林朋飛，陳少昌

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

軟件無線電中ADC的應(yīng)用

林朋飛，陳少昌

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

高性能的ADC是現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中不可或缺的一部分，針對(duì)不同通信裝備中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用情況，本文分析了軟件無線電中ADC的重要作用，并對(duì)長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信等不同波段及各種通信系統(tǒng)通信裝備的ADC進(jìn)行應(yīng)用分析總結(jié)，得出不同通信裝備對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度和功率的要求，使不同通信裝備能夠更合理地選擇高性能的ADC。

軟件無線電；模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；通信系統(tǒng)；通信裝備；高性能

本課題研究是在國(guó)際海軍通信裝備的基礎(chǔ)上，針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能進(jìn)行應(yīng)用研究。

無線電通信所用的頻率分為十二個(gè)頻段，根據(jù)頻率和波長(zhǎng)的差異，無線電通信大致可以分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信[1]。

長(zhǎng)波通信系統(tǒng)：即甚低頻通信，頻率在3～30 kHz。多用于海上、水下、地下的通信，如海軍通信中的對(duì)潛通信。

中波通信系統(tǒng)：頻率在30 kHz～3 MHz，中距通信，主要傳電報(bào)或話音，多應(yīng)用于廣播和導(dǎo)航業(yè)務(wù)，在軍事中一般用作岸和艦艇及大型船舶間的 應(yīng)急通信手段。

短波通信系統(tǒng)：頻率在3～30 MHz，遠(yuǎn)距通信，傳播距離可達(dá)幾千公里甚至上萬公里。短波通信適用于應(yīng)急、抗災(zāi)通信和遠(yuǎn)距離越洋通信。在海軍通信中，它是艦艇遠(yuǎn)距離通信的主要手段。

超短波通信系統(tǒng)：頻率在30～300 MHz，受季節(jié)和晝夜變化的影響小，主要以直線視距方式傳播。超短波通信被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、移液晶拼接屏動(dòng)通信等業(yè)務(wù)。在海軍通信中，特高頻主要用于艦對(duì)岸、艦對(duì)艦和艦對(duì)空的戰(zhàn)術(shù)通信。

微波通信：頻率在300 MHz～300 GHz。微波通信主要用于干線或支線無線通信、移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信。其中，衛(wèi)星通信是海軍遠(yuǎn)距離通信的一種主要手段。

1 軟件無線電的提出與發(fā)展

所謂的軟件無線電就是指無線通信功能完全由軟件來定義和完成的無線電電臺(tái)技術(shù)[2]。軟件無線電的基本思想之一就是力圖從通信系統(tǒng)的基帶信號(hào)直至中頻、射頻段進(jìn)行數(shù)字化處理[2]。典型的軟件無線電的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由天線、射頻信號(hào)變換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和DSP信號(hào)處理器以及各種處理軟件組成。

圖1 軟件無線電典型結(jié)構(gòu)

軟件無線電的發(fā)展最早源于美國(guó)軍事通信領(lǐng)域。為解決軍事通信中各類電臺(tái)互通問題，早在1991年10月，美國(guó)國(guó)防部就提出了Speakeasy計(jì)劃。Speakeasy是美軍“軍用軟件無線電”的代名詞，該計(jì)劃就是美軍的軍用軟件無線電通信電臺(tái)開發(fā)計(jì)劃。該計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了各類軍用電臺(tái)之間的互通，解決了通信裝備之間的不兼容性和信息安全性的問題。易通話系統(tǒng)計(jì)劃成功為軟件無線電在民用通信領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。

1995年，美國(guó)和歐洲開始研究軟件無線電在民用通信領(lǐng)域的應(yīng)用。雖然，軟件無線電提出的時(shí)間很短，但發(fā)展迅速，已從最初的模糊概念發(fā)展到現(xiàn)在的初級(jí)商用系統(tǒng)。

在國(guó)外軍事通信技術(shù)飛速發(fā)展和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的新形勢(shì)下，發(fā)展軍事軟件無線電已經(jīng)迫在眉睫。這就對(duì)海軍通信裝備的模數(shù)轉(zhuǎn)換器提出了更高要求。

