認知無線電中的射頻電調(diào)濾波器關鍵技術研究項目摘要

快速發(fā)展的無線系統(tǒng)導致頻譜資源緊張，能夠提高頻譜利用率且可以融合不同無線制式的認知無線電技術，是未來無線系統(tǒng)的一項核心關鍵技術。射頻電調(diào)濾波器是認知無線電體系中的一個關鍵射頻器件，是當前國際學術界和工業(yè)界的一個研究熱點。傳統(tǒng)的射頻電調(diào)濾波器存在著調(diào)諧時性能指標不穩(wěn)定、尺寸大等缺點，難以滿足未來的應用需求。本項目將在我們前期研究的基礎上對電調(diào)射頻濾波器進行系統(tǒng)的研究，深入分析單端（single-ended）與平衡式（balanced）電調(diào)濾波器的設計理論，探討各類單通帶電調(diào)濾波器的新型設計技術與方案，探索雙通帶電調(diào)濾波器、電調(diào)帶阻濾波器的設計技術，研究電調(diào)濾波器的諧波抑制技術，探討降低電調(diào)濾波器噪聲和提高其線性的技術，設計各類電調(diào)濾波器電路進行實驗驗證。本項目的實施可解決目前電調(diào)濾波器設計中面臨的一些主要理論和技術問題，具有重要的科學意義和應用價值。

本項目主要圍繞認知無線電等可重構無線系統(tǒng)對射頻電調(diào)濾波器的需求來開展各種類型的電調(diào)濾波器設計理論與方法的研究，探索了各種類型的電調(diào)濾波器設計中的關鍵理論問題和技術問題，響應類型包括：單通帶、雙通帶、帶阻等，此外還研究了電調(diào)濾波器的線性問題。主要研究內(nèi)容和取得的成果包括如下幾個方面。（1）電調(diào)帶阻濾波器：本項目探索了實現(xiàn)帶阻濾波器頻率調(diào)試時帶寬恒定的關鍵要素，提出了磁-電混合耦合方法來控制固定耦合區(qū)間上的耦合強度來實現(xiàn)恒定帶寬，該成果發(fā)表在IEEE Trans. Industrial Electronics上。此外還研究并設計了兩個雙頻帶阻濾波器。（2）單通帶電調(diào)濾波器及其線性問題研究：研究了單通帶濾波器頻率調(diào)諧時的帶寬恒定技術以及通帶的中心頻率和帶寬都可調(diào)的設計技術，以及平衡式電調(diào)濾波器，并設計了三個濾波器實例，探索了基于變?nèi)莨艿碾娬{(diào)濾波器線性問題。（3）雙通帶電調(diào)濾波器：設計了兩個雙頻帶通電調(diào)濾波器，其中的一個通帶或兩個通帶可調(diào)，此外還研究設計了三個雙頻濾波器。（4）其他帶通濾波器：研究設計了一個三頻，一個四頻濾波器和一個超寬帶濾波器。（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計方法，將兩個器件設計為一個可以減小體積和損耗。（6）其他電磁學問題研究，包括左右手材料、天線和計算電磁學等相關研究。 在國家自然科學基金的支持下，本項目研究進展順利，圓滿完成研究計劃。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，申請中國發(fā)明專利4項，其中1項獲授權,兩項授權實用新型專利。本項目取得的各項成果形式均超過預期指標，研究得出的結論與設計方法具有良好的理論價值和實際應用價值。 2100433B

認知無線電技術被視為解決當前頻譜資源利用率低的有效方案。各標準化組織和行業(yè)聯(lián)盟紛紛展開對認知無線電技術的研究，并著手制定認知無線電的標準和協(xié)議，以其推動認知無線電技術的發(fā)展和應用。涉及認知無線電標準化的機構主要有美國電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、軟件無線電論壇（SDRForum）和美國國防部高級研究計劃署（DARPA）等。

