中短波接收天線的微型智能化應(yīng)用研究

【摘要】 為推進中短波數(shù)字廣播的應(yīng)用，促進廣播平臺和手機、平板電腦等移動智能終端平臺的有機結(jié)合，根據(jù)各種類型天線在移動通信設(shè)備中的應(yīng)用情況，通過對智能天線在軟件無線電中應(yīng)用的分析，探討了把中短波接收天線應(yīng)用到移動智能終端內(nèi)的可能性和必要性，為中短波移動通信的發(fā)展提供了一種新的研究思路。

【關(guān)鍵詞】 中短波 軟件無線電 智能天線

一、引言

頻譜是通信能夠使用的唯一資源，也是一種日益短缺的資源。只要有無線傳輸?shù)牡胤剑厝挥刑炀€的存在，隨著無線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展，天線作為無線通信系統(tǒng)的咽喉要道，通信天線也在不斷創(chuàng)新與應(yīng)用。中短波頻段頻率范圍是300kHz-300MHz。中短波通信的優(yōu)點是覆蓋范圍廣，傳播距離遠，應(yīng)急和抗毀性強，頻譜利用率高，固定接收和移動高速接收有相同的質(zhì)量。本文根據(jù)各種類型天線在移動通信設(shè)備中的應(yīng)用情況，通過對智能天線在軟件無線電中應(yīng)用的分析，提出了中短波軟件無線電在接收終端中應(yīng)用的方案。

二、移動通信接收天線

天線性能的優(yōu)劣對移動通信系統(tǒng)的總體性能起著非常重要的作用。隨著移動通信系統(tǒng)的不斷升級換代，對天線提出了新的指標要求，現(xiàn)有天線形式不斷革新，產(chǎn)生了體積更小、重量更輕、性能更優(yōu)的小型化、集成化、智能化天線，并能與新的集成電子設(shè)備進行兼容。

2.1 中短波接收天線現(xiàn)狀

中短波收音機是常用的中短波接收設(shè)備，收音機一般使用拉桿天線，它主要依靠在拉桿天線兩端電場的變化，使得導體兩端形成感應(yīng)電荷，而把無線電信號送到接收機內(nèi)，拉桿天線豎直放置時才有最佳接收效果。有些中短波調(diào)幅收音機使用磁棒線圈作為接收天線，磁棒天線水平放置時才有最佳接收效果，這給聽眾帶來了諸多不便。還有一些接收機在實際使用中使用一根導線或耳機線作為接收天線，原理和效果也是大同小異的，很多最先進的數(shù)字音頻廣播接收機，仍然在用最原始拉桿天線和環(huán)形天線作為接收天線。當前一些常用的中短波接收天線尺寸都偏大，不方便隨身攜帶，如圖（1）所示。

2.2 移動終端天線

目前市場上的移動終端天線類型有單極子天線、螺旋天線、倒F天線、微帶貼片天線和芯片天線等。移動終端尺寸的小型化促進了移動系統(tǒng)個性化的發(fā)展，體積越小的終端越易于隨身攜帶，這也促進了現(xiàn)代移動天線設(shè)計朝著微型化方向發(fā)展。

設(shè)計手持終端內(nèi)置天線最基本的概念就是選擇小型化、低剖面和重量輕的天線單元，目前廣泛使用于移動手持終端的內(nèi)置天線就是改進的PIFA（Planar Inverted F-shaped Antenna）平面倒F形天線，其具有尺寸小、重量輕、剖面低、造價便宜、機械強度好、頻帶寬、效率高、增益高、受周圍環(huán)境影響小、對人體輻射傷害小、覆蓋頻率多等一系列優(yōu)點。

天線是與頻率相關(guān)的設(shè)備，每個天線都工作在一定的頻段范圍內(nèi)，天線是移動通信系統(tǒng)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，由于中短波頻段較低，因此必須要設(shè)計出符合移動通信時代的中短波微型智能接收天線，才能使絕大多數(shù)的移動智能終端接收到中短波信號，以改變當前中短波廣播應(yīng)用的局限性。

三、軟件無線電

軟件無線電是一種嶄新的理論與技術(shù)，也是一種先進的產(chǎn)品設(shè)計思路與方法。它將模塊化、標準化和通用化的硬件單元以總線或交換方式連接起來構(gòu)成通用平臺，是通過在這種平臺上加載軟件實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放體系結(jié)構(gòu)及技術(shù)。通過軟件無線電技術(shù)，可以用一種手持終端設(shè)備，實現(xiàn)手機、衛(wèi)星接收機、收音機等多種通信需求。就像用一臺計算機，通過運行不同的軟件，就可以實現(xiàn)不同的功能一樣。軟件無線電技術(shù)應(yīng)該是解決當前中短波發(fā)展瓶頸問題的最佳途徑之一。

