（电磁场与微波技术专业论文）频谱感知接收机射频技术的研究.pdf

i n v e s t i g a t i o n so nr ft e c h n o l o g y i n c o g n i t er a d i or e c e e rs y s t e m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 锣 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w - e i y uz o n g s u p e r v i s e db y p r o x i a o w e iz h u s t a t ek e yl a b o r a t o 巧o fm m i m e t e rw a v e s s c h o o lo fi n f - o m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s 毋 n a n j i n g ，2 10 0 9 6 ，p r c h i n a j a n u 哪2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 魄掣蚴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 新撇怖飙 月加目 、 ； i 。 摘要 频谱感知接收机射频技术的研究 硕士生：宗伟誉 导师：朱晓维教授 ( 东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室) 摘要 近年来，无线通信业务发展迅猛，使得无线频谱资源的变得日渐稀缺。目前，单纯 追求频谱利用率提升的努力已接近理论极限，为了满足无线通信系统对于无线频谱资源 的需求，需要从系统级的角度出发，寻求能提高整体频谱利用率的途径。感知无线电技 术通过对频谱资源的实时侦测，采用灵活的频谱接入和管理技术，动态地利用当前未被 占用的频谱资源为用户提供无线通信服务，很好地解决了频谱资源紧缺的矛盾，是无线 通信技术未来重要的发展方向之一。 与常规的无线通信系统不同，感知无线电系统需要增加一个独立的频谱感知接收 机，用于实时侦测空白频谱资源，所以频谱感知接收机是感知无线电系统的核心部件。 本文基于国家“8 6 3 ”重点项目“频谱资源共享无线通信系统”的研究工作，重点研制 了6 9 4 8 0 6 m h z 频率范围的频谱感知接收机射频子系统。首先借助a d s 对射频子系统 进行系统级仿真，通过对接收灵敏度、噪声系数、动态范围等指标仿真分析，确定了各 级电路的指标参数，进行系统设计；依据系统仿真结果，对射频子系统中的重要单元电 路，如低噪声放大器( l n a ) 、带阻滤波器进行设计仿真，很好地满足系统的要求；在 系统测试中，测试了噪声系数、接收灵敏度、q p s k 和1 6 q a m 调制信号e v m 等参数， 还测试了强信号干扰抑制的特性。 相比于频谱感知无线电技术，超宽带无线通信技术是另一种实现高速无线通信的方 式。本文还针对超宽带系统的要求，采用缺陷地结构( d g s ) 、耦合微带线结构( m p l ) 、 嵌入式开路线( e o s ) 结构，研制了三种紧凑结构的带陷波特性的超宽带滤波器。在 u w b 频段实现了很好的超宽带滤波特性，同时在5 8g h z 处具有很好的阻带抑制特性， 实验测试结果与仿真结果吻合良好。 关键词：频谱感知，认知无线电，射频接收机，放大器，低噪声放大器，滤波器， 带阻滤波器，陷波，超宽带滤波器 i i 一j a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n so nr 母t e c h n o l o g yi n c o g n i t er a d i or e c e e rs y s t e m m sc 锄d i ：w b 帆z o n g s u p e r v i s o r ：p r 0 x i a o w e i 删 s t a t ek c yl a b o r a t o 巧o fm i l l i i i l e t e rw 押e s ，s c h o o lo fi 疵m a t i o ns c i e n c ea n de n g m e 血g s o u m e a s tu n i v e r s 峨n 删吨，2 1 0 0 9 6 ，p c h 妇 a bs t r a c t i nr c c e my e a r s ，r