IEEE涉及認知無線電的標準最受關注的有兩個：IEEE802.22和IEEESCC41（或者稱為P1900）。其中，IEEE802.22是采用認知無線電技術為基礎的空中接口標準，IEEESCC41的標準化工作主要涉及動態(tài)頻譜接入的相關技術。另外，我們認為，共存問題、動態(tài)頻譜選擇和功率控制、動態(tài)頻譜接入等技術都屬于認知無線電的范疇。因此，除上述兩個標準之外，IEEE還有其他幾個標準也涉及認知無線電，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已經(jīng)完成的標準化有：（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。

認知無線電1、在WRAN中的應用

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]“只要具備認知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶”，這為新的無線資源管理技術奠定了法律基礎。WRAN的目的就是使用認知無線電技術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線路，將空閑頻道有效地利用起來。IEEE802.22標準工作組于2005年9月完成了對WRAN的功能需求和信道模型文檔，2006年開始對各個公司提交的提案進行審議和合并，并于2006年3月形成了最終的合并提案作為編寫標準的基礎。

認知無線電2、在UWB中的應用

UWB技術產(chǎn)生于20世紀60年代，當時主要應用于脈沖雷達（ImpulseRadar），美國軍方利用其進行安全通信中的精確定位和成像。至20世紀90年代之前，UWB主要應用于軍事領域，之后UWB技術開始應用于民用領域。UWB由于具有傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抵抗多徑能力強、功耗低、成本低等優(yōu)點，被認為是下一代無線通信的革命性技術，而且是未來多媒體寬帶無線通信中最具潛力的技術。

認知無線電采用頻譜感知技術，能夠感知周圍頻譜環(huán)境的特性，通過動態(tài)頻譜感知來探測“頻譜空洞”，合理地、機會性地利用臨時可用的頻段，潛在地提高頻譜的利用率。與此同時，認知無線電技術還支持根據(jù)感知結果動態(tài)地、自適應地改變系統(tǒng)的傳輸參數(shù)，以保證高優(yōu)先級的授權主用戶對頻段的優(yōu)先使用，改善頻譜共享，與其他系統(tǒng)更好地共存。

認知無線電3、在WLAN中的應用

以IEEE802.11標準為基礎的無線技術已經(jīng)成為WLAN技術的主流，通過接入無線網(wǎng)絡實現(xiàn)移動辦公已經(jīng)成為很多人生活方式的一部分。隨著無線局域網(wǎng)的普及，頻譜資源越來越緊張，某些工作頻段的通信業(yè)務近乎達到飽和狀態(tài)，無法滿足新的業(yè)務請求；同時，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，認知無線電技術的出現(xiàn)和發(fā)展為解決以上問題帶來了新的思路。認知無線電技術能通過不斷掃描頻譜段，獲得這些可用信道的信道環(huán)境和質量的認知信息，自適應地接入較好的通信信道，這正是解決WLAN頻段擁擠問題的方法。因此認知無線電技術對于WLAN而言更具有吸引力。而且無線局域網(wǎng)具有工作區(qū)域小、工作地點靈活、無線環(huán)境相對簡單等特點，更有利于認知無線電技術的實現(xiàn)。

認知無線電4、在Mesh網(wǎng)絡中的應用

無線Mesh網(wǎng)絡是近年來出現(xiàn)的具有一種無線多跳（Multi-hop）的網(wǎng)絡結構。在Mesh網(wǎng)絡中，每個節(jié)點可以和一個或者多個對等節(jié)點直接通信；同時也能模擬路由器的功能，從鄰近節(jié)點接收消息并進行中繼轉發(fā)。這樣，Mesh網(wǎng)絡通過鄰近節(jié)點之間的低功率傳輸取代了遠距離節(jié)點間的大功率傳輸，實現(xiàn)了低成本的隨時隨地接入。網(wǎng)絡中所有節(jié)點之間是相互協(xié)作的，如果Mesh網(wǎng)絡中的一條鏈路失效了，網(wǎng)絡可以通過替代鏈路將信息路由到目的地，優(yōu)化了頻譜的使用。

