系統(tǒng)解讀無線通信之SDR和CR

　　軟件定義無線電(SDR)過去是比較少有的舶來品。不過現(xiàn)在，大多數(shù)現(xiàn)代無線電都采用軟件定義無線電的架構(gòu)和技術(shù)。隨著每年IC和其他技術(shù)的不斷進(jìn)步，SDR的性能和應(yīng)用范圍都在與日俱增。事實上，認(rèn)知無線電(CR)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，為SDR在無線通信領(lǐng)域大顯身手創(chuàng)造了條件。

　　什么是軟件定義無線電

　　軟件定義無線電使用軟件來執(zhí)行接收器和發(fā)射器中的部分信號處理任務(wù)。例如，采用隨處可見的超外差架構(gòu)的傳統(tǒng)接收器通過基本電路(圖1a)執(zhí)行所有的信號處理任務(wù)。這種超外差架構(gòu)將輸入信號通過降頻轉(zhuǎn)換成中頻(IF)信號，以便進(jìn)行解調(diào)和其他處理。

　　圖1：常見的傳統(tǒng)無線電接收器(a)將標(biāo)準(zhǔn)模擬超外差架構(gòu)與執(zhí)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(shù)字解調(diào)技術(shù)與DSP配合使用。

　　早期的軟件定義無線電接收器(圖1b)在中頻級之后用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)替代了解調(diào)器，并在數(shù)字信號處理器(DSP)中執(zhí)行解調(diào)和部分濾波工作。如今，由于ADC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通路的架構(gòu)，一個通路產(chǎn)生同相(I)信號和一個通路產(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(shù)中的任何一個參數(shù)都隨調(diào)制方式的不同而有所不同。對于數(shù)字領(lǐng)域中的解調(diào)而言，單信號對于現(xiàn)有的算法來講是不夠的。因此，經(jīng)過調(diào)制的信號被轉(zhuǎn)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(diào)或其他過程中。

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

　　圖2：現(xiàn)代軟件定義接收器采用I/Q架構(gòu)將信號分成兩個正交通路。需要I和Q通道通過數(shù)字信號處理算法恢復(fù)各種類型的調(diào)制。

　　LO頻率被設(shè)置成信號頻率，因此在不調(diào)制的情況下混頻器的差分信號為零。進(jìn)行調(diào)制時，差分信號為基帶信號或原始調(diào)制信號。這種架構(gòu)被稱為直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后數(shù)字基帶信號通過數(shù)字下變頻器(DDC)的處理，降低采樣速率，以便能夠與數(shù)字信號處理電路兼容。然后數(shù)字信號處理電路根據(jù)應(yīng)用的要求，同時使用I信號和Q信號進(jìn)行解調(diào)、均衡和額外的濾波。

　　在現(xiàn)代軟件定義無線電發(fā)射器中，DSP調(diào)制器將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分成I信號和Q信號，并將這些信號饋至數(shù)字上變頻器(DUC)，以提高其采樣速率(圖3)。I信號和Q信號接下來會被發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，從而產(chǎn)生最終的基帶信號。然后這些基帶信號會進(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。該信號最后會發(fā)送至功率放大器，然后再施加至天線。

　　圖3：在SDR發(fā)射器中，調(diào)制是在DSP中進(jìn)行的。然后，I/Q架構(gòu)產(chǎn)生兩個正交信號，這兩個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(xiàn)代軟件定義無線電收發(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(dāng)然，隨著ADC和DAC采樣速率的日益增加，數(shù)字處理越來越向天線靠近。最終的接收器會成為天線端的一個濾波器，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(zhí)行解調(diào)和濾波等所有的其他處理。覆蓋頻率高達(dá)30MHz的商用業(yè)余無線電和短波接收器已經(jīng)開始使用這種先進(jìn)的架構(gòu)。

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

　　以下的許多功能現(xiàn)在都是以數(shù)字方式執(zhí)行的：

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

　　新的調(diào)制方式和相關(guān)過程通常被稱為波形。通過更改波形軟件，用于像FM語音這樣的單個應(yīng)用的無線電可以針對具有不同協(xié)議的不同頻率上的高速數(shù)據(jù)重編程序。

　　軟件定義無線電的優(yōu)勢在于硬件越來越簡單。標(biāo)準(zhǔn)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，從而實現(xiàn)比同等模擬電路更好的性能。數(shù)據(jù)信號處理還可以對RF器件的某些不足進(jìn)行補(bǔ)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。可以通過軟件快速更改具有靈活設(shè)計的軟件定義無線電，從而整合新的調(diào)制方式、新協(xié)議以及一般需要新硬件的其他重大調(diào)整。

　　軟件定義無線電的不足之處在于軟件復(fù)雜性、開發(fā)成本和開發(fā)時間、某些應(yīng)用的頻率范圍有限以及往往較高的功耗。

　　軟件定義無線電的硬件

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