μm混合信號(hào)全CMOS工藝中的3.3 V柵級(jí)厚柵晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、前仿真、繪制版圖進(jìn)行后期仿真。將該模塊集成到整個(gè)芯片當(dāng)中，最后進(jìn)行了測(cè)試。首先對(duì)電路進(jìn)行直流仿真，從0～5 V間變化電源電壓。電源電壓在2.2～4.8 V間變化時(shí)，帶隙基準(zhǔn)電壓源都能夠得到較為穩(wěn)定的輸出電壓，如圖4所示。

為了確保電路能夠開(kāi)啟，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)仿真。當(dāng)加載的電源電壓在10 μs處，0.1 μs時(shí)間內(nèi)從0階躍到3 V。可以看出輸出電壓能夠快速開(kāi)啟，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電壓輸出。對(duì)流片后得到的實(shí)際芯片進(jìn)行測(cè)試，得到實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)當(dāng)電源電壓大于1.8 V時(shí)，能夠提供0.79 V的輸出偏壓，與理論上仿真的0.801 V較為接近，滿(mǎn)足需求。

同時(shí)，將芯片放入恒溫箱，保持電源電壓3 V不變。在變化溫度的情況下，對(duì)輸出電壓值進(jìn)行測(cè)量。所得結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，27～100 ℃之間，電壓變化12 mV，與仿真結(jié)果相比差距較大。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為是由于電路中電阻面積太小，所以精度不夠，或者是由于工藝生產(chǎn)中寄生二極管不夠準(zhǔn)確所導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)CMOS工藝自動(dòng)增益控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，歸納總結(jié)了相關(guān)的國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域上的進(jìn)展和設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的方法，并提出了自己的見(jiàn)解。從研究自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，理論上分析并提出了設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)模型。在通過(guò)可行性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用數(shù)字增益控制系統(tǒng)，并且集成了接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)模塊和帶隙基準(zhǔn)電壓源偏置模塊，獲得了高度的集成性。

在具體模塊設(shè)計(jì)上，對(duì)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域，考慮到具體指標(biāo)的折中，進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。在構(gòu)建電路模型、仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了版圖繪制、仿真、流片，并且對(duì)其中的帶隙基準(zhǔn)電壓源模塊進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，得到的結(jié)果基本和仿真結(jié)果吻合。

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篇4

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電 頻譜檢測(cè) 頻譜分配 功率控制

一、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的定義

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的概念最初是由Joseph Mitola Ⅲ博士基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)提出的。但是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，其研究和應(yīng)用都不再局限于最初的范疇，不同的研究者從不同的角度對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電給出了其定義和內(nèi)涵。根據(jù)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展，我們可以得出認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的一個(gè)比較清晰的概念：認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電是一種智能無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地檢測(cè)周?chē)沫h(huán)境狀況，從中獲取信息，并智能地調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)（如傳輸功率、載頻、調(diào)制方式等）以適應(yīng)環(huán)境的變化，從而達(dá)到在不對(duì)主用戶(hù)造成干擾的條件下從空間、頻率、時(shí)間等多維地利用空閑頻譜資源進(jìn)行通信的目的。

二、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的主要功能

（一）檢測(cè)

由特殊應(yīng)用環(huán)境所決定，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須具備精確的無(wú)線(xiàn)頻譜檢測(cè)能力，必須在可使用的全頻段范圍內(nèi)多維度進(jìn)行頻譜檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)可使用的頻段。由于是免許可使用，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電必須具備迅速發(fā)現(xiàn)主用戶(hù)的能力，在工作過(guò)程中時(shí)刻檢測(cè)主用戶(hù)是否處于活動(dòng)狀態(tài)， 從而確保不對(duì)其產(chǎn)生干擾。

（二）分析

認(rèn)知分析包括對(duì)自身性能、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部狀態(tài)、外部相關(guān)數(shù)據(jù)（包括頻譜使用、策略使用等）和用戶(hù)自身需求等相關(guān)知識(shí)的分析。如果說(shuō)檢測(cè)是信息的獲取，那么分析就是對(duì)相關(guān)信息的初步處理。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備通過(guò)所獲取的頻譜檢測(cè)結(jié)果分析主用戶(hù)的位置、使用的頻點(diǎn)和發(fā)射時(shí)間，同時(shí)分析可用頻點(diǎn)位置、可用帶寬、信道狀況、自身傳輸可能會(huì)對(duì)其他用戶(hù)產(chǎn)生的影響以及完成業(yè)務(wù)傳輸所需的帶寬和時(shí)間等等。

（三）調(diào)整

調(diào)整能力是完成傳輸?shù)年P(guān)鍵，根據(jù)檢測(cè)和分析的相關(guān)結(jié)果，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備通過(guò)先進(jìn)的功率控制技術(shù)、不同的編解碼以及調(diào)制技術(shù)，選擇合適的頻點(diǎn)和發(fā)射時(shí)機(jī)，從而成功地完成傳輸。這就要求認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電設(shè)備能夠在較寬的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同傳輸方案之間的切換，并且在突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時(shí)暫停或恢復(fù)傳輸，確保在不干擾首要用戶(hù)的情況下獲取最大限度的傳輸能力。

（四）推理和學(xué)習(xí)

由于當(dāng)前無(wú)線(xiàn)頻譜環(huán)境的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單的檢測(cè)、推理和分析可能無(wú)法獲得較好的傳輸性能。如何根據(jù)無(wú)線(xiàn)背景環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)是一個(gè)非常重要的課題。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，獲得一定的參考信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整是一個(gè)較好的解決方案。一般來(lái)講，這種推理和學(xué)習(xí)分為三種：第一種是基于簡(jiǎn)單固定規(guī)則，即輸人、輸出可以預(yù)測(cè)；第二種是基于較為復(fù)雜的模型，運(yùn)用一些模糊規(guī)則，輸出結(jié)果不可完全預(yù)測(cè)；第三種是基于學(xué)習(xí)型的模型，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能夠不斷調(diào)整模型及其參數(shù)，從而獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

三、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵技術(shù)

（一）頻譜檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通信的前提和先決條件是對(duì)周?chē)l譜環(huán)境的感知，只有對(duì)頻譜進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，才能有效利用空閑頻譜進(jìn)行通信。當(dāng)前，無(wú)線(xiàn)環(huán)境檢測(cè)的基本方法大致可以分為基于發(fā)射機(jī)的檢測(cè)、基于接收機(jī)的檢測(cè)和多節(jié)點(diǎn)協(xié)同檢測(cè)三種。其中，發(fā)射機(jī)檢測(cè)是分析偵聽(tīng)到的信號(hào)中是否存在主用戶(hù)信號(hào)，而接收機(jī)檢測(cè)是判斷主用戶(hù)接收機(jī)是否處于工作狀態(tài)。相比較而言，發(fā)射機(jī)檢測(cè)比接收機(jī)檢測(cè)要容易，因而目前絕大多數(shù)的研究都是集中在發(fā)射機(jī)檢測(cè)。另外，通過(guò)多節(jié)點(diǎn)協(xié)同檢測(cè)，能夠提高檢測(cè)的可靠性，減小多徑、陰影的影響，但不可避免的會(huì)增加系統(tǒng)通信開(kāi)銷(xiāo)與復(fù)雜性。頻譜檢測(cè)一般由物理層完成，物理層檢測(cè)所有可用自由度（時(shí)間、頻率、空間等）的頻譜，以辨識(shí)當(dāng)前可用于傳輸數(shù)據(jù)的信道。

（二）頻譜分配

頻譜分配是指根據(jù)需要接入系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目及其服務(wù)要求將頻譜分配給一個(gè)或多個(gè)指定節(jié)點(diǎn)。頻譜分配策略的選擇直接決定系統(tǒng)容量、頻譜利用率以及能否滿(mǎn)足用戶(hù)因不同業(yè)務(wù)而不斷變化的需求。因此，頻譜分配問(wèn)題的研究是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的頻譜分配與其它通信系統(tǒng)的頻譜分配具有很多共同的特性，但由于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電自身?yè)駲C(jī)借用主用戶(hù)頻譜的特點(diǎn)，其頻譜分配也必須滿(mǎn)足一些特殊的要求。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的頻譜分配必須考慮三方面的問(wèn)題：一是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)的干擾問(wèn)題，二是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)之間的干擾問(wèn)題，三是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的效益和用戶(hù)間的公平性問(wèn)題。

