了解软件无线电成为开放无线电所需

电子工程师 2017-11-21 828

RF/无线

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描述

软件无线电 (SDR) 这个“抱怨的老兵”在充满灰尘的休息室里对未来跃跃欲试。在这个大时代，除了战场无线电、电子对抗和蜂窝小区基站外，它还在等待从其他领域大获成功的机会。

而射频 (RF) 半导体和计算加速技术的不断发展极大的降低了 SDR 硬件成本，简化了相应的软件实施，以更低的价格开辟了新应用。机遇来自当前的下一个大事件 — 物联网 (IoT)，以及发展中国家的低成本重新配置无线电，还有发烧友的开放平台等。

发展的焦点是 SDR 体系结构的关键成本点。进行讨论的一种方法是了解大部分 SDR 实现有哪些相同的部分，技术变革是怎样影响它们的。

深入基带

从最终用户的角度看，SDR 系统的主要模块是可编程基带处理器。要理解整个概念实际上是从这一模块开始的。在其中，计算电路完成的功能包括，把输出数据变换成基带频率范围内的调制波形，把输入的数字化基带波形变换为接收数据。

SDR 概念很简单：如果您只是处理数字数据，那么在数字信号处理器 (DSP) 等可编程处理器而不是固定硬件上完成这一工作。然后，您可以通过修改在处理器上执行的软件，来修改滤波器、调制方法、纠错算法，以及数据包或者数据流协议。

这是一个很强大的概念，但确实有些乐观了。能够满足复杂的算法、数据速率和基带频率要求的可编程引擎必须非常强大：例如，最快的 DSP 芯片，或者高端 FPGA。这实际上限制了基带处理器的成本，无法发挥其可移植性和易于编程的优势。

深入 RF

基带处理器并不是 SDR 概念中唯一的难题。信号链的下一环节是数据转换：发送器的数模转换，以及接收器的模数转换，还有相应的模拟滤波器。那么，必须要有上下转换器实现信号在基带和 RF 之间的转换，还要有滤波器和放大器：发送侧的预驱动电路，当然还有接收侧的低噪声放大器 (LNA)。最后是采用不同工艺技术的独立组件：功率放大器 (PA)、天线放大器，以及天线开关等。

这些 RF 模拟和混合信号组件的问题在于它们本质上不是可编程的 — 传统上是采用固定功能 RF 模拟组件实现的。虽然您可以通过修改软件来改变 SDR 的基带功能，但是改变载波频率或者射频带宽意味着完全改变或者复制硬件组件。

聪明的设计人员想出了解决方法 — 可调振荡器、可调滤波器和增益可调放大器，通过负载寄存器来调整它们，从而管理模拟通路。但是这些方法起到的作用有限 — 要满足大范围可调模拟组件的带宽和线性度要求，必须付出很大的成本和功耗。因此，多频段、连续可调SDR会需要多组RF信号通路，包括从本地振荡器直至天线的所有通路。

在很多潜在的大批量应用中，这种限制带来了成本、体积和功耗问题。对于认知无线电等某些特殊应用，信号会出现在宽带频谱的任意位置，无法满足多个 RF 链的需求。

虽然面临很大的基带计算负载和多个 RF 收发器难题，但 SDR 显然能很好的工作。它用在发达国家的高端军事和应急响应应用中，否则就要采用填满了各种单一功能无线电设备的机箱或者机架。它还用在商业应用中，这类应用的协议、调制和频带的组合是有限的，而且是事先知道的。而其他领域的应用机会还有待挖掘。

达到成本点

很显然，低成本 SDR 平台会有很大的市场潜力。重新认识到这一点，业界在成本问题上双管齐下。一方面是寻找以高性价比实现可编程基带处理器的方法。另一方面是使用统一的宽带可配置 RF 收发器。

基带问题是两个问题中最难解决的。PicoChip 等风投公司早期的工作表明 — 该公司后来被 Mindspeed 技术公司收购，相继被 Intel 收购，对于蜂窝小区基站，中等规模的简单 DSP 引擎阵列能够非常高效的支持基带处理。

最近，另外两种体系结构方法展示了很好的结果，这两种方法都是基于通用 CPU 内核辅以计算加速器这一概念。当 SDR 要突破调制方法和协议相对有限的应用范围时，具有通信加速器的高端微控制器展示了优异的能力。例如，可以使用 Freescale QorIQ MCU 来实现 LTE 基带。

没有以前的基带限制要求，设计团队可以使用相同的底层体系结构，但是加速器功能在 FPGA 中实现。好消息是工艺和集成技术的发展使得这些设计能够在价格合理的小系统 FPGA 中实现，有没有集成 CPU 内核都可以。

Lime 微系统公司 CEO Ebrahim Bushehri 解释说：“例如，如果您要支持 OFDM LTE，那么，基带处理器需要加速功能才能实现快速傅里叶变换和 turbo 编码，还有协议堆栈卸载等。取决于您要处理的功能范围，您可以在通用 DSP 芯片、FPGA，或者在 ASIC SoC 中实现这些功能。利用 FPGA 替代方案，您可以灵活的试验并研究不同的空中接口。它保证了您的数据转换器有正确的硬件接口。”

