摘要

　　軟件定義無線電(SDR)代表了一種對傳統(tǒng)射頻(RF)設計技術的突破。原有的傳統(tǒng)系統(tǒng)只能提供固定的功能，而且包含的功能也非常有限。通過靈活的RF前端和高性能數(shù)字硬件，開發(fā)人員可以利用新技術從無線頻譜中獲取更多容量，并構(gòu)建高度差異化的系統(tǒng)。工程師可以用SDR構(gòu)建抗干擾能力更強的無線電系統(tǒng)，應用更高級的信道編碼方案來提高數(shù)據(jù)速率，并可利用其他先進的RF技術。還能夠訪問包括開源程序庫在內(nèi)的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)，這意味著比以往任何時候都更容易獲得SDR設計經(jīng)驗。

　　自從20多年前推出2G蜂窩網(wǎng)絡以來，RF設計已經(jīng)有了巨大的進步。與早期網(wǎng)絡相比，靈活性目前是系統(tǒng)設計的關鍵要求，因為運營商和用戶都希望更充分地利用可用的RF頻譜資源。

　　當?shù)谝粋€數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡推出時，終端、基站和其他射頻設備的制造商只需支持每個地區(qū)有限的頻段選擇。而在3G出現(xiàn)后，終端制造商不得不考慮更大范圍的頻段，以便他們可以銷售可在全球大多數(shù)地區(qū)使用的設備。4G和長期演進(LTE)協(xié)議的到來使可能的頻段數(shù)量增加到40個以上，即將到來的5G網(wǎng)絡將進一步提高復雜程度，但同時帶來更廣泛的選擇，這不僅僅針對運營商許可頻譜，也包括未經(jīng)許可頻譜。

　　即使在單個移動頻段內(nèi)，也有許多協(xié)議可用于傳輸數(shù)據(jù)，Wi-Fi就是一個很好的例子。例如，它需要與越來越擁擠的2.4GHz頻段中的藍牙和許多其他協(xié)議共存。這些協(xié)議不僅在采用的二進制數(shù)據(jù)包格式方面完全相同，而且在如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)放大并隨后傳輸也差異不大。這其中的每個決定都會影響發(fā)射和接收子系統(tǒng)的設計，直到注入到傳輸信號流中的數(shù)據(jù)最終被解碼和恢復。

　　RF通信的關鍵方面是將數(shù)據(jù)信號調(diào)制到載波上。載波信號通常以比數(shù)據(jù)更新速率高得多的頻率振蕩，這可使RF信號的帶寬約束在特定頻率范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)信號占據(jù)邊帶：其頻率可以位于核心載波頻率之上或之下，當數(shù)據(jù)信號被調(diào)制到載波上時，這些邊帶會包括數(shù)據(jù)信號的傅里葉分量。

　　具體的調(diào)制方式可以使用各種可選方案中的一種，其中最簡單的是幅度調(diào)制，這種調(diào)制已經(jīng)用于最早的廣播無線電。這種方法通過改變載波的強度，可以擴展信號占用的頻率范圍。頻率調(diào)制則直接變更載波的頻率，相位調(diào)制以一種特定的方式改變載波的幅度，從而改變信號的有效相位。正交幅度調(diào)制使用兩個載波信號，相位角為90°，盡管兩個信號在同一通道上一起傳輸，但因為這兩個載波彼此正交，因此可以通過相干解調(diào)作為兩個獨立信號提取。

　　原則上，可以直接利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)創(chuàng)建調(diào)制信號，然后在接收鏈中使用模數(shù)(ADC)來恢復載波信息。此后，可以采用軟件算法來分析信號，以便恢復原始數(shù)據(jù)信號。只是在最近，這種用軟件進行生成和分析的數(shù)字RF處理技術才成為各種無線電系統(tǒng)的可行方法。

　　傳統(tǒng)上，由于大多數(shù)信號要求能夠處理從數(shù)百MHz到GHz頻域的輸入，所以RF處理需要使用固定功能電路?？紤]到ADC和DAC無法在如此高的頻率下工作，因此直接轉(zhuǎn)換是不可能的。

