SDR提高了RF通信的灵活性

　　摘要

　　软件定义无线电(SDR)代表了一种对传统射频(RF)设计技术的突破。原有的传统系统只能提供固定的功能，而且包含的功能也非常有限。通过灵活的RF前端和高性能数字硬件，开发人员可以利用新技术从无线频谱中获取更多容量，并构建高度差异化的系统。工程师可以用SDR构建抗干扰能力更强的无线电系统，应用更高级的信道编码方案来提高数据速率，并可利用其他先进的RF技术。还能够访问包括开源程序库在内的硬件和软件生态系统，这意味着比以往任何时候都更容易获得SDR设计经验。

　　自从20多年前推出2G蜂窝网络以来，RF设计已经有了巨大的进步。与早期网络相比，灵活性目前是系统设计的关键要求，因为运营商和用户都希望更充分地利用可用的RF频谱资源。

　　当第一个数字蜂窝网络推出时，终端、基站和其他射频设备的制造商只需支持每个地区有限的频段选择。而在3G出现后，终端制造商不得不考虑更大范围的频段，以便他们可以销售可在全球大多数地区使用的设备。4G和长期演进(LTE)协议的到来使可能的频段数量增加到40个以上，即将到来的5G网络将进一步提高复杂程度，但同时带来更广泛的选择，这不仅仅针对运营商许可频谱，也包括未经许可频谱。

　　即使在单个移动频段内，也有许多协议可用于传输数据，Wi-Fi就是一个很好的例子。例如，它需要与越来越拥挤的2.4GHz频段中的蓝牙和许多其他协议共存。这些协议不仅在采用的二进制数据包格式方面完全相同，而且在如何将数据转换为模拟信号，再经放大并随后传输也差异不大。这其中的每个决定都会影响发射和接收子系统的设计，直到注入到传输信号流中的数据最终被解码和恢复。

　　RF通信的关键方面是将数据信号调制到载波上。载波信号通常以比数据更新速率高得多的频率振荡，这可使RF信号的带宽约束在特定频率范围内。数据信号占据边带：其频率可以位于核心载波频率之上或之下，当数据信号被调制到载波上时，这些边带会包括数据信号的傅里叶分量。

　　具体的调制方式可以使用各种可选方案中的一种，其中最简单的是幅度调制，这种调制已经用于最早的广播无线电。这种方法通过改变载波的强度，可以扩展信号占用的频率范围。频率调制则直接变更载波的频率，相位调制以一种特定的方式改变载波的幅度，从而改变信号的有效相位。正交幅度调制使用两个载波信号，相位角为90°，尽管两个信号在同一通道上一起传输，但因为这两个载波彼此正交，因此可以通过相干解调作为两个独立信号提取。

　　原则上，可以直接利用数模转换器(DAC)创建调制信号，然后在接收链中使用模数(ADC)来恢复载波信息。此后，可以采用软件算法来分析信号，以便恢复原始数据信号。只是在最近，这种用软件进行生成和分析的数字RF处理技术才成为各种无线电系统的可行方法。

　　传统上，由于大多数信号要求能够处理从数百MHz到GHz频域的输入，所以RF处理需要使用固定功能电路。考虑到ADC和DAC无法在如此高的频率下工作，因此直接转换是不可能的。

　　可以使用外差(heterodyning)等技术来为数字转换器提供更易操作的频率。外差转换可以追溯到20世纪初，它是依赖两个高频信号的组合，来产生两个处在不同频率的信号。通常，一个输出是两个频率之和，另一个是两者之差。在下变频情况下，调谐本地振荡器可以从差值信号产生中频，而频率的总和值则被过滤掉。

　　尽管外差技术易于理解并且易于在模拟域中实现，但是它需要精确匹配的组件，而且这些组件需要被调谐到相对有限的输入频率范围，还需要针对特定频率范围选择合适的滤波器。虽然诸如表面声波(SAW)滤波器之类的器件可以提供强大的噪声抑制特性，有助于降低来自相邻频率信号的干扰，但是这些器件需要针对特定应用进行认真筛选，而提供的调谐能力非常有限。通常，滤波器将根据接收器的需要进行切换。为了处理更大范围的频率和信号类型，基于外差架构的传统收发器设计需要大量的分立元件和滤波器，这增加了PCB面积和总体成本。

　　近年来，已经出现了许多能够增加RF收发器灵活性的设计技术，并且可以进行直接采样，几乎所有需要的处理都在数字域内执行 。这为工程师提供了真正的软件定义无线电功能。可编程RF技术是一种构建高灵活性通信系统的方法，可以应对多种频率和协议，并可具备更高的传输效率。

　　数字域处理可以改善传输信号的整体质量。例如，发送到DAC(该DAC能够生成用于本地振荡器混频的信号)的数据可以经过处理以防止不需要的DC分量泄漏到输出。更高级的应用包括复杂协议的生成和处理，例如可以使用扩频技术来提高安全性，或利用现有频谱来使其带宽最大化。

