无线通信对高频电子线路课程教学的启示

无线通信对高频电子线路课程教学的启示

“高频电子丝路”课程是电子科学和技术的主要课程，其内容具有概念多、电路类型多、数据分析多等特点。随着无线通信特别是宽带无线通信的快速发展,与该课程相关的新概念和新技术层出不穷,从而对更新该课程的内容提出了新的要求。1新型无线通信概念的形成和发展无线通信发展100年来,已形成了蜂窝移动通信系统、数字广播系统、无线局域网、卫星通信系统等多种体制的无线通信网络。无线通信的基础理论也随着微电子技术、数字技术、计算机技术的发展得到了巨大的进展,各种全新的无线通信概念层出不穷,各种新体制及其关键技术日新月异,发展非常迅速。下面就来介绍近几年来蜂窝移动通信、无线局域网(WLAN)、卫星通信的状况。1.1研究新一代在无线通信系统当前,蜂窝移动通信系统的研究主要集中在新一代蜂窝移动通信系统(称为4G或Beyond3G)。第一代移动通信系统是采用FDMA方式的模拟蜂窝系统,如AMPS、TACS等,其缺点是容量小,不能满足飞速发展的移动通信业务量需要。第二代移动通信系统(2G)是采用TDMA或窄带CDMA为主的数字蜂窝系统,如GSM/DCS1800、IS-136、IS-95等,其容量和功能都比模拟系统有了很大的提高,但其业务主要限于话音和低速数据(≤9.6kbps)。随着社会的发展对通信业务种类和数量需求的剧增,人们已不能满足第二代系统的需求,1985年国际电联(ITU)提出了第三代移动通信系统(3G)的概念,当时称为未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS),后来发展为现在的IMT-2000,其主要特性为全球化、多媒体化、综合化、智能化和个人化,但IMT-2000并未形成统一的标准,而是采纳了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等几种标准,作为IMT-2000的参考标准。二十世纪末,互联网技术的广泛应用和人们对数据传输业务越来越多的依赖,冲击着G3技术的发展,同时,G3技术的演进策略也阻碍了其自身的发展,其中最显著的特征是与IP技术的融合进度缓慢。因此,旨在提供高速率数据传输业务、无缝融合互联网技术的新一代蜂窝移动通信系统无线传输技术的研究成为各国通信企业的重点和发展目标。在欧洲,比较有影响的当数由德国西门子、英国电信(BT)、法国电信(CNET)、日本电信(NTT)、爱立信、诺基亚、伦敦大学国王学院等合作进行的且以欧洲为主的BRAIN计划。它提出一种基于IP核心网络、适于不对称信道传输、支持多速率(最高可达20Mbps)、兼容多种体制的系统设想。在日本,NTTDoCoMo为保持在第三代移动通信的优势,提出建立“次世代通信系统”,该公司在1998年成立了专门研究室,对新一代移动通讯系统进行比较系统的研究。另外,像AT&T、Motorola、HP、三星等公司通过建立专门的研究机构、投资支助基础研究、建立研究合作实体等加快了研制步伐。在我国,2001年专门在国家“十五”863信息技术领域成立了B3G总体组,并通过招投标,选择了6个课题组进行新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究。普遍认为,新一代蜂窝移动通信系统的物理层核心技术之一是正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)调制技术。它是一种多载波并行传输的体制,其最大优点是可以对抗频率选择性衰落或窄带干扰,并可有效对抗信号波形间的干扰,频谱利用率高,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。在无线通信与Internet网相结合的众多技术中,带有移动特点的无线局域网是一种发展迅速的通信技术,正在引起人们的日益关注,特别是信息产业部最近发出了“开放5.8GHz频段作为无线上网频段”的通知,允许5.8GHz和2.4GHz两个频段均可用于WLAN业务,为无线上网清除了政策障碍。国际上现有的无线局域网标准主要有两种:(1)支撑2.5gm的数字地形技术IEEE802.11标准于1997年颁布,最高速率为2Mbps。1999年IEEE又批准了两个补充扩展版本:802.11b和802.11a。前者采用补码键控(CCK)和直接序列扩频(DSSS)技术,可提供在2.4GHz频段的1～11Mbps的数据速率;后者采用OFDM调制技术,可提供在5GHz频段6～54Mbps的数据速率。