軟件無線電已“調(diào)準(zhǔn)頻道”

軟件無線電已“調(diào)準(zhǔn)頻道”
Software-defined radio tunes in
David Marsh, Contributing Technical Editor
SDR（software-defined radio軟件無線電）盡管直到前不久還是一項(xiàng)代價(jià)昂貴的R&D 工作，卻最終還是破殼而出。過去的幾個(gè)月中，各公司發(fā)布了大量的產(chǎn)品：各種專用的集成電路紛紛推出，第一種軟件驅(qū)動(dòng)的無線電得到FCC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）的批準(zhǔn)。美國的軍方對(duì)此懷有濃厚的興趣，已經(jīng)專門撥出多達(dá)250億美元的預(yù)算，以JTRS（聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)）計(jì)劃來推進(jìn)SDR的開發(fā)。它的目標(biāo)是支持在2MHz到55GHz之間的大約33種波形特征（其中的一種還在一個(gè)平臺(tái)上包括了某些蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn)）。美國國防部，正在與加拿大、日本、瑞典和英國的各機(jī)構(gòu)一道合作，以促進(jìn)這項(xiàng)研發(fā)。在更為廣闊的商業(yè)世界中，該技術(shù)也同樣意味著通過一個(gè)普適的、可編程的硬件平臺(tái)的采用來保證運(yùn)營商成本的降低和服務(wù)提供方面靈活性的提升。那么，在這個(gè)巨大標(biāo)題的背后隱藏的真實(shí)故事是什么？在一個(gè)傳統(tǒng)上采用模擬硬件來解決問題的技術(shù)中使用軟件解決方案，設(shè)計(jì)者多久就可以從中獲益？
首先，是什么使得SDR迥異于如今承載了大多數(shù)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)的常規(guī)通信技術(shù)（如CDMA和GSM）？CDMA和GSM系統(tǒng)廣泛利用可編程的硬件來實(shí)現(xiàn)從基站鏈路一直到基帶處理的各項(xiàng)任務(wù)。FCC對(duì)SDR的定義簡(jiǎn)單明了，能讓人放松警惕：“在軟件無線電中，以前由硬件單獨(dú)完成的功能，如發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生以及接收信號(hào)的調(diào)諧和檢波，現(xiàn)在由控制高速信號(hào)處理器的軟件來實(shí)現(xiàn)?！?br/>類似的，SDR論壇把一個(gè)SDR裝置定義為其功能獨(dú)立于載波頻率、能在一系列傳輸協(xié)議環(huán)境中工作的裝置。從體系架構(gòu)的角度而言，這些定義是指可以完全在數(shù)字域上實(shí)現(xiàn)RF與基帶間上、下變頻的收發(fā)機(jī)，這一技術(shù)可以減少與發(fā)射信道功率放大器、接收通道低噪聲放大器的RF接口，而且最大限度減少了模擬濾波器。
圖1  理想的軟件無線電可以實(shí)現(xiàn)載波級(jí)速度的數(shù)據(jù)變換，而且完全在數(shù)字域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作
硬件通用性的本質(zhì)對(duì)軍事和商業(yè)運(yùn)營商都具有吸引力，因?yàn)樗梢宰屵\(yùn)營商避免被綁定到任何一家系統(tǒng)供應(yīng)商上。關(guān)鍵之處就在于，采用SDR，則通過新軟件的載入就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)。考慮到將一個(gè)2G網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為3G網(wǎng)絡(luò)的開銷估計(jì)為10億美元，這一發(fā)展方向?qū)⒃谠O(shè)備采購方面實(shí)現(xiàn)巨大的節(jié)約，而且縮短以往的經(jīng)濟(jì)模式所要求的、為期10年的平均網(wǎng)絡(luò)壽命。此外，基站將能支持各種協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)以往無法兼容的各種網(wǎng)絡(luò)間的跨接。這樣的跨接將讓網(wǎng)絡(luò)和通信間的界線變得模糊，例如W－CDMA手機(jī)可以接入一個(gè)本地的WiMax基礎(chǔ)架構(gòu)，以獲得寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)。