自認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電概念的提出直至發(fā)展到今天，不少學(xué)者為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中的頻譜分配問(wèn)題提出了分析模型，它們大多是借鑒于一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)理論以及微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)理論等。目前，可應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的頻譜分配分析的模型主要有：圖論著色模型、干擾溫度模型、拍賣(mài)競(jìng)價(jià)模型、博弈論模型等幾種。

（三）功率控制

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中可利用已授權(quán)頻譜資源的前提是不影響授權(quán)用戶(hù)的正常通信。為此，具有認(rèn)知功能的非授權(quán)用戶(hù)必須控制其發(fā)射功率，避免給其他授權(quán)用戶(hù)造成干擾。目前，實(shí)現(xiàn)功率控制主要有兩種方法。一種是基于信息論的反復(fù)注水法，使用該方法會(huì)使發(fā)送端在增益較多的子信道上分配更多的能量，而在衰減比較厲害的子信道上分配較少的能量，甚至不分配能量，從而在整體上充分利用現(xiàn)有資源，達(dá)到最大傳輸容量。另一種就是博弈論（game theory），也稱(chēng)對(duì)策論，是研究決策主體行為發(fā)生直接相互作用時(shí)的決策以及這種決策的均衡問(wèn)題，它可以劃分為合作博弈和非合作博弈。當(dāng)不考慮競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象時(shí)，就是合作博弈，功率控制問(wèn)題就簡(jiǎn)化為一個(gè)最優(yōu)控制理論問(wèn)題。當(dāng)用博弈論方法研究每個(gè)用戶(hù)最大化自己的效用時(shí)，功率控制問(wèn)題被歸結(jié)為一個(gè)非合作博弈。

篇5

無(wú)線(xiàn)電調(diào)試實(shí)現(xiàn)了通信的新體制和新概念，推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的又一次革命。目前對(duì)于無(wú)線(xiàn)電還沒(méi)有十分明確的定義，無(wú)線(xiàn)電的調(diào)試軟件可以更好的實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信。無(wú)線(xiàn)電調(diào)試的核心思想利用數(shù)字信號(hào)處理的手段實(shí)現(xiàn)通信，由此可以得出無(wú)線(xiàn)電能夠提供多標(biāo)準(zhǔn)、多模式的通信，并且能夠可以提供無(wú)線(xiàn)服務(wù)。

一、無(wú)線(xiàn)電發(fā)展的因素

（一）市場(chǎng)需求

無(wú)線(xiàn)電發(fā)展的動(dòng)力來(lái)源于市場(chǎng)的需求，TRUST對(duì)無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展做出了很多工作，調(diào)查了市場(chǎng)的需求情況。

最終用戶(hù)為了比較方便的接入，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、廣播和寬帶多媒體各種接入方式進(jìn)行切換；無(wú)線(xiàn)電調(diào)試可以根據(jù)用戶(hù)的需求，可以提供不同的服務(wù)內(nèi)容，針對(duì)不同的人群，可以提供不同質(zhì)量的服務(wù)。

內(nèi)容提供商或者應(yīng)用開(kāi)發(fā)商希望無(wú)線(xiàn)電軟件的開(kāi)發(fā)和提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和終端的相應(yīng)能力沒(méi)有關(guān)系。終端設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)足可以支持系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)容的變更和系統(tǒng)復(fù)雜度的增加。

服務(wù)提供商能夠提供一些與底層網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)服務(wù)內(nèi)容，可以使用戶(hù)根據(jù)自己的需要進(jìn)行服務(wù)的定制，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和無(wú)線(xiàn)接入的方式可以進(jìn)行相應(yīng)的改變；為了滿(mǎn)足不同用戶(hù)的服務(wù)需求，可以動(dòng)態(tài)的進(jìn)行資源的分配，進(jìn)而更好的實(shí)現(xiàn)資源的共享。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商只有允許用戶(hù)根據(jù)自己的需求進(jìn)行分配頻譜，允許頻段共存的接入方式，才能更好的保證頻譜資源得到較好的利用；為了使頻譜資源得到更好的利用，可以重新配置核心網(wǎng)的媒體接入設(shè)備和無(wú)線(xiàn)接入設(shè)備。

設(shè)備制造商希望通過(guò)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，進(jìn)而減少資源的浪費(fèi)。為了增加收入，為了降低產(chǎn)品召回的成本，可以通過(guò)安裝和下載相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的增強(qiáng)和修復(fù)系統(tǒng)的BUG。

綜上，人們對(duì)于無(wú)線(xiàn)電通信的期望值較高，對(duì)于未來(lái)無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)抱著十分樂(lè)觀的心態(tài)。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在滿(mǎn)足用戶(hù)各方面需求上存在很大的困難。隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電調(diào)試技術(shù)逐步產(chǎn)生，人類(lèi)的不斷追求使得技術(shù)有了很大的進(jìn)步，技術(shù)的進(jìn)步又反過(guò)來(lái)刺激了人類(lèi)的需求。

（二）技術(shù)發(fā)展

依靠現(xiàn)代的技術(shù)可以將無(wú)線(xiàn)電的核心思想付諸實(shí)現(xiàn)。無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)經(jīng)歷了純模擬、數(shù)字技術(shù)、中頻數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)階段。通過(guò)數(shù)字技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)接口和控制的功能，并且可以實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的處理。中頻數(shù)字化的引入，使得無(wú)線(xiàn)電的設(shè)計(jì)逐步引入了模塊化的思想。計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)于無(wú)線(xiàn)電調(diào)試的發(fā)展起到了十分重要的作用。

高速DSP、DAC和ADC技術(shù)可以使無(wú)線(xiàn)通信功能通過(guò)無(wú)線(xiàn)電的調(diào)試軟件得到實(shí)現(xiàn)。隨著科技的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)也在發(fā)生著翻天覆地的變化，ADC變換器采樣的速率越來(lái)越高，DSP處理速率也得到了很大的提高。無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的帶動(dòng)下，得到了很好的發(fā)展。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的很多研究成果，像面向?qū)ο蟮睦碚?、模塊化的思想、分層的體系結(jié)構(gòu)都可以應(yīng)用與無(wú)線(xiàn)電調(diào)試技術(shù)上。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展刺激了無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

二、無(wú)線(xiàn)電調(diào)試現(xiàn)狀

1990年Joseph Mitola提出了無(wú)線(xiàn)電的概念，20世紀(jì)90年代末期成為全球關(guān)注的重點(diǎn)，并逐步占據(jù)技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)地位。國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行了研究，包括了民用、軍用、軟件和硬件各個(gè)方面。

（一）關(guān)鍵技術(shù)

1.智能天線(xiàn)

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字多波束形成技術(shù)的結(jié)合形成了智能天線(xiàn)。智能天線(xiàn)的應(yīng)用，使得多徑信號(hào)的收入量有所減少，并且使得衰落有所降低；智能天線(xiàn)可以合并多徑信號(hào)，并且可以使多徑信號(hào)傳輸?shù)男畔⒛芰康玫礁咝У睦?；智能天線(xiàn)的使用使得頻譜的利用率有所提高；智能天線(xiàn)的使用，可以提供用戶(hù)的方位信息，進(jìn)而對(duì)用戶(hù)進(jìn)行定位。

2.軟件下載

無(wú)線(xiàn)電調(diào)試系統(tǒng)比較重要的一個(gè)方面是軟件的下載。軟件下載應(yīng)該滿(mǎn)足安全可靠、使用簡(jiǎn)單、快速等要求。空中接口和智能卡下載組成了可行的軟件下載方案?？罩薪涌谙螺d不受用戶(hù)的干預(yù)，但是往往需要自定義下載的流程，并且需要改造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用來(lái)滿(mǎn)足下載的通道，最終會(huì)降低下載的速度，并且容易出現(xiàn)差錯(cuò)，對(duì)于用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的安全來(lái)說(shuō)十分不利。智能卡具有準(zhǔn)確率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于智能卡的容量、軟件下載設(shè)備和售卡點(diǎn)的要求比較高，增加了成本。

3.ADC、DAC技術(shù)

