SDR提高了RF通信的靈活性

　　摘要

　　軟件定義無線電(SDR)代表了一種對(duì)傳統(tǒng)射頻(RF)設(shè)計(jì)技術(shù)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(shù)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(qiáng)的無線電系統(tǒng)，應(yīng)用更高級(jí)的信道編碼方案來提高數(shù)據(jù)速率，并可利用其他先進(jìn)的RF技術(shù)。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(shí)候都更容易獲得SDR設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

　　自從20多年前推出2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)以來，RF設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求，因?yàn)檫\(yùn)營商和用戶都希望更充分地利用可用的RF頻譜資源。

　　當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)推出時(shí)，終端、基站和其他射頻設(shè)備的制造商只需支持每個(gè)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(shè)備。4G和長期演進(jìn)(LTE)協(xié)議的到來使可能的頻段數(shù)量增加到40個(gè)以上，即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步提高復(fù)雜程度，但同時(shí)帶來更廣泛的選擇，這不僅僅針對(duì)運(yùn)營商許可頻譜，也包括未經(jīng)許可頻譜。

　　即使在單個(gè)移動(dòng)頻段內(nèi)，也有許多協(xié)議可用于傳輸數(shù)據(jù)，Wi-Fi就是一個(gè)很好的例子。例如，它需要與越來越擁擠的2.4GHz頻段中的藍(lán)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(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(hào)，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(tǒng)的設(shè)計(jì)，直到注入到傳輸信號(hào)流中的數(shù)據(jù)最終被解碼和恢復(fù)。

　　RF通信的關(guān)鍵方面是將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到載波上。載波信號(hào)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(hào)的帶寬約束在特定頻率范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)信號(hào)占據(jù)邊帶：其頻率可以位于核心載波頻率之上或之下，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)被調(diào)制到載波上時(shí)，這些邊帶會(huì)包括數(shù)據(jù)信號(hào)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(qiáng)度，可以擴(kuò)展信號(hào)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(hào)的有效相位。正交幅度調(diào)制使用兩個(gè)載波信號(hào)，相位角為90°，盡管兩個(gè)信號(hào)在同一通道上一起傳輸，但因?yàn)檫@兩個(gè)載波彼此正交，因此可以通過相干解調(diào)作為兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)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(hào)，然后在接收鏈中使用模數(shù)(ADC)來恢復(fù)載波信息。此后，可以采用軟件算法來分析信號(hào)，以便恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)。只是在最近，這種用軟件進(jìn)行生成和分析的數(shù)字RF處理技術(shù)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(hào)要求能夠處理從數(shù)百M(fèi)Hz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(shù)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(jì)初，它是依賴兩個(gè)高頻信號(hào)的組合，來產(chǎn)生兩個(gè)處在不同頻率的信號(hào)。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(diào)諧本地振蕩器可以從差值信號(hào)產(chǎn)生中頻，而頻率的總和值則被過濾掉。

　　盡管外差技術(shù)易于理解并且易于在模擬域中實(shí)現(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(duì)有限的輸入頻率范圍，還需要針對(duì)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(qiáng)大的噪聲抑制特性，有助于降低來自相鄰頻率信號(hào)的干擾，但是這些器件需要針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行認(rèn)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(jìn)行切換。為了處理更大范圍的頻率和信號(hào)類型，基于外差架構(gòu)的傳統(tǒng)收發(fā)器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(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。可編程RF技術(shù)是一種構(gòu)建高靈活性通信系統(tǒng)的方法，可以應(yīng)對(duì)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(hào)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(hào))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(jí)的應(yīng)用包括復(fù)雜協(xié)議的生成和處理，例如可以使用擴(kuò)頻技術(shù)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(shù)能夠?yàn)殚_發(fā)認(rèn)知無線電系統(tǒng)提供許多機(jī)會(huì)。認(rèn)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(yùn)行以避免干擾，并最大化可用帶寬。相應(yīng)的協(xié)議可以動(dòng)態(tài)調(diào)整通道頻率、帶寬和信令技術(shù)，以避免潛在的干擾。正在開始開發(fā)的其他與4G和5G相關(guān)的機(jī)會(huì)包括波束成形和多輸入多輸出(MIMO)天線陣列等技術(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(hào)的整體質(zhì)量，可以解碼來自有干擾問題的低功率信號(hào)源的數(shù)據(jù)。在傳輸期間，還可以使用MIMO改變通過每個(gè)天線發(fā)射的信號(hào)，目的是提高接收器成功解碼的機(jī)會(huì)。通過使用更大的天線陣列，MIMO可以使用波束成形 動(dòng)態(tài)地將信號(hào)轉(zhuǎn)向預(yù)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(kuò)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(yàn)，并可針對(duì)常用的RF功能避免重復(fù)性的工作。像GNU Radio這樣的計(jì)劃能夠提供現(xiàn)成的模塊，可以很容易地使設(shè)計(jì)調(diào)整到滿足目標(biāo)應(yīng)用的需求。 GNU Radio平臺(tái)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(dòng)的方法。

