系統(tǒng)解讀無(wú)線通信之SDR和CR

　　軟件定義無(wú)線電(SDR)過(guò)去是比較少有的舶來(lái)品。不過(guò)現(xiàn)在，大多數(shù)現(xiàn)代無(wú)線電都采用軟件定義無(wú)線電的架構(gòu)和技術(shù)。隨著每年IC和其他技術(shù)的不斷進(jìn)步，SDR的性能和應(yīng)用范圍都在與日俱增。事實(shí)上，認(rèn)知無(wú)線電(CR)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，為SDR在無(wú)線通信領(lǐng)域大顯身手創(chuàng)造了條件。

　　什么是軟件定義無(wú)線電

　　軟件定義無(wú)線電使用軟件來(lái)執(zhí)行接收器和發(fā)射器中的部分信號(hào)處理任務(wù)。例如，采用隨處可見的超外差架構(gòu)的傳統(tǒng)接收器通過(guò)基本電路(圖1a)執(zhí)行所有的信號(hào)處理任務(wù)。這種超外差架構(gòu)將輸入信號(hào)通過(guò)降頻轉(zhuǎn)換成中頻(IF)信號(hào)，以便進(jìn)行解調(diào)和其他處理。

　　圖1：常見的傳統(tǒng)無(wú)線電接收器(a)將標(biāo)準(zhǔn)模擬超外差架構(gòu)與執(zhí)行所有功能的模擬電路配合使用。高級(jí)超外差接收器(b)將數(shù)字解調(diào)技術(shù)與DSP配合使用。

　　早期的軟件定義無(wú)線電接收器(圖1b)在中頻級(jí)之后用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)替代了解調(diào)器，并在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中執(zhí)行解調(diào)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(hào)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(hào)分至兩個(gè)通路的架構(gòu)，一個(gè)通路產(chǎn)生同相(I)信號(hào)和一個(gè)通路產(chǎn)生90°相移正交(Q)信號(hào)。基本載波信號(hào)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(shù)中的任何一個(gè)參數(shù)都隨調(diào)制方式的不同而有所不同。對(duì)于數(shù)字領(lǐng)域中的解調(diào)而言，單信號(hào)對(duì)于現(xiàn)有的算法來(lái)講是不夠的。因此，經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成I信號(hào)和Q信號(hào)：

　　V = I(t) cos(2πfct) + Q(t) sin(2πfct)

　　正交信號(hào)的任何振幅、頻率或相位變化都可以檢測(cè)到，并用于解調(diào)或其他過(guò)程中。

　　圖2是一個(gè)現(xiàn)代I/Q軟件定義無(wú)線電接收器的框圖。低噪聲放大器(LNA)一般會(huì)增強(qiáng)來(lái)自天線的輸入信號(hào)，然后該信號(hào)再被施加至兩個(gè)混頻器?；祛l器逐步產(chǎn)生I信號(hào)和Q信號(hào)。兩個(gè)混頻器都從鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器中接收本振(LO)信號(hào)。請(qǐng)注意LO信號(hào)與兩個(gè)混頻器之間的90°相移。

　　圖2：現(xiàn)代軟件定義接收器采用I/Q架構(gòu)將信號(hào)分成兩個(gè)正交通路。需要I和Q通道通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法恢復(fù)各種類型的調(diào)制。

　　LO頻率被設(shè)置成信號(hào)頻率，因此在不調(diào)制的情況下混頻器的差分信號(hào)為零。進(jìn)行調(diào)制時(shí)，差分信號(hào)為基帶信號(hào)或原始調(diào)制信號(hào)。這種架構(gòu)被稱為直接轉(zhuǎn)換或者零中頻。

　　基帶信號(hào)在低通濾波器中進(jìn)行濾波以消除混頻器輸出端的和分量之后，此信號(hào)在一對(duì)ADC中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后數(shù)字基帶信號(hào)通過(guò)數(shù)字下變頻器(DDC)的處理，降低采樣速率，以便能夠與數(shù)字信號(hào)處理電路兼容。然后數(shù)字信號(hào)處理電路根據(jù)應(yīng)用的要求，同時(shí)使用I信號(hào)和Q信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、均衡和額外的濾波。

　　在現(xiàn)代軟件定義無(wú)線電發(fā)射器中，DSP調(diào)制器將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分成I信號(hào)和Q信號(hào)，并將這些信號(hào)饋至數(shù)字上變頻器(DUC)，以提高其采樣速率(圖3)。I信號(hào)和Q信號(hào)接下來(lái)會(huì)被發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，從而產(chǎn)生最終的基帶信號(hào)。然后這些基帶信號(hào)會(huì)進(jìn)行低通濾波，并被發(fā)送至混頻器，混頻器將該信號(hào)升頻至最終的發(fā)射頻率。該信號(hào)最后會(huì)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(diào)制是在DSP中進(jìn)行的。然后，I/Q架構(gòu)產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào)，這兩個(gè)正交信號(hào)合并在一起，然后升頻至最終的頻率以便進(jìn)行傳輸。

　　所有的現(xiàn)代軟件定義無(wú)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(dāng)然，隨著ADC和DAC采樣速率的日益增加，數(shù)字處理越來(lái)越向天線靠近。最終的接收器會(huì)成為天線端的一個(gè)濾波器，以限制帶寬和LNA，然后再進(jìn)行快速的ADC處理(圖4)。然后，DSP執(zhí)行解調(diào)和濾波等所有的其他處理。覆蓋頻率高達(dá)30MHz的商用業(yè)余無(wú)線電和短波接收器已經(jīng)開始使用這種先進(jìn)的架構(gòu)。

　　圖4：最終的SDR接收器僅采用一個(gè)輸入帶通濾波器、一個(gè)ADC和一個(gè)DSP。所有的解調(diào)、濾波和其他功能都在DSP中進(jìn)行。

　　以下的許多功能現(xiàn)在都是以數(shù)字方式執(zhí)行的：

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

　　新的調(diào)制方式和相關(guān)過(guò)程通常被稱為波形。通過(guò)更改波形軟件，用于像FM語(yǔ)音這樣的單個(gè)應(yīng)用的無(wú)線電可以針對(duì)具有不同協(xié)議的不同頻率上的高速數(shù)據(jù)重編程序。

　　軟件定義無(wú)線電的優(yōu)勢(shì)在于硬件越來(lái)越簡(jiǎn)單。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)比同等模擬電路更好的性能。數(shù)據(jù)信號(hào)處理還可以對(duì)RF器件的某些不足進(jìn)行補(bǔ)償。

　　此外，重編程序可以提供各種靈活性，包括修正錯(cuò)誤、增加新功能、包含升級(jí)的操作以及提升性能等。可以通過(guò)軟件快速更改具有靈活設(shè)計(jì)的軟件定義無(wú)線電，從而整合新的調(diào)制方式、新協(xié)議以及一般需要新硬件的其他重大調(diào)整。

　　軟件定義無(wú)線電的不足之處在于軟件復(fù)雜性、開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間、某些應(yīng)用的頻率范圍有限以及往往較高的功耗。

　　軟件定義無(wú)線電的硬件

　　軟件定義無(wú)線電需要快速ADC、DAC和DSP。多年來(lái)，ADC的采樣速率一直都在與日俱增，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了千兆赫的水平。許多軟件定義無(wú)線電采用低中頻架構(gòu)和ADC，將許多100 Msamples/s的采樣速率提升至幾百M(fèi)samples/s，甚至更高。