a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u m c a ：t i o n ss e r 、，i c e sm a k e s 也er a d i o s p e c 饥m 1r e s o u r c e si n c r e 嬲es c a r c e l y a tp r e s e n t ，e 任0 r t st 0e i l ：h a l l c et l l es p e c 删e 伍c i c y 觚e c l o s et 0t h et h e o r e t i c a ll h i l i t i i lo r d e rt 0m e e tr a d i os p e c t m mr e s o u r c er e q m r e m e n t s ，w a y s s h o u l db e1 0 0 k e d 丘o mt 1 1 es y s t e m - l e v e lt 0i m p r o v et h eo v e r a l ls p e c m l n le m c i e n c y c o 印j t i v e r a l d i ot e c l l l l o l o g yi sa 9 0 0 ds o l u t i o nt 0t h e 幽d n a g eo fs p e c 饥胍r e s o u r c e sa n di t 诚nb e 锄 i r l l p o r t 锄td l w e l o p m e n td i 】旧c t i o no f w i i e l e s sc o m m u l l i c a t i o nt e c h l l o l o g y u i l l n 硷c o n v e n t i o i 谢、栅e l e s sc 0 删c a t i o ns y s t e n l s ，c o 础i v er a d i os y s t e m sn e e d 孤 m d 印e n d e n ts p e 酏眦nr e c e i v e rf o rr e 2 l l t 证1 ed e t e c t i o no fb l 钺l ks p e 酏n l mr e s o l l r c e s ，s ot h e s p e c t n 】l i ls e n s 恤gr a d i or e c e i v e ri sa ni i l l p o r 眦p a r to ft h ec rs y s t e m b 嬲e do n 也ei l a t i o n a l ”8 6 3 ”k e yp r o j e c t ”s p e c 饥mr e s o u r c es h a r i n gw i r e l e s sc o 删m l l l i c a t i o ns y s t e m ，”t l l i st h e s i s ， f o c u s i n go nt h ed e v e l o p m e n to f m es p e c t n j n ls e n s i n gr e c e i v e rr fs l l b s y s t e mo nm e 矗e q u e n c y r 孤g eo f6 9 4m h z 8 0 6m l z w i 也t h ea i do f a d ss o m es i r r m l a t i o n so ：ft l ：屺r f 踟j b s y s t e m s h a v eb e e nd o n e ，i n c l u d i l l gm es e n s i t i v i t y ，n o i s ef i g u 嘴，d y n 锄i cr a l l g e b a s e do nn l e s i n m l a t i o nr e s u l t s ，t l l er fs u b s y s t e mm a j o rc i r c u i t ，s u c ha sl o 、- n o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) a n d b a n ds t o pf i l t e rh a v eb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d s o m et e s tw o r k sh a v ea l s ob e e n d o n e s u c ha st h en o i s ef i g u r e ，r