2 ADC地位和研究意義

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將現(xiàn)實(shí)世界中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的接口器件，是聯(lián)系現(xiàn)實(shí)世界中模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的橋梁。高速ADC被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、測(cè)控、醫(yī)療、儀器儀表、高性能控制器以及數(shù)字通信系統(tǒng)等。但是ADC的發(fā)展速度仍不能滿足數(shù)字信號(hào)處理的需要。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)性能，更好的接收處理信號(hào)，Jeo Mitola提出了軟件無線電技術(shù)（software radio），即在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。它要求ADC能夠?qū)?Mhz～2Ghz的通信頻段進(jìn)行處理，并要求有效位數(shù)達(dá)到12～14bit，這就對(duì)ADC提出了更高的要求[4]。高性能的ADC已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因此對(duì)ADC的應(yīng)用研究具有重要意義。

3 通信裝備對(duì)ADC要求

3.1 長(zhǎng)波通信

長(zhǎng)波即甚低頻波段，甚低頻通信是一種利用甚低頻電磁波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的一種通信方式。由于甚低頻電磁波具有傳播穩(wěn)定、損耗較小的特點(diǎn)，它能夠穿透海水、深入巖層，因此，甚低頻通信被廣泛應(yīng)用于潛艇通信、地下通信、遠(yuǎn)洋通信以及地質(zhì)探礦等方面[5]。

在民用中，甚低頻被廣泛用于礦井隧道中，在發(fā)生緊急情況（如煤礦坍塌）時(shí)，常規(guī)通信不能正常工作，此時(shí)，甚低頻通信的優(yōu)勢(shì)就會(huì)顯而易見。在2015年的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，我們就設(shè)計(jì)了基于甚低頻的煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)，接收到的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于后面的數(shù)字化處理。A/D轉(zhuǎn)換器該系統(tǒng)選用的是凌特公司（Linear Technology Corporation）推出的LTC2208系列A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片是16位采樣，并且最高速可達(dá)130 Msps的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[6]。圖2給出了LTC2208的原理圖。

國(guó)際上海軍甚低頻通信主要應(yīng)用于水下對(duì)潛通信[7]。也可作為對(duì)遠(yuǎn)洋艦艇發(fā)信，是海軍戰(zhàn)略通信的重要手段。由于甚低頻波長(zhǎng)很長(zhǎng)（100～10 km），其發(fā)信天線單元的尺寸應(yīng)該在1/4波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)上，盡管大功率甚低頻發(fā)射臺(tái)天線占地面積龐大，但天線長(zhǎng)度扔不可能接近1/4波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，故天線的效率很低，靠加大發(fā)射功率來彌補(bǔ)，而功率的繼續(xù)增大會(huì)給工程實(shí)施和造價(jià)帶來壓力。

3.2 中波通信

中波通信在我國(guó)海軍通信中的應(yīng)用比較少，但是國(guó)外海軍艦艇對(duì)中波波段的利用很早就已開始，可以追溯到無線電應(yīng)用的早期[8]?，F(xiàn)在國(guó)外艦艇和民用船舶大多都會(huì)裝備有中高頻電臺(tái)，與高頻信號(hào)相比，中波信號(hào)傳播比較穩(wěn)定，但是傳輸距離有限，要求發(fā)信功率比較大，天線的結(jié)構(gòu)也比較大，所以一般用作岸對(duì)船的通信。研究中波信號(hào)的接收和處理就是為了更好的利用中波頻段這一空白區(qū)域，為我軍現(xiàn)代化的軍事戰(zhàn)略部署提供更加多樣化的通信手段。

3.3 短波通信

短波通信是在現(xiàn)代通信手段中歷史最為悠久。短波通信設(shè)備簡(jiǎn)單、開發(fā)方便、性能優(yōu)良、成本較低、可靠性高，因此，被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，尤其是軍事通信領(lǐng)域，短波通信始終是軍事信息指揮的重要手段之一[9]。

