SDR提高了RF通信的靈活性

　　摘要

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)代表了一種對傳統射頻(RF)設計技術(shù)的突破。原有的傳統系統只能提供固定的功能，而且包含的功能也非常有限。通過(guò)靈活的RF前端和高性能數字硬件，開(kāi)發(fā)人員可以利用新技術(shù)從無(wú)線(xiàn)頻譜中獲取更多容量，并構建高度差異化的系統。工程師可以用SDR構建抗干擾能力更強的無(wú)線(xiàn)電系統，應用更高級的信道編碼方案來(lái)提高數據速率，并可利用其他先進(jìn)的RF技術(shù)。還能夠訪(fǎng)問(wèn)包括開(kāi)源程序庫在內的硬件和軟件生態(tài)系統，這意味著(zhù)比以往任何時(shí)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(luò )以來(lái)，RF設計已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步。與早期網(wǎng)絡(luò )相比，靈活性目前是系統設計的關(guān)鍵要求，因為運營(yíng)商和用戶(hù)都希望更充分地利用可用的RF頻譜資源。

　　當第一個(gè)數字蜂窩網(wǎng)絡(luò )推出時(shí)，終端、基站和其他射頻設備的制造商只需支持每個(gè)地區有限的頻段選擇。而在3G出現后，終端制造商不得不考慮更大范圍的頻段，以便他們可以銷(xiāo)售可在全球大多數地區使用的設備。4G和長(cháng)期演進(jìn)(LTE)協(xié)議的到來(lái)使可能的頻段數量增加到40個(gè)以上，即將到來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò )將進(jìn)一步提高復雜程度，但同時(shí)帶來(lái)更廣泛的選擇，這不僅僅針對運營(yíng)商許可頻譜，也包括未經(jīng)許可頻譜。

　　即使在單個(gè)移動(dòng)頻段內，也有許多協(xié)議可用于傳輸數據，Wi-Fi就是一個(gè)很好的例子。例如，它需要與越來(lái)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(jìn)制數據包格式方面完全相同，而且在如何將數據轉換為模擬信號，再經(jīng)放大并隨后傳輸也差異不大。這其中的每個(gè)決定都會(huì )影響發(fā)射和接收子系統的設計，直到注入到傳輸信號流中的數據最終被解碼和恢復。

　　RF通信的關(guān)鍵方面是將數據信號調制到載波上。載波信號通常以比數據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。數據信號占據邊帶：其頻率可以位于核心載波頻率之上或之下，當數據信號被調制到載波上時(shí)，這些邊帶會(huì )包括數據信號的傅里葉分量。

　　具體的調制方式可以使用各種可選方案中的一種，其中最簡(jiǎn)單的是幅度調制，這種調制已經(jīng)用于最早的廣播無(wú)線(xiàn)電。這種方法通過(guò)改變載波的強度，可以擴展信號占用的頻率范圍。頻率調制則直接變更載波的頻率，相位調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。正交幅度調制使用兩個(gè)載波信號，相位角為90°，盡管兩個(gè)信號在同一通道上一起傳輸，但因為這兩個(gè)載波彼此正交，因此可以通過(guò)相干解調作為兩個(gè)獨立信號提取。

　　原則上，可以直接利用數模轉換器(DAC)創(chuàng )建調制信號，然后在接收鏈中使用模數(ADC)來(lái)恢復載波信息。此后，可以采用軟件算法來(lái)分析信號，以便恢復原始數據信號。只是在最近，這種用軟件進(jìn)行生成和分析的數字RF處理技術(shù)才成為各種無(wú)線(xiàn)電系統的可行方法。

　　傳統上，由于大多數信號要求能夠處理從數百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(wú)法在如此高的頻率下工作，因此直接轉換是不可能的。

　　可以使用外差(heterodyning)等技術(shù)來(lái)為數字轉換器提供更易操作的頻率。外差轉換可以追溯到20世紀初，它是依賴(lài)兩個(gè)高頻信號的組合，來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)處在不同頻率的信號。通常，一個(gè)輸出是兩個(gè)頻率之和，另一個(gè)是兩者之差。在下變頻情況下，調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(guò)濾掉。

　　盡管外差技術(shù)易于理解并且易于在模擬域中實(shí)現，但是它需要精確匹配的組件，而且這些組件需要被調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(lèi)的器件可以提供強大的噪聲抑制特性，有助于降低來(lái)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(jìn)行認真篩選，而提供的調諧能力非常有限。通常，濾波器將根據接收器的需要進(jìn)行切換。為了處理更大范圍的頻率和信號類(lèi)型，基于外差架構的傳統收發(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(lái)，已經(jīng)出現了許多能夠增加RF收發(fā)器靈活性的設計技術(shù)，并且可以進(jìn)行直接采樣，幾乎所有需要的處理都在數字域內執行 。這為工程師提供了真正的軟件定義無(wú)線(xiàn)電功能?？删幊蘎F技術(shù)是一種構建高靈活性通信系統的方法，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)的數據可以經(jīng)過(guò)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(shù)來(lái)提高安全性，或利用現有頻譜來(lái)使其帶寬最大化。

