無線通信對高頻電子線路課程教學(xué)的啟示

無線通信對高頻電子線路課程教學(xué)的啟示

“高頻電子絲路”課程是電子科學(xué)和技術(shù)的主要課程，其內(nèi)容具有概念多、電路類型多、數(shù)據(jù)分析多等特點(diǎn)。隨著無線通信特別是寬帶無線通信的快速發(fā)展,與該課程相關(guān)的新概念和新技術(shù)層出不窮,從而對更新該課程的內(nèi)容提出了新的要求。1新型無線通信概念的形成和發(fā)展無線通信發(fā)展100年來,已形成了蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、數(shù)字廣播系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等多種體制的無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線通信的基礎(chǔ)理論也隨著微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展得到了巨大的進(jìn)展,各種全新的無線通信概念層出不窮,各種新體制及其關(guān)鍵技術(shù)日新月異,發(fā)展非常迅速。下面就來介紹近幾年來蜂窩移動(dòng)通信、無線局域網(wǎng)(WLAN)、衛(wèi)星通信的狀況。1.1研究新一代在無線通信系統(tǒng)當(dāng)前,蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究主要集中在新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(稱為4G或Beyond3G)。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是采用FDMA方式的模擬蜂窩系統(tǒng),如AMPS、TACS等,其缺點(diǎn)是容量小,不能滿足飛速發(fā)展的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量需要。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)是采用TDMA或窄帶CDMA為主的數(shù)字蜂窩系統(tǒng),如GSM/DCS1800、IS-136、IS-95等,其容量和功能都比模擬系統(tǒng)有了很大的提高,但其業(yè)務(wù)主要限于話音和低速數(shù)據(jù)(≤9.6kbps)。隨著社會(huì)的發(fā)展對通信業(yè)務(wù)種類和數(shù)量需求的劇增,人們已不能滿足第二代系統(tǒng)的需求,1985年國際電聯(lián)(ITU)提出了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)的概念,當(dāng)時(shí)稱為未來公共陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)(FPLMTS),后來發(fā)展為現(xiàn)在的IMT-2000,其主要特性為全球化、多媒體化、綜合化、智能化和個(gè)人化,但I(xiàn)MT-2000并未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),而是采納了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等幾種標(biāo)準(zhǔn),作為IMT-2000的參考標(biāo)準(zhǔn)。二十世紀(jì)末,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和人們對數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)越來越多的依賴,沖擊著G3技術(shù)的發(fā)展,同時(shí),G3技術(shù)的演進(jìn)策略也阻礙了其自身的發(fā)展,其中最顯著的特征是與IP技術(shù)的融合進(jìn)度緩慢。因此,旨在提供高速率數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、無縫融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)的研究成為各國通信企業(yè)的重點(diǎn)和發(fā)展目標(biāo)。在歐洲,比較有影響的當(dāng)數(shù)由德國西門子、英國電信(BT)、法國電信(CNET)、日本電信(NTT)、愛立信、諾基亞、倫敦大學(xué)國王學(xué)院等合作進(jìn)行的且以歐洲為主的BRAIN計(jì)劃。它提出一種基于IP核心網(wǎng)絡(luò)、適于不對稱信道傳輸、支持多速率(最高可達(dá)20Mbps)、兼容多種體制的系統(tǒng)設(shè)想。在日本,NTTDoCoMo為保持在第三代移動(dòng)通信的優(yōu)勢,提出建立“次世代通信系統(tǒng)”,該公司在1998年成立了專門研究室,對新一代移動(dòng)通訊系統(tǒng)進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究。另外,像AT&T、Motorola、HP、三星等公司通過建立專門的研究機(jī)構(gòu)、投資支助基礎(chǔ)研究、建立研究合作實(shí)體等加快了研制步伐。在我國,2001年專門在國家“十五”863信息技術(shù)領(lǐng)域成立了B3G總體組,并通過招投標(biāo),選擇了6個(gè)課題組進(jìn)行新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)無線傳輸鏈路技術(shù)研究。普遍認(rèn)為,新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的物理層核心技術(shù)之一是正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)調(diào)制技術(shù)。