軟件無線電技術在廣播發射機中的應用

王 磊

（國家廣播電視總局無線電臺管理局，北京 100045）

隨著無線廣播通信事業在全球范圍內的快速發展，無線頻率空間上的競爭日趨激烈。原有的固定帶寬或固定頻率點位的通信方式，不僅面臨頻率爭奪，也面臨多方干擾的實際困難[1]。在這樣的情況下，無線廣播通信亟需一種更靈活的技術方式完成通信過程?；谶@種考慮，軟件無線電技術應用而生。軟件無線電技術利用軟件手段，完成采樣、調制和編碼等技術工作，完全打破對于硬件設備的單純依賴[2]。當然，軟件無線電技術不是完全脫離硬件，而是在同一套硬件系統下，可以更靈活的定義通信模式和配置頻率點與帶寬。與硬件無線電技術相比，軟件無線電技術在更多的硬件設備上具有通用性，針對不同應用環境具有更大的靈活性[3]。在本文的研究工作中，將依托軟件無線電技術背景，針對廣播通信進行發射機的相關設計和測試。

1 基于軟件無線電的廣播發射機典型結構分析

發射機是無線廣播通信的重要組成部分。由于發射機只負責向外發射有用信號，因此其中不含有其他噪聲信號，發射機的處理難度比接收機降低了，其功能和結構的設計比接收器簡單。

1.1 超外差結構

無線廣播發射機有一種超外差結構，如圖1所示。這種結構的發射器主要工作在模擬域內，因此一開始就設置了D/A轉換裝置。然后通過中頻濾波裝置對噪聲和雜質進行去除。再次，與震蕩信號進行混頻處理。最終經過功放放大，從天線向外發出。超外差式的發射機結構有2個優點。1）對鏡像效應有比較強的抵抗作用。2）對中頻濾波器的品質要求不高，個別情況下甚至可以放棄使用中頻濾波器。

圖1 無線廣播發射機的超外差結構

1.2 直上變結構

直上變結構是發射機的另一種典型結構，具體的結構形式如圖2所示。

圖2 直上變發射機結構

直上變結構是直接將原始信號變頻至預定頻段，這樣就直接規避了鏡像效應的產生。從圖2的具體結構上看，整個處理過程分為3個步驟：首先，進行上變混頻；其次，進行功率放大；最后，利用濾波器進行去噪。

這種結構的無線發射機也有一些缺點，其中最突出的問題就是串擾問題。這種串擾是雙向的：既有本地信號向輸出信號發出的串擾，又有有用信號向震蕩器的串擾。

2 基于軟件無線電的廣播發射機的參數分析

根據各參數的設計要求，這就需要其對不同的信號具有較高的普適接收性能、較高的分辨性能以及較高的保真能力等。因此，對其性能影響最關鍵的技術參數莫過于靈敏度、噪聲因子、動態跨度和互調參數，下面逐一加以分析。

2.1 靈敏度

一個高質量的廣播發收過程可能要面對不同頻率、幅度的信號。當有用信號的自身幅度很小，噪聲信號幅度又很大時，有用信號就變成了微弱信號。這時，就需要接收器具有較高的靈敏度，才能從中分辨出有用信號并將其采集出來。

在無線廣播通信領域，靈敏度參數一般定義為公式（1）的形式。

式中：A為靈敏度；P為信號功率；Punit為單位功率。

靈敏度參數主要受到通信信道固有熱噪聲、震蕩器本震噪聲以及放大器本底噪聲的影響，此外，裝置的失真度對靈敏度也有一定的制約。

2.2 噪聲因子

噪聲因子和噪聲系數是信號處理領域常用的參數指標，對于無線廣播通信的接收器來說，這2個參數也非常重要。噪聲因子的一般定義格式是輸入信噪比和輸出信噪比的商，如公式（2）所示。

噪聲系數與噪聲因子之間有直接對應關系，如公式（3）所示。

NF=10logF（3）

在一個電氣裝置中，每個元件都會有其固有噪聲。因此，裝置對應的總體噪聲是各元器件噪聲以某種方式組合在一起的效果。這體現在噪聲系數上，就表現出裝置總的噪聲系數和各元器件噪聲系數的關系。