　　可以使用外差(heterodyning)等技術來為數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供更易操作的頻率。外差轉(zhuǎn)換可以追溯到20世紀初，它是依賴兩個高頻信號的組合，來產(chǎn)生兩個處在不同頻率的信號。通常，一個輸出是兩個頻率之和，另一個是兩者之差。在下變頻情況下，調(diào)諧本地振蕩器可以從差值信號產(chǎn)生中頻，而頻率的總和值則被過濾掉。

　　盡管外差技術易于理解并且易于在模擬域中實現(xiàn)，但是它需要精確匹配的組件，而且這些組件需要被調(diào)諧到相對有限的輸入頻率范圍，還需要針對特定頻率范圍選擇合適的濾波器。雖然諸如表面聲波(SAW)濾波器之類的器件可以提供強大的噪聲抑制特性，有助于降低來自相鄰頻率信號的干擾，但是這些器件需要針對特定應用進行認真篩選，而提供的調(diào)諧能力非常有限。通常，濾波器將根據(jù)接收器的需要進行切換。為了處理更大范圍的頻率和信號類型，基于外差架構(gòu)的傳統(tǒng)收發(fā)器設計需要大量的分立元件和濾波器，這增加了PCB面積和總體成本。

　　近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多能夠增加RF收發(fā)器靈活性的設計技術，并且可以進行直接采樣，幾乎所有需要的處理都在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行 。這為工程師提供了真正的軟件定義無線電功能?？删幊蘎F技術是一種構(gòu)建高靈活性通信系統(tǒng)的方法，可以應對多種頻率和協(xié)議，并可具備更高的傳輸效率。

　　數(shù)字域處理可以改善傳輸信號的整體質(zhì)量。例如，發(fā)送到DAC(該DAC能夠生成用于本地振蕩器混頻的信號)的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過處理以防止不需要的DC分量泄漏到輸出。更高級的應用包括復雜協(xié)議的生成和處理，例如可以使用擴頻技術來提高安全性，或利用現(xiàn)有頻譜來使其帶寬最大化。

　　雖然SDR仍處于早期階段，但這種技術能夠為開發(fā)認知無線電系統(tǒng)提供許多機會。認知無線電系統(tǒng)可以感知周圍的RF使用環(huán)境，并可調(diào)整其運行以避免干擾，并最大化可用帶寬。相應的協(xié)議可以動態(tài)調(diào)整通道頻率、帶寬和信令技術，以避免潛在的干擾。正在開始開發(fā)的其他與4G和5G相關的機會包括波束成形和多輸入多輸出(MIMO)天線陣列等技術，其中的 MIMO可使利用空間分集成為可能，這種技術能夠提高輸入信號的整體質(zhì)量，可以解碼來自有干擾問題的低功率信號源的數(shù)據(jù)。在傳輸期間，還可以使用MIMO改變通過每個天線發(fā)射的信號，目的是提高接收器成功解碼的機會。通過使用更大的天線陣列，MIMO可以使用波束成形 動態(tài)地將信號轉(zhuǎn)向預期的接收器。除了改善接收性能外，波束成形還減少了與其他用戶可能的干擾，提高了傳輸安全性。

　　隨著大部分功能轉(zhuǎn)移到軟件，開發(fā)人員可以利用不斷擴大的開源工具和程序庫生態(tài)系統(tǒng)來豐富SDR開發(fā)的經(jīng)驗，并可針對常用的RF功能避免重復性的工作。像GNU Radio這樣的計劃能夠提供現(xiàn)成的模塊，可以很容易地使設計調(diào)整到滿足目標應用的需求。 GNU Radio平臺具有濾波器、通道代碼、同步單元、均衡器(equalisers)、解調(diào)器、聲碼器(vocoders)、解碼器和許多其他類型的功能模塊，它還定義了功能模塊之間連接和管理彼此之間數(shù)據(jù)流動的方法。

　　在硬件方面，有效的SDR設計需要兩組主要元器件。一組要在數(shù)字域中提供管理RF信號所需的處理能力。業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出高度并行化的微處理器和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件，它們具有處理在多個MHz域中信號所需的數(shù)據(jù)吞吐量。 Xilinx已將ADC和DAC集成到其MPSoC UltraScale FPGA中，以便能夠更輕松地實現(xiàn)SDR解決方案。更高的集成度不僅降低了PCB復雜性，也降低了功耗。傳統(tǒng)設計使用帶有JESD204串行鏈路的ADC和DAC將數(shù)字信號傳送到FPGA和多核處理器。 UltraScale等器件中的數(shù)字FPGA內(nèi)核現(xiàn)在包括有針對RF處理而優(yōu)化的DSP模塊，例如數(shù)字混頻和濾波。通常，該架構(gòu)包括多個DSP模塊，以執(zhí)行許多濾波和信號處理任務中所常見的乘法累加運算。