在軟件無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電的思想，需要把ADC、DAC盡可能地向天線(xiàn)端推移，這樣就對(duì)ADC、DAC的性能提出了更高的要求：需要高速度、大帶寬、大的動(dòng)態(tài)范圍。相比之下，ADC技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)更難，是系統(tǒng)的瓶頸。ADC的技術(shù)參數(shù)主要有：最大轉(zhuǎn)換速率、轉(zhuǎn)換位數(shù)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、工作帶寬等。最近又出現(xiàn)了超導(dǎo)半導(dǎo)體ADC技術(shù)，它利用了快速單流量子超導(dǎo)邏輯，提高了系統(tǒng)的性能，主要表現(xiàn)在可以允許用戶(hù)在轉(zhuǎn)換位數(shù)和轉(zhuǎn)換速率之間進(jìn)行折中使用，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體ADC在器件選定后各種參數(shù)就不能再改變了。

（二）體系結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)線(xiàn)電論壇一直致力于開(kāi)放的軟件無(wú)線(xiàn)電的體系結(jié)構(gòu)的研究。最近，計(jì)算機(jī)和通信研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了其在這方面的最新成果，為軟件無(wú)線(xiàn)電提出了一種自適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了軟件無(wú)線(xiàn)電在這方面的最新成果。其硬件平臺(tái)是一種開(kāi)放的基于交換網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)，結(jié)合了總線(xiàn)式平臺(tái)和最初的流式處理平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的伸縮性和通用性。這種結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)采用了分層的模型和基于消息的管理機(jī)制。硬件抽象層的運(yùn)用可以屏蔽底層硬件的具體實(shí)現(xiàn)，使上層軟件的實(shí)現(xiàn)更加靈活。消息處理驅(qū)動(dòng)為上層軟件提供了一個(gè)分布式的面向?qū)ο蟮能浖h(huán)境，可方便實(shí)現(xiàn)模塊之間的通信和模塊與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之間的通信。這種分布式的環(huán)境可以使用COBRA機(jī)制。

三、無(wú)線(xiàn)電調(diào)試的發(fā)展前景

無(wú)線(xiàn)通信將朝著多模式、多制式的方向發(fā)展，未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信將會(huì)提供更多高質(zhì)量的服務(wù)類(lèi)型。無(wú)線(xiàn)電調(diào)試具有可編程能力和可配置的能力，在未來(lái)通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位。軟件和硬件技術(shù)發(fā)展在無(wú)線(xiàn)電調(diào)試中起著十分重要的作用?？罩薪涌谕ㄐ拍Ｊ皆絹?lái)越多樣化，這就要求無(wú)線(xiàn)電調(diào)試的硬件能夠提供一個(gè)可以編程的硬件平臺(tái)，可以配置的硬件平臺(tái)。無(wú)線(xiàn)電調(diào)試技術(shù)研究方向逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，除此之外，時(shí)鐘分配、系統(tǒng)能耗和移動(dòng)終端也逐漸成為研究?jī)?nèi)容。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)電技術(shù)應(yīng)該可以為用戶(hù)提供一個(gè)可支持多開(kāi)發(fā)環(huán)境的平臺(tái)，這使得可配置的管理模塊、中間件和API成為研究的重中之重。系統(tǒng)、硬件和軟件的更新和增加可以通過(guò)即插即用的核實(shí)現(xiàn)，使得更新和增減的工作變得更加便捷。無(wú)線(xiàn)電的調(diào)試具有靈活性的特性，可以實(shí)現(xiàn)基本的通信和智能化的應(yīng)用。智能化無(wú)線(xiàn)電的應(yīng)用使得下載軟件和感知環(huán)境變得更加方便。無(wú)線(xiàn)電調(diào)試技術(shù)可以更好的保證用戶(hù)利用資源的效率和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]吳啟輝，王金龍.軟件無(wú)線(xiàn)電在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與新進(jìn)展.電信科學(xué)， 2000（7）.

[2]高路、康桂華、李慶玲.基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)合作頻譜檢測(cè)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（6）.

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【關(guān)鍵詞】應(yīng)急廣播 無(wú)線(xiàn)電管理 頻率資源 體系建設(shè)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G203 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

結(jié)合我們的工作，我從無(wú)線(xiàn)電管理的角度談一點(diǎn)設(shè)想，供大家參考。

主要介紹三個(gè)方面：一是無(wú)線(xiàn)電和應(yīng)急管理；二是應(yīng)急廣播的頻率資源，我側(cè)重從廣播專(zhuān)用頻率的頻率給大家介紹一下簡(jiǎn)單的概念；三是應(yīng)急廣播體系的建設(shè)。

無(wú)線(xiàn)電的管理跟廣播是密切關(guān)聯(lián)的，甚至可以說(shuō)是同一個(gè)起源，英語(yǔ)中有一個(gè)詞radio，一個(gè)意思是廣播收音機(jī)，另外一個(gè)意思是無(wú)線(xiàn)電。無(wú)線(xiàn)電最早的應(yīng)用就是從廣播和收音機(jī)開(kāi)始的，2012年聯(lián)合國(guó)教科文組織把每年2月13日定義為國(guó)際無(wú)線(xiàn)電日。廣播在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)或者不夠發(fā)達(dá)的地區(qū)傳遞信息，起著至關(guān)重要的作用。

這些年來(lái)，廣播和更廣義的無(wú)線(xiàn)電管理，在國(guó)家應(yīng)急管理中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，不僅在中國(guó)，在世界范疇里面同樣發(fā)揮了重要的作用。世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)第644號(hào)決議中，就包括了關(guān)于無(wú)線(xiàn)電災(zāi)害預(yù)警、減災(zāi)和救援應(yīng)用的指示要求，第646號(hào)決議包括了無(wú)線(xiàn)電在公眾保護(hù)和救災(zāi)中的頻率使用。除此之外，國(guó)際上還了一系列的通函，試圖在世界范圍內(nèi)建立空間和地面無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)專(zhuān)用的頻率數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)世界某個(gè)地區(qū)出現(xiàn)了緊急情況之后，各國(guó)救援力量能及時(shí)獲取可用的頻率。

除了這些決議要求之外，國(guó)際上也在建立全球遇險(xiǎn)和安全無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。這些年無(wú)線(xiàn)電在各類(lèi)重大活動(dòng)保障中發(fā)揮了重要的作用，跟廣播一樣，也加入了保障工作。

關(guān)于中國(guó)應(yīng)急無(wú)線(xiàn)電廣播的頻率，有中波、短波和調(diào)頻短波（超短波），當(dāng)然還有衛(wèi)星廣播。關(guān)于衛(wèi)星（聲音）廣播，1992年世界上就劃分了1452到1492MHz的頻段，但這么多年過(guò)去了，中國(guó)一直沒(méi)有建立自己的衛(wèi)星（聲音）廣播系統(tǒng)。前些年有一個(gè)亞洲之星，在全球范圍內(nèi)發(fā)了幾顆衛(wèi)星，從技術(shù)上都是很成熟的，但這些年發(fā)展得不是很好。

圖1：應(yīng)急廣播的頻率資源（一）

圖2：短波廣播

圖3：應(yīng)急廣播的頻率資源（二）

中波和短波，還有調(diào)頻無(wú)線(xiàn)電廣播業(yè)務(wù)，是在國(guó)際電信聯(lián)盟42種無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)中最早發(fā)展起來(lái)的業(yè)務(wù)之一，使用的頻率總體來(lái)說(shuō)是比較好的頻段，電波傳播特性好，穿透力強(qiáng)。車(chē)開(kāi)到地下二層，仍然可以聽(tīng)到中央人民廣播電臺(tái)的頻率。

根據(jù)《廣電條例》，中波廣播頻率的規(guī)劃和指配都是國(guó)家新聞出版廣電總局在負(fù)責(zé)。在中波專(zhuān)用頻段526.5KHz～1606.5KHz范圍內(nèi)，我感覺(jué)中波廣播的效果不如以前那么好，可能是電磁環(huán)境不如以前干凈了，噪音高了。國(guó)際電聯(lián)也出臺(tái)決議，各國(guó)要保護(hù)中波和短波頻段的航空和水上的移動(dòng)業(yè)務(wù)，以避免對(duì)飛機(jī)通信和導(dǎo)航產(chǎn)生干擾。