如果設一組元器件級聯在一起，并且每個元器件都可以用一個二端網絡進行模擬，那么裝置形成的總體噪聲系數如公式（4）所示。

式中：Fi、Gi分別為每級的噪聲因子和增益。

在無線廣播通信裝置中，還要特別注意靈敏度和噪聲系數之間的關系。一般來講，為了保證靈敏度高，必須要盡可能地降低噪聲系數。

在進行實際設計的過程中，必須充分考慮發射信號的頻率區間、裝置的發射功率、裝置的發射效率和裝置的可靠性等技術參數。

2.3 頻率區間

頻率直接決定了其他通信網絡、通信設備對此信號接收的效果和區間，是無線廣播通信裝置發射機的關鍵參數。一般來講，一個發射機的信號頻率區間，必須設置在國家相關部門允許的范圍內。如果出現特殊情況，就需要向相關部門申請特殊頻段。在遵循以上原則的基礎上，當設置頻率區間時，中心頻率也應該盡可能高，以便獲取更寬的通頻帶。

2.4 發射功率

發射功率是決定信號能否有效發射的重要參數。發射功率過高不僅會造成裝置能耗加劇，也會對周圍其他設備形成干擾。發射功率過低，會降低通信品質，嚴重時無法有效發送信號。

因此，發射功率這一參數應該是在充分考慮距離遠近、調制方案、信噪比以及周邊環境等因素的前提下，并且在保證信號能夠正常發送的情況下，盡可能地使用低的發射功率。

2.5 發射效率

發射效率更多地反映了無線廣播通信裝置發射器的能耗情況，是國家推出節能減排、可持續發展等基本國策后的重要技術參數。從現有的情況看，這一參數一般用輸出功率和直流功率之商來表示，如公式（5） 所示。

2.6 可靠性

無線廣播通信裝置發射器的可靠性主要是指其長時間處于正常工作情況下的穩定性。一般又可以分解為2個子問題，即熱穩定性和頻率穩定性。當裝置長時間工作時，各器件的溫度隨之升高，也使整個發射環境的整體溫度升高。在這種情況下，裝置還能否正常工作是關鍵。因此，在設計發射機的過程中應該考慮散熱通道和散熱設備的配置。頻率穩定性是指發射器能否使信號發射穩定在一個范圍內，而不出現大的變化。

3 發射機的結構設計及變頻性能分析

與接收器相比，發射機的設計相對容易。本文結合上一章提出的技術參數需求，協同接收器的設計方案，發射器設計也采用雙變頻超外差結構，如圖3所示。

圖3 本文的發射機結構方案

為了驗證發射機的結構設計是否合理以及確定如何在各級元器件上進行技術指標參數分配，與接收器一樣，在SCW仿真平臺下進行測試。仿真進程和測試結果同接收器類似，本文為無線通信裝置所設計的發射器的結構是合理的，可以在任務預期目標內進行指標分解，在既定頻率范圍內發射信號。

軟件無線電技術要求廣播通信具有最大的靈活性，為此，考察了本文設計的發射機所具有的變頻能力。這里重點測試了信號發射過程中的3種變頻性能。

3.1 一次變換到高中頻區域

圖4是一次變換到高中頻區域的變頻方案。在該方案中，有關信號處理部分相對簡單，但會增加模數轉換的開銷，因此一般在數字中頻接收器中使用。

圖4 一次變換到高中頻區域

這種變頻方案的優點如下，因為鏡像信號和有用信號的頻率跨度大，對于鏡像效應的抑制無須過多的帶寬。

3.2 一次變換到低中頻區域

一次變換到低中頻區域的方案如圖5所示。

圖5 一次變換到低中頻區域

從圖5可以看出，這種方案中鏡像信號與RF信號之間的頻率跨度窄。因此，對于鏡像效應的抑制效果不理想，對模數轉換的要求也隨之降低。

3.3 兩次變換到低中頻區域

兩次變換到低中頻區域是在一次變換到高中頻區域后進行進一步處理，而實質上是方案一和方案二的優勢互補。經過2次變頻，可以有效地抑制鏡像效應，還降低了裝置對數模轉換裝置的條件要求。通過以上比較，本文在無線廣播通信的發射機設計中，選擇了兩次變換到低中頻區域的變頻方案。

4 結論

軟件無線電技術的出現，改進了硬件無線電不足之處，實現了無線廣播通信更好的靈活性和通用性。在軟件無線電的技術背景下，對廣播通信的發射機進行結構設計。這種設計是在典型的超外差結構和直上變結構的基礎上進行雙變頻超外差結構設計。通過這種結構設計可以實現3種變頻的靈活調整：一次變換到高中頻區域，一次變換到低中頻區域，兩次變換到低中頻區域。測試結果體現了軟件無線電的靈活性特征。