認知無線電和無線Mesh網(wǎng)絡結合，正是在增大網(wǎng)絡密度和提高服務吞吐量的發(fā)展趨勢下提出來的，適用于可能有嚴重的線路爭用情況的人口稠密城市的無線寬帶接入。認知Mesh網(wǎng)絡通過中繼方式可以有效地擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍，當一個無線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡是由認知接入點和固定中繼點組成時，無線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，認知Mesh網(wǎng)絡將有利于在微波頻段實現(xiàn)頻譜的開放接入。

認知無線電5、在Ad-hoc中的應用

一般的多跳Ad-hoc網(wǎng)絡在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會預先確定通信路由。認知無線電技術能夠實時地收集信息并且自動選擇波形，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測的頻譜使用模式的應用場景。因此，當認知無線電技術應用于低功耗多跳Ad-hoc網(wǎng)絡，能夠滿足分布式認知用戶之間的通信需求。

由于認知無線電系統(tǒng)可根據(jù)周圍環(huán)境的變化動態(tài)地進行頻率的選擇，而頻率的改變通常需要路由協(xié)議等進行相應調(diào)整，因此，基于認知無線電技術的Ad-hoc網(wǎng)絡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

認知無線電的物理平臺的實現(xiàn)是以軟件無線電平臺為基礎的，其物理平臺結構與軟件無線電平臺結構基本相同，兩者之間的比較如圖2所示，它主要在軟件無線電平臺的基礎上增加了感知，學習等功能，以實現(xiàn)其獨特的認知能力。

其中，無論對于軟件無線電平臺還是認知無線電平臺，軟件部分的硬件支撐都是通用硬件平臺。也就是說，從圖2可以看出，和軟件無線電類似，認知無線電物理平臺也主要由射頻前端、數(shù)模模數(shù)轉換器以及通用硬件平臺3個部分組成。

圖2 認知無線電與軟件無線電物理平臺結構的比較

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

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

另外，認知無線電平臺射頻前端除了完成軟件無線電系統(tǒng)所需的不同頻段的寬帶射頻信號和中頻信號之間的轉換外，還需要協(xié)助甚至單獨完成寬帶頻譜感知等認知無線電特有的功能。但就結構而言，認知無線電平臺的射頻模塊與軟件無線電平臺的射頻前端基本類似。關于認知無線電的射頻前端技術將在下面重點介紹。

相對軟件無線電系統(tǒng)而言，認知無線電系統(tǒng)射頻模塊的特點就是，它需要協(xié)助系統(tǒng)甚至單獨完成寬帶頻譜感知功能。這個功能要求射頻模塊的射頻硬件具有很寬的工作頻帶范圍，從而實現(xiàn)對頻譜信息實時的、大范圍的測量。和軟件無線電射頻模塊類似，認知無線電射頻模塊的基本體系結構如圖3所示。

圖3 認知無線電的寬帶射頻前端結構

從圖3中可以看出，和軟件無線電的射頻模塊類似，認知無線電的射頻前端具有混頻、放大和自動增益控制等功能，實現(xiàn)大頻譜范圍內(nèi)的射頻信號與中頻信號之間的轉換，從而解決A/D的性能不滿足對射頻信號直接采樣的問題。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增益控制等需要具有與軟件無線電平臺類似的性能參數(shù)。

為了協(xié)助完成認知無線電系統(tǒng)的認知功能，對周圍無線電環(huán)境中的授權用戶進行檢測，認知無線電系統(tǒng)的射頻模塊對某些部件的要求要高于軟件無線電系統(tǒng)，它要求射頻前端具有在大動態(tài)范圍內(nèi)檢測一個或多個弱信號的能力，即接收機需要具有足夠的工作帶寬和靈敏度，使其能準確地檢測不同頻帶不同功率電平的主信號。同時，考慮到頻譜感知一般由能量檢測、特征檢測等方法完成，如果射頻模塊需要單獨完成頻譜感知，它還需要具有信號處理功能。