短波廣播情況稍微有點(diǎn)區(qū)別，廣播的頻段劃分了一系列小的波段，大概劃了100多個(gè)，這些頻點(diǎn)主要是被三個(gè)系列的業(yè)務(wù)在應(yīng)用，第一個(gè)就是廣播，第二是水上移動(dòng)業(yè)務(wù)，因?yàn)榇话汩_(kāi)得比較遠(yuǎn)，只能靠傳輸距離比較遠(yuǎn)的短波來(lái)覆蓋。還有航空安全的業(yè)務(wù)，整個(gè)短波頻率也是有一系列很重要的業(yè)務(wù)在使用。在短波廣播業(yè)務(wù)頻率選取的時(shí)候，一定要注意避開(kāi)一些重要的業(yè)務(wù)，使相互之間不要有干擾，同時(shí)保障短波的廣播能正常進(jìn)行。

調(diào)頻廣播是受眾最多的，87MHz～108MHz是我們主用的頻段，這個(gè)頻段的上邊和下邊，都有重要的航空通信導(dǎo)航業(yè)務(wù)使用，要避免廣播業(yè)務(wù)與航空無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)之間的干擾。

圖4：應(yīng)急廣播的頻率資源（三）

最后，結(jié)合無(wú)線(xiàn)電管理工作的情況，講一講下一步支持全國(guó)無(wú)線(xiàn)電應(yīng)急廣播體系建設(shè)的一些設(shè)想。

第一個(gè)方面就是要規(guī)劃配置頻率資源，除廣播頻段內(nèi)的頻率規(guī)劃外，廣播頻段外的頻率規(guī)劃，如調(diào)頻廣播87MHz以下的相關(guān)規(guī)劃，還是要結(jié)合各種業(yè)務(wù)發(fā)展的具體需要，做好下一步相關(guān)的規(guī)劃。

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關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電 通信系統(tǒng) 信號(hào)處理技術(shù) 解調(diào)/調(diào)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TD6515 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416(2012)01-0037-02

1、軟件無(wú)線(xiàn)電概述

約瑟夫?米托拉（Jeseph Mitola）在1922年5月份舉行的美國(guó)通信系統(tǒng)會(huì)議上第一次正式提出了“軟件無(wú)線(xiàn)電”（SWR，Software Radio）的概念。該概念的核心思想就是積極建構(gòu)一個(gè)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的硬件支持平臺(tái)，而后借助該硬件支持平臺(tái)，讓寬帶D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器與天線(xiàn)在最大程度上相互靠近，利用軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種所需要的無(wú)線(xiàn)通信功能，例如數(shù)據(jù)格式、工作頻段、加密模式、調(diào)制解調(diào)方式以及通信協(xié)議等等，讓軟件無(wú)線(xiàn)電擁有使用靈活、通用性強(qiáng)、便于升級(jí)和系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。由于軟件無(wú)線(xiàn)電的各種功能是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)的，因此，假如需要對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行更新只需要添加新型軟件模塊即可；同時(shí)，軟件無(wú)線(xiàn)電可以形成多種通信協(xié)議與調(diào)制波形，因此能夠有效兼容以往的舊體制電臺(tái)，延長(zhǎng)了通信系統(tǒng)的使用壽命，降低了使用成本。

各個(gè)國(guó)家為了徹底解決通信中的互通性問(wèn)題，均在積極開(kāi)展研究和探索，在讓通信系統(tǒng)充分滿(mǎn)足互通性的前提下，還需要在保密性、抗干擾性、安全性等方面多做努力。除此之外，為了同時(shí)兼顧無(wú)線(xiàn)電臺(tái)時(shí)展的銜接問(wèn)題，通信系統(tǒng)還需要具有較長(zhǎng)的使用壽命。除了軟件無(wú)線(xiàn)電之外，還有另一設(shè)想也能夠滿(mǎn)足以上要求，即研發(fā)多功能化、多頻段化的電臺(tái)，并將其系列化，用以代替目前所有的電臺(tái)，但是該想法需要有強(qiáng)大的資金支持，并且使用壽命也很難符合要求。在通信技術(shù)發(fā)展極為迅速的今天，那些系列化的電臺(tái)會(huì)很快落伍。

在今天，日新月異的電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速發(fā)展的信號(hào)處理技術(shù)和寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、具有較高技術(shù)成熟度的EDA工具和可編程器件尤其是不斷提升的硬件制造水平，這些均為軟線(xiàn)無(wú)線(xiàn)電提供了極大的技術(shù)便利。有鑒于此，軟件無(wú)線(xiàn)電的物理層必須要具備非常優(yōu)秀的適應(yīng)性和靈活性，能夠在最大程度上兼容各種操作系統(tǒng)，并保證各種通信功能可以正常使用。相對(duì)于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，軟件無(wú)線(xiàn)電不需要考慮多標(biāo)準(zhǔn)通信問(wèn)題、信道特性和介質(zhì)的改變問(wèn)題，總之不需要考慮硬件的更新問(wèn)題以及由此帶來(lái)的接口通用性問(wèn)題，它在保證通信功能的同時(shí)，也有效節(jié)約了使用成本。

2、軟件無(wú)線(xiàn)電的相關(guān)特點(diǎn)

軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有眾多的優(yōu)勢(shì)，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

第一，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的基本設(shè)計(jì)思想就是模塊化設(shè)計(jì)理念。利用該技術(shù)，非常容易實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。通信系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和電氣接口方面均嚴(yán)格遵循開(kāi)放和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如果需要進(jìn)行維護(hù)或者提升系統(tǒng)性能，僅僅通過(guò)更換某一個(gè)模塊便可以實(shí)現(xiàn)，而不需要更新整個(gè)系統(tǒng)。

第二，全面的數(shù)字化。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠?yàn)槲覀兲峁﹥?yōu)秀于當(dāng)前任何一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的全面數(shù)字化的通信系統(tǒng)。這主要是因?yàn)檐浖o(wú)線(xiàn)電技術(shù)數(shù)字化處理的重點(diǎn)便是通信系統(tǒng)的基帶信號(hào)、射頻段信號(hào)以及中頻段信號(hào)。

第三，功能的軟件化。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)除了必需的具有良好通用性的硬件支持平臺(tái)之外，其他的各種功能均能夠通過(guò)軟件編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，軟件編程可以實(shí)現(xiàn)以下這些功能，主要包括：信源編碼、解碼方式以及可編程的射頻頻段、中頻頻段、信道解調(diào)方式與信道調(diào)制方式等等。

第四，優(yōu)秀的可拓展性。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有非常優(yōu)秀的可拓展性，不管是系統(tǒng)功能的拓展，還是系統(tǒng)功能的升級(jí)，均可以非常輕松地完成。由于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的硬件支持平臺(tái)，因此在硬件方面的可拓展性不大，其優(yōu)秀的可拓展性主要體現(xiàn)在軟件方面。如果想要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或者拓展僅僅需要對(duì)相應(yīng)的軟件進(jìn)行升級(jí)或者拓展即可，非常方便。升級(jí)和拓展軟件要比改進(jìn)和優(yōu)化硬件電路簡(jiǎn)單許多。借助于軟件工具，能夠根據(jù)實(shí)際需求來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信業(yè)務(wù)的拓展。

3、軟件無(wú)線(xiàn)電的若干關(guān)鍵性技術(shù)

3.1 DDC（數(shù)字下變頻技術(shù)）

DDC是“Digital Down Converter”的縮寫(xiě)，即數(shù)字下變頻技術(shù)。數(shù)字下變頻是A/D變換完成之后排在第一位的需要處理的工作項(xiàng)目。通常而言，數(shù)字下變頻主要包括數(shù)字下變頻、二次采樣以及濾波等三項(xiàng)內(nèi)容，是通信系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行數(shù)字處理工作量最大的環(huán)節(jié)，也是工作難度最大的環(huán)節(jié)。一般情況下，人們均抱有以下觀點(diǎn)，即只有對(duì)每一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行一百次以上的操作才能夠在比較好的程度上進(jìn)行濾波等處理。我們假設(shè)基于軟件無(wú)線(xiàn)電的通信系統(tǒng)的頻率是10 MHz，那么采樣率則必須要高于25 MHz。則單個(gè)DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）芯片需要具備至少2500 MIPS（Million Instructions Per Second，百萬(wàn)條指令）的運(yùn)算水平，目前的DSP水平是很難滿(mǎn)足這樣的運(yùn)算要求的。目前為了有效解決DSP預(yù)算能力的瓶頸問(wèn)題，通常都將DDC（數(shù)字下變頻技術(shù)）的工作交給專(zhuān)用的可編程芯片去完成。借助此舉，軟件無(wú)線(xiàn)電的可靠性不僅獲得了保證，還保留了無(wú)線(xiàn)電所特有的優(yōu)勢(shì)。目前的DDC芯片通常具有很高的可編程能力，可以比較簡(jiǎn)單地通過(guò)改變控制參數(shù)的方式來(lái)控制信道的中心頻率、二次采樣率以及帶寬，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)帶寬信號(hào)中將所需要頻點(diǎn)和帶寬的信號(hào)進(jìn)行濾出的效果。

