認(rèn)知無(wú)線電中的射頻電調(diào)濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究

本項(xiàng)目主要圍繞認(rèn)知無(wú)線電等可重構(gòu)無(wú)線系統(tǒng)對(duì)射頻電調(diào)濾波器的需求來(lái)開展各種類型的電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)理論與方法的研究，探索了各種類型的電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題，響應(yīng)類型包括：?jiǎn)瓮◣?、雙通帶、帶阻等，此外還研究了電調(diào)濾波器的線性問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果包括如下幾個(gè)方面。（1）電調(diào)帶阻濾波器：本項(xiàng)目探索了實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器頻率調(diào)試時(shí)帶寬恒定的關(guān)鍵要素，提出了磁-電混合耦合方法來(lái)控制固定耦合區(qū)間上的耦合強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定帶寬，該成果發(fā)表在IEEE Trans. Industrial Electronics上。此外還研究并設(shè)計(jì)了兩個(gè)雙頻帶阻濾波器。（2）單通帶電調(diào)濾波器及其線性問(wèn)題研究：研究了單通帶濾波器頻率調(diào)諧時(shí)的帶寬恒定技術(shù)以及通帶的中心頻率和帶寬都可調(diào)的設(shè)計(jì)技術(shù)，以及平衡式電調(diào)濾波器，并設(shè)計(jì)了三個(gè)濾波器實(shí)例，探索了基于變?nèi)莨艿碾娬{(diào)濾波器線性問(wèn)題。（3）雙通帶電調(diào)濾波器：設(shè)計(jì)了兩個(gè)雙頻帶通電調(diào)濾波器，其中的一個(gè)通帶或兩個(gè)通帶可調(diào)，此外還研究設(shè)計(jì)了三個(gè)雙頻濾波器。（4）其他帶通濾波器：研究設(shè)計(jì)了一個(gè)三頻，一個(gè)四頻濾波器和一個(gè)超寬帶濾波器。（5）濾波器與功分電路的集成：探索了濾波器與功分器的融合設(shè)計(jì)方法，將兩個(gè)器件設(shè)計(jì)為一個(gè)可以減小體積和損耗。（6）其他電磁學(xué)問(wèn)題研究，包括左右手材料、天線和計(jì)算電磁學(xué)等相關(guān)研究。 在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，本項(xiàng)目研究進(jìn)展順利，圓滿完成研究計(jì)劃。發(fā)表SCI/EI論文共24篇，其中IEEE Trans.論文2篇，IEEE Letters論文4篇，SCI論文12篇，EI論文12篇，申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利4項(xiàng)，其中1項(xiàng)獲授權(quán),兩項(xiàng)授權(quán)實(shí)用新型專利。本項(xiàng)目取得的各項(xiàng)成果形式均超過(guò)預(yù)期指標(biāo)，研究得出的結(jié)論與設(shè)計(jì)方法具有良好的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

快速發(fā)展的無(wú)線系統(tǒng)導(dǎo)致頻譜資源緊張，能夠提高頻譜利用率且可以融合不同無(wú)線制式的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，是未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。射頻電調(diào)濾波器是認(rèn)知無(wú)線電體系中的一個(gè)關(guān)鍵射頻器件，是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的射頻電調(diào)濾波器存在著調(diào)諧時(shí)性能指標(biāo)不穩(wěn)定、尺寸大等缺點(diǎn)，難以滿足未來(lái)的應(yīng)用需求。本項(xiàng)目將在我們前期研究的基礎(chǔ)上對(duì)電調(diào)射頻濾波器進(jìn)行系統(tǒng)的研究，深入分析單端（single-ended）與平衡式（balanced）電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)理論，探討各類單通帶電調(diào)濾波器的新型設(shè)計(jì)技術(shù)與方案，探索雙通帶電調(diào)濾波器、電調(diào)帶阻濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)，研究電調(diào)濾波器的諧波抑制技術(shù)，探討降低電調(diào)濾波器噪聲和提高其線性的技術(shù)，設(shè)計(jì)各類電調(diào)濾波器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本項(xiàng)目的實(shí)施可解決目前電調(diào)濾波器設(shè)計(jì)中面臨的一些主要理論和技術(shù)問(wèn)題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被視為解決當(dāng)前頻譜資源利用率低的有效方案。各標(biāo)準(zhǔn)化組織和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開對(duì)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究，并著手制定認(rèn)知無(wú)線電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以其推動(dòng)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。涉及認(rèn)知無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、軟件無(wú)線電論壇（SDRForum）和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）等。