圖2 LTC2208電路原理圖

此外，短波通信抗毀性強(qiáng)，短波通信具有不易“摧毀”的“中繼系統(tǒng)”——電離層。短波通信接收系統(tǒng)廣泛使用的是中頻數(shù)字化的系統(tǒng)。在中頻數(shù)字化接收機(jī)中，為了抑制干擾，一般采用的是高中頻方案。就目前A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展水平來講，滿足采樣頻率如此高的高精度A/D很少。一般精度為采用14位，采樣頻率為幾十MHz的A/D芯片，就能滿足高中頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集的需要。例如，AD9244的轉(zhuǎn)換精度為14位，采樣頻率可以選擇為10 MHz[10]。

3.4 超短波通信

超短波通信也稱為米波通信。超短波通信的接收機(jī)一般是典型的調(diào)頻式超外差接收機(jī)。超短波的頻帶帶寬比較寬，被廣泛地用于電視、調(diào)頻廣播、軍用通信等領(lǐng)域。

超短波電臺(tái)在第二次世界大戰(zhàn)中使用較廣泛。而海軍中的超短波電臺(tái)主要用于水面的艦艇編隊(duì)近距離通信和航空通信，工作頻率為數(shù)十兆赫，采用調(diào)頻制，發(fā)射功率一般在數(shù)十瓦至數(shù)十瓦之間，水面通信距離為數(shù)公里到數(shù)十公里[11]。

3.5 微波通信

“微波”是指射頻為微波頻率，微波頻段可容納較其他頻段多得多的話路，而且不致互相干擾。微波電磁波近似于光波特性，可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，得到方向性很強(qiáng)的天線。

1）衛(wèi)星通信裝備

衛(wèi)星通信通信具有很多優(yōu)點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無關(guān)；以廣播方式工作，便于實(shí)現(xiàn)多至聯(lián)接；通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類型多；可以自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測(cè)等等[13]。

2）全球定位系統(tǒng)（GPS）

全球定位系統(tǒng)（global position system，簡(jiǎn)稱GPS）是中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)接收機(jī)采用的量化位數(shù)有1位到3位不等，當(dāng)然也有極其尖端的采用了8位以上的量化位數(shù)，各種接收機(jī)均能正常工作，但性能有所差異[14]。

3）現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)總線式微機(jī)網(wǎng)絡(luò)。所有的從站的單片機(jī)共用一條總線與主機(jī)實(shí)行雙向數(shù)據(jù)通信。在這樣的監(jiān)控系統(tǒng)中，遙測(cè)一般對(duì)溫度、電壓、電流等量進(jìn)行定量測(cè)試，且先把各遙測(cè)量送至A/D轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在常用的是8位的ADC芯片。遙測(cè)傳感器送來的線電流在接口處形成0～5V的電壓，采用8位編碼，通過ADC把模擬量變成數(shù)字信號(hào)，可得 28=256級(jí)[15]。

4 結(jié)束語

總之，ADC器件的選擇應(yīng)該要保證系統(tǒng)功能和性能的實(shí)現(xiàn)。從初步判斷可以知道，ADC采樣速率越高，轉(zhuǎn)換精度越高越好，但是由于現(xiàn)實(shí)工藝條件以及不同通信裝備對(duì)ADC要求不同，可以根據(jù)具體通信要求選擇ADC的采樣速率和采樣精度。

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The application of ADC in the software radio

LIN Peng-fei，CHEN Shao-chang
（School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

High performance ADC is an indispensable part of modern digital signal processing system.According to different AD converter applied in analysis of communication equipment，This article analyzes the important role of ADC in the software radio，and the long wave communication，medium wave communication，ultrashort wave communication and microwave communication different communication such as different bands and various kinds of communication system's equipment is analyzed to summarize the application of ADC.Give different communications equipment to the requirement of precision of speed and power of ADC.Make different communication equipment can more reasonably choose high performance ADC.

software radio；ADC；communication system；communication equipment；high performance

TN99

：A

：1674－6236（2017）13-0096-03

2016-05-10稿件編號(hào)：201605088

林朋飛（1991—），女，山東東營(yíng)人，碩士研究生。研究方向：電路與系統(tǒng)的電磁兼容性研究。