3.2 寬帶/多頻段天線(xiàn)技術(shù)

我們對(duì)基于軟件無(wú)線(xiàn)電的通信系統(tǒng)的天線(xiàn)提出的要求是，能夠有效地覆蓋所有的無(wú)線(xiàn)通信頻段。顯然，這樣的要求還是非常高的。我們以美軍為例，它曾經(jīng)研發(fā)出一款幾個(gè)倍頻程的寬帶天線(xiàn)，然而由于效率非常之低而最終放棄。對(duì)于絕大多數(shù)的通信系統(tǒng)而言，其天線(xiàn)只需要覆蓋幾個(gè)頻程不同的窗口便可以，而不是一定要覆蓋所有的頻段；如果想要覆蓋所有的頻段，則可以采用組合式多頻段天線(xiàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)該要求。并且，組合式多頻段天線(xiàn)在技術(shù)上具有很高的可行性，我們以美國(guó)研制的AN-400型的超寬帶葉片狀天線(xiàn)為例，它可以覆蓋960MHz至1220MHz和30MHz至400MHz的頻段。

3.3 高速信號(hào)處理技術(shù)

高速DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）芯片是基于軟件無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)的核心部件之一，其中主要的職責(zé)就是完成編碼/譯碼、比特流處理、調(diào)制解調(diào)以及基帶處理等環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容。但是高速DSP芯片也是制約基于軟件無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)發(fā)展的重要因素之一，主要原因就是單個(gè)的高速DSP芯片處理能力不能夠有效地完成單路數(shù)字話(huà)音調(diào)制解調(diào)和編碼/譯碼的工作量。因此，為了應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，通常需要采用多個(gè)DSP芯片并行處理的方式來(lái)獲得運(yùn)算能力的提升。

4、軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)設(shè)計(jì)思路

4.1 選擇軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)線(xiàn)電的結(jié)構(gòu)基本上分為三種：射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。其中，射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)的軟件無(wú)線(xiàn)電，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的性能如轉(zhuǎn)換速度、工作帶寬和動(dòng)態(tài)范圍等提出了非常高的要求，同時(shí)對(duì)后續(xù)的DSP或ASIC（專(zhuān)用集成電路）的處理速度要求也特別高。射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)的軟件無(wú)線(xiàn)電，雖然對(duì)后續(xù)DSP的處理速度要求不高，但是這種結(jié)構(gòu)對(duì)A/D工作帶寬的要求（實(shí)際上主要是對(duì)于A/D中采樣保持器的速度要求）是比較高的。與前兩種結(jié)構(gòu)相比，寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結(jié)構(gòu)，不僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所要求的超高速采樣，也不要求第二種結(jié)構(gòu)所需的高精度、高工作帶寬所要求的采樣保持放大器，使A/D設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，其代價(jià)只是增加了一些前端的復(fù)雜性，綜合以上分析討論，寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線(xiàn)電結(jié)構(gòu)是近期軟件無(wú)線(xiàn)電研究中一種較可行的設(shè)計(jì)方案。

4.2 軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)思路

硬件電路的實(shí)現(xiàn)是檢驗(yàn)理論的最有效的方法，基于軟件無(wú)線(xiàn)電的通信系統(tǒng)是基于中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)的，使用專(zhuān)用數(shù)字下變頻芯片HSP50214進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)模擬下變頻、采樣、數(shù)字下變頻、信號(hào)處理和模擬輸出等功能。此接收機(jī)的整體設(shè)計(jì)思路包括以下幾個(gè)模塊：

(1)模擬前端。此部分主要是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的模擬下變頻，將信號(hào)變換成中頻，模塊的主要器件可采用UV1316。

(2)中頻放大A/D采樣模塊。此模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的中頻放大和高速A/D采樣，器件可選用中頻放大芯片MAX4265和A/D采樣芯片MAX1444。

(3)數(shù)字下變頻模塊。此部分主要功能是從輸入的寬帶高速數(shù)據(jù)流的數(shù)字信號(hào)中提取所需的窄帶信號(hào)，將其下變頻為數(shù)字基帶信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成較低的數(shù)據(jù)流。

(4)直接數(shù)字合成器模塊。直接數(shù)字合成器部分可利用AD公司的AD9851芯片實(shí)現(xiàn)可變采樣頻率的合成。AD9851的功能十分強(qiáng)大，在本系統(tǒng)中用作產(chǎn)生數(shù)字可調(diào)的A/D芯片的采樣時(shí)鐘和DDC芯片HSP50214B的采樣時(shí)鐘輸入信號(hào)CLKIN。其目的是為了滿(mǎn)足DDC的CLKIN等于A/D采樣頻率的倍數(shù)關(guān)系，并且實(shí)現(xiàn)可變采樣頻率采樣，增加系統(tǒng)的靈活性。

(5)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊。本系統(tǒng)可應(yīng)用TMS320C5402高速定點(diǎn)DSP芯片，它在整個(gè)系統(tǒng)中起著中心控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制解調(diào)等數(shù)字信號(hào)處理算法的功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

(6)D/A轉(zhuǎn)換模擬功放模塊。D/A轉(zhuǎn)換模擬功放模塊可采用MAX525芯片和MAX4298芯片，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大。

5、結(jié)語(yǔ)

基于軟件無(wú)線(xiàn)電結(jié)構(gòu)的通信信號(hào)調(diào)制解調(diào)通用平臺(tái)軟件，通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種模擬、數(shù)字調(diào)制解調(diào)模式的兼容，如要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)其它模式的調(diào)制解調(diào)，只需基于此結(jié)構(gòu)添加新的調(diào)制解調(diào)算法即可，而不需要改變系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)。

總之，在現(xiàn)代的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信令部分已經(jīng)是用軟件完成，軟件無(wú)線(xiàn)電的任務(wù)是將通信協(xié)議及軟件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化。同時(shí)，把現(xiàn)有的各種無(wú)線(xiàn)信令按軟件無(wú)線(xiàn)電的要求劃分成幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的層次，開(kāi)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的信令模塊，研究通用信令框架。軟件無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵和重點(diǎn)技術(shù)使其具有相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)字電臺(tái)的優(yōu)越性，讓軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在具有多元化功能的同時(shí)，也為電臺(tái)的寬頻段提供了必要的保證。

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論文摘要:感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是在軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的擴(kuò)展，它使軟件無(wú)線(xiàn)電從預(yù)先定義協(xié)議的盲目執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的智能。感知無(wú)線(xiàn)電雖具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)并不成熟，本文對(duì)感知無(wú)線(xiàn)電的無(wú)線(xiàn)傳輸場(chǎng)景分析、信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)、功率控制和頻譜管理，無(wú)線(xiàn)電知識(shí)描述語(yǔ)言等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作的開(kāi)展提供一些參考。

一、感知無(wú)線(xiàn)電的概念

感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)用以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜共享。通過(guò)檢測(cè)空中信號(hào)占用頻譜，通過(guò)探知無(wú)線(xiàn)環(huán)境中空閑頻譜資源，選擇可被自己利用頻率進(jìn)行通信。租借系統(tǒng)通過(guò)采用感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤授權(quán)系統(tǒng)占用頻率狀況，隨時(shí)使用、釋放頻段，在保障授權(quán)系統(tǒng)通信前提下，與授權(quán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)共享頻譜。采用頻譜檢測(cè)方式獲取頻譜信息可使感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能適應(yīng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境頻譜使用狀況短期變化，高效利用頻譜，并且感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不要求改造現(xiàn)有系統(tǒng)，對(duì)無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境和用戶(hù)需求都將具有較好適應(yīng)性。