　　FPGA陣列可以靈活地將樣本信號分割以便由多個DSP模塊進行處理，并能夠高速地將結(jié)果交織(interleave)成為輸出信號?？删幊踢壿嬤€可以針對特殊應用實現(xiàn)高度定制化的處理。與可編程邏輯處在同一芯片上的Arm處理器能夠處理更高級別的協(xié)議，類似這種架構(gòu)可支持各種數(shù)字格式，能夠處理大規(guī)模MIMO等高級應用。這些系統(tǒng)對相位噪聲比較敏感，但由于采用了更高精度的浮點運算，因而有助于克服由此噪聲引起的問題。

　　對于前端處理，制造商已經(jīng)在利用高集成度的先進CMOS處理器功能，可以更輕松地將完整的RF信號下變頻到適合于高速運行的ADC，當然與RF源的頻率不同。這些器件包含前端電路，可以調(diào)節(jié)模擬域中的本地振蕩器和外差過程，以滿足不同RF信號及其中包含的通道需要。 ADI公司的AD9363就是一個例子，它可以處理325MHz～3.8GHz范圍內(nèi)的RF信號，覆蓋大多數(shù)許可和未許可頻段，工作頻道帶寬從不到200kHz到高達20MHz。每個接收子系統(tǒng)包括獨立的自動增益控制、DC偏移校正、正交校正和數(shù)字濾波等功能，從而避免了在數(shù)字域中執(zhí)行這些功能。每個通道有兩個ADC將接收到的I和Q信號數(shù)字化，之后數(shù)字信號通過可配置的抽取濾波器(decimation filters)和128抽頭有限脈沖響應(FIR)濾波器，產(chǎn)生出12位輸出信號并饋入數(shù)字處理。

　　針對SDR應用的開發(fā)板和套件選擇越來越多，這些可為用戶提供獲得各種技術和經(jīng)驗的簡便方法，它們可支持處理器、FPGA和主機的不同組合，通過前端器件(如AD9363)提供RF訪問。這其中一個例子是ADALM-PLUTO SDR主動學習模塊(Active Learning Module)，它能夠為用戶提供AD9363、軟件處理和可編程邏輯的組合，可用于SDR應用的開發(fā)、測試和實施。該模塊具有獨立的發(fā)射和接收信號，能夠以全雙工模式運行。它可以采集和生成325MHz～3.8GHz的RF模擬信號，以高達61.44MSPS的速率將數(shù)字信號傳入和傳出中頻信道。通過提供對于OS X、Windows和Linux的驅(qū)動支持，用戶可以使該模塊在各種計算平臺上運行。

　　圖1：ADI公司的ADALM-PLUTO SDR主動學習模塊。

　　Crowd Supply Lime SDR迷你板是基于Intel MAX 10 FPGA和Lime Microsystems LMS7002M RF可編程收發(fā)器組合的硬件平臺。Lime SDR迷你板盡管體積很小，但已經(jīng)被證明是完整LTE 4G基站設計的一部分，能夠在兩部手機之間傳輸直播視頻流。

　　圖2：Crowd Supply Lime SDR迷你板。

　　就開源硬件生態(tài)系統(tǒng)而言，也已經(jīng)發(fā)布了許多相應的SDR開發(fā)套件，其中包括Beaglebone。KiwiSDR能夠為Beaglebone處理器提供10kHz～30MHz范圍的RF接口。為便于使用個人計算機進行快速原型設計，HackRF One具有一個USB 2.0端口，并可在1MHz～6GHz之間任何頻率提供高達10MHz的RF通道。

　　針對SDR部署的開發(fā)板和套件在不斷增加，由此證明這些用于RF通信的技術正在成為主流。現(xiàn)在，更多的開發(fā)人員可以利用SDR，能夠在法律允許時針對為未經(jīng)許可的頻段，或者針對授權頻段進行定制通信系統(tǒng)的開發(fā)。