　　虽然SDR仍处于早期阶段，但这种技术能够为开发认知无线电系统提供许多机会。认知无线电系统可以感知周围的RF使用环境，并可调整其运行以避免干扰，并最大化可用带宽。相应的协议可以动态调整通道频率、带宽和信令技术，以避免潜在的干扰。正在开始开发的其他与4G和5G相关的机会包括波束成形和多输入多输出(MIMO)天线阵列等技术，其中的 MIMO可使利用空间分集成为可能，这种技术能够提高输入信号的整体质量，可以解码来自有干扰问题的低功率信号源的数据。在传输期间，还可以使用MIMO改变通过每个天线发射的信号，目的是提高接收器成功解码的机会。通过使用更大的天线阵列，MIMO可以使用波束成形 动态地将信号转向预期的接收器。除了改善接收性能外，波束成形还减少了与其他用户可能的干扰，提高了传输安全性。

　　随着大部分功能转移到软件，开发人员可以利用不断扩大的开源工具和程序库生态系统来丰富SDR开发的经验，并可针对常用的RF功能避免重复性的工作。像GNU Radio这样的计划能够提供现成的模块，可以很容易地使设计调整到满足目标应用的需求。 GNU Radio平台具有滤波器、通道代码、同步单元、均衡器(equalisers)、解调器、声码器(vocoders)、解码器和许多其他类型的功能模块，它还定义了功能模块之间连接和管理彼此之间数据流动的方法。

　　在硬件方面，有效的SDR设计需要两组主要元器件。一组要在数字域中提供管理RF信号所需的处理能力。业界已经开发出高度并行化的微处理器和现场可编程门阵列(FPGA)器件，它们具有处理在多个MHz域中信号所需的数据吞吐量。 Xilinx已将ADC和DAC集成到其MPSoC UltraScale FPGA中，以便能够更轻松地实现SDR解决方案。更高的集成度不仅降低了PCB复杂性，也降低了功耗。传统设计使用带有JESD204串行链路的ADC和DAC将数字信号传送到FPGA和多核处理器。 UltraScale等器件中的数字FPGA内核现在包括有针对RF处理而优化的DSP模块，例如数字混频和滤波。通常，该架构包括多个DSP模块，以执行许多滤波和信号处理任务中所常见的乘法累加运算。

　　FPGA阵列可以灵活地将样本信号分割以便由多个DSP模块进行处理，并能够高速地将结果交织(interleave)成为输出信号。可编程逻辑还可以针对特殊应用实现高度定制化的处理。与可编程逻辑处在同一芯片上的Arm处理器能够处理更高级别的协议，类似这种架构可支持各种数字格式，能够处理大规模MIMO等高级应用。这些系统对相位噪声比较敏感，但由于采用了更高精度的浮点运算，因而有助于克服由此噪声引起的问题。

　　对于前端处理，制造商已经在利用高集成度的先进CMOS处理器功能，可以更轻松地将完整的RF信号下变频到适合于高速运行的ADC，当然与RF源的频率不同。这些器件包含前端电路，可以调节模拟域中的本地振荡器和外差过程，以满足不同RF信号及其中包含的通道需要。 ADI公司的AD9363就是一个例子，它可以处理325MHz～3.8GHz范围内的RF信号，覆盖大多数许可和未许可频段，工作频道带宽从不到200kHz到高达20MHz。每个接收子系统包括独立的自动增益控制、DC偏移校正、正交校正和数字滤波等功能，从而避免了在数字域中执行这些功能。每个通道有两个ADC将接收到的I和Q信号数字化，之后数字信号通过可配置的抽取滤波器(decimation filters)和128抽头有限脉冲响应(FIR)滤波器，产生出12位输出信号并馈入数字处理。

　　针对SDR应用的开发板和套件选择越来越多，这些可为用户提供获得各种技术和经验的简便方法，它们可支持处理器、FPGA和主机的不同组合，通过前端器件(如AD9363)提供RF访问。这其中一个例子是ADALM-PLUTO SDR主动学习模块(Active Learning Module)，它能够为用户提供AD9363、软件处理和可编程逻辑的组合，可用于SDR应用的开发、测试和实施。该模块具有独立的发射和接收信号，能够以全双工模式运行。它可以采集和生成325MHz～3.8GHz的RF模拟信号，以高达61.44MSPS的速率将数字信号传入和传出中频信道。通过提供对于OS X、Windows和Linux的驱动支持，用户可以使该模块在各种计算平台上运行。

　　图1：ADI公司的ADALM-PLUTO SDR主动学习模块。

　　Crowd Supply Lime SDR迷你板是基于Intel MAX 10 FPGA和Lime Microsystems LMS7002M RF可编程收发器组合的硬件平台。Lime SDR迷你板尽管体积很小，但已经被证明是完整LTE 4G基站设计的一部分，能够在两部手机之间传输直播视频流。

　　图2：Crowd Supply Lime SDR迷你板。

　　就开源硬件生态系统而言，也已经发布了许多相应的SDR开发套件，其中包括Beaglebone。KiwiSDR能够为Beaglebone处理器提供10kHz～30MHz范围的RF接口。为便于使用个人计算机进行快速原型设计，HackRF One具有一个USB 2.0端口，并可在1MHz～6GHz之间任何频率提供高达10MHz的RF通道。

　　针对SDR部署的开发板和套件在不断增加，由此证明这些用于RF通信的技术正在成为主流。现在，更多的开发人员可以利用SDR，能够在法律允许时针对为未经许可的频段，或者针对授权频段进行定制通信系统的开发。