中短波接收天線的微型智能化應用研究

【摘要】 為推進中短波數(shù)字廣播的應用，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備中的應用情況，通過對智能天線在軟件無線電中應用的分析，探討了把中短波接收天線應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備中的應用情況，通過對智能天線在軟件無線電中應用的分析，提出了中短波軟件無線電在接收終端中應用的方案。

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)代移動天線設計朝著微型化方向發(fā)展。

設計手持終端內(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，也是中短波通信應用的最大障礙。

3.1 智能天線應用現(xiàn)狀

一副理想的天線應該具有自適應、自調(diào)整和自抵抗的能力，能完全適應不同傳輸環(huán)境和不同應用。從軟件無線電系統(tǒng)應用的角度看，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用平臺，智能天線的應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 中短波智能天線應用

軟件無線電接收系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，應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，自適應抵消干擾，并能估計出傳播的多徑特性，進行自適應均衡，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，才能開拓中短波應用的新天地。

四、中短波終端應用前景

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的基本手段。廣播電視公共服務應分為基本公共服務和專業(yè)公共服務兩類。基本公共服務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。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，所以最適合應用于廣播電視基本公共服務。

公共服務性廣播，重點在服務上，優(yōu)勢就是國家隊，免費為民服務。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)設備對受災地區(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急廣播中心，并啟動了應急報道機制，解決了節(jié)目源的問題；中短波廣播發(fā)射設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急廣播信息成為廣電人面前的重要任務，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，形成強大的公眾廣播和應急廣播服務網(wǎng)，實現(xiàn)全民共享基本數(shù)字廣播電視服務。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，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)字廣播和應急廣播服務創(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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