e c e i v e rs e n s i t i v “y ，q p s k ，a 1 1 dl6 q a mm o d u l a t i o ns i g n a la n d e v m u w bb 锄d p a s sf i l t e r sh a v ea l s ob e e nd e s i g n e da i l di n l p l e m e n t e di nt h j st h e s i s 1 k f i l t e r sa r ec o n s i s t e do fd g s ，m p la n de o s ，h o l d i n gw e l ls e l e c “e l yc h a r a c 钯r i s t i c k e yw o r d s ：s p e c n 咖s e n s i n g ，c o g n i t i v er a d i o ，r a d i or e c e i v e r s ，锄p l i f i e r s ，l o wn o i s e 踟n p l i f i e r s ，f i l t e r s ，b a n d r e j e c tf i l t e r ，n o t c h ，u l t r a w i d e b a n df i l t e r i i i i v 目录 目录 摘要。i j 、b ! r r f t a c t i 目录。v 第一章绪论。l 1 1 研究背景及意义“l 1 2 感知无线电技术的发展现状2 1 3 本课题的主要工作和内容安排4 【参考文献】j 5 第二章频谱感知接收机射频系统设计。6 2 1 频谱感知接收机系统总体概况6 2 1 1 频谱感知系统总体设计目标6 2 1 2 频谱感知射频系统的物理工作过程描述6 2 1 3 频谱感知接收机射频系统难点分析与技术指标8 2 2 频谱感知接收机射频系统的设计9 2 - 3 频谱感知接收机射频系统仿真结果n 2 3 1 频谱感知接收机射频系统的输出功率及防阻塞分析1 1 2 3 2 频谱感知接收机射频系统的灵敏度分析 _ 。1 4 2 3 3 频谱感知接收机射频系统的谱域分析1 5 【参考文献】1 7 第三章频谱感知接收机射频系统重要射频电路的研制1 8 3 1 低噪声放大器的设计1 8 3 1 1 利用a t f 3 4 1 4 3 设计低噪声放大器1 8 3 1 2 低噪声放大器模块a l m 1 5 2 2 2 3 3 2 带阻滤波器的设计2 4 3 2 1 带阻滤波器的设计过程2 5 3 2 2 带阻滤波器的仿真及实现2 7 【参考文献】3 0 v 目录 第四章频谱感知接收机射频系统的测试结果。3 1 4 1 输出功率测试结果3 1 4 2 噪声系数测试结果3 3 4 3o f d m 调制信号测试结果。3 4 4 3 1q p s k 调制方式的0 f d m 信号测试结果3 5 4 3 21 6 q a m 调制方式的o f d m 信号测试结果3 7 第五章带陷波特性的超宽带带通滤波器的研制。4 1 s 1 带陷波带的超宽带带通滤波器研究背景4 1 s 2m m r - d e p 2 结构滤波器的研制4 3 5 3m m r - d e p 3 结构滤波器的研制4 7 5 4m m r - d e h p 3 结构滤波器的研制5 0 【参考文献】5 3 ：【：作j l ；l 结! ；7 致谢。s 9 作者简介。6 l v i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着无线通信的高速发展，人们对于无线频谱资源的需求猛增。无线频谱已经被提升到 国家战略资源的高度，能否实现无线频谱资源的高效利用，直接影响国家经济社会持续发展 的能力。截至2 0 0 8 年7 月，中国的手机用户已经超过6 亿。此外，随着笔记本电脑的不断 普及，基于宽带无线接入方式的其它无线通信需求也不断增加。无线通信业务需求的持续增 长，导致无线通信系统对无线频谱资源的需求也不断增加，使得目前适宜于无线通信服务的 频谱资源变得十分稀缺。但是，研究表明：目前，适宜无线通信的频谱资源方面十分稀缺， 一方面又浪费严重，形成了“频谱资源相对匮乏与绝对浪费”的奇怪现象。造成这种现象的主 要原因是：静态的频谱规划体制与动态的频谱利用方式之间不匹配，造成无线频谱规划紧张， 且使用率低。如图1 1 所示，。因此，必须从技术上寻求提高频谱资源整体利用率的解决方 案【1 】。 豪，。，。；。，。，；饥j ；o 0 。，? ；，。i 、擎0 鼍，。i 。；，。；。：o 口囊 图l - 1 频谱利用率【2 】 东南大学硕士学位论文 目前，单纯追求点到点无线链路频谱利用率提升的努力已接近理论极限。