如今，由于在硬件和軟件方面的巨大障礙，上述的遠(yuǎn)大前景離實(shí)現(xiàn)還有一定距離。同時(shí)，業(yè)界的知情人士承認(rèn)，SDR將隨DSP和轉(zhuǎn)換器IC、電源管理和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)發(fā)展而發(fā)展。從軟件的角度來看，開發(fā)者希望采用一種共通的框架，這種框架將實(shí)現(xiàn)并提升可移植性。
SDR論壇預(yù)計(jì)，商業(yè)化的3G通信將在2008年以前成熟，而在2010左右開始進(jìn)入4G服務(wù)。它認(rèn)為SDR的機(jī)會(huì)與2.5G服務(wù)相伴，如在北美投入運(yùn)營的EDGE（GSM演進(jìn)中增強(qiáng)的數(shù)據(jù)）分組交換服務(wù)。終端的進(jìn)化將更為緩慢，這主要是由于功耗方面的要求，另外也是由于今天的手機(jī)的制造成本很低。大多數(shù)的觀察家承認(rèn)，SDR手機(jī)要到2010年才有可能出現(xiàn)。到那時(shí)，大規(guī)模生產(chǎn)的芯片組日益普及將刺激蜂窩式電話領(lǐng)域之外的增長。
同時(shí)，第一種消費(fèi)級(jí)的SDR終端將開始出現(xiàn)在功耗挑戰(zhàn)較小的移動(dòng)應(yīng)用（如膝上機(jī)和PDA），以及車輛中。Philips Semiconductor最近發(fā)布了SAF7730，這是一種單芯片的雙IF無線電和音響DSP，可以讓設(shè)計(jì)者經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)多種功能，如自適應(yīng)超重低音提升等，以利用單個(gè)平臺(tái)來進(jìn)一步體現(xiàn)產(chǎn)品的鮮明特色。

模擬技術(shù)在RFE中仍占統(tǒng)治地位
在載波頻率上對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行數(shù)字處理，仍將面對(duì)許多由對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求而引起的困難。GSM和CDMA等協(xié)議所采用的頻率可以超過2GHz，這就需要轉(zhuǎn)換器能在5GHz或更高的速度下工作。更糟糕的是，轉(zhuǎn)換器需要13bit以上的分辨率，以讓動(dòng)態(tài)范圍高到足以使隨后的處理能可靠地提取信號(hào)內(nèi)容。微波工藝，如SiGe和GaAs是潛在的候選，但它們既不便宜，又不能保證能量效率。對(duì)接收機(jī)鏈路的處理的要求也會(huì)極為嚴(yán)格，這嚴(yán)重依賴于調(diào)制的模式和信道帶寬。在3G服務(wù)中，協(xié)議在多個(gè)會(huì)話中共享的信道寬度高達(dá)5MHz。這種從窄帶到寬度的轉(zhuǎn)移需要DSP技術(shù)能實(shí)現(xiàn)信號(hào)內(nèi)容的提取，但必須通過將濾波器、信道選擇和基帶處理轉(zhuǎn)移到數(shù)字域中來減少對(duì)模擬濾波器的需求。
能達(dá)到載波速度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器目前很少，這迫使設(shè)計(jì)者考慮用模擬RFE（RF前端）來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上變頻和下變頻，并讓IF降低到轉(zhuǎn)換器能處理的水平。雖然接收機(jī)一側(cè)極富挑戰(zhàn)性，但發(fā)射機(jī)一側(cè)也不是沒有自身的問題，例如，線性度的保持與通過開關(guān)模式工作實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)效率最大化之間就存在矛盾。