IEEE涉及認(rèn)知無(wú)線電的標(biāo)準(zhǔn)最受關(guān)注的有兩個(gè)：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱為P1900）。其中，IEEE802.22是采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)為基礎(chǔ)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEESCC41的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要涉及動(dòng)態(tài)頻譜接入的相關(guān)技術(shù)。另外，我們認(rèn)為，共存問(wèn)題、動(dòng)態(tài)頻譜選擇和功率控制、動(dòng)態(tài)頻譜接入等技術(shù)都屬于認(rèn)知無(wú)線電的范疇。因此，除上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之外，IEEE還有其他幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也涉及認(rèn)知無(wú)線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已經(jīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。

認(rèn)知無(wú)線電1、在WRAN中的應(yīng)用

2003年12月，F(xiàn)CC在其規(guī)則的第15章公布了修正案。法律規(guī)定[7]“只要具備認(rèn)知無(wú)線電功能，即使是其用途未獲許可的無(wú)線終端，也能使用需要無(wú)線許可的現(xiàn)有無(wú)線頻帶”，這為新的無(wú)線資源管理技術(shù)奠定了法律基礎(chǔ)。WRAN的目的就是使用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)將分配給電視廣播的VHF/UHF頻帶（北美為54～862MHz）的頻率用作寬帶訪問(wèn)線路，將空閑頻道有效地利用起來(lái)。IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)工作組于2005年9月完成了對(duì)WRAN的功能需求和信道模型文檔，2006年開始對(duì)各個(gè)公司提交的提案進(jìn)行審議和合并，并于2006年3月形成了最終的合并提案作為編寫標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

認(rèn)知無(wú)線電2、在UWB中的應(yīng)用

UWB技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于脈沖雷達(dá)（ImpulseRadar），美國(guó)軍方利用其進(jìn)行安全通信中的精確定位和成像。至20世紀(jì)90年代之前，UWB主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，之后UWB技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域。UWB由于具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抵抗多徑能力強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代無(wú)線通信的革命性技術(shù)，而且是未來(lái)多媒體寬帶無(wú)線通信中最具潛力的技術(shù)。

認(rèn)知無(wú)線電采用頻譜感知技術(shù)，能夠感知周圍頻譜環(huán)境的特性，通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜感知來(lái)探測(cè)“頻譜空洞”，合理地、機(jī)會(huì)性地利用臨時(shí)可用的頻段，潛在地提高頻譜的利用率。與此同時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)還支持根據(jù)感知結(jié)果動(dòng)態(tài)地、自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的傳輸參數(shù)，以保證高優(yōu)先級(jí)的授權(quán)主用戶對(duì)頻段的優(yōu)先使用，改善頻譜共享，與其他系統(tǒng)更好地共存。

認(rèn)知無(wú)線電3、在WLAN中的應(yīng)用

以IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線技術(shù)已經(jīng)成為WLAN技術(shù)的主流，通過(guò)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公已經(jīng)成為很多人生活方式的一部分。隨著無(wú)線局域網(wǎng)的普及，頻譜資源越來(lái)越緊張，某些工作頻段的通信業(yè)務(wù)近乎達(dá)到飽和狀態(tài)，無(wú)法滿足新的業(yè)務(wù)請(qǐng)求；同時(shí)，某些其他頻段比較空閑，能夠提供更多的可用信道。在這樣的背景下，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為解決以上問(wèn)題帶來(lái)了新的思路。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能通過(guò)不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道的信道環(huán)境和質(zhì)量的認(rèn)知信息，自適應(yīng)地接入較好的通信信道，這正是解決WLAN頻段擁擠問(wèn)題的方法。因此認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)對(duì)于WLAN而言更具有吸引力。而且無(wú)線局域網(wǎng)具有工作區(qū)域小、工作地點(diǎn)靈活、無(wú)線環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，更有利于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知無(wú)線電4、在Mesh網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)出現(xiàn)的具有一種無(wú)線多跳（Multi-hop）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以和一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)直接通信；同時(shí)也能模擬路由器的功能，從鄰近節(jié)點(diǎn)接收消息并進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，Mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)鄰近節(jié)點(diǎn)之間的低功率傳輸取代了遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的大功率傳輸，實(shí)現(xiàn)了低成本的隨時(shí)隨地接入。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間是相互協(xié)作的，如果Mesh網(wǎng)絡(luò)中的一條鏈路失效了，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)替代鏈路將信息路由到目的地，優(yōu)化了頻譜的使用。

認(rèn)知無(wú)線電和無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，正是在增大網(wǎng)絡(luò)密度和提高服務(wù)吞吐量的發(fā)展趨勢(shì)下提出來(lái)的，適用于可能有嚴(yán)重的線路爭(zhēng)用情況的人口稠密城市的無(wú)線寬帶接入。認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)中繼方式可以有效地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，當(dāng)一個(gè)無(wú)線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)是由認(rèn)知接入點(diǎn)和固定中繼點(diǎn)組成時(shí)，無(wú)線Mesh網(wǎng)的覆蓋范圍能夠大大增加。尤其是在受限于視距傳輸?shù)奈⒉l段，認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)將有利于在微波頻段實(shí)現(xiàn)頻譜的開放接入。

