軟件無(wú)線(xiàn)電已“調準頻道”

軟件無(wú)線(xiàn)電已“調準頻道”
Software-defined radio tunes in
David Marsh, Contributing Technical Editor
SDR（software-defined radio軟件無(wú)線(xiàn)電）盡管直到前不久還是一項代價(jià)昂貴的R&D 工作，卻最終還是破殼而出。過(guò)去的幾個(gè)月中，各公司發(fā)布了大量的產(chǎn)品：各種專(zhuān)用的集成電路紛紛推出，第一種軟件驅動(dòng)的無(wú)線(xiàn)電得到FCC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì )）的批準。美國的軍方對此懷有濃厚的興趣，已經(jīng)專(zhuān)門(mén)撥出多達250億美元的預算，以JTRS（聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統）計劃來(lái)推進(jìn)SDR的開(kāi)發(fā)。它的目標是支持在2MHz到55GHz之間的大約33種波形特征（其中的一種還在一個(gè)平臺上包括了某些蜂窩電話(huà)標準）。美國國防部，正在與加拿大、日本、瑞典和英國的各機構一道合作，以促進(jìn)這項研發(fā)。在更為廣闊的商業(yè)世界中，該技術(shù)也同樣意味著(zhù)通過(guò)一個(gè)普適的、可編程的硬件平臺的采用來(lái)保證運營(yíng)商成本的降低和服務(wù)提供方面靈活性的提升。那么，在這個(gè)巨大標題的背后隱藏的真實(shí)故事是什么？在一個(gè)傳統上采用模擬硬件來(lái)解決問(wèn)題的技術(shù)中使用軟件解決方案，設計者多久就可以從中獲益？
首先，是什么使得SDR迥異于如今承載了大多數移動(dòng)電話(huà)業(yè)務(wù)的常規通信技術(shù)（如CDMA和GSM）？CDMA和GSM系統廣泛利用可編程的硬件來(lái)實(shí)現從基站鏈路一直到基帶處理的各項任務(wù)。FCC對SDR的定義簡(jiǎn)單明了，能讓人放松警惕：“在軟件無(wú)線(xiàn)電中，以前由硬件單獨完成的功能，如發(fā)射信號的產(chǎn)生以及接收信號的調諧和檢波，現在由控制高速信號處理器的軟件來(lái)實(shí)現?！?br/>類(lèi)似的，SDR論壇把一個(gè)SDR裝置定義為其功能獨立于載波頻率、能在一系列傳輸協(xié)議環(huán)境中工作的裝置。從體系架構的角度而言，這些定義是指可以完全在數字域上實(shí)現RF與基帶間上、下變頻的收發(fā)機，這一技術(shù)可以減少與發(fā)射信道功率放大器、接收通道低噪聲放大器的RF接口，而且最大限度減少了模擬濾波器。
圖1  理想的軟件無(wú)線(xiàn)電可以實(shí)現載波級速度的數據變換，而且完全在數字域中對信號進(jìn)行操作
硬件通用性的本質(zhì)對軍事和商業(yè)運營(yíng)商都具有吸引力，因為它可以讓運營(yíng)商避免被綁定到任何一家系統供應商上。關(guān)鍵之處就在于，采用SDR，則通過(guò)新軟件的載入就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的升級?？紤]到將一個(gè)2G網(wǎng)絡(luò )升級為3G網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)銷(xiāo)估計為10億美元，這一發(fā)展方向將在設備采購方面實(shí)現巨大的節約，而且縮短以往的經(jīng)濟模式所要求的、為期10年的平均網(wǎng)絡(luò )壽命。此外，基站將能支持各種協(xié)議，從而實(shí)現以往無(wú)法兼容的各種網(wǎng)絡(luò )間的跨接。這樣的跨接將讓網(wǎng)絡(luò )和通信間的界線(xiàn)變得模糊，例如W－CDMA手機可以接入一個(gè)本地的WiMax基礎架構，以獲得寬帶數據接入服務(wù)。