它是一種多載波并行傳輸?shù)捏w制,其最大優(yōu)點(diǎn)是可以對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾,并可有效對抗信號波形間的干擾,頻譜利用率高,適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。在無線通信與Internet網(wǎng)相結(jié)合的眾多技術(shù)中,帶有移動(dòng)特點(diǎn)的無線局域網(wǎng)是一種發(fā)展迅速的通信技術(shù),正在引起人們的日益關(guān)注,特別是信息產(chǎn)業(yè)部最近發(fā)出了“開放5.8GHz頻段作為無線上網(wǎng)頻段”的通知,允許5.8GHz和2.4GHz兩個(gè)頻段均可用于WLAN業(yè)務(wù),為無線上網(wǎng)清除了政策障礙。國際上現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種:(1)支撐2.5gm的數(shù)字地形技術(shù)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)于1997年頒布,最高速率為2Mbps。1999年IEEE又批準(zhǔn)了兩個(gè)補(bǔ)充擴(kuò)展版本:802.11b和802.11a。前者采用補(bǔ)碼鍵控(CCK)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù),可提供在2.4GHz頻段的1～11Mbps的數(shù)據(jù)速率;后者采用OFDM調(diào)制技術(shù),可提供在5GHz頻段6～54Mbps的數(shù)據(jù)速率。因易于在物理層實(shí)現(xiàn),802.11b的產(chǎn)品已得到廣泛的應(yīng)用;最近,市場上也已開始出現(xiàn)802.11a的產(chǎn)品。在802.11b和802.11a的基礎(chǔ)上,IEEE又于2003年6月推出了可提供在2.4GHz頻段高達(dá)54Mbps的數(shù)據(jù)速率的802.11g標(biāo)準(zhǔn)。(2)無線局域網(wǎng)與植物網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)這些由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)提出的標(biāo)準(zhǔn),兩者的MAC層采用不同的技術(shù)。HiperLAN/1工作于5.3GHz,采用GMSK調(diào)制,最高速率可達(dá)23.5Mbps;HiperLAN/2與IEEE802.11a具有類似的物理層,也采用OFDM技術(shù),也提供在5GHz頻段的高達(dá)54Mbps的數(shù)據(jù)速率。無線局域網(wǎng)具有高數(shù)據(jù)速率、低成本、頻段開放、高邏輯端口密度等優(yōu)點(diǎn),因此它已成為終端無線接入的主流技術(shù),無論在國際上還是在國內(nèi),電信運(yùn)營商正利用WLAN展開“網(wǎng)絡(luò)無處不在”的活動(dòng)。但由于這種技術(shù)本身定位于企業(yè)級應(yīng)用,因此在提供公共電信服務(wù)時(shí)必然面臨信號干擾、安全、費(fèi)用結(jié)算、可靠性等諸多問題的挑戰(zhàn)。由于無線局域網(wǎng)可在較小的覆蓋范圍內(nèi)提供高速的數(shù)據(jù)傳輸,而蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)可為大的覆蓋范圍提供相對低速的數(shù)據(jù)傳輸,所以兩者的結(jié)合可起到互補(bǔ)的作用。國際上,目前已有一些WLAN與蜂窩網(wǎng)互聯(lián)的建議,例如ETSI提出了分別被稱為“松耦合”和“緊耦合”的兩種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法;3GPP(the3rdGenerationPartnershipProject)和3GPP2等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也正在開展3G與WLAN互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。在國內(nèi),“中國移動(dòng)”已在2002年推出“GPRS加WLAN”的無線數(shù)據(jù)捆綁業(yè)務(wù),“中國聯(lián)通”與“中興通訊”均報(bào)道了各自WLAN與CDMA20001x相結(jié)合的解決方案。1.3移動(dòng)通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信是支持移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋的唯一選擇,它可在陸地蜂窩覆蓋不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、河海、空中空間實(shí)施移動(dòng)通信,與陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)一起,共同完成全球移動(dòng)個(gè)人通信任務(wù)(GMPCS)。12衛(wèi)星通信的兩類業(yè)務(wù)(1)同步衛(wèi)星系統(tǒng)承擔(dān)固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)規(guī)模最大的是已有30多年歷史的國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)(INTELSAT),它在20個(gè)軌道位置上配置了22顆同步衛(wèi)星,承擔(dān)著大西洋、印度洋、太平洋及亞太地區(qū)200多個(gè)國家和地區(qū)的國際衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。