認(rèn)知無(wú)線電5、在Ad-hoc中的應(yīng)用

一般的多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)預(yù)先確定通信路由。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地收集信息并且自動(dòng)選擇波形，并向各方通知尚未使用的頻率信息，適用于具有不可提前預(yù)測(cè)的頻譜使用模式的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，當(dāng)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于低功耗多跳Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足分布式認(rèn)知用戶之間的通信需求。

由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可根據(jù)周圍環(huán)境的變化動(dòng)態(tài)地進(jìn)行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協(xié)議等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，因此，基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)需要新的支持分布式頻率共享的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。 2100433B

認(rèn)知無(wú)線電的物理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)是以軟件無(wú)線電平臺(tái)為基礎(chǔ)的，其物理平臺(tái)結(jié)構(gòu)與軟件無(wú)線電平臺(tái)結(jié)構(gòu)基本相同，兩者之間的比較如圖2所示，它主要在軟件無(wú)線電平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加了感知，學(xué)習(xí)等功能，以實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的認(rèn)知能力。

其中，無(wú)論對(duì)于軟件無(wú)線電平臺(tái)還是認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)，軟件部分的硬件支撐都是通用硬件平臺(tái)。也就是說(shuō)，從圖2可以看出，和軟件無(wú)線電類似，認(rèn)知無(wú)線電物理平臺(tái)也主要由射頻前端、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通用硬件平臺(tái)3個(gè)部分組成。

圖2 認(rèn)知無(wú)線電與軟件無(wú)線電物理平臺(tái)結(jié)構(gòu)的比較

其中，為軟件提供硬件支撐的認(rèn)知無(wú)線電通用硬件平臺(tái)的組成和結(jié)構(gòu)與軟件無(wú)線電系統(tǒng)的硬件平臺(tái)基本類似，但除了常見(jiàn)通信系統(tǒng)所需的數(shù)字信號(hào)處理外，認(rèn)知無(wú)線電還需要完成頻譜感知、頻譜分析、頻譜判決等認(rèn)知無(wú)線電特有的功能。

而認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)中使用的A/D和D/A模塊的作用和性能指標(biāo)也與軟件無(wú)線電系統(tǒng)基本相同。A/D和D/A模塊一般集成在通用硬件平臺(tái)之中。

另外，認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)射頻前端除了完成軟件無(wú)線電系統(tǒng)所需的不同頻段的寬帶射頻信號(hào)和中頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換外，還需要協(xié)助甚至單獨(dú)完成寬帶頻譜感知等認(rèn)知無(wú)線電特有的功能。但就結(jié)構(gòu)而言，認(rèn)知無(wú)線電平臺(tái)的射頻模塊與軟件無(wú)線電平臺(tái)的射頻前端基本類似。關(guān)于認(rèn)知無(wú)線電的射頻前端技術(shù)將在下面重點(diǎn)介紹。

相對(duì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)而言，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)射頻模塊的特點(diǎn)就是，它需要協(xié)助系統(tǒng)甚至單獨(dú)完成寬帶頻譜感知功能。這個(gè)功能要求射頻模塊的射頻硬件具有很寬的工作頻帶范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜信息實(shí)時(shí)的、大范圍的測(cè)量。和軟件無(wú)線電射頻模塊類似，認(rèn)知無(wú)線電射頻模塊的基本體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 認(rèn)知無(wú)線電的寬帶射頻前端結(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出，和軟件無(wú)線電的射頻模塊類似，認(rèn)知無(wú)線電的射頻前端具有混頻、放大和自動(dòng)增益控制等功能，實(shí)現(xiàn)大頻譜范圍內(nèi)的射頻信號(hào)與中頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從而解決A/D的性能不滿足對(duì)射頻信號(hào)直接采樣的問(wèn)題。其中，可編程帶通濾波器、低噪聲放大器、可編程本地振蕩器以及混頻器和自動(dòng)增益控制等需要具有與軟件無(wú)線電平臺(tái)類似的性能參數(shù)。

為了協(xié)助完成認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的認(rèn)知功能，對(duì)周圍無(wú)線電環(huán)境中的授權(quán)用戶進(jìn)行檢測(cè)，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的射頻模塊對(duì)某些部件的要求要高于軟件無(wú)線電系統(tǒng)，它要求射頻前端具有在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)弱信號(hào)的能力，即接收機(jī)需要具有足夠的工作帶寬和靈敏度，使其能準(zhǔn)確地檢測(cè)不同頻帶不同功率電平的主信號(hào)。同時(shí)，考慮到頻譜感知一般由能量檢測(cè)、特征檢測(cè)等方法完成，如果射頻模塊需要單獨(dú)完成頻譜感知，它還需要具有信號(hào)處理功能。