感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)動(dòng)態(tài)頻譜共享是自適應(yīng)傳輸技術(shù)思想在頻譜分配領(lǐng)域的運(yùn)用。自適應(yīng)傳輸使無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)信道傳輸能力的變化，通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)改善頻譜利用率。而感知無(wú)線(xiàn)電使無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)占用的頻譜適應(yīng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境頻譜使用狀況的變化，通過(guò)增加共享同一頻段的系統(tǒng)數(shù)、用戶(hù)數(shù)來(lái)提高頻譜利用率。不管是自適應(yīng)傳輸技術(shù)還是感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，其思想的核心都是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)能自動(dòng)地適應(yīng)外界環(huán)境和自身需求的變化。

感知無(wú)線(xiàn)電思想可以推廣到移動(dòng)通信其它層面。從低層到高層，要求未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)能檢測(cè)系統(tǒng)各層參數(shù)與狀態(tài)，如鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、業(yè)務(wù)負(fù)載、甚至用戶(hù)需求，并能適應(yīng)這些變化。從通信端到端，在存在重疊覆蓋多種無(wú)線(xiàn)電通信環(huán)境下，要求移動(dòng)設(shè)備能夠在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間切換，實(shí)現(xiàn)包括終端、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)在內(nèi)的端到端重配置。這也就是所謂的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(CognitiveNetwork)。

二、感知無(wú)線(xiàn)電關(guān)鍵技術(shù)分析

作為一種新的智能無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，感知無(wú)線(xiàn)電可以感知到周?chē)沫h(huán)境特征，采用構(gòu)建方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)相關(guān)描述語(yǔ)言(RadioKnowledgeRepresentationLanguage，RKRL)與通信網(wǎng)絡(luò)智能交流，實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸參數(shù)，使系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)規(guī)則與輸入的無(wú)線(xiàn)電激勵(lì)的變化相適應(yīng)，以達(dá)到隨時(shí)隨地通信系統(tǒng)的高可靠性和頻譜利用的高效性。無(wú)線(xiàn)規(guī)則指一系列適合無(wú)線(xiàn)頻譜合理使用的射頻帶寬、空中接口、相關(guān)協(xié)議和空間時(shí)間模式的設(shè)置。感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的重構(gòu)能力很重要，該功能就是以軟件無(wú)線(xiàn)電作為平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。重構(gòu)功能是由軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)，而感知無(wú)線(xiàn)電的其他任務(wù)是通過(guò)信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)，其感知過(guò)程開(kāi)始于無(wú)線(xiàn)電激勵(lì)的被動(dòng)感應(yīng)，以做出反應(yīng)行為而終止，一個(gè)基本的感知周期要大致分為3個(gè)基本過(guò)程，分別是無(wú)線(xiàn)傳輸場(chǎng)景分析、信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)、功率控制和頻譜管理，它們的順序執(zhí)行使感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的感知功能得以實(shí)現(xiàn)。

2.1感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與動(dòng)態(tài)頻譜分配

未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)滿(mǎn)足用戶(hù)需求的關(guān)鍵點(diǎn)是提高頻譜利用率。移動(dòng)通信的發(fā)展使帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的頻率短缺問(wèn)題。解決頻率短缺大致有兩類(lèi)方法，一是擴(kuò)大可利用的頻率范圍，二是提高頻譜利用率。為增加可用頻率，移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率已擴(kuò)展至300GHZ。無(wú)線(xiàn)信道的路徑損耗是隨頻率升高而迅速增加的，所以頻率過(guò)高并不利于移動(dòng)通信。因而，更加有效的方法是提高頻譜利用率。

提高頻譜利用率有三類(lèi)途徑，改進(jìn)通信設(shè)備的傳輸技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、提高組網(wǎng)能力。目前廣泛采用這兩種途徑，但是這兩種方法能夠獲得的頻潛利用率增益將越來(lái)越少。第三種提高頻譜利用率的途徑是改進(jìn)頻譜分配方式。

目前國(guó)際上主要采用固定頻譜分配方式，一個(gè)頻段只分配給一個(gè)無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)，不管分配的頻段是否被頻率牌照的所有者實(shí)際使用，其它無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)不能占用該頻段。為提高頻譜利用率，可以將一些頻段分配給了多個(gè)系統(tǒng)，允許它們同時(shí)占有同一個(gè)頻段，甚至一些頻段可以開(kāi)放為不需牌照的頻段，允許任意系統(tǒng)占用。盡管固定頻譜分配方式能夠改善系統(tǒng)干擾問(wèn)題，但由于頻譜的授權(quán)系統(tǒng)并不是在任何地區(qū)的任何時(shí)刻都使用頻率，其頻譜利用率很低。而簡(jiǎn)單地允許多個(gè)系統(tǒng)共享一個(gè)頻段，雖然優(yōu)于獨(dú)占性的固定頻譜分配方式，但由于它對(duì)頻譜共享沒(méi)有加以必要的控制，一個(gè)系統(tǒng)占用頻率前并不知道該頻率是否正在被其它系統(tǒng)使用，從而導(dǎo)致了兩方面的問(wèn)題?？梢?jiàn)，如果僅僅是簡(jiǎn)單地允許多個(gè)系統(tǒng)共享頻譜，而不避免系統(tǒng)間干擾，會(huì)制約頻譜利用率的提高，并且不能保證通信質(zhì)量。為解決頻譜短缺與頻譜利用率低下的矛盾，可以考慮采用動(dòng)態(tài)頻譜分配方式。允許多個(gè)系統(tǒng)共享同一頻段，各系統(tǒng)只在需要通信時(shí)才能占有頻段，通信結(jié)束就釋放頻段，而且必須控制系統(tǒng)間干擾，后接入的系統(tǒng)不能影響其它已有系統(tǒng)的通信。為與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容，分配頻段上授權(quán)系統(tǒng)有使用頻譜的最高優(yōu)先級(jí)，只要不影響授權(quán)系統(tǒng)通信，租借系統(tǒng)與授權(quán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)共享頻譜。這種動(dòng)態(tài)的頻譜共享包含時(shí)間與空間兩方面。在時(shí)間上，當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)不使用所分配的頻率時(shí)，租借系統(tǒng)可以占用頻率，但當(dāng)授權(quán)系統(tǒng)重新占用頻率時(shí)，租借系統(tǒng)必須及時(shí)地歸還頻率。

2.2信道狀態(tài)估計(jì)及其容量預(yù)測(cè)

信道估計(jì)的結(jié)果可用來(lái)計(jì)算信道容量，用于控制發(fā)送端的信號(hào)能量，可使用香農(nóng)法則計(jì)算信道容量C，但在感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中并不直接在發(fā)送端傳輸C的信息，而是量化C，一定的量化率用于反饋發(fā)送端，量化比率是預(yù)先確定的，所以接收機(jī)接收的信息量要小于信道容量C。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的傳輸率是波動(dòng)的，當(dāng)其超出一定界限時(shí)，就會(huì)引起系統(tǒng)的不正常工作，這個(gè)界限決定了最大的傳輸比特率。

2.3功率控制和頻譜管理

2.3.1功率控制

在感知無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中功率控制的實(shí)現(xiàn)以分布方式進(jìn)行，以擴(kuò)大系統(tǒng)工作范圍，提高接收機(jī)性能?？刂瓢l(fā)送端功率是感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在多址接入的感知無(wú)線(xiàn)電信道環(huán)境中，主要采用協(xié)作機(jī)制方法，包括規(guī)則及協(xié)議和協(xié)作的Adhoc網(wǎng)絡(luò)兩方面內(nèi)容。多用戶(hù)的感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)彼此協(xié)作工作，基于先進(jìn)的頻譜管理功能，可以提高系統(tǒng)工作性能，支持更多用戶(hù)接入。

2.3.2動(dòng)態(tài)頻譜管理

動(dòng)態(tài)頻譜管理也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)頻譜分配，具有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻譜高效利用的功能。在感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中，頻譜管理的算法可這樣描述:基于頻譜空穴和功率控制器的輸出，選擇一種調(diào)制方式以適應(yīng)時(shí)變的無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境，使系統(tǒng)工作在可靠傳輸?shù)臓顟B(tài)下。系統(tǒng)工作的可靠性可由信噪比差額(SNRgap)的大小確定。