　　雖然SDR仍處于早期階段，但這種技術(shù)能夠為開(kāi)發(fā)認知無(wú)線(xiàn)電系統提供許多機會(huì )。認知無(wú)線(xiàn)電系統可以感知周?chē)腞F使用環(huán)境，并可調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(dòng)態(tài)調整通道頻率、帶寬和信令技術(shù)，以避免潛在的干擾。正在開(kāi)始開(kāi)發(fā)的其他與4G和5G相關(guān)的機會(huì )包括波束成形和多輸入多輸出(MIMO)天線(xiàn)陣列等技術(shù)，其中的 MIMO可使利用空間分集成為可能，這種技術(shù)能夠提高輸入信號的整體質(zhì)量，可以解碼來(lái)自有干擾問(wèn)題的低功率信號源的數據。在傳輸期間，還可以使用MIMO改變通過(guò)每個(gè)天線(xiàn)發(fā)射的信號，目的是提高接收器成功解碼的機會(huì )。通過(guò)使用更大的天線(xiàn)陣列，MIMO可以使用波束成形 動(dòng)態(tài)地將信號轉向預期的接收器。除了改善接收性能外，波束成形還減少了與其他用戶(hù)可能的干擾，提高了傳輸安全性。

　　隨著(zhù)大部分功能轉移到軟件，開(kāi)發(fā)人員可以利用不斷擴大的開(kāi)源工具和程序庫生態(tài)系統來(lái)豐富SDR開(kāi)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成的模塊，可以很容易地使設計調整到滿(mǎn)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)、解調器、聲碼器(vocoders)、解碼器和許多其他類(lèi)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據流動(dòng)的方法。

　　在硬件方面，有效的SDR設計需要兩組主要元器件。一組要在數字域中提供管理RF信號所需的處理能力。業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出高度并行化的微處理器和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件，它們具有處理在多個(gè)MHz域中信號所需的數據吞吐量。 Xilinx已將ADC和DAC集成到其MPSoC UltraScale FPGA中，以便能夠更輕松地實(shí)現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。傳統設計使用帶有JESD204串行鏈路的ADC和DAC將數字信號傳送到FPGA和多核處理器。 UltraScale等器件中的數字FPGA內核現在包括有針對RF處理而優(yōu)化的DSP模塊，例如數字混頻和濾波。通常，該架構包括多個(gè)DSP模塊，以執行許多濾波和信號處理任務(wù)中所常見(jiàn)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(gè)DSP模塊進(jìn)行處理，并能夠高速地將結果交織(interleave)成為輸出信號?？删幊踢壿嬤€可以針對特殊應用實(shí)現高度定制化的處理。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(lèi)似這種架構可支持各種數字格式，能夠處理大規模MIMO等高級應用。這些系統對相位噪聲比較敏感，但由于采用了更高精度的浮點(diǎn)運算，因而有助于克服由此噪聲引起的問(wèn)題。

　　對于前端處理，制造商已經(jīng)在利用高集成度的先進(jìn)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，可以調節模擬域中的本地振蕩器和外差過(guò)程，以滿(mǎn)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(gè)例子，它可以處理325MHz～3.8GHz范圍內的RF信號，覆蓋大多數許可和未許可頻段，工作頻道帶寬從不到200kHz到高達20MHz。每個(gè)接收子系統包括獨立的自動(dòng)增益控制、DC偏移校正、正交校正和數字濾波等功能，從而避免了在數字域中執行這些功能。每個(gè)通道有兩個(gè)ADC將接收到的I和Q信號數字化，之后數字信號通過(guò)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字處理。

　　針對SDR應用的開(kāi)發(fā)板和套件選擇越來(lái)越多，這些可為用戶(hù)提供獲得各種技術(shù)和經(jīng)驗的簡(jiǎn)便方法，它們可支持處理器、FPGA和主機的不同組合，通過(guò)前端器件(如AD9363)提供RF訪(fǎng)問(wèn)。這其中一個(gè)例子是ADALM-PLUTO SDR主動(dòng)學(xué)習模塊(Active Learning Module)，它能夠為用戶(hù)提供AD9363、軟件處理和可編程邏輯的組合，可用于SDR應用的開(kāi)發(fā)、測試和實(shí)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的速率將數字信號傳入和傳出中頻信道。通過(guò)提供對于OS X、Windows和Linux的驅動(dòng)支持，用戶(hù)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(dòng)學(xué)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(kāi)源硬件生態(tài)系統而言，也已經(jīng)發(fā)布了許多相應的SDR開(kāi)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(gè)人計算機進(jìn)行快速原型設計，HackRF One具有一個(gè)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(kāi)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(shù)正在成為主流?，F在，更多的開(kāi)發(fā)人員可以利用SDR，能夠在法律允許時(shí)針對為未經(jīng)許可的頻段，或者針對授權頻段進(jìn)行定制通信系統的開(kāi)發(fā)。