认知无线电中的射频电调滤波器关键技术研究结题摘要

本项目主要围绕认知无线电等可重构无线系统对射频电调滤波器的需求来开展各种类型的电调滤波器设计理论与方法的研究，探索了各种类型的电调滤波器设计中的关键理论问题和技术问题，响应类型包括：单通带、双通带、带阻等，此外还研究了电调滤波器的线性问题。主要研究内容和取得的成果包括如下几个方面。（1）电调带阻滤波器：本项目探索了实现带阻滤波器频率调试时带宽恒定的关键要素，提出了磁-电混合耦合方法来控制固定耦合区间上的耦合强度来实现恒定带宽，该成果发表在IEEE Trans. Industrial Electronics上。此外还研究并设计了两个双频带阻滤波器。（2）单通带电调滤波器及其线性问题研究：研究了单通带滤波器频率调谐时的带宽恒定技术以及通带的中心频率和带宽都可调的设计技术，以及平衡式电调滤波器，并设计了三个滤波器实例，探索了基于变容管的电调滤波器线性问题。（3）双通带电调滤波器：设计了两个双频带通电调滤波器，其中的一个通带或两个通带可调，此外还研究设计了三个双频滤波器。（4）其他带通滤波器：研究设计了一个三频，一个四频滤波器和一个超宽带滤波器。（5）滤波器与功分电路的集成：探索了滤波器与功分器的融合设计方法，将两个器件设计为一个可以减小体积和损耗。（6）其他电磁学问题研究，包括左右手材料、天线和计算电磁学等相关研究。 在国家自然科学基金的支持下，本项目研究进展顺利，圆满完成研究计划。发表SCI/EI论文共24篇，其中IEEE Trans.论文2篇，IEEE Letters论文4篇，SCI论文12篇，EI论文12篇，申请中国发明专利4项，其中1项获授权,两项授权实用新型专利。本项目取得的各项成果形式均超过预期指标，研究得出的结论与设计方法具有良好的理论价值和实际应用价值。 2100433B

快速发展的无线系统导致频谱资源紧张，能够提高频谱利用率且可以融合不同无线制式的认知无线电技术，是未来无线系统的一项核心关键技术。射频电调滤波器是认知无线电体系中的一个关键射频器件，是当前国际学术界和工业界的一个研究热点。传统的射频电调滤波器存在着调谐时性能指标不稳定、尺寸大等缺点，难以满足未来的应用需求。本项目将在我们前期研究的基础上对电调射频滤波器进行系统的研究，深入分析单端（single-ended）与平衡式（balanced）电调滤波器的设计理论，探讨各类单通带电调滤波器的新型设计技术与方案，探索双通带电调滤波器、电调带阻滤波器的设计技术，研究电调滤波器的谐波抑制技术，探讨降低电调滤波器噪声和提高其线性的技术，设计各类电调滤波器电路进行实验验证。本项目的实施可解决目前电调滤波器设计中面临的一些主要理论和技术问题，具有重要的科学意义和应用价值。

认知无线电技术被视为解决当前频谱资源利用率低的有效方案。各标准化组织和行业联盟纷纷展开对认知无线电技术的研究，并着手制定认知无线电的标准和协议，以其推动认知无线电技术的发展和应用。涉及认知无线电标准化的机构主要有美国电气电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）、软件无线电论坛（SDRForum）和美国国防部高级研究计划署（DARPA）等。

IEEE涉及认知无线电的标准最受关注的有两个：IEEE802.22和IEEESCC41（或者称为P1900）。其中，IEEE802.22是采用认知无线电技术为基础的空中接口标准，IEEESCC41的标准化工作主要涉及动态频谱接入的相关技术。另外，我们认为，共存问题、动态频谱选择和功率控制、动态频谱接入等技术都属于认知无线电的范畴。因此，除上述两个标准之外，IEEE还有其他几个标准也涉及认知无线电，如IEEE802.11h、IEEE802.15和IEEE802.16h等。

已经完成的标准化有：（1）IEEE802.16.2-2001，（2）IEEE802.16a-2003，（3）IEEE802.16.2-2004，（4）IEEE802.15.2-2003，（5）IEEE802.15.4-2003，（6）IEEE802.11h-2003。

认知无线电1、在WRAN中的应用

2003年12月，FCC在其规则的第15章公布了修正案。法律规定[7]“只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”，这为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。WRAN的目的就是使用认知无线电技术将分配给电视广播的VHF/UHF频带（北美为54～862MHz）的频率用作宽带访问线路，将空闲频道有效地利用起来。IEEE802.22标准工作组于2005年9月完成了对WRAN的功能需求和信道模型文档，2006年开始对各个公司提交的提案进行审议和合并，并于2006年3月形成了最终的合并提案作为编写标准的基础。

认知无线电2、在UWB中的应用

UWB技术产生于20世纪60年代，当时主要应用于脉冲雷达（ImpulseRadar），美国军方利用其进行安全通信中的精确定位和成像。至20世纪90年代之前，UWB主要应用于军事领域，之后UWB技术开始应用于民用领域。UWB由于具有传输速率高、系统容量大、抵抗多径能力强、功耗低、成本低等优点，被认为是下一代无线通信的革命性技术，而且是未来多媒体宽带无线通信中最具潜力的技术。

认知无线电采用频谱感知技术，能够感知周围频谱环境的特性，通过动态频谱感知来探测“频谱空洞”，合理地、机会性地利用临时可用的频段，潜在地提高频谱的利用率。与此同时，认知无线电技术还支持根据感知结果动态地、自适应地改变系统的传输参数，以保证高优先级的授权主用户对频段的优先使用，改善频谱共享，与其他系统更好地共存。