　　在硬件方面，有效的SDR設(shè)計(jì)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(hào)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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件，它們具有處理在多個(gè)MHz域中信號(hào)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(shí)現(xiàn)SDR解決方案。更高的集成度不僅降低了PCB復(fù)雜性，也降低了功耗。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用帶有JESD204串行鏈路的ADC和DAC將數(shù)字信號(hào)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(duì)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(gè)DSP模塊，以執(zhí)行許多濾波和信號(hào)處理任務(wù)中所常見的乘法累加運(yùn)算。

　　FPGA陣列可以靈活地將樣本信號(hào)分割以便由多個(gè)DSP模塊進(jìn)行處理，并能夠高速地將結(jié)果交織(interleave)成為輸出信號(hào)。可編程邏輯還可以針對(duì)特殊應(yīng)用實(shí)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(jí)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(jí)應(yīng)用。這些系統(tǒng)對(duì)相位噪聲比較敏感，但由于采用了更高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，因而有助于克服由此噪聲引起的問題。

　　對(duì)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(hào)下變頻到適合于高速運(yùn)行的ADC，當(dāng)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(hào)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(nèi)的RF信號(hào)，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(dá)20MHz。每個(gè)接收子系統(tǒng)包括獨(dú)立的自動(dòng)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(gè)通道有兩個(gè)ADC將接收到的I和Q信號(hào)數(shù)字化，之后數(shù)字信號(hào)通過可配置的抽取濾波器(decimation filters)和128抽頭有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，產(chǎn)生出12位輸出信號(hào)并饋入數(shù)字處理。

　　針對(duì)SDR應(yīng)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(shù)和經(jīng)驗(yàn)的簡便方法，它們可支持處理器、FPGA和主機(jī)的不同組合，通過前端器件(如AD9363)提供RF訪問。這其中一個(gè)例子是ADALM-PLUTO SDR主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊(Active Learning Module)，它能夠?yàn)橛脩籼峁〢D9363、軟件處理和可編程邏輯的組合，可用于SDR應(yīng)用的開發(fā)、測(cè)試和實(shí)施。該模塊具有獨(dú)立的發(fā)射和接收信號(hào)，能夠以全雙工模式運(yùn)行。它可以采集和生成325MHz～3.8GHz的RF模擬信號(hào)，以高達(dá)61.44MSPS的速率將數(shù)字信號(hào)傳入和傳出中頻信道。通過提供對(duì)于OS X、Windows和Linux的驅(qū)動(dòng)支持，用戶可以使該模塊在各種計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行。

　　圖1：ADI公司的ADALM-PLUTO SDR主動(dòng)學(xué)習(xí)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(tái)。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(shè)計(jì)的一部分，能夠在兩部手機(jī)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(yīng)的SDR開發(fā)套件，其中包括Beaglebone。KiwiSDR能夠?yàn)锽eaglebone處理器提供10kHz～30MHz范圍的RF接口。為便于使用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)，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(dá)10MHz的RF通道。

　　針對(duì)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(shù)正在成為主流?，F(xiàn)在，更多的開發(fā)人員可以利用SDR，能夠在法律允許時(shí)針對(duì)為未經(jīng)許可的頻段，或者針對(duì)授權(quán)頻段進(jìn)行定制通信系統(tǒng)的開發(fā)。