軟件無線電中ADC的應用

林朋飛，陳少昌

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

軟件無線電中ADC的應用

林朋飛，陳少昌

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

高性能的ADC是現代數字信號處理系統中不可或缺的一部分，針對不同通信裝備中模數轉換器的應用情況，本文分析了軟件無線電中ADC的重要作用，并對長波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信等不同波段及各種通信系統通信裝備的ADC進行應用分析總結，得出不同通信裝備對模數轉換器的速度、精度和功率的要求，使不同通信裝備能夠更合理地選擇高性能的ADC。

軟件無線電；模數轉換器（ADC）；通信系統；通信裝備；高性能

本課題研究是在國際海軍通信裝備的基礎上，針對模數轉換器的性能進行應用研究。

無線電通信所用的頻率分為十二個頻段，根據頻率和波長的差異，無線電通信大致可以分為長波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信[1]。

長波通信系統：即甚低頻通信，頻率在3～30 kHz。多用于海上、水下、地下的通信，如海軍通信中的對潛通信。

中波通信系統：頻率在30 kHz～3 MHz，中距通信，主要傳電報或話音，多應用于廣播和導航業務，在軍事中一般用作岸和艦艇及大型船舶間的 應急通信手段。

短波通信系統：頻率在3～30 MHz，遠距通信，傳播距離可達幾千公里甚至上萬公里。短波通信適用于應急、抗災通信和遠距離越洋通信。在海軍通信中，它是艦艇遠距離通信的主要手段。

超短波通信系統：頻率在30～300 MHz，受季節和晝夜變化的影響小，主要以直線視距方式傳播。超短波通信被廣泛應用于雷達、導航、移液晶拼接屏動通信等業務。在海軍通信中，特高頻主要用于艦對岸、艦對艦和艦對空的戰術通信。

微波通信：頻率在300 MHz～300 GHz。微波通信主要用于干線或支線無線通信、移動通信和衛星通信。其中，衛星通信是海軍遠距離通信的一種主要手段。

1 軟件無線電的提出與發展

所謂的軟件無線電就是指無線通信功能完全由軟件來定義和完成的無線電電臺技術[2]。軟件無線電的基本思想之一就是力圖從通信系統的基帶信號直至中頻、射頻段進行數字化處理[2]。典型的軟件無線電的典型結構如圖1所示，它由天線、射頻信號變換器、模數轉換器（ADC）和DSP信號處理器以及各種處理軟件組成。

圖1 軟件無線電典型結構

軟件無線電的發展最早源于美國軍事通信領域。為解決軍事通信中各類電臺互通問題，早在1991年10月，美國國防部就提出了Speakeasy計劃。Speakeasy是美軍“軍用軟件無線電”的代名詞，該計劃就是美軍的軍用軟件無線電通信電臺開發計劃。該計劃實現了各類軍用電臺之間的互通，解決了通信裝備之間的不兼容性和信息安全性的問題。易通話系統計劃成功為軟件無線電在民用通信領域的發展奠定了基礎[3]。

1995年，美國和歐洲開始研究軟件無線電在民用通信領域的應用。雖然，軟件無線電提出的時間很短，但發展迅速，已從最初的模糊概念發展到現在的初級商用系統。

在國外軍事通信技術飛速發展和我國國民經濟迅速發展的新形勢下，發展軍事軟件無線電已經迫在眉睫。這就對海軍通信裝備的模數轉換器提出了更高要求。

2 ADC地位和研究意義

模數轉換器是將現實世界中的模擬信號轉換為數字信號的接口器件，是聯系現實世界中模擬信號和數字信號的橋梁。高速ADC被廣泛應用于各個領域，如雷達、通信、電子對抗、測控、醫療、儀器儀表、高性能控制器以及數字通信系統等。但是ADC的發展速度仍不能滿足數字信號處理的需要。在現代通信系統中，為了提高系統性能，更好的接收處理信號，Jeo Mitola提出了軟件無線電技術（software radio），即在數字領域實現對信號的處理。它要求ADC能夠對2Mhz～2Ghz的通信頻段進行處理，并要求有效位數達到12～14bit，這就對ADC提出了更高的要求[4]。高性能的ADC已經成為國內外研究的熱點和難點，因此對ADC的應用研究具有重要意義。

3 通信裝備對ADC要求

3.1 長波通信

長波即甚低頻波段，甚低頻通信是一種利用甚低頻電磁波進行遠距離通信的一種通信方式。由于甚低頻電磁波具有傳播穩定、損耗較小的特點，它能夠穿透海水、深入巖層，因此，甚低頻通信被廣泛應用于潛艇通信、地下通信、遠洋通信以及地質探礦等方面[5]。

在民用中，甚低頻被廣泛用于礦井隧道中，在發生緊急情況（如煤礦坍塌）時，常規通信不能正常工作，此時，甚低頻通信的優勢就會顯而易見。在2015年的電子設計競賽中，我們就設計了基于甚低頻的煤礦應急救援通信系統，接收到的模擬信號需要轉換為數字信號，以便于后面的數字化處理。A/D轉換器該系統選用的是凌特公司（Linear Technology Corporation）推出的LTC2208系列A/D轉換器，該芯片是16位采樣，并且最高速可達130 Msps的模數轉換器[6]。圖2給出了LTC2208的原理圖。