为此，需要从 系统级的角度出发，研究提高整体频谱利用效率的途径，以解决上述静态频谱规划与动态频 谱需求之间矛盾。作为系统级解决途径之一，近年来，人们提出了在无线系统之间实现动态 频谱资源共享的思想，即：通过对频谱使用状况的实时感知，采用灵活的频谱接入和管理技 术，动态地利用当前未使用( 或轻度使用) 的频谱为用户提供无线通信服务，实现频谱授权 系统与非授权系统、非授权系统之间的频谱资源共享，其中授权系统与非授权系统之间 的频谱资源共享，以不对授权无线系统产生有害干扰为前提。现有的研究结果表明：动 态频谱共享技术将开辟大幅度提升频谱利用率的另一重要途径。因此，动态频谱资源共 享的思想一经提出，便受到了广泛关注，大量的研究机构和企业开展了对其涉及的关键 技术的研究，i e e e 、i t u 等标准化组织也已开始基于动态频谱共享的无线通信系统的 标准化工作。业界普遍认为：动态频谱资源共享技术将是今后一个时期无线通信的战略 性发展方向之一。 感知无线电是一种无线通信的模式，通信网络或者通信节点的发送或者接收的参数可以 进行改变，以避免非授权用户对授权用户的干扰，从而提高频谱利用效率【3 】。其核心思想是 通过对频谱使用状况的实时感知，采用灵活的频谱接入和管理技术，动态地利用当前未 使用( 或轻度使用) 的频谱为用户提供无线通信服务，实现频谱授权系统与非授权系统、 非授权系统之间的频谱资源共享，其中授权系统与非授权系统之间的频谱资源共享，以 不对授权无线系统产生有害干扰为前提。 本文研究内容基于“8 6 3 重点项目“频谱资源共享无线通信系统 的子课题l ： 动态频谱资源共享无线通信系统验证网络开发。拟通过本项目的支持，突破频谱资源共 享无线通信系统的关键技术，研究与现有系统共存的宽带无线通信系统；进行频谱资源 共享无线通信系统的应用研究，并在6 9 4 8 0 6m h z 频段进行演示验证；建立动态频谱 共享系统的测试评估体系和相应的测试方法，并进行系统级关键技术的测试评估。为无 线通信多系统的融合与创新发展奠定技术基础，并为我国参与相关技术的国际标准化提 前做好准备。 1 2 感知无线电技术的发展现状 1 9 9 9 年j o s e p hm i t o i a 在软件无线电的基础上提出了感知无线电( c o g i l i t i v er a d i o ，c r ) 的概念【4 5 】 6 】。c r 技术是在软件无线电( s o r 懈ed e f m e dr a d i o ，s d r ) 技术基础上发 展起来的一种新的智能无线通信技术，是s d r 技术的扩展，它使s d r 从预先定义协议 的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理。c r 是建立在s d r 的基础之上采用了随 时变化通讯协议的技术，同时c r 增加了一个新的元素依靠人工智能的支持，c r 2 第一章绪论 将能够识别周围的环境参数并加以学习。c r 将能够感知其所在的环境以及所处位置， 并在此基础上改变其功率、频率，调制以及一些其他的参数以求更高的频谱利用率 亦即确定绕过障碍的最佳传输路径。c r 从理论上说允许在时间、频率以及空间上进行 多维的频带复用，这将大大降低频段和带宽的限制对无线技术发展的束缚，这一问题已 经在美国及全球各地成为一项重要课题。 目前，在频谱政策管理部门的带动下，一些组织开始开展c r 技术的标准化工作， 并先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。例如，为了将分配给 电视广播的v 玎讥h f 频带的空闲频道有效利用起来，2 0 0 4 年成立的i e e e8 0 2 2 2 工 作组开始制定对基于c r 的w 黜蝌的空中接口标准，目前已经推出了标准的草案；i e e e 8 0 2 1 6 工作组正在着手制定i 髓8 0 2 1 6h 版本标准，致力于改进如策略、m a c 增 强等机制以确保基于w n 儿垅( w o r l di n t e r o p e r a b i l 姆f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 的免授权系统 之间、与授权系统之间的共存。此外，国际电信联盟( i n t e m 撕o n a lt e l c c o 如如u n j c a t i o n u n i o n ，1 1 u ) 也在努力寻找类似c r 的频谱共享技术【7 】 8 。 在国家“8 6 3 ”计划、“9 7 3 计划和自然科学基金的资助下，我国在动态频谱资源共享 无线通信系统涉及的关键技术研究上已经积累了丰富的研究成果。