因易于在物理层实现,802.11b的产品已得到广泛的应用;最近,市场上也已开始出现802.11a的产品。在802.11b和802.11a的基础上,IEEE又于2003年6月推出了可提供在2.4GHz频段高达54Mbps的数据速率的802.11g标准。(2)无线局域网与植物网络互联技术这些由欧洲电信标准协会(ETSI)提出的标准,两者的MAC层采用不同的技术。HiperLAN/1工作于5.3GHz,采用GMSK调制,最高速率可达23.5Mbps;HiperLAN/2与IEEE802.11a具有类似的物理层,也采用OFDM技术,也提供在5GHz频段的高达54Mbps的数据速率。无线局域网具有高数据速率、低成本、频段开放、高逻辑端口密度等优点,因此它已成为终端无线接入的主流技术,无论在国际上还是在国内,电信运营商正利用WLAN展开“网络无处不在”的活动。但由于这种技术本身定位于企业级应用,因此在提供公共电信服务时必然面临信号干扰、安全、费用结算、可靠性等诸多问题的挑战。由于无线局域网可在较小的覆盖范围内提供高速的数据传输,而蜂窝移动通信网可为大的覆盖范围提供相对低速的数据传输,所以两者的结合可起到互补的作用。国际上,目前已有一些WLAN与蜂窝网互联的建议,例如ETSI提出了分别被称为“松耦合”和“紧耦合”的两种网络互联方法;3GPP(the3rdGenerationPartnershipProject)和3GPP2等国际标准化组织也正在开展3G与WLAN互联的标准的制定工作。在国内,“中国移动”已在2002年推出“GPRS加WLAN”的无线数据捆绑业务,“中国联通”与“中兴通讯”均报道了各自WLAN与CDMA20001x相结合的解决方案。1.3移动通信系统卫星通信是支持移动通信实现无缝覆盖的唯一选择,它可在陆地蜂窝覆盖不到的边远地区、山区、河海、空中空间实施移动通信,与陆地移动通信系统一起,共同完成全球移动个人通信任务(GMPCS)。12卫星通信的两类业务(1)同步卫星系统承担固定卫星业务规模最大的是已有30多年历史的国际卫星通信系统(INTELSAT),它在20个轨道位置上配置了22颗同步卫星,承担着大西洋、印度洋、太平洋及亚太地区200多个国家和地区的国际卫星通信业务。目前,其业务已经全数字化,支持话音、数据、数字电视和宽带多媒体业务的传输,并启用了高效的TCM/8PSK调制和RS纠错编码方式以提高通信质量(系统误码率达10-10)。(2)第三代卫星系统运行情况承担国际移动卫星业务的典型系统之一是国际海事卫星通信系统(INMARSAT),亦采用同步卫星,目前运行顺利,其第三代卫星(INMARSAT-3)系统的移动站已经从A、B、C、D、E、M、AEROMINI-M标准发展到最新的F标准。F标准移动站率先采用了16QAM调制及Turbo纠错编码方式,用双模手机与地面GSM蜂窝系统联合运作,实现漫游服务,话费低廉,很有发展前景。2卫星终端发展现状包括由集中服务结构向分布服务的结构发展,与地面光纤通信和蜂窝移动通信协调增效,IP化等。在卫星使用上,由重视LEO/MEO卫星转向高、中、低轨道综合利用及大、中、小卫星并存的局面;在频段使用上,商用卫星已从Ku/c频段向Ka频段开发,今后还要向毫米波、V频段、Q频段发展;在终端方面,将开发低费效、低功耗、支持速率高达2Mbps的多媒体业务的宽带微型终端,支持卫星移动通信的个人用户终端,用于航空、航天等领域,用相控阵天线能自动搜索、接入卫星通信系统的智能移动通信终端等;在调制编码方式上,卫星的MODEM已启用OFDM、64QAM等调制方式,今后将向更高效的数据速率达Gbps级的MODEM发展,做到4～8bit/Hz的传输效率;信道纠错编码已开始采用TCM和Turbo等编码方式,将进一步研发工作在Ka、Q/V频段克服雨衰的先进编译码技术。2更新教学内容综上述可知,近几年来无线通信的通信体制、调制编码方式、工作频段、承载业务类型等方面都已发生了很大变化,从而对其射频电路部分的设计提出了新的要求,因此有必要更新现有“高频电子线路”课程的教学内容。下面从新的整机结构、调制方式和电路内容等三个方面对课程内容的更新作一探讨。2.1新的集群结构包括两台收割机和接收机2.1.1直接变换型设计在传统的整机结构中,发射机往往采用“两步变换”的方法,即将调制和上变频分开,先在较低的中频上进行调制,然后将已调信号上变频搬移到发射载频上。