认知无线电3、在WLAN中的应用

以IEEE802.11标准为基础的无线技术已经成为WLAN技术的主流，通过接入无线网络实现移动办公已经成为很多人生活方式的一部分。随着无线局域网的普及，频谱资源越来越紧张，某些工作频段的通信业务近乎达到饱和状态，无法满足新的业务请求；同时，某些其他频段比较空闲，能够提供更多的可用信道。在这样的背景下，认知无线电技术的出现和发展为解决以上问题带来了新的思路。认知无线电技术能通过不断扫描频谱段，获得这些可用信道的信道环境和质量的认知信息，自适应地接入较好的通信信道，这正是解决WLAN频段拥挤问题的方法。因此认知无线电技术对于WLAN而言更具有吸引力。而且无线局域网具有工作区域小、工作地点灵活、无线环境相对简单等特点，更有利于认知无线电技术的实现。

认知无线电4、在Mesh网络中的应用

无线Mesh网络是近年来出现的具有一种无线多跳（Multi-hop）的网络结构。在Mesh网络中，每个节点可以和一个或者多个对等节点直接通信；同时也能模拟路由器的功能，从邻近节点接收消息并进行中继转发。这样，Mesh网络通过邻近节点之间的低功率传输取代了远距离节点间的大功率传输，实现了低成本的随时随地接入。网络中所有节点之间是相互协作的，如果Mesh网络中的一条链路失效了，网络可以通过替代链路将信息路由到目的地，优化了频谱的使用。

认知无线电和无线Mesh网络结合，正是在增大网络密度和提高服务吞吐量的发展趋势下提出来的，适用于可能有严重的线路争用情况的人口稠密城市的无线宽带接入。认知Mesh网络通过中继方式可以有效地扩展网络覆盖范围，当一个无线Mesh网的骨干网络是由认知接入点和固定中继点组成时，无线Mesh网的覆盖范围能够大大增加。尤其是在受限于视距传输的微波频段，认知Mesh网络将有利于在微波频段实现频谱的开放接入。

认知无线电5、在Ad-hoc中的应用

一般的多跳Ad-hoc网络在发送数据包时会预先确定通信路由。认知无线电技术能够实时地收集信息并且自动选择波形，并向各方通知尚未使用的频率信息，适用于具有不可提前预测的频谱使用模式的应用场景。因此，当认知无线电技术应用于低功耗多跳Ad-hoc网络，能够满足分布式认知用户之间的通信需求。

由于认知无线电系统可根据周围环境的变化动态地进行频率的选择，而频率的改变通常需要路由协议等进行相应调整，因此，基于认知无线电技术的Ad-hoc网络需要新的支持分布式频率共享的MAC协议和路由协议。 2100433B

认知无线电的物理平台的实现是以软件无线电平台为基础的，其物理平台结构与软件无线电平台结构基本相同，两者之间的比较如图2所示，它主要在软件无线电平台的基础上增加了感知，学习等功能，以实现其独特的认知能力。

其中，无论对于软件无线电平台还是认知无线电平台，软件部分的硬件支撑都是通用硬件平台。也就是说，从图2可以看出，和软件无线电类似，认知无线电物理平台也主要由射频前端、数模模数转换器以及通用硬件平台3个部分组成。

图2 认知无线电与软件无线电物理平台结构的比较

其中，为软件提供硬件支撑的认知无线电通用硬件平台的组成和结构与软件无线电系统的硬件平台基本类似，但除了常见通信系统所需的数字信号处理外，认知无线电还需要完成频谱感知、频谱分析、频谱判决等认知无线电特有的功能。

而认知无线电平台中使用的A/D和D/A模块的作用和性能指标也与软件无线电系统基本相同。A/D和D/A模块一般集成在通用硬件平台之中。

另外，认知无线电平台射频前端除了完成软件无线电系统所需的不同频段的宽带射频信号和中频信号之间的转换外，还需要协助甚至单独完成宽带频谱感知等认知无线电特有的功能。但就结构而言，认知无线电平台的射频模块与软件无线电平台的射频前端基本类似。关于认知无线电的射频前端技术将在下面重点介绍。

相对软件无线电系统而言，认知无线电系统射频模块的特点就是，它需要协助系统甚至单独完成宽带频谱感知功能。这个功能要求射频模块的射频硬件具有很宽的工作频带范围，从而实现对频谱信息实时的、大范围的测量。和软件无线电射频模块类似，认知无线电射频模块的基本体系结构如图3所示。

图3 认知无线电的宽带射频前端结构

从图3中可以看出，和软件无线电的射频模块类似，认知无线电的射频前端具有混频、放大和自动增益控制等功能，实现大频谱范围内的射频信号与中频信号之间的转换，从而解决A/D的性能不满足对射频信号直接采样的问题。其中，可编程带通滤波器、低噪声放大器、可编程本地振荡器以及混频器和自动增益控制等需要具有与软件无线电平台类似的性能参数。

为了协助完成认知无线电系统的认知功能，对周围无线电环境中的授权用户进行检测，认知无线电系统的射频模块对某些部件的要求要高于软件无线电系统，它要求射频前端具有在大动态范围内检测一个或多个弱信号的能力，即接收机需要具有足够的工作带宽和灵敏度，使其能准确地检测不同频带不同功率电平的主信号。同时，考虑到频谱感知一般由能量检测、特征检测等方法完成，如果射频模块需要单独完成频谱感知，它还需要具有信号处理功能。