軟件無線電具有多頻段、多模式、多功能、可重配置和可重編程等特點，是通信領(lǐng)域的第三次革命。軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在射頻、前端、基帶、軟件和安全等幾個方面，其全頻段/多頻段天線、高速AD/DA轉(zhuǎn)換器、寬帶數(shù)字信號處理器、高效軟件處理方法和可靠的安全機制等是理想的軟件無線電系統(tǒng)的基本配置。

理想軟件無線電系統(tǒng)的天線可以覆蓋全部無線通信頻段，無線通信頻段至少要求覆蓋0～3GHz，要在這個寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)無障礙通信，就要有一副智能匹配的天線來實現(xiàn)通信，這是軟件無線電需要解決的關(guān)鍵問題，也是中短波通信應(yīng)用的最大障礙。

3.1 智能天線應(yīng)用現(xiàn)狀

一副理想的天線應(yīng)該具有自適應(yīng)、自調(diào)整和自抵抗的能力，能完全適應(yīng)不同傳輸環(huán)境和不同應(yīng)用。從軟件無線電系統(tǒng)應(yīng)用的角度看，智能天線是具有測向和波束形成能力的天線陣列，它屬于可重構(gòu)天線陣列。

智能天線是在自適應(yīng)濾波技術(shù)、陣列信號處理技術(shù)和數(shù)字信號技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能根據(jù)所處電磁環(huán)境來調(diào)節(jié)或選擇天線參數(shù)，判定信號的空間信息（比如傳播方向），跟蹤強信號，定位信號源的智能算法，并且可以根據(jù)此信息，進行空域濾波的天線陣列。可以說，軟件無線電系統(tǒng)為智能天線技術(shù)的實現(xiàn)提供了良好的軟件化應(yīng)用平臺，智能天線的應(yīng)用又可以提高無線電系統(tǒng)的性能，二者聯(lián)系緊密、相互配合、相互促進。

1990年，美國國防部提出易通話（SPEAKeasy）計劃，目標是設(shè)計出能兼容美軍15種戰(zhàn)術(shù)電臺的新一代通信平臺，工作頻段為2～2000MHz，具有多種模式、多種速率、多種調(diào)制方式（AM、FM、MPSK和QAM等）、多種接口方式和多種信息安全方式。該項計劃已于1997年完成并裝備部隊，最終將取代軍隊所有的電臺。

在我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用中，智能天線是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，干擾問題是CDMA系統(tǒng)固有的問題，智能天線是一種有效的抗干擾方法。利用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向，形成天線主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根據(jù)用戶信號不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道；采用數(shù)字方法對陣元接收信號加權(quán)處理，形成無線波束，使主波束對準用戶信號方向，在干擾信號方向，形成天線方向圖零陷或較低的功率增益，達到抑制干擾目的。

3.2 中短波智能天線應(yīng)用

軟件無線電接收系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，應(yīng)該包括信道處理模塊、控制管理模塊和軟件工具模塊等三大部分，信道處理模塊包含了智能天線和射頻前端處理，實際上是一個智能化的無線收信機，收信機應(yīng)能判明所需信道和鄰近信道的能量分布，識別接收信號的模式，自適應(yīng)抵消干擾，并能估計出傳播的多徑特性，進行自適應(yīng)均衡，對信道調(diào)制進行最佳譯碼和判決，并通過前向糾錯以降低誤碼率等。中短波頻段（300kHz-300MHz）由于頻段較低，可采取射頻直接采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。從天線接收的信號，經(jīng)過濾波放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器直接進行采樣數(shù)字化，這就要求ADC具有高的轉(zhuǎn)換速率、寬的工作帶寬和大的動態(tài)范圍，且要求DSP的處理速度特別高；這些技術(shù)隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展都逐步得以解決，現(xiàn)在關(guān)鍵的問題就在于微型接收天線如何能智能接收中短波信號。

基于軟件無線電的中短波智能天線，是將A/D盡可能靠近天線射頻端，實現(xiàn)從射頻到基帶部分的軟件化數(shù)字信號處理（DSP），通過A/D變換、DSP和軟件編程實現(xiàn)頻域、空域上的全波束形成，不僅能用來實現(xiàn)同頻空分通信以增大信道容量，而且可對空間電磁環(huán)境進行監(jiān)測分析，以選擇頻域、空域上的最佳波束進行通信，實現(xiàn)真正意義上的智能化。它能實現(xiàn)抑制或減小干擾，提高信噪比，提高頻譜利用率，增加通信系統(tǒng)容量。調(diào)頻與短波波段的接收天線微型化研究早已開始，要設(shè)計出符合移動通信時代的中短波微型智能接收天線，還需要大家的共同研究和努力，才能開拓中短波應(yīng)用的新天地。