根据国际趋势，我国 也需要加紧研究开发实验验证网络，验证评估动态频谱资源共享技术在实际网络架构和 35 应用场景中的性能，以便为我国参与动态频谱共享技术的相关标准化活动提供支撑， 并推动我国动态频谱资源共享无线通信系统的应用，以提高我国频谱资源的整体利用效 率。但动态频谱共享技术涉及到系统的各个层面，尚有以下几个方面有待进一步研究： 1 、频谱感知方面：对网络架构的考虑较少，尤其是针对混合和分布式网络架构下 的频谱感知，还需要进一步深入研究。 2 、m a c 方面：在分布式网络下，终端可用频谱资源由于受到主用户影响，呈现 随时间而变化的复杂情况( 这一动态变化导致了公用控制信道的动态性) ，现今学术界 尚处于理论探索阶段，并无成熟的m a c 协议可用。 3 、频谱资源管理方面：现有的研究大多针对纯粹集中式或分布式网络，且复杂度 较高，对于集中与分布混合的网络架构的频谱资源管理尚待研究。 4 、路由方面：分布式网络中引入对频谱资源的考虑将是研究的一个趋势，因此频 谱共享的分布式网络的选路问题就非常值得关注。但目前基于频谱共享和频谱切换的路 由研究还比较少。 在频谱感知接收机射频技术上主要有以下几点： 1 镜频抑制技术：频谱感知接收机的工作频段为6 9 4m h z 8 0 6 m h z ，信道带宽为 8 m h z 。系统的工作带宽相对较宽，如果采用混频器直接下变频，必定使得镜频落 3 东南大学硕士学位论文 在带内，对信号接收造成干扰。 2 大信号保护技术：拟设计的频谱感知接收机工作在电视信号频段，电视信号相对较 大，考虑到极限情况下的电视发射功率2 0 0 0 0w ( 7 3 0d b m ) ，空间距离最短3 0m 的情况下，根据自由空间衰减量计算表，可得衰减量为5 9d b 。接收机的输入信号 极限情况为7 3d b m - 5 9d b = 1 4d b m ，考虑到器件的耐受功率，需要对电路提供大信 号保护。 3 大信号动态范围接收技术：频谱感知接收机应用于无线通信，接收的信号较小，典 型值为- 8 0 ( 1 b m ，同时频谱感知接收机还需要感知电视信号，接受信号一般较大，典 型值- 2 0d b m ，因此接收机的动态范围很大 1 3 本课题的主要工作和内容安排 本论文主要研究了频谱资感知接收机的射频技术，在指标评估、仿真分析、关键电 路设计、系统测试等部分都做了较为详细的分析。另外在本文中还研究了一系列紧凑的 带陷波带的超宽带带通滤波器，很好的实现了超宽带滤波特性以及阻带抑制特性。 文章首先在第一章介绍了感知无线电的研究背景、意义以及发展现状。 第二章介绍了频谱感知接收机射频系统的设计过程。包括了设计目标，物理过程、 工作过程描述，以及在这样的应用环境下对频谱感知接收机射频系统的要求。然后就所 设计的频谱感知射频系统设计过程以及仿真分析，其中包括了设计的思路、遇到的难题、 如何解决这些难题。 第三章主要介绍了低噪声放大器以及带阻滤波器的研制。采用a t f 3 4 1 4 3 设计的低 噪声放大器，增益为1 5d b ，噪声系数0 9d b ；在实际系统设计中，选择a l m l 5 2 2 模 块设计低噪声放大器，增益为3 2d b ，噪声系数为0 6d b 。带阻滤波器的插损小于1 ， 对阻带的抑制优于5 0d b 。 第四章给出了频谱感知接收机射频系统的测试结果，对6 9 4m h z 8 0 6m h z 频率范 围内的1 4 个8 m h z 带宽的信道，进行了噪声系数、接收灵敏度、q p s k 和q a m l 6 调 制信号e v m 等参数的测试，还测试了强信号干扰抑制的特性。 最后，在第五章研制了一种新颖的带陷波特性的超宽带带通滤波器。首先介绍了 m m r d e p 2 结构的滤波器结构进行了设计、研制工作，然后就其低频过渡特性不好的 缺点进行了改进，并提出了其改进型的m m r - d e p 3 结构，m m r d e p 3 很好的解决了 低频的特性，但是在高频段不是很完美，最后提出了其改进型的m m r d e h p 3 结构， 实现了很好的超宽带滤波特性。 4 【参考文献】 第一章绪论 【1 】国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 信息技术领域，“频谱资源共享无线通信系统重点项目， 子课题l ：动态频谱资源共享无线通信系统验证网络开发，项目申请书； 【2 】m a m c h e r l d ，f n s fs p e c 虮啦o c c u p 锄c ym e u 彻n e n ：t sp r o j e c ts u n 埘，a d ，”s h a r e ds p e c 仃i 珊c o r e p o r c ，a u g 2 0 0 5 ； 【3 】w i k i p e d i a ! ! 