目前,其業(yè)務(wù)已經(jīng)全數(shù)字化,支持話音、數(shù)據(jù)、數(shù)字電視和寬帶多媒體業(yè)務(wù)的傳輸,并啟用了高效的TCM/8PSK調(diào)制和RS糾錯(cuò)編碼方式以提高通信質(zhì)量(系統(tǒng)誤碼率達(dá)10-10)。(2)第三代衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行情況承擔(dān)國際移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的典型系統(tǒng)之一是國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(INMARSAT),亦采用同步衛(wèi)星,目前運(yùn)行順利,其第三代衛(wèi)星(INMARSAT-3)系統(tǒng)的移動(dòng)站已經(jīng)從A、B、C、D、E、M、AEROMINI-M標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到最新的F標(biāo)準(zhǔn)。F標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)站率先采用了16QAM調(diào)制及Turbo糾錯(cuò)編碼方式,用雙模手機(jī)與地面GSM蜂窩系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)作,實(shí)現(xiàn)漫游服務(wù),話費(fèi)低廉,很有發(fā)展前景。2衛(wèi)星終端發(fā)展現(xiàn)狀包括由集中服務(wù)結(jié)構(gòu)向分布服務(wù)的結(jié)構(gòu)發(fā)展,與地面光纖通信和蜂窩移動(dòng)通信協(xié)調(diào)增效,IP化等。在衛(wèi)星使用上,由重視LEO/MEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)向高、中、低軌道綜合利用及大、中、小衛(wèi)星并存的局面;在頻段使用上,商用衛(wèi)星已從Ku/c頻段向Ka頻段開發(fā),今后還要向毫米波、V頻段、Q頻段發(fā)展;在終端方面,將開發(fā)低費(fèi)效、低功耗、支持速率高達(dá)2Mbps的多媒體業(yè)務(wù)的寬帶微型終端,支持衛(wèi)星移動(dòng)通信的個(gè)人用戶終端,用于航空、航天等領(lǐng)域,用相控陣天線能自動(dòng)搜索、接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)的智能移動(dòng)通信終端等;在調(diào)制編碼方式上,衛(wèi)星的MODEM已啟用OFDM、64QAM等調(diào)制方式,今后將向更高效的數(shù)據(jù)速率達(dá)Gbps級的MODEM發(fā)展,做到4～8bit/Hz的傳輸效率;信道糾錯(cuò)編碼已開始采用TCM和Turbo等編碼方式,將進(jìn)一步研發(fā)工作在Ka、Q/V頻段克服雨衰的先進(jìn)編譯碼技術(shù)。2更新教學(xué)內(nèi)容綜上述可知,近幾年來無線通信的通信體制、調(diào)制編碼方式、工作頻段、承載業(yè)務(wù)類型等方面都已發(fā)生了很大變化,從而對其射頻電路部分的設(shè)計(jì)提出了新的要求,因此有必要更新現(xiàn)有“高頻電子線路”課程的教學(xué)內(nèi)容。下面從新的整機(jī)結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式和電路內(nèi)容等三個(gè)方面對課程內(nèi)容的更新作一探討。2.1新的集群結(jié)構(gòu)包括兩臺收割機(jī)和接收機(jī)2.1.1直接變換型設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的整機(jī)結(jié)構(gòu)中,發(fā)射機(jī)往往采用“兩步變換”的方法,即將調(diào)制和上變頻分開,先在較低的中頻上進(jìn)行調(diào)制,然后將已調(diào)信號上變頻搬移到發(fā)射載頻上。發(fā)射機(jī)可采用的另一種方法是“直接變換”,即將調(diào)制與上變頻合二為一地在一個(gè)電路里完成,與“兩步變換”法相比,因其直接將信號調(diào)制到射頻而無需要過多的混頻器和濾波器,具有射頻電路設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)。但它又同時(shí)具有易發(fā)生本振泄漏、I/Q兩路信號不平衡等缺點(diǎn),因此盡管很早就有人提出“直接變換”的方法,但一直沒有得到重視。隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了很多實(shí)現(xiàn)“直接變換”的模擬正交調(diào)制(AQM)芯片,從而使“直接變換”的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)在很多場合得到應(yīng)用。為了保證“直接變換”結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo),必須解決其本振泄漏、I/Q兩路不易平衡的問題。