四、中短波終端應(yīng)用前景

無線方式是廣播電視覆蓋的最初手段，也是廣播電視公共服務(wù)的基本手段。廣播電視公共服務(wù)應(yīng)分為基本公共服務(wù)和專業(yè)公共服務(wù)兩類。基本公共服務(wù)面向的對象是全體公民，只需滿足社會公民的基本視聽權(quán)益需求，其性質(zhì)是公益性、普惠性、公平性，即社會中任何一個公民在自愿的情況下都可以接收與公眾利益相關(guān)的新聞資訊與社會文化信息服務(wù)。中短波波段的無線電波非常適于進行天波和地波傳播，具有覆蓋范圍廣、衰減慢、穿透力強、投資少效益高等特點，很適于無線電廣播和通信，所以最適合應(yīng)用于廣播電視基本公共服務(wù)。

公共服務(wù)性廣播，重點在服務(wù)上，優(yōu)勢就是國家隊，免費為民服務(wù)。中短波廣播具有這樣的優(yōu)勢，能第一時間快速調(diào)動全國的技術(shù)設(shè)備對受災(zāi)地區(qū)進行全天候、全覆蓋，充分體現(xiàn)了一方有難八方支援的能力。要達到這個目標，就需要解決節(jié)目源、發(fā)送和接收這三個重要環(huán)節(jié)的問題。中央人民廣播電臺已成立全國應(yīng)急廣播中心，并啟動了應(yīng)急報道機制，解決了節(jié)目源的問題；中短波廣播發(fā)射設(shè)備在全國各地都有分布，屬于國家資源，信息發(fā)射也不是問題；當前最主要的還是一個信息接收的問題，當發(fā)生重大自然災(zāi)害、突發(fā)安全事件等突發(fā)公共危機時，如何能使廣大群眾第一時間接收到應(yīng)急廣播信息成為廣電人面前的重要任務(wù)，如果能把中短波接收系統(tǒng)融入到所有的移動智能終端內(nèi)，實現(xiàn)軟件可控的免費接收，實現(xiàn)能聽能看的信息接收，就能大大提高應(yīng)急處置能力和效率。

利用中短波廣播發(fā)射投資少、覆蓋面廣、穿透力強等優(yōu)勢，如果能把接收天線設(shè)計到移動手持終端內(nèi)部或外殼上，通過軟件進行免費接收，便可針對廣大農(nóng)村和人口較少的城市，大力發(fā)展基本公共數(shù)字廣播服務(wù)，形成強大的公眾廣播和應(yīng)急廣播服務(wù)網(wǎng)，實現(xiàn)全民共享基本數(shù)字廣播電視服務(wù)。一旦中短波廣播接收天線微型化后，才能發(fā)揮資源優(yōu)勢，做好公共廣播服務(wù)，廣大人民群眾才能接收到免費的數(shù)字廣播信息，有文字、圖片和聲音，用戶可選擇接收的時間和內(nèi)容。廣播傳輸發(fā)射事業(yè)才能得到飛速的發(fā)展和翻天覆地的變革，中短波廣播數(shù)字化的前景才能更加光明、更加廣闊。

五、結(jié)束

廣播在及時傳送信息和維護社會穩(wěn)定等方面起到了關(guān)鍵性作用，我國地域廣大、人口眾多，數(shù)字調(diào)幅中短波廣播具有廣闊的應(yīng)用前景。由于目前相當長一段時間會同時存在數(shù)字和模擬調(diào)幅廣播，為實現(xiàn)數(shù)字和模擬的相互兼容，減小研發(fā)風險，可將軟件無線電技術(shù)與數(shù)字廣播技術(shù)結(jié)合起來研制發(fā)射、接收設(shè)備，等數(shù)字調(diào)幅廣播系統(tǒng)普及后，僅僅通過軟件更新便可滿足數(shù)字調(diào)幅廣播系統(tǒng)質(zhì)量的提升，對于數(shù)字廣播技術(shù)發(fā)展和數(shù)字廣播設(shè)備的推廣具有巨大的推動作用，為實現(xiàn)全面、快捷、高效、免費的基本公眾數(shù)字廣播和應(yīng)急廣播服務(wù)創(chuàng)造有利的必要條件。本文為中短波移動通信的發(fā)展提供了一種新的研究思路，由于水平有限，難免有錯，歡迎指正。

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參 考 文 獻

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