丛p ；丛曼堕：里 妇照p 曼亟i 垦：q ! 翟型i k 型g ! g n 煎i ! 宝幽i q ，2 0 0 9 - 0 6 2 4 ； 【4 】j o s c p hm i t o l a c o 础v ei n f o s e c ，m i c r o w a v es ) 7 i i l p o s i 吼d i g e s t2 0 0 3 ，e em t t - s h l t e m a t i o n a l ，1 3 - 1 8j u m2 0 0 3 ，v 0 1 2 ，p a g e s ：1 0 5 1 - 1 0 5 4 ； 【5 】j o s e p hm i t o l a i ；m a g u n ，g q j r ，c o g 吐i v e 脚i o ：m a k i i i gs o f 呐a 他r a d i 0 sm o mp e r s o n a l ，m e e p e 硌o l l a lc o 删l u n i c 撕。船，a u g 1 9 9 9 ，v 0 1 6 ，i s s u e4 ，p a g e s ：1 3 - 1 8 ； 【6 】j 0 s e p hm i t o l ai ，c o 鲥廿v er a d i of o rn e x i b l em o b i l em u l t i n l e d i ac o m 圳m i c 撕。璐，m o b i l em u 缸e d i a c o n 蚰u l l i c 撕。璐1 9 9 9 ，1 9 9 9m e ei 姗 m 舐伽舶w b r k s h o p ，1 5 - 1 7n 0 v 1 9 9 9 ，p a g e s ：3 1 0 ； f 7 】徐雷，“感知无线电关键问题的研究”，北京交通大学硕士学位论文，2 0 0 6 ，p a g e s5 6 ； 周来秀，”感知无线网络中频谱检测与动态接入技术研究”，中南大学硕士学位论文，2 0 0 8 ，p a g e s 1 2 ： 东南大学硕士学位论文 第二章频谱感知接收机射频系统设计 2 1 频谱感知接收机系统总体概况 2 1 1 频谱感知系统总体设计目标 整个频谱感知系统是要完成一个示范网络，来验证在电视发射信号覆盖范围内，通 过对动态频谱资源的实时侦测，在与电视业务共存的情况下进行无线通信。整个动态频 谱共享实验验证网络由多个网络节点构成，其中的每个节点，都是由一套射频设备和一 套基带设备组成。频谱感知系统总体的设计目标如下： 支持5 8 个网络节点，可通过配置构成集中、分布和混合架构的示范验证网络。 在电视发射信号覆盖范围内，与电视业务共存的情况下，完成实验验证。 覆盖范围1 饼 支持多节点协同频谱感知 支持动态频谱共享( 频谱接入和分配) 夺支持独立专用和共路信令模式 工作在6 9 4 8 0 6 m h z 广播电视频段，网络节点支持n 8 m h z 的传输带宽( n 最大支持3 ) 在不对工作频段广播电视系统产生有害影响的前提下，b e r = 1 0 ，支持2 0 m b p s 的峰值传输速率，并支持可变速率传输。 支持v o i p 、交互式视频业务 工作频段的整体频谱利用效率达到3 0 以上 2 1 2 频谱感知射频系统的物理工作过程描述 每套射频设备中，都包括一个单独的频谱感知射频接收机，三个彼此独立的射频收 发信机。在每个网络节点上，构成了1 个单独频谱感知接收机和3 个独立通道的收发信 机，通过设置射频本振的频率，实现3 个连续的8 m h z ，或3 个分离的8 m h z 的收发通 道。考虑到实现的简单和功能灵活性，3 个数据通信通道中，每个通道都有相同的功能 和接口。而1 个感知通道除了没有发送能力外，其余功能和接口与数据通道相同。 6 第二章频谱感知接收机射频系统设计 频谱感知系统射频设备总体框图如图2 1 所示，定义插板l 为频谱感知接收机射频 子系统，定义插板2 、3 、4 分别代表三个独立的收发信机射频子系统。 图2 1 频谱感知系统射频设备总体框图 频谱感知系统射频设备总体的工作过程描述如下： 1 、当整个系统被启动后，首先频谱感知接收机射频子系统进行空白频谱的侦测， 对频谱感知系统工作的整个频段进行频谱扫描，侦测未被占用的空白频谱资源； 2 、频谱感知接收机射频子系统将接收到的数据传送给基带，并在基带中进行分析， 以确定空白频谱位置，用户优先级，以及需要启动的收发信机的数量； 3 、基带将控制信号传递给收发信机射频子系统，进行无线通信。