2.4無(wú)線(xiàn)電知識(shí)描述語(yǔ)言

傳統(tǒng)的軟件無(wú)線(xiàn)電不能與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能交流，因?yàn)闆](méi)有基于模式推理計(jì)劃能力和沒(méi)有相關(guān)描述語(yǔ)言。在以軟件無(wú)線(xiàn)電為發(fā)展平臺(tái)的感知無(wú)線(xiàn)電研究中，研究表示無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)知識(shí)、計(jì)劃和所需語(yǔ)言是關(guān)鍵技術(shù)，無(wú)線(xiàn)電知識(shí)描述語(yǔ)言(RKRL)應(yīng)運(yùn)而生，它表示了無(wú)線(xiàn)規(guī)則、系統(tǒng)配置、軟件模塊、網(wǎng)絡(luò)傳送、用戶(hù)需求、應(yīng)用環(huán)境等知識(shí)。

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[關(guān)鍵詞]博弈論；認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電；頻譜共享

中圖分類(lèi)號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）22-0287-01

無(wú)線(xiàn)頻譜是十分有限的資源，為了實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用服務(wù)，頻譜管理部門(mén)采用固定頻譜接入方法排除了其他干擾因素，即將頻譜分配給多個(gè)用戶(hù)，讓其單獨(dú)應(yīng)用，因此，只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶(hù)有資格使用頻譜，對(duì)于大部分非授權(quán)用戶(hù)而言，根本就無(wú)法應(yīng)用頻譜。通信技術(shù)的發(fā)展，使人們對(duì)無(wú)線(xiàn)頻譜的需求量大量增加，由于可用頻譜已經(jīng)被完全分配，從而使頻譜成為十分稀缺的資源。此外，由于頻譜利用率比較低，大部分頻譜都被白白浪費(fèi)，由此可見(jiàn)，頻譜短缺的問(wèn)題除了資源少之外，還包括其較低的利用率。本文通過(guò)闡述認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的現(xiàn)狀，對(duì)其頻譜共享問(wèn)題進(jìn)行分析。

一、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電與頻譜管理

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（CR）提出后，受到了人們的廣泛關(guān)注。美國(guó)將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電定義為能夠隨時(shí)根據(jù)無(wú)線(xiàn)環(huán)境變化，而發(fā)生動(dòng)態(tài)改變、發(fā)射參數(shù)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。因此，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電可以密切感受附近環(huán)境的無(wú)線(xiàn)頻譜狀態(tài)，并且自動(dòng)搜集利用率較低的頻譜，按照相應(yīng)的算法將其改變工作參數(shù)進(jìn)行改變，以便適應(yīng)外部環(huán)境的變化，使頻譜的利用率得到提高。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通過(guò)接入空閑頻譜（頻譜空穴），能夠?qū)︻l譜合理進(jìn)行利用，實(shí)現(xiàn)了DSA，具體如圖1所示。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠在很大程度上提高頻譜利用率，因而產(chǎn)生了認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)，其研究?jī)?nèi)容比較多，包括高層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)社交，并成為了未來(lái)產(chǎn)業(yè)化研究的趨勢(shì)。對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜管理進(jìn)行進(jìn)一步研究，可以使頻譜資源得到更高效的應(yīng)用。一般情況下，頻譜管理的主要內(nèi)容有頻譜感知、判決、共享以及切換。

對(duì)于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的頻譜共享問(wèn)題，常選擇基于圖論的圖著色的方法、基于注水算法以及基于博弈論的拍賣(mài)等方法。下文主要以博弈理論為前提，對(duì)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在的頻譜共享問(wèn)題進(jìn)行分析。

二、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜共享

目前，存在很多動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)，分級(jí)接入模型和頻譜管理政策是最兼容的，尤其是襯底式頻譜共享可以機(jī)會(huì)式的使用空閑頻譜，避免對(duì)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)造成影響。用經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法分析頻譜問(wèn)題，可以提高空閑頻譜共享的積極性，提高其利用率。博弈論方法能夠更加清楚的分析認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜共享問(wèn)題，使其利用率最大化。

1.博弈論基本內(nèi)容

博弈論的概念是有經(jīng)濟(jì)學(xué)中發(fā)展而來(lái)的，上世紀(jì)40年代后期，逐漸形成了合作博弈理論，通過(guò)對(duì)個(gè)體合作進(jìn)行假設(shè)，對(duì)其最優(yōu)策略進(jìn)行分析。博弈論最初被應(yīng)用在生物領(lǐng)域，之后逐漸發(fā)展為更多領(lǐng)域，包括工程學(xué)、社會(huì)科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等，成為了分析個(gè)體之間合作、競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)系的十分有效的工具。傳統(tǒng)博弈分析里邊有一個(gè)基本假設(shè)條件，也就是參與者是完全理性的。一條信息P是共同知識(shí)，指群體G當(dāng)中每個(gè)參與者都知道“P”，并且每個(gè)參與者都知道“每個(gè)參與者都知道‘P’”……不斷循環(huán)。理性即參與者選擇使自身效用最大化時(shí)的行動(dòng)。在上述假設(shè)下，博弈的解便是參與者預(yù)測(cè)的結(jié)果。完全理性的接設(shè)條件在現(xiàn)實(shí)中很難滿(mǎn)足，但博弈論的應(yīng)用對(duì)象主要為計(jì)算機(jī)，因此可將其看做理性范圍。

一般情況下，博弈類(lèi)型主要為合作博弈、非合作博弈。非合作博弈是參與者根據(jù)效用函數(shù)選擇的理智行動(dòng)，每個(gè)參與者都需要利己，選擇各自的策略。而非合作博弈的內(nèi)容很多，可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域中。一個(gè)博弈之中，某個(gè)參與者的自身信息也許不被其他參與者知道，因此根據(jù)參與者彼此的了解程度可以將博弈分為兩類(lèi)，即不完全信息博弈、完全信息博弈。除此之外，一個(gè)博弈里邊，參與者可能一起行動(dòng)，也可能有順序的行動(dòng)，因此可以根據(jù)其行動(dòng)次序分為動(dòng)態(tài)博弈、靜態(tài)博弈。靜態(tài)博弈是參與者在不知道他人選擇的情況下做出的策略決策，參與者完成決策后，表明博弈結(jié)束；動(dòng)態(tài)博弈中，參與者難以獲得參與者的全部信息，即為不完全信息動(dòng)態(tài)博弈。

2.博弈論應(yīng)用在頻譜共享的可行性

因?yàn)轭l譜資源是十分有限的，但在通訊技術(shù)的發(fā)展下，人們對(duì)無(wú)線(xiàn)頻譜的需求越來(lái)越大，而采用頻譜共享技術(shù)解決這一供需矛盾，具有十分重要的意義。要想實(shí)現(xiàn)頻譜共享問(wèn)題，就要解決很多實(shí)際問(wèn)題，比如網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施差異、用戶(hù)移動(dòng)性及不同用戶(hù)的行為等。在整個(gè)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)授權(quán)系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)是共存的，每個(gè)系統(tǒng)中的用戶(hù)都存在不同的行為，有些網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)是互相協(xié)作的關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲心軌蛲瓿蓚鬏斎蝿?wù)，有些用戶(hù)僅完成自己的通信任務(wù)，個(gè)別用戶(hù)甚至肆意破壞別的用戶(hù)的通信狀況。只有系統(tǒng)分析網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的行為及相互作用，才能更好的實(shí)現(xiàn)頻譜共享。博弈論主要研究彼此競(jìng)爭(zhēng)或者合作的個(gè)體，和動(dòng)態(tài)頻譜共享問(wèn)題的研究?jī)?nèi)容一樣?？梢圆捎貌┺恼摲治鲱l譜共享問(wèn)題，并得到解決措施。結(jié)合認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜共享時(shí)，博弈包括的要素主要有參與者、策略空間以及效用函數(shù)。

參與者是授權(quán)網(wǎng)絡(luò)或者認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，也可以是兩者的組成，根據(jù)參與者構(gòu)成內(nèi)容及數(shù)量，組成相應(yīng)類(lèi)型的博弈。因此，采用博弈論可以更好的解決認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的頻譜貿(mào)易問(wèn)題。

三、性能仿真分析

1.參數(shù)設(shè)置

文章主要對(duì)重復(fù)庫(kù)諾特頻譜共享博弈模型進(jìn)行分析。由主用戶(hù)、次用戶(hù)共享15MHz頻譜的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，所有認(rèn)知用戶(hù)的目標(biāo)BER均為，博弈動(dòng)態(tài)模型為下列公式：