处理收发器

软件定义基带也有解决方案 — 足以支持系统规划人员灵活的处理设计投入和功能范围的关系。而收发器问题仍然很关键：如果每一个要覆盖的频带都需要单独的 RF 信号链，那就无法实现低成本。

理想情况下，天线和基带接口之间两个方向的整条信号通路带宽非常大，在整个范围内也是线性的，那么，设计人员只需要设置本地振荡器驱动合成器，调节几个 RF 滤波器参数，获得所需的选择功能，就可以选择要覆盖的任意窗口。这虽然还没有实现，但是也不远了。

Bushehri 仿真了必须要考虑的关键信号通路组件 (图2)。在发送侧，有基带数模转换器 (DAC)、增益可调放大器 (VGA)、可调低通滤波器、辅助锁相环 (PLL)和本地振荡器合成宽带功能，以及第二个 VGA、PA、天线开关等。对于大部分调制方法，合成器的所有组成都必须是同样复制的：一条通路用于同相 (I)，一条通路用于正交 (Q)信号。在接收通路上，天线开关后面是 RF 滤波器、LNA、合成器组件，然后是包括了 VGA 的 I 和 Q 通路、低通滤波器，以及 ADC。

在用途不变的设计中，会围绕设计目的来优化这些通路的每一单元。您同样也可以对 SDR 进行优化，旨在使其能够应用在密切相关的频率和调制方案中。但是一个开放 SDR 设计要适应任何应用环境，对 RF 硬件提出了很高的要求。

Bushehri 说，好在 CMOS RF 工艺不断进步，数字辅助模拟和 RF 设计越来越成熟，逐渐能够满足这些要求。他指出，例如最近发布的 Lime 器件 —；LMS7002M 现场可编程RF收发器 IC。该器件是 65 nm RF CMOS 芯片，为 2 x 2 多输入多输出 (MIMO)软件定义收发器提供大部分 50 MHz 至 3.8 GHz 信号通路 (图1)。

无线电

图1. 新的现场可配置RF/基带收发器IC支持对载波频率、带宽和滤波器特征参数进行在电路设置。

对每一个模块的需求是明确的。PLL、合成器、RF VGA 和 LNA 必须在整个 3.75 GHz 频带内保持平坦和低噪声，必须有足够的线性度来支持包括多载波工作在内的使用模型。Bushehri 认为，“电路设计非常难”。一方面，即使采用先进的工艺技术，有很好的设计技巧，也无法实现一个宽带组件。芯片使用多个压控振荡器来覆盖频率范围，而发送和接收分别只有一个 PLL 。

工作在基带频率的收发器设计部分也同样非常重要。为支持 Lime 能够达到的应用范围，片内基带模块 — 转换器、VGA 和可编程滤波器，必须支持从 100 kHz 至 108 MHz 的带宽范围。这对于可编程低通滤波器和 12 位数据转换器并非可有可无，特别是您增加了低功耗需求的情况。

一些其他应用场景也扩展了芯片范围。可以旁路大部分功能模块，因此，设计人员如果需要可以替换更专用的外部组件。Lime 还在基带通路的数字端集成了乘法累加器模块，从基带数字硬件中卸载高性能数字滤波器。芯片包括集成 8051 MCU 内核，在控制软件和内部寄存器之间实现抽象功能。

外部组件

宽带可编程收发器解决了很多设计难题。但是还有 RF 天线滤波器、开关和 PA 等未解决的问题。对于这些，最明显的问题是 PA。但是 Bushehri 说，有商用宽带 PA 符合收发器的带宽要求，或者对于更特殊的应用，芯片提供了多路驱动输出，因此，用户可以把多个 PA 调整连接到不同的频带。

还有能够达到 3.8 GHz 的天线开关，其插入损耗和隔离度指标都符合要求。这样，用户面临的主要难题是通过可调RF滤波器获得所需的接收器选择功能。

可编程基带处理器和 DSP 加速功能，可编程 RF 信号通路，仔细的选择外部组件，这些因素组合起来能够以合理的成本，在较小的电路板上实现非常灵活的 SDR。这为系统开发人员带来了很多他们感兴趣的机会。

至少，技术进步使得生产商能够通过一个硬件设计，提供几种型号产品服务于很多无线市场 — 在各类 IoT 中。他们更感兴趣的是，系统开发人员可以开发一个机箱 — 微微小区或者空白收发器，迅速对其初始化，适应各种已知的现场环境。

另一方面，技术不断进步，认知无线电完成所有功能 — 能够扫描、解释并响应宽谱信号，发展中国家的应急响应系统和服务提供商也用得起认知无线电，这些国家可能完全没有基础设施，资源非常昂贵，但是要求远程位置服务。这类功能可能会从根本上改变发展中国家的游戏规则。

而且，较低的价格点也将为认知无线电打开广阔的发烧友市场。这不但使设计人员更熟悉概念，还会促进从业余无线电直至嵌入式计算和机器人等开放系统的创新，改进已有的技术。认知无线电开放社区虽然才刚刚兴起，但是潜力巨大。

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