一般來說，超寬帶的通信對(duì)線性度的高要求使得C類放大器若不進(jìn)行改進(jìn)就沒有用武之地。GSM簡(jiǎn)單的信號(hào)使得功率放大器的效率可達(dá)到約40％，但一個(gè)3G放大器的線性度要求會(huì)將效率降低到3％。目前可以提高非線性放大器中的線性度的技術(shù)包括預(yù)失真方法等。這種補(bǔ)償需要采用數(shù)字技術(shù)來將放大器校準(zhǔn)到足夠精度，可以將效率提高20％或更高。
設(shè)計(jì)者一般認(rèn)為接收的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)射，后者無需從被噪聲海洋淹沒的信號(hào)中獲取迅速變化的信息。對(duì)通用型的寬帶RFE的要求極為嚴(yán)格。雖然可以通過窄帶模擬無線電來保證足夠好的選擇性，但為了保證寬頻帶上的捷變能力，就需要采用多個(gè)接收機(jī)通道。當(dāng)前的機(jī)載無線電系統(tǒng)需要多達(dá)100個(gè)通道，因此，人們希望盡可能地共享資源。對(duì)目前能很好地為單個(gè)和有限的多波段應(yīng)用的模擬RFE進(jìn)行考察，就會(huì)看出阻礙SDR有效運(yùn)用和性能發(fā)揮的諸多因素。
因?yàn)檎嬲腟DR接收機(jī)需要很大的帶寬來滿足CDMA等協(xié)議的需要或者僅僅是簡(jiǎn)單地搜索出有用的信號(hào)，所以傳統(tǒng)的窄帶－超外差式架構(gòu)（會(huì)出現(xiàn)鏡像干擾，需要高性能濾波器予以濾除）就不適用。未來的可擴(kuò)展其應(yīng)用的選擇包括可在很寬頻率范圍內(nèi)編程的濾波器（可能是那些MEMS器件，它們目前尚處在研究階段）。
當(dāng)前SDR前端中正在得到應(yīng)用的一種方法是采用直接變換接收機(jī)架構(gòu)的各種改型。在該架構(gòu)中，I/Q（同相/正交）混頻器先將RF變換為復(fù)基帶信號(hào)（中心頻率為0Hz），然后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器前的一個(gè)低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)理。
解調(diào)器/DSP可以通過對(duì)I/Q相位關(guān)系的觀察來對(duì)接收信號(hào)瞬時(shí)頻率方面的模糊性進(jìn)行解析：如果Q信號(hào)超前于I，則頻率為正，否則為負(fù)。
I/Q信號(hào)間的不平衡會(huì)帶來圍繞有用信號(hào)的邊帶噪聲。另外，射頻接收機(jī)還受到來自外部和機(jī)內(nèi)元器件及各引線耦合的噪聲的干擾。在SDR實(shí)現(xiàn)中，這些問題也會(huì)或多或少地存在。一種傳統(tǒng)的解決方案是在數(shù)字混頻器中的ADC和I/Q變換前級(jí)聯(lián)一個(gè)超外差的RF－IF轉(zhuǎn)換器。
要選擇IF值，就必須在模擬的下變頻器性能中考慮ADC的速度和精度。Analog Devices、Linear Technology，Maxim和Texas Instruments等可以提供適用的14bit的ADC。目前對(duì)IF信號(hào)的采樣速率約為60_70MS/s，而真正的目標(biāo)是170MS/s，這樣就可以為濾波和頻率規(guī)劃帶來好處，滿足阻塞信號(hào)方面的規(guī)范，并極大緩解第一級(jí)RF下變頻級(jí)的壓力。
圖2  很多常規(guī)的軟件無線電將超外差前端與數(shù)字IF和基帶處理組合起來
對(duì)于載波水平上的數(shù)字處理，不妨關(guān)注一下TechnoConcepts，該設(shè)計(jì)公司專門研發(fā)SDR產(chǎn)品。其TSR（真軟件無線電）技術(shù)采用了5GHz的_－_數(shù)字化電路。該公司將很快向主要的OEM提供10或11bit的基于GaAs MESFET器件的電路，該公司還在研發(fā)12bit的采用SiGe前端的CMOS版本。直接實(shí)現(xiàn)載波級(jí)的信號(hào)處理可以避免超外差架構(gòu)帶來的大量的失真。

FPGA將加速DSP
完成數(shù)字化后，以兩個(gè)數(shù)字乘法器構(gòu)成的混頻器將執(zhí)行信號(hào)－I/Q變換，其精度本質(zhì)上與本機(jī)振蕩器的頻率無關(guān)。本機(jī)振蕩器是一種數(shù)字化的合成器，它使用正弦/余弦查閱表和相位累加器來產(chǎn)生相互間存在精確的90