当收发信机接收 信号时，频谱感知接收机进行侦测，当收发信机发射信号时，感知系统关闭，直到下一 次的接收信号时再进行频谱侦测。工作过程如表2 1 所示： 表2 1 频谱感知射频系统总体的工作过程 收发信机数量接收过程工作的插板号发射过程的插板号 1 个收发信机工作插板1 、插板2插板2 2 个收发信机工作插板1 、插板2 、插板3插板2 、插板3 3 个收发信机工作插板1 、插板2 、插板3 、插板4插板2 ，插板3 、插板4 7 东南大学硕士学位论文 2 1 3 频谱感知接收机射频系统难点分析与技术指标 1 、频谱感知接收机的技术难点： 频谱感知接收机需要接收两种不同调制方式、不同信号强度的信号。其中之一是电 视信号，一般信号强度较大。另一个信号则是无线通信信号，无线通信信号的信号强度 一般较小。 电视信号的发射功率根据覆盖半径的不同而不同，但是一般的规模是千瓦级的，相 对于无线通信中所使用的发射功率为一瓦基站而言，电视信号的发射功率为无线通信发 射功率的一千倍左右。因此在同样的传输距离、相同的衰减条件下，接收机接收到的电 视信号也为所接收到的无线通信信号的一千倍左右，需要防止大信号阻塞频谱感知接收 机。因此频谱感知接收机的动态范围要比其他无线通信接收机高的多。另外在设计时要 考虑一个极限情况，在用户距离电视发射塔较近的地方使用时，需要避免因输入信号强 度过大而造成器件烧毁。 在这里需要提到的是感知无线电里如何确定频谱使用的优先级。用户分为授权用户 和非授权用户，广电总局将整个u 频段划分给了电视信号使用，所以对于使用u i 邛 频段进行无线通信的信号来说电视信号为授权用户。授权用户的优先级最高，如果频谱 感知接收机侦测到授权用户正在使用某个信道，用于无线通信的收发信机作为非授权用 户不能对所占用的信道产生干扰。直到频谱感知接收机找到空白频谱资源，或者找到正 在被非授权用户占用的信道时，才可以用来进行无线通信。非授权用户之间通过一定的 原则来共享未被授权用户使用的频谱资源。所以频谱感知接收机需要对大功率的输入信 号进行分析，以确定其是否为授权用户。 总的来说对于频谱感知接收机而言，需要攻克两个个难题： 1 ) 频谱感知接收机射频子系统需要较高的灵敏度，以进行无线通信信号的侦测； 2 ) 频谱感知接收机射频子系统还需要较高的动态范围，防止大信号造成阻塞； 2 、频谱感知接收机射频系统的技术指标如下所示： 令工作频率：6 9 4 8 0 6 m h z 夺信号带宽：8m h z ( 有效带宽7 瑚z ) 带内波动：1d b 夺接收灵敏度：8 1d b m ( 在分辨带宽7m h z ，输出信噪比2 0d b 时) 令接收最大增益：8 5d b 夺a g c 调整范围：6 0d b ( 0 5 d b s t e p ) 8 第二章频谱感知接收机射频系统设计 接收最大输出信号：1 v p p ( 5 0 欧姆) 令接收机噪声系数： 争固七邯噔州 二二j ；墓虻；黔甲警 f 譬曩r 一镯 ：蓥! ；| ； i ； 童孽一 ! ! ! 一蠢# 一莨o ； i j i 篷乙，二彰：_ = = = 牮荆_ 器黜“卜i ：士运童釜釜= ”4 “ 一鬻誊，尊莺 豁茹 图2 - 1 1q p s k 调制信号源模型 图2 1 2 频谱感知接收机射频系统的q p s k 调锋 信号分析模型 仿真的频率为6 9 8 瑚z ，输入功率为8 1d b m 。q p s k 调制信号的输出包络功率、 谱信号、星座图仿真结果分别如图2 1 3 、图2 1 4 、图2 1 5 所示。 7 口m j b d m j 。l 5 0 0 0 m ； iji l 0 一iil 。了 一 h 星i lih “ l 揶l 础 jk 踊 一_ h ：。 1 _ 一 移7 亏 珈 l 一 3 0 0 0 m j 剥 l - j 矾1 h _ d h _ 2 0 m j 1 1 1 o m j o - _ 。r 彭扩撕。j i 由。“。j s t 胁。u 雠 图2 1 3q p s k 调制信号的输出包络功率仿真结果 1 5 东南大学硕士学位论文 ；删唧w 、； l | i l l 一 i i il l l 黼硼 棚喇蒹她撇 。、li 悔| r ii 。lf j 1 ； 一 ，y 啪 秽 计删r 。k ： 硎l 1 l ： l t 柏舳 图2 - 1 4q p s k 调制信号的谱信号仿真结果 图2 一1 5q p s k 调制信号的星座图仿真结果 2 、1 6 q a m 调制信号分析 1 6 q a m 调制信号源在a d s 中建模结构如图2 1 6 所示，1 6 q a m 调制信号源输入条 件下频谱感知接收机射频系统的仿真结构如图2 1 7 所示。 