國際上海軍甚低頻通信主要應用于水下對潛通信[7]。也可作為對遠洋艦艇發信，是海軍戰略通信的重要手段。由于甚低頻波長很長（100～10 km），其發信天線單元的尺寸應該在1/4波長數量級上，盡管大功率甚低頻發射臺天線占地面積龐大，但天線長度扔不可能接近1/4波長數量級，故天線的效率很低，靠加大發射功率來彌補，而功率的繼續增大會給工程實施和造價帶來壓力。

3.2 中波通信

中波通信在我國海軍通信中的應用比較少，但是國外海軍艦艇對中波波段的利用很早就已開始，可以追溯到無線電應用的早期[8]。現在國外艦艇和民用船舶大多都會裝備有中高頻電臺，與高頻信號相比，中波信號傳播比較穩定，但是傳輸距離有限，要求發信功率比較大，天線的結構也比較大，所以一般用作岸對船的通信。研究中波信號的接收和處理就是為了更好的利用中波頻段這一空白區域，為我軍現代化的軍事戰略部署提供更加多樣化的通信手段。

3.3 短波通信

短波通信是在現代通信手段中歷史最為悠久。短波通信設備簡單、開發方便、性能優良、成本較低、可靠性高，因此，被廣泛應用于很多領域，尤其是軍事通信領域，短波通信始終是軍事信息指揮的重要手段之一[9]。

圖2 LTC2208電路原理圖

此外，短波通信抗毀性強，短波通信具有不易“摧毀”的“中繼系統”——電離層。短波通信接收系統廣泛使用的是中頻數字化的系統。在中頻數字化接收機中，為了抑制干擾，一般采用的是高中頻方案。就目前A/D轉換器的發展水平來講，滿足采樣頻率如此高的高精度A/D很少。一般精度為采用14位，采樣頻率為幾十MHz的A/D芯片，就能滿足高中頻信號數據采集的需要。例如，AD9244的轉換精度為14位，采樣頻率可以選擇為10 MHz[10]。

3.4 超短波通信

超短波通信也稱為米波通信。超短波通信的接收機一般是典型的調頻式超外差接收機。超短波的頻帶帶寬比較寬，被廣泛地用于電視、調頻廣播、軍用通信等領域。

超短波電臺在第二次世界大戰中使用較廣泛。而海軍中的超短波電臺主要用于水面的艦艇編隊近距離通信和航空通信，工作頻率為數十兆赫，采用調頻制，發射功率一般在數十瓦至數十瓦之間，水面通信距離為數公里到數十公里[11]。

3.5 微波通信

“微波”是指射頻為微波頻率，微波頻段可容納較其他頻段多得多的話路，而且不致互相干擾。微波電磁波近似于光波特性，可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，得到方向性很強的天線。

1）衛星通信裝備

衛星通信通信具有很多優點：通信距離遠，建站成本與通信距離無關；以廣播方式工作，便于實現多至聯接；通信容量大，能傳送的業務類型多；可以自發自收進行監測等等[13]。

2）全球定位系統（GPS）

全球定位系統（global position system，簡稱GPS）是中距離圓型軌道衛星導航系統[8]。該系統接收機采用的量化位數有1位到3位不等，當然也有極其尖端的采用了8位以上的量化位數，各種接收機均能正常工作，但性能有所差異[14]。

3）現代監控系統

現代監控系統實際上是一個總線式微機網絡。所有的從站的單片機共用一條總線與主機實行雙向數據通信。在這樣的監控系統中，遙測一般對溫度、電壓、電流等量進行定量測試，且先把各遙測量送至A/D轉換器。現在常用的是8位的ADC芯片。遙測傳感器送來的線電流在接口處形成0～5V的電壓，采用8位編碼，通過ADC把模擬量變成數字信號，可得 28=256級[15]。

4 結束語

總之，ADC器件的選擇應該要保證系統功能和性能的實現。從初步判斷可以知道，ADC采樣速率越高，轉換精度越高越好，但是由于現實工藝條件以及不同通信裝備對ADC要求不同，可以根據具體通信要求選擇ADC的采樣速率和采樣精度。

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[2]溫東，姜波，劉翠海.超低頻通信中海洋步長濾波器設計[J].電訊技術，2013，5（2）：10-15.

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[12]王偉，郭大江.甚低頻遙控水雷全向數字接收機的研究[J].現代電子技術，2012，31（14）：3-6.

[13]劉文正，王紅軍.水面艦艇通信對抗效能評估研究[J].學術論文與技術學報，2014，32（19）：14-16.

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[15]覃志松，林科，黃廷磊.基于AD9954的AM調制技術[J].中國科技信息，2013，19（4）：126-127.

The application of ADC in the software radio

LIN Peng-fei，CHEN Shao-chang
（School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

High performance ADC is an indispensable part of modern digital signal processing system.According to different AD converter applied in analysis of communication equipment，This article analyzes the important role of ADC in the software radio，and the long wave communication，medium wave communication，ultrashort wave communication and microwave communication different communication such as different bands and various kinds of communication system's equipment is analyzed to summarize the application of ADC.Give different communications equipment to the requirement of precision of speed and power of ADC.Make different communication equipment can more reasonably choose high performance ADC.

software radio；ADC；communication system；communication equipment；high performance

TN99

：A

：1674－6236（2017）13-0096-03

2016-05-10稿件編號：201605088

林朋飛（1991—），女，山東東營人，碩士研究生。研究方向：電路與系統的電磁兼容性研究。