系統解讀無(wú)線(xiàn)通信之SDR和CR

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)過(guò)去是比較少有的舶來(lái)品。不過(guò)現在，大多數現代無(wú)線(xiàn)電都采用軟件定義無(wú)線(xiàn)電的架構和技術(shù)。隨著(zhù)每年IC和其他技術(shù)的不斷進(jìn)步，SDR的性能和應用范圍都在與日俱增。事實(shí)上，認知無(wú)線(xiàn)電(CR)等新興技術(shù)的出現，為SDR在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域大顯身手創(chuàng )造了條件。

　　什么是軟件定義無(wú)線(xiàn)電

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電使用軟件來(lái)執行接收器和發(fā)射器中的部分信號處理任務(wù)。例如，采用隨處可見(jiàn)的超外差架構的傳統接收器通過(guò)基本電路(圖1a)執行所有的信號處理任務(wù)。這種超外差架構將輸入信號通過(guò)降頻轉換成中頻(IF)信號，以便進(jìn)行解調和其他處理。

　　圖1：常見(jiàn)的傳統無(wú)線(xiàn)電接收器(a)將標準模擬超外差架構與執行所有功能的模擬電路配合使用。高級超外差接收器(b)將數字解調技術(shù)與DSP配合使用。

　　早期的軟件定義無(wú)線(xiàn)電接收器(圖1b)在中頻級之后用模數轉換器(ADC)替代了解調器，并在數字信號處理器(DSP)中執行解調和部分濾波工作。如今，由于A(yíng)DC采樣速率的提高，DSP可以處理更多的功能。

　　要使DSP工作，信號的振幅和相位必須是已知的，從而催生了一種將接收到的信號分至兩個(gè)通路的架構，一個(gè)通路產(chǎn)生同相(I)信號和一個(gè)通路產(chǎn)生90°相移正交(Q)信號?；据d波信號具有以下形式：

　　V = Ac cos(2πfct +φ)

　　其中，fc是載波頻率，φ是相位，Ac是載波振幅。這些參數中的任何一個(gè)參數都隨調制方式的不同而有所不同。對于數字領(lǐng)域中的解調而言，單信號對于現有的算法來(lái)講是不夠的。因此，經(jīng)過(guò)調制的信號被轉換成I信號和Q信號：

　　V = I(t) cos(2πfct) + Q(t) sin(2πfct)

　　正交信號的任何振幅、頻率或相位變化都可以檢測到，并用于解調或其他過(guò)程中。

　　圖2是一個(gè)現代I/Q軟件定義無(wú)線(xiàn)電接收器的框圖。低噪聲放大器(LNA)一般會(huì )增強來(lái)自天線(xiàn)的輸入信號，然后該信號再被施加至兩個(gè)混頻器?；祛l器逐步產(chǎn)生I信號和Q信號。兩個(gè)混頻器都從鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器中接收本振(LO)信號。請注意LO信號與兩個(gè)混頻器之間的90°相移。

　　圖2：現代軟件定義接收器采用I/Q架構將信號分成兩個(gè)正交通路。需要I和Q通道通過(guò)數字信號處理算法恢復各種類(lèi)型的調制。

　　LO頻率被設置成信號頻率，因此在不調制的情況下混頻器的差分信號為零。進(jìn)行調制時(shí)，差分信號為基帶信號或原始調制信號。這種架構被稱(chēng)為直接轉換或者零中頻。

　　基帶信號在低通濾波器中進(jìn)行濾波以消除混頻器輸出端的和分量之后，此信號在一對ADC中被轉換成數字信號。然后數字基帶信號通過(guò)數字下變頻器(DDC)的處理，降低采樣速率，以便能夠與數字信號處理電路兼容。然后數字信號處理電路根據應用的要求，同時(shí)使用I信號和Q信號進(jìn)行解調、均衡和額外的濾波。

　　在現代軟件定義無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器中，DSP調制器將要傳輸的數據劃分成I信號和Q信號，并將這些信號饋至數字上變頻器(DUC)，以提高其采樣速率(圖3)。I信號和Q信號接下來(lái)會(huì )被發(fā)送至數模轉換器(DAC)，從而產(chǎn)生最終的基帶信號。然后這些基帶信號會(huì )進(jìn)行低通濾波，并被發(fā)送至混頻器，混頻器將該信號升頻至最終的發(fā)射頻率。該信號最后會(huì )發(fā)送至功率放大器，然后再施加至天線(xiàn)。

　　圖3：在SDR發(fā)射器中，調制是在DSP中進(jìn)行的。然后，I/Q架構產(chǎn)生兩個(gè)正交信號，這兩個(gè)正交信號合并在一起，然后升頻至最終的頻率以便進(jìn)行傳輸。

　　所有的現代軟件定義無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器都采用這里所示的接收器和發(fā)射器電路的某種基本變體。當然，隨著(zhù)ADC和DAC采樣速率的日益增加，數字處理越來(lái)越向天線(xiàn)靠近。最終的接收器會(huì )成為天線(xiàn)端的一個(gè)濾波器，以限制帶寬和LNA，然后再進(jìn)行快速的ADC處理(圖4)。然后，DSP執行解調和濾波等所有的其他處理。覆蓋頻率高達30MHz的商用業(yè)余無(wú)線(xiàn)電和短波接收器已經(jīng)開(kāi)始使用這種先進(jìn)的架構。

　　圖4：最終的SDR接收器僅采用一個(gè)輸入帶通濾波器、一個(gè)ADC和一個(gè)DSP。所有的解調、濾波和其他功能都在DSP中進(jìn)行。

　　以下的許多功能現在都是以數字方式執行的：

　　濾波(低通、高通、帶通和帶阻)、調制(AM、FM、PM、FSK、BPSK、QPSK、QAM、OFDM等)、解調、均衡、壓縮、解壓、頻譜分析、預失真。

　　新的調制方式和相關(guān)過(guò)程通常被稱(chēng)為波形。通過(guò)更改波形軟件，用于像FM語(yǔ)音這樣的單個(gè)應用的無(wú)線(xiàn)電可以針對具有不同協(xié)議的不同頻率上的高速數據重編程序。

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)勢在于硬件越來(lái)越簡(jiǎn)單。標準RF電路得到了最大限度的縮減，從而保證了低IC成本。DSP軟件提升各種功能(比如濾波器)的性能，從而實(shí)現比同等模擬電路更好的性能。數據信號處理還可以對RF器件的某些不足進(jìn)行補償。

　　此外，重編程序可以提供各種靈活性，包括修正錯誤、增加新功能、包含升級的操作以及提升性能等?？梢酝ㄟ^(guò)軟件快速更改具有靈活設計的軟件定義無(wú)線(xiàn)電，從而整合新的調制方式、新協(xié)議以及一般需要新硬件的其他重大調整。

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電的不足之處在于軟件復雜性、開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間、某些應用的頻率范圍有限以及往往較高的功耗。

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電的硬件

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電需要快速ADC、DAC和DSP。多年來(lái)，ADC的采樣速率一直都在與日俱增，現在已經(jīng)達到了千兆赫的水平。許多軟件定義無(wú)線(xiàn)電采用低中頻架構和ADC，將許多100 Msamples/s的采樣速率提升至幾百Msamples/s，甚至更高。