如今，由于在硬件和軟件方面的巨大障礙，上述的遠大前景離實(shí)現還有一定距離。同時(shí)，業(yè)界的知情人士承認，SDR將隨DSP和轉換器IC、電源管理和網(wǎng)絡(luò )架構設計方面的技術(shù)發(fā)展而發(fā)展。從軟件的角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)者希望采用一種共通的框架，這種框架將實(shí)現并提升可移植性。
SDR論壇預計，商業(yè)化的3G通信將在2008年以前成熟，而在2010左右開(kāi)始進(jìn)入4G服務(wù)。它認為SDR的機會(huì )與2.5G服務(wù)相伴，如在北美投入運營(yíng)的EDGE（GSM演進(jìn)中增強的數據）分組交換服務(wù)。終端的進(jìn)化將更為緩慢，這主要是由于功耗方面的要求，另外也是由于今天的手機的制造成本很低。大多數的觀(guān)察家承認，SDR手機要到2010年才有可能出現。到那時(shí)，大規模生產(chǎn)的芯片組日益普及將刺激蜂窩式電話(huà)領(lǐng)域之外的增長(cháng)。
同時(shí)，第一種消費級的SDR終端將開(kāi)始出現在功耗挑戰較小的移動(dòng)應用（如膝上機和PDA），以及車(chē)輛中。Philips Semiconductor最近發(fā)布了SAF7730，這是一種單芯片的雙IF無(wú)線(xiàn)電和音響DSP，可以讓設計者經(jīng)濟地實(shí)現多種功能，如自適應超重低音提升等，以利用單個(gè)平臺來(lái)進(jìn)一步體現產(chǎn)品的鮮明特色。

模擬技術(shù)在RFE中仍占統治地位
在載波頻率上對傳輸的信號進(jìn)行數字處理，仍將面對許多由對數據轉換器的要求而引起的困難。GSM和CDMA等協(xié)議所采用的頻率可以超過(guò)2GHz，這就需要轉換器能在5GHz或更高的速度下工作。更糟糕的是，轉換器需要13bit以上的分辨率，以讓動(dòng)態(tài)范圍高到足以使隨后的處理能可靠地提取信號內容。微波工藝，如SiGe和GaAs是潛在的候選，但它們既不便宜，又不能保證能量效率。對接收機鏈路的處理的要求也會(huì )極為嚴格，這嚴重依賴(lài)于調制的模式和信道帶寬。在3G服務(wù)中，協(xié)議在多個(gè)會(huì )話(huà)中共享的信道寬度高達5MHz。這種從窄帶到寬度的轉移需要DSP技術(shù)能實(shí)現信號內容的提取，但必須通過(guò)將濾波器、信道選擇和基帶處理轉移到數字域中來(lái)減少對模擬濾波器的需求。
能達到載波速度的數據轉換器目前很少，這迫使設計者考慮用模擬RFE（RF前端）來(lái)實(shí)現信號的上變頻和下變頻，并讓IF降低到轉換器能處理的水平。雖然接收機一側極富挑戰性，但發(fā)射機一側也不是沒(méi)有自身的問(wèn)題，例如，線(xiàn)性度的保持與通過(guò)開(kāi)關(guān)模式工作實(shí)現發(fā)射機效率最大化之間就存在矛盾。