发射机可采用的另一种方法是“直接变换”,即将调制与上变频合二为一地在一个电路里完成,与“两步变换”法相比,因其直接将信号调制到射频而无需要过多的混频器和滤波器,具有射频电路设计简单的优点。但它又同时具有易发生本振泄漏、I/Q两路信号不平衡等缺点,因此尽管很早就有人提出“直接变换”的方法,但一直没有得到重视。随着现代集成电路技术的发展,出现了很多实现“直接变换”的模拟正交调制(AQM)芯片,从而使“直接变换”的发射机结构在很多场合得到应用。为了保证“直接变换”结构发射机的性能指标,必须解决其本振泄漏、I/Q两路不易平衡的问题。解决本振泄漏的常用方法有两种:(1)选用两个较低的本振频率,将它们之和作为载频,这样,由于发射的载频与本振频率相差很远,不易发生强信号对本振的牵引现象;(2)避免在载频频点附近传输信号,这样就可无需考虑本振泄漏对信号的影响,这种方法在多载波数字通信系统(如802.11a无线局域网)中很容易实现,只需要不使用载频所在的子载波即可。2.1.2直接下变频采样法传统的接收机往往采用“超外差”的结构,将接收到的射频信号先下变频到一固定的中频,再进行进一步的处理。近年来,随着数字技术和集成电路技术的发展,可使混频和滤波在数字域实现,从而出现了数字中频的接收机方案,即对中频信号直接进行A/D采样,在数字域进行中频以后的处理,当然从总体上讲,它仍然属于“超外差”结构。近年来,一种新的接收机结构得到越来越多的重视,这种接收机采用“直接下变频”(或“零中频”)的方法,将载频直接下变频到基带,对接收信号的A/D采样在基带进行。与外差式接收机相比,具有无镜像干扰、低功耗、射频电路简单、易于满足线性动态范围等优点。“零中频”方案的主要技术问题在于本振泄漏、直流偏差、偶次谐波失真等,其中前两项都可通过选择合适的调制方式使接收并下变频后的基带在直流附近的能量尽量减少来解决,后一项可通过改善低噪声功率放大器的线性度来解决。根据整机的新组成,应该重新考虑课程内容的功能电路的结构。2.2数字视频调制技术在传统教学模式中,调制与解调是以模拟调制(AM/FM/PM)为主的,这对于理解调制与解调的基本概念是必不可少的,但现代的无线通信系统几乎都使用数字调制技术,特别是随着大规模集成电路和数字信号处理技术的发展,使数字调制系统更为可靠、实用和小型化,与模拟调制相比体现出更多的优越性(更好的抗噪声性能、更强的抗信道损耗、更好的安全性等),因此有必要在课程内容中增加“数字调制”方面的内容。最基本的数字调制是分别对载波幅度、频率和相位进行调制的ASK、FSK和PSK,在它们的基础上可以演化出多种调制方案,例如同时对幅度和相位进行调制的QAM。不同的数字调制方案有不同的特性,也有它们各种不同的使用场合。这些调制技术可以有不同的分类方法,根据调制状态数量的不同,可分为“二进制调制”和“多进制调制”,前者可传输的数据速率较低(如BFSK、BPSK、MSK、GMSK等);后者可传输的数据速率较高(如MFSK、MPSK、MQAM等)。根据已调信号频谱结构的不同,还可分为“线性调制”和“非线性调制”,前者的已调信号频谱与基带信号基本相同,常见的有BPSK、QPSK、OQPSK、(π/4)QPSK等;后者的已调信号频谱与基带信号不同,常见的有BFSK、MFSK、MSK、GMSK等。根据已调信号包络是否恒定可分为“恒包络调制”和“非恒包络调制”,前者有BPSK、MPSK、BFSK、MFSK等,后者有ASK、MQAM等。根据已调信号相位是否连续可分为“相位连续调制”和“非相位连续调制”,相位连续的恒包络调制信号可使用非线性的功率放大器(如CPFSK、MSK、GMSK等);相位不连续的信号应该尽量选择非线性不明显的功率放大器(如QPSK、MQAM等),并且相位突变越严重对功率放大器的线性度要求就越高。另外,数字调制还可分为“绝对调制”和“相对调制”,前者以载波参数的绝对值来传递信号(如ASK、FSK、PSK);后者以载波参数的相对变化值来传递信号(如DPSK、QDPSK等)。当然,作为模拟调制的一种,模拟正交调制(AQM)也可被考虑列入新增的内容之中,但应结合“直接变换”发射机方案进行讲解。2.3频率合成电路简介在现实中,很多通信系统的重要部件都已集成化,除了部分将来从事集成电路设计的学生之外,大部分学生将一辈子很少机会去自己搭建电路,而是更多的对现有集成电路模块的使用。因此,有必要在课程内容中增加对典型的集成电路模块的分析。随着技术的发展,要完成同