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。不過現在，大多數現代無線電都采用軟件定義無線電的架構和技術。隨著每年IC和其他技術的不斷進步，SDR的性能和應用范圍都在與日俱增。事實上，認知無線電(CR)等新興技術的出現，為SDR在無線通信領域大顯身手創(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。例如，采用隨處可見的超外差架構的傳統(tǒng)接收器通過基本電路(圖1a)執(zhí)行所有的信號處理任務。這種超外差架構將輸入信號通過降頻轉換成中頻(IF)信號，以便進行解調和其他處理。

　　圖1：常見的傳統(tǒng)無線電接收器(a)將標準模擬超外差架構與執(zhí)行所有功能的模擬電路配合使用。高級超外差接收器(b)將數字解調技術與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轉換器(ADC)替代了解調器，并在數字信號處理器(DSP)中執(zhí)行解調和部分濾波工作。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，一個通路產生同相(I)信號和一個通路產生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。這些參數中的任何一個參數都隨調制方式的不同而有所不同。對于數字領域中的解調而言，單信號對于現有的算法來講是不夠的。因此，經過調制的信號被轉換成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，并用于解調或其他過程中。

　　圖2是一個現代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：現代軟件定義接收器采用I/Q架構將信號分成兩個正交通路。需要I和Q通道通過數字信號處理算法恢復各種類型的調制。

　　LO頻率被設置成信號頻率，因此在不調制的情況下混頻器的差分信號為零。進行調制時，差分信號為基帶信號或原始調制信號。這種架構被稱為直接轉換或者零中頻。

　　基帶信號在低通濾波器中進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中被轉換成數字信號。然后數字基帶信號通過數字下變頻器(DDC)的處理，降低采樣速率，以便能夠與數字信號處理電路兼容。然后數字信號處理電路根據應用的要求，同時使用I信號和Q信號進行解調、均衡和額外的濾波。

　　在現代軟件定義無線電發(fā)射器中，DSP調制器將要傳輸的數據劃分成I信號和Q信號，并將這些信號饋至數字上變頻器(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)送至數模轉換器(DAC)，從而產生最終的基帶信號。然后這些基帶信號會進行低通濾波，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，調制是在DSP中進行的。然后，I/Q架構產生兩個正交信號，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行傳輸。

　　所有的現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。當然，隨著ADC和DAC采樣速率的日益增加，數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，然后再進行快速的ADC處理(圖4)。然后，DSP執(zhí)行解調和濾波等所有的其他處理。覆蓋頻率高達30MHz的商用業(yè)余無線電和短波接收器已經開始使用這種先進的架構。

　　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、濾波和其他功能都在DSP中進行。

　　以下的許多功能現在都是以數字方式執(zhí)行的：

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

　　新的調制方式和相關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據重編程序。

　　軟件定義無線電的優(yōu)勢在于硬件越來越簡單。標準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，從而實現比同等模擬電路更好的性能。數據信號處理還可以對RF器件的某些不足進行補償。

　　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計的軟件定義無線電，從而整合新的調制方式、新協(xié)議以及一般需要新硬件的其他重大調整。

　　軟件定義無線電的不足之處在于軟件復雜性、開發(fā)成本和開發(fā)時間、某些應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，現在已經達到了千兆赫的水平。許多軟件定義無線電采用低中頻架構和ADC，將許多100 Msamples/s的采樣速率提升至幾百Msamples/s，甚至更高。