上述公式中，bi（t）是某個(gè)時(shí)刻t次用戶(hù)i可以分到的頻譜；ai是次用戶(hù)i速度調(diào)整參數(shù)，ri是此用戶(hù)i的收益，公式中則是此用戶(hù)的傳輸速率；k是頻譜密度效率，x與y都是非負(fù)常數(shù)，c大于等于1。主用戶(hù)價(jià)格函數(shù)采用X=0，Y=1，c根據(jù)環(huán)境評(píng)估予以調(diào)整。主用戶(hù)頻譜價(jià)格w=1，則次用戶(hù)收益ri=10。

2.仿真結(jié)果分析

由于信道質(zhì)量存在較大差異，因此納什均衡在不同點(diǎn)上，因?yàn)槭褂玫氖亲赃m應(yīng)調(diào)制技術(shù)，次用戶(hù)能夠在頻譜一樣的情況下，得到更好的傳輸速率及收益，對(duì)于次用戶(hù)而言，要?jiǎng)討B(tài)庫(kù)諾特博弈中頻譜共享軌跡能夠說(shuō)明次用戶(hù)i速度參數(shù)為ai=az=0.14；在速度相同的參數(shù)下，納什均衡點(diǎn)信道質(zhì)量良好，能夠使曲線(xiàn)出現(xiàn)更大變化。

圖2是不同信道質(zhì)量和穩(wěn)定區(qū)域的關(guān)系，不同信道質(zhì)量穩(wěn)定范圍在a1～a2上，若此范圍的數(shù)值設(shè)置在此區(qū)域，可以確保頻道共享的穩(wěn)定性；若超出此范圍，則說(shuō)明共享不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)較大波動(dòng)。

三、結(jié)語(yǔ)

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)受到行業(yè)人士的廣泛關(guān)注，其發(fā)展應(yīng)用能夠?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)做出重要貢獻(xiàn)。進(jìn)一步研究認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，通過(guò)借助博弈論的相關(guān)內(nèi)容，能夠減少頻譜資源有限帶來(lái)的通信束縛，從而使無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)電能 傳輸 形式 當(dāng)前面臨問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)亩x

無(wú)線(xiàn)電能傳輸又稱(chēng)無(wú)接觸電能傳輸是一種傳輸電能的新技術(shù)，它將電能通過(guò)電磁耦合、射頻微波、激光等載體進(jìn)行傳輸。這種技術(shù)解決了電力自身的兩大缺點(diǎn)：不易儲(chǔ)存和不易傳輸，同時(shí)也解除了對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)的依賴(lài)，從而得到更加方便和廣闊的應(yīng)用。

2無(wú)線(xiàn)電能傳輸發(fā)展歷史

19世紀(jì)末被譽(yù)為“迎來(lái)電力時(shí)代的天才”的特斯拉在電氣與無(wú)線(xiàn)電技術(shù)方面做出了突出貢獻(xiàn)。1881年發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，并用于制造感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，次年進(jìn)行試制且運(yùn)轉(zhuǎn)成功。1888年發(fā)明多相交流傳輸及配電系統(tǒng)；1889-1990年制成赫茲振蕩器。1891年發(fā)明高頻變壓器（特斯拉線(xiàn)圈），現(xiàn)仍廣泛用于無(wú)線(xiàn)電、電視機(jī)及其他電子設(shè)備，他曾致力于研究無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)及能量的可能性，并在1899年演示了不用導(dǎo)線(xiàn)采用高頻電流的電動(dòng)機(jī)，但由于效率低和對(duì)安全方面的擔(dān)憂(yōu)，無(wú)線(xiàn)電力傳輸?shù)募夹g(shù)無(wú)突破性進(jìn)展。

2001年5月，國(guó)際無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)會(huì)議在法屬留尼汪島召開(kāi)期間，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的皮格努萊特，利用微波無(wú)線(xiàn)傳輸電能點(diǎn)亮40m外一個(gè)200W的燈泡。其后，2003年在島上建造的10kW試驗(yàn)型微波輸電裝置，已開(kāi)始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)供電。

2007年6月麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電力傳輸，他們通過(guò)電磁感應(yīng)利用磁耦合共振原理成功地點(diǎn)亮了離電源2m多遠(yuǎn)處的一個(gè)60w燈泡。

2008年9月，北美電力研討會(huì)最新的論文顯示，他們已經(jīng)在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的雷電實(shí)驗(yàn)室成功的將800W電力用無(wú)線(xiàn)的方式傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的距離。

3無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式

3.1電磁感應(yīng)式

電磁感應(yīng)式又稱(chēng)為非接觸感應(yīng)式，電能傳輸電路的基本特征就是原副邊電路分離。原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)相聯(lián)系。根據(jù)無(wú)接觸變壓器初、次級(jí)之間所處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，新型無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)可分為：分離式、移動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式，分別給相對(duì)于初級(jí)繞組保持靜止、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的電氣設(shè)備供電。

電磁感應(yīng)式的特點(diǎn)是：（1）較大氣隙存在，使得原副邊無(wú)電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能的固有缺陷；（2）較大氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁想當(dāng)，甚至比激磁高；（3）傳輸距離較短，實(shí)際上多在毫米級(jí)。

3.2電磁共振式

電磁共振式又稱(chēng)WiTricityj技術(shù)是由麻省理工學(xué)院物理系、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)系，以及軍事奈米技術(shù)研究所的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線(xiàn)圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線(xiàn)傳輸。

電磁共振式的特點(diǎn)：（1）利用磁場(chǎng)通過(guò)近場(chǎng)傳輸，輻射小，具有方向性。（2）中等距離傳輸，傳輸效率較高。（3）能量傳輸不受空間障礙物（非磁性）影響。（4）傳輸效果與頻率計(jì)天線(xiàn)尺寸關(guān)系密切。

3.3微波式

先通過(guò)磁控管將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉苄问?，再由發(fā)射天線(xiàn)將微波束送出，接收天線(xiàn)接收后由整流設(shè)備將微波能量抓換為電能。

微波式特點(diǎn)：（1）傳輸距離遠(yuǎn)，頻率越高，傳播的能量越大。在大氣中能量傳遞損耗很小，能量傳輸不受地球引力差的影響；（2）微波式波長(zhǎng)介于無(wú)線(xiàn)電波和紅外線(xiàn)輻射的電磁波，容易對(duì)通信造成干擾；（3）能量束難以集中，能量散射損耗大，定向性差，傳輸率低。

4無(wú)線(xiàn)電能傳輸需要解決的問(wèn)題

4.1電磁輻射安全問(wèn)題

對(duì)人身安全和周?chē)h(huán)境的影響需要解決。由于無(wú)線(xiàn)能量的傳輸既不像傳統(tǒng)的供電方式那樣可以在傳輸路徑上得到很好的控制也不像無(wú)線(xiàn)通訊那樣傳送微小的功率。高能量的能量密度勢(shì)必會(huì)對(duì)人身安全及健康帶來(lái)影響。對(duì)激光則在功率密度小于2.5mW/cm2才能保證對(duì)人體無(wú)傷害。所以采用無(wú)線(xiàn)輸電時(shí)要考慮避免對(duì)人身的傷害。

4.2電磁兼容性

無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)在工作時(shí)周?chē)臻g會(huì)存在高頻電磁場(chǎng)，這就要求系統(tǒng)本身具有較高的電磁兼容指標(biāo)。系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問(wèn)題，必須存在三個(gè)因素，即電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。所以，在遇到電磁兼容問(wèn)題時(shí)，要從這三個(gè)因素入手，對(duì)癥下藥，消除其中某一個(gè)因素，就能解決電磁兼容問(wèn)題。因此采取有效的抗干擾措施、屏蔽技術(shù)、合理使用電磁波不同的頻段、避免交叉，重疊等造成不必要的電磁干擾。

4.3系統(tǒng)整體性能有待提高

目前無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)整體上傳輸?shù)男什桓?，主要原因是能量的控制比較困難，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)能量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)散射等損耗一部分能量，能量轉(zhuǎn)換器的效率不高也是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)然隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳輸?shù)男室矔?huì)逐漸提高。

4.4傳輸距離、效率、功率、裝置體積之間的關(guān)系

對(duì)于無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)中幾個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)：傳輸距離、傳輸效率、傳輸功率、裝置體積等。一般情況下，傳輸距離越近、裝置體積越大、傳輸效率就越高、傳輸功率就越大。如何盡可能地減小裝置體積、提高傳輸距離、效率和功率是無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)重點(diǎn)研究的方向之一，也是小功率設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)輸電的前提。

參考文獻(xiàn)