一般來(lái)說(shuō)，超寬帶的通信對線(xiàn)性度的高要求使得C類(lèi)放大器若不進(jìn)行改進(jìn)就沒(méi)有用武之地。GSM簡(jiǎn)單的信號使得功率放大器的效率可達到約40％，但一個(gè)3G放大器的線(xiàn)性度要求會(huì )將效率降低到3％。目前可以提高非線(xiàn)性放大器中的線(xiàn)性度的技術(shù)包括預失真方法等。這種補償需要采用數字技術(shù)來(lái)將放大器校準到足夠精度，可以將效率提高20％或更高。
設計者一般認為接收的難度要遠遠超出發(fā)射，后者無(wú)需從被噪聲海洋淹沒(méi)的信號中獲取迅速變化的信息。對通用型的寬帶RFE的要求極為嚴格。雖然可以通過(guò)窄帶模擬無(wú)線(xiàn)電來(lái)保證足夠好的選擇性，但為了保證寬頻帶上的捷變能力，就需要采用多個(gè)接收機通道。當前的機載無(wú)線(xiàn)電系統需要多達100個(gè)通道，因此，人們希望盡可能地共享資源。對目前能很好地為單個(gè)和有限的多波段應用的模擬RFE進(jìn)行考察，就會(huì )看出阻礙SDR有效運用和性能發(fā)揮的諸多因素。
因為真正的SDR接收機需要很大的帶寬來(lái)滿(mǎn)足CDMA等協(xié)議的需要或者僅僅是簡(jiǎn)單地搜索出有用的信號，所以傳統的窄帶－超外差式架構（會(huì )出現鏡像干擾，需要高性能濾波器予以濾除）就不適用。未來(lái)的可擴展其應用的選擇包括可在很寬頻率范圍內編程的濾波器（可能是那些MEMS器件，它們目前尚處在研究階段）。
當前SDR前端中正在得到應用的一種方法是采用直接變換接收機架構的各種改型。在該架構中，I/Q（同相/正交）混頻器先將RF變換為復基帶信號（中心頻率為0Hz），然后，模數轉換器前的一個(gè)低通濾波器對信號進(jìn)行進(jìn)一步調理。
解調器/DSP可以通過(guò)對I/Q相位關(guān)系的觀(guān)察來(lái)對接收信號瞬時(shí)頻率方面的模糊性進(jìn)行解析：如果Q信號超前于I，則頻率為正，否則為負。
I/Q信號間的不平衡會(huì )帶來(lái)圍繞有用信號的邊帶噪聲。另外，射頻接收機還受到來(lái)自外部和機內元器件及各引線(xiàn)耦合的噪聲的干擾。在SDR實(shí)現中，這些問(wèn)題也會(huì )或多或少地存在。一種傳統的解決方案是在數字混頻器中的ADC和I/Q變換前級聯(lián)一個(gè)超外差的RF－IF轉換器。
要選擇IF值，就必須在模擬的下變頻器性能中考慮ADC的速度和精度。Analog Devices、Linear Technology，Maxim和Texas Instruments等可以提供適用的14bit的ADC。目前對IF信號的采樣速率約為60_70MS/s，而真正的目標是170MS/s，這樣就可以為濾波和頻率規劃帶來(lái)好處，滿(mǎn)足阻塞信號方面的規范，并極大緩解第一級RF下變頻級的壓力。
圖2  很多常規的軟件無(wú)線(xiàn)電將超外差前端與數字IF和基帶處理組合起來(lái)
對于載波水平上的數字處理，不妨關(guān)注一下TechnoConcepts，該設計公司專(zhuān)門(mén)研發(fā)SDR產(chǎn)品。其TSR（真軟件無(wú)線(xiàn)電）技術(shù)采用了5GHz的_－_數字化電路。該公司將很快向主要的OEM提供10或11bit的基于GaAs MESFET器件的電路，該公司還在研發(fā)12bit的采用SiGe前端的CMOS版本。直接實(shí)現載波級的信號處理可以避免超外差架構帶來(lái)的大量的失真。

FPGA將加速DSP
完成數字化后，以?xún)蓚€(gè)數字乘法器構成的混頻器將執行信號－I/Q變換，其精度本質(zhì)上與本機振蕩器的頻率無(wú)關(guān)。本機振蕩器是一種數字化的合成器，它使用正弦/余弦查閱表和相位累加器來(lái)產(chǎn)生相互間存在精確的90