新突破——用软件定义无线电

标签:RFSDR
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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。

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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。

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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。

 

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