如何實(shí)現(xiàn)軟件定義無線電動(dòng)態(tài)范圍的最大化

摘要：本文回顧了軟件定義無線電發(fā)展，介紹了擴(kuò)大軟件定義無線電的動(dòng)態(tài)范圍的電路元件、計(jì)算和仿真工具，并重點(diǎn)關(guān)注ADC的性能和頻率規(guī)劃。

　　首先，什么是軟件定義無線電(SDR)? 大致來說，軟件定義無線電是指信號(hào)鏈的一部分是軟件的任何無線電。 具體來說，它會(huì)具有以下部分或全部特性： 寬帶、多頻段、多模式、多數(shù)據(jù)速率、軟件可重新配置，并且其數(shù)字轉(zhuǎn)換(接收或傳輸)會(huì)盡可能靠近天線。 請(qǐng)注意，該描述也適用于現(xiàn)代信號(hào)(頻譜)分析儀等RF儀器儀表。

　　一般認(rèn)為是德克薩斯州加蘭的E-Systems(現(xiàn)Raytheon)公司在1984年構(gòu)建了第一臺(tái)軟件定義的基帶接收器，而第一臺(tái)軟件定義的基帶收發(fā)器可能是WSC-3(v)9，由E Systems加利福尼亞州佛羅里達(dá)圣彼得堡分部 在1987年為Patrick AFB設(shè)計(jì)。 1989年，Haseltine和Motorola ca.又為Rome AFB開發(fā)出了新的無線電產(chǎn)品 Speakeasy。 現(xiàn)代的示例包括衛(wèi)星和地面無線電、軍事聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)以及幾乎任何蜂窩或陸地移動(dòng)無線電終端或基站。

　　從理論上來說，要使數(shù)字轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理正常工作，應(yīng)該具有線性時(shí)不變系統(tǒng)， 但實(shí)踐得出，將模擬片段放在一起后就需要一連串的妥協(xié)。 不過，通過精心挑選元件和分布增益，可以在保持靈敏度的同時(shí)最大程度地?cái)U(kuò)大SDR的動(dòng)態(tài)范圍。 而且，無論SDR是通信接收器基站還是信號(hào)分析儀，都適用相同的規(guī)則。

　　在一些標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)(例如，蜂窩系統(tǒng))中，SDR在受控環(huán)境中工作，也就是說，標(biāo)準(zhǔn)闡明了針對(duì)接收器和發(fā)射器的要求，而載波則為標(biāo)準(zhǔn)增加了裕量。 在其他一些系統(tǒng)(如軍事、業(yè)余和陸地移動(dòng)無線電)中，環(huán)境不受控制，也就是說，最近的發(fā)射極可能就在隔壁，最遠(yuǎn)的可能剛好在視距的耳語范圍內(nèi)。

　　因此，在開始設(shè)計(jì)之前，需要先制定一份檢查清單：

　　? 標(biāo)準(zhǔn)有哪些要求?

　　? 所需的最小和最大信號(hào)電平是多少?

　　? 需要多少濾波?

　　—哪些圖像濾波器、通道濾波器和抗混疊濾波器可用?

　　—濾波器中的群延遲是否會(huì)產(chǎn)生問題?

　　? 您使用的是什么架構(gòu)?

　　—零中頻、單通道、雙通道或三通道轉(zhuǎn)換。您目前如何生成正交信號(hào)?

　　—在模擬還是數(shù)字(IF采樣)域中?

　　選擇ADC本身就值得討論。 ADC的動(dòng)態(tài)范圍可確定系統(tǒng)架構(gòu)(反之亦然)。 首先，要查看信號(hào)帶寬和采樣頻率(準(zhǔn)確的采用頻率通常由時(shí)鐘和/或幀速率等數(shù)字信號(hào)處理要求確定)。 為了獲得ADC的滿量程SNR，尤其是對(duì)高輸入頻率采樣時(shí)，能否生成足夠良好的時(shí)鐘，從而在不降低ADC的指定SNR的情況下以所需的頻率采樣? 要使系統(tǒng)成為線性時(shí)不變系統(tǒng)，ADC必須提供足以支持所需信號(hào)、干擾信號(hào)以及增加的裕量的動(dòng)態(tài)范圍，以支持信號(hào)衰落和AGC響應(yīng)時(shí)間。

　　那么，多大的動(dòng)態(tài)范圍才夠呢? 性能最高的軟件定義無線電(和RF實(shí)驗(yàn)室儀器)通常采用14至16位高速ADC，從而以盡可能高的頻率對(duì)帶寬高達(dá)250 MHz的信號(hào)采樣。 為了按照標(biāo)準(zhǔn)(如802.11等字母數(shù)字組合)測(cè)試頻帶最寬的信號(hào)，行業(yè)偏向于使用14b AD9680等雙通道高速ADC在I和Q帶寬等于或高于500 MHz的基帶中對(duì)I和Q信號(hào)進(jìn)行正交采樣。 一些應(yīng)用程序需要更小的動(dòng)態(tài)范圍，因此通常使用12b的GSPS ADC(如AD9625)來“抓取”帶寬為500 MHz的頻譜塊，并使用集成數(shù)字下變頻器來調(diào)低其基帶頻率。

　　ADC的動(dòng)態(tài)范圍是模擬和數(shù)字濾波之間的基本權(quán)衡。更多的模擬濾波會(huì)縮小干擾信號(hào)的幅度以及ADC的所需范圍，這就必須對(duì)所需的信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換以保持線性系統(tǒng)。 但是，模擬濾波并不是理想的方式，它可能會(huì)出現(xiàn)群延遲和相位。 在系統(tǒng)級(jí)別，模擬域的大量濾波操作也意味著可能要進(jìn)行大量費(fèi)用高昂的機(jī)械屏蔽工作以保持濾波器隔離，并且可能需要在多個(gè)IF級(jí)聯(lián)多個(gè)濾波器以最大程度地減少濾波器周圍漏電的情況。相反，數(shù)字濾波器具有出色的形狀因子，沒有漏電，其特性近乎理想，但需要提高ADC的動(dòng)態(tài)范圍以支持信號(hào)和干擾信號(hào)。

　　孰優(yōu)孰劣似乎顯而易見，但您必須將接收器設(shè)計(jì)為可在所有工作條件下保持對(duì)ADC的線性輸入。 例如，這需要將AGC的響應(yīng)時(shí)間結(jié)合到ADC的裕量中，也就是說，允許特定數(shù)量的dB作為裕量以考慮AGC反應(yīng)期間的輸入信號(hào)變化，這樣接收器不會(huì)因信號(hào)電平變化而出現(xiàn)過載。

　　此外，在UHF和微波信號(hào)中，您可能還希望針對(duì)信號(hào)衰落增加額外裕量，不管這種信號(hào)衰落是由于頻率較低還是信號(hào)被大樓或植物阻擋等環(huán)境條件而導(dǎo)致的。 除此之外，您還需要考慮解調(diào)C/N比、鄰道和相間通道干擾信號(hào)以及全雙工系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的PA饋通效應(yīng)的裕量。

　　另外需要記住的是，窄帶接收器的AGC范圍比寬帶接收器更寬。 基本上，寬帶接收器會(huì)將大片頻譜小幅度地上移或下移，通常小于10 dB，以使其保持在ADC的線性“窗口”中間。這與對(duì)整個(gè)蜂窩頻段進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)一樣。 相反，窄帶接收器則高度依賴濾波以最大程度地減少通帶中的信號(hào)數(shù)，但必須能支持更大的干擾信號(hào)。它們通常在不受控的環(huán)境中使用，其AGC可作用于更窄的通帶中的信號(hào)。