图2 - 1 61 6 c i a m 调制信号源模型 图2 1 7 频谱感知接收机射频系统的1 6 q 蝴调 制信号分析模型 仿真的频率为6 9 8m h z ，输入功率为8 1d b m 。1 6 q 蝴调制信号的输出包络功率、 谱信号、星座图仿真结果分别如图2 1 8 、2 1 9 、2 2 0 所示。 l 列 砭 h * i 1 1 1 ：u ir l j l i mf 飞 l l ll 9 1 i队 ： i lm 晒划k 1 l 。 r 1 n i 忒斛蕊 j 卜一洲渊 1删 ui ；jv 1y 。- 。6 。一d j 百一j 1 一j 一。jj 3 一j i j 。 u 蹴 图2 一1 81 6 q a m 调制信号的输出包络功率仿真结果 1 6 第二章频谱感知接收机射频系统设计 - 1o _ 懒 | i l ”n 一 孙 l o 岛 i ll l f ：! i 趔； 士i 。i 黛 ；- 酾部“雠一l 珊 ：ki 0 铂：j 镝1 舡r ：恤删 怖雠”i 。4 1f f 4 。1 1 一i h 。一堪 d j i f ， 孙 71 一 、 f q _ l 1 一 j 饥 睢 扩。i l - j 1 ，。件l l 山讲7惭佩 l -鼠y r l i f ” i 一r f f u ， 1 裰鼐篱臧 、岳拭 嘶稳魑黼彩f 淡熬凝黜燃 辫粼彤1 毖 程陡黝 簇箜 、 1 畔矽卜 8 图2 - 1 91 6 q a m 调制信号的谱信号仿真结果 图2 - 2 01 6 q a m 调制信号的星座图仿真结果 【参考文献】 【1 】d 删dm p o 矾“微波工程( 第三版) 一，张肇仪，周乐柱等译，电子工业出版社，2 0 0 6 0 3 ，5 5 7 5 7 0 ； 【2 】a n d 旭ig r e 协i k o v ，“射频与微波功率放大器设计一，张玉兴，赵宏飞译，电子工业出版社， 2 0 0 7 o l ，1 6 0 - 1 6 4 ： 【3 】王自强、张春，“无线接收机结构设计”，微电子学，2 0 0 4 0 8v 0 1 3 4n o 4 ； 【4 】陈艳华、李朝晖、夏玮，“a d s 应用详解射频电路设计与仿真”，人民邮电出版社，2 0 0 8 年 第1 版； 【5 】徐兴福，“a d s 2 0 0 8 射频电路设计与仿真实例”，电子工业出版社，2 0 0 9 ； 【6 】a 西l e n tt e c l l n 0 1 0 9 i e s ，“a d s2 0 0 6 af u l l d 锄e n t a l s ”，a g i l e n te e s o f e d a - c l l s t o m e re d u c a t i o n ，s a n t a r o s c a l i 如m i au s a ，2 0 0 6 ； 1 7 螭赣 东南大学硕士学位论文 第三章频谱感知接收机射频系统重要射频电路 的研制 本章主要讲述低噪声放大器及带阻滤波器设计两部分内容。首先选用a t f 3 4 1 4 3 对 低噪声放大器进行了仿真、研制，在6 9 4m h z 8 0 6 瑚z 的频带范围内实现的小信号增 益为1 5d b 左右，噪声系数为0 9d b 。但是考虑到大规模使用的一致性及系统对增益、 噪声等性能等问题，在实现频谱感知接收机射频子系统时选择了一个低噪声放大器模 块，增益为3 2d b ，噪声系敞为o 6d b 。带阻滤波器为第一级混频器后一级滤波器，其 作用主要是用来抑制本振信号、射频信号以及各种频率组合信号的功率泄漏。由于系统 的带宽为8m h z ，要求整个射频子系统输出的功率波动要在1d b 以内，所以要求滤波 器在第一中频的8m h z 通频带内的平坦度要好。最终实现的带阻滤波器在射频、第一 本振的抑制在5 0d b 以上，第一中频带内波动小于0 2d b ，很好的满足了设计要求。 3 1 低噪声放大器的设计 3 1 1 利用a t f 3 4 1 4 3 设计低噪声放大器 低噪声放大器是射频接收机非常关键的部件，其增益、噪声性能将直接影响整个接 收机的抗噪声性能，因此低噪声放大器的设计、选择对整个接收机的设计来说非常的关 键。 低噪声放大器的设计选用的晶体管为a v a g o 公司的高电子迁移率晶体管( h e m ，r ) a t f 3 4 1 4 3 。a t f 3 4 1 4 3 的特点是噪声系数低、增益高、动态范围适中，在所设计的频 段范围6 9 4m h z 8 0 6m h z 内的噪声系数为0 6 曲，增益为1 8d b 左右，o i p 3 为3 1d b m 。 设计所选用板材是f r - 4 ，相对介电常数为4 4 ，板材厚度为o 5i 姗。 l 低噪声放大器的设计采用的是单电源的馈电形式设计，其优点