解決本振泄漏的常用方法有兩種:(1)選用兩個(gè)較低的本振頻率,將它們之和作為載頻,這樣,由于發(fā)射的載頻與本振頻率相差很遠(yuǎn),不易發(fā)生強(qiáng)信號對本振的牽引現(xiàn)象;(2)避免在載頻頻點(diǎn)附近傳輸信號,這樣就可無需考慮本振泄漏對信號的影響,這種方法在多載波數(shù)字通信系統(tǒng)(如802.11a無線局域網(wǎng))中很容易實(shí)現(xiàn),只需要不使用載頻所在的子載波即可。2.1.2直接下變頻采樣法傳統(tǒng)的接收機(jī)往往采用“超外差”的結(jié)構(gòu),將接收到的射頻信號先下變頻到一固定的中頻,再進(jìn)行進(jìn)一步的處理。近年來,隨著數(shù)字技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展,可使混頻和濾波在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn),從而出現(xiàn)了數(shù)字中頻的接收機(jī)方案,即對中頻信號直接進(jìn)行A/D采樣,在數(shù)字域進(jìn)行中頻以后的處理,當(dāng)然從總體上講,它仍然屬于“超外差”結(jié)構(gòu)。近年來,一種新的接收機(jī)結(jié)構(gòu)得到越來越多的重視,這種接收機(jī)采用“直接下變頻”(或“零中頻”)的方法,將載頻直接下變頻到基帶,對接收信號的A/D采樣在基帶進(jìn)行。與外差式接收機(jī)相比,具有無鏡像干擾、低功耗、射頻電路簡單、易于滿足線性動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。“零中頻”方案的主要技術(shù)問題在于本振泄漏、直流偏差、偶次諧波失真等,其中前兩項(xiàng)都可通過選擇合適的調(diào)制方式使接收并下變頻后的基帶在直流附近的能量盡量減少來解決,后一項(xiàng)可通過改善低噪聲功率放大器的線性度來解決。根據(jù)整機(jī)的新組成,應(yīng)該重新考慮課程內(nèi)容的功能電路的結(jié)構(gòu)。2.2數(shù)字視頻調(diào)制技術(shù)在傳統(tǒng)教學(xué)模式中,調(diào)制與解調(diào)是以模擬調(diào)制(AM/FM/PM)為主的,這對于理解調(diào)制與解調(diào)的基本概念是必不可少的,但現(xiàn)代的無線通信系統(tǒng)幾乎都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù),特別是隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,使數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)更為可靠、實(shí)用和小型化,與模擬調(diào)制相比體現(xiàn)出更多的優(yōu)越性(更好的抗噪聲性能、更強(qiáng)的抗信道損耗、更好的安全性等),因此有必要在課程內(nèi)容中增加“數(shù)字調(diào)制”方面的內(nèi)容。最基本的數(shù)字調(diào)制是分別對載波幅度、頻率和相位進(jìn)行調(diào)制的ASK、FSK和PSK,在它們的基礎(chǔ)上可以演化出多種調(diào)制方案,例如同時(shí)對幅度和相位進(jìn)行調(diào)制的QAM。不同的數(shù)字調(diào)制方案有不同的特性,也有它們各種不同的使用場合。這些調(diào)制技術(shù)可以有不同的分類方法,根據(jù)調(diào)制狀態(tài)數(shù)量的不同,可分為“二進(jìn)制調(diào)制”和“多進(jìn)制調(diào)制”,前者可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率較低(如BFSK、BPSK、MSK、GMSK等);后者可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率較高(如MFSK、MPSK、MQAM等)。根據(jù)已調(diào)信號頻譜結(jié)構(gòu)的不同,還可分為“線性調(diào)制”和“非線性調(diào)制”,前者的已調(diào)信號頻譜與基帶信號基本相同,常見的有BPSK、QPSK、OQPSK、(π/4)QPSK等;后者的已調(diào)信號頻譜與基帶信號不同,常見的有BFSK、MFSK、MSK、GMSK等。根據(jù)已調(diào)信號包絡(luò)是否恒定可分為“恒包絡(luò)調(diào)制”和“非恒包絡(luò)調(diào)制”,前者有BPSK、MPSK、BFSK、MFSK等,后者有ASK、MQAM等。根據(jù)已調(diào)信號相位是否連續(xù)可分為“相位連續(xù)調(diào)制”和“非相位連續(xù)調(diào)制”,相位連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制信號可使用非線性的功率放大器(如CPFSK、MSK、GMSK等);相位不連續(xù)的信號應(yīng)該盡量選擇非線性不明顯的功率放大器(如QPSK、MQAM等),并且相位突變越嚴(yán)重對功率放大器的線性度要求就越高。另外,數(shù)字調(diào)制還可分為“絕對調(diào)制”和“相對調(diào)制”,前者以載波參數(shù)的絕對值來傳遞信號(如ASK、FSK、PSK);后者以載波參數(shù)的相對變化值來傳遞信號(如DPSK、QDPSK等)。當(dāng)然,作為模擬調(diào)制的一種,模擬正交調(diào)制(AQM)也可被考慮列入新增的內(nèi)容之中,但應(yīng)結(jié)合“直接變換”發(fā)射機(jī)方案進(jìn)行講解。2.3頻率合成電路簡介在現(xiàn)實(shí)中,很多通信系統(tǒng)的重要部件都已集成化,除了部分將來從事集成電路設(shè)計(jì)的學(xué)生之外,大部分學(xué)生將一輩子很少機(jī)會(huì)去自己搭建電路,而是更多的對現(xiàn)有集成電路模塊的使用。因此,有必要在課程內(nèi)容中增加對典型的集成電路模塊的分析。隨著技術(shù)的發(fā)展,要完成同