SDR發(fā)展及應(yīng)用與示例-便攜SDR - 全文

便攜式無線設(shè)備可能趨于一致，但是如果你愿意的話，它們的接口可以繼續(xù)分離或“進化”。要使手機在從美國到歐洲和亞洲的旅行途中能夠繼續(xù)使用，它需要兼容不斷增多的各種不同的協(xié)議、調(diào)制技術(shù)和頻帶，要能夠識別它們并進行無縫調(diào)整和匹配。對于手機制造商來說，這是一個挑戰(zhàn)；而對于基站供應(yīng)商而言，這是一個噩夢。

這有多困難呢？TI公司無線研究高級主管Bill Krenik說：“幾年前，雙頻帶GSM手機滿足了大部分市場的需要。現(xiàn)在芯片組至少是GSM/GPRS的，不久將很有可能成為GSM/GPRS/EDGE的，涵蓋PCS和DCS；加入UMTS，增加對IMT-2000頻帶的WCDMA支持，頻率為2,100MHz。在調(diào)制前端，需要處理GSM的GMSK、用于EDGE的 8-PSK 的高階調(diào)制、以及寬帶CDMA所需的QPSK；接下來需要解決的難題是HSDPA、HSUPA和16-QAM；然后是基于OFDM 的LTE（長期演進，或4G）標準，它被定為2010年的時間框架。到那時，我們將需要支持TDMA、CDMA和OFDM；支持至少六個不同的頻帶，而且很有可能更多；支持從GMSK到QPSK、16QAM和64QAM的調(diào)制技術(shù)。我們需要能夠解決上述所有技術(shù)問題的無線電技術(shù)和基站?！痹谶@一點上，軟件無線電技術(shù)（SDR）要比眾多基于硬件的RF信號鏈更有吸引力。

走進SDR

SDR背后的概念很簡單：首先是高帶寬、高線型度的FR前端，然后將其輸出直接進入高速ADC，再用高速DSP或FPGA在軟件中進行所有的信號處理。前面的描述中多次提到的“高速”一詞，正是挑戰(zhàn)所在。
軟件無線電設(shè)備是一種由軟件來定義其特征的寬帶收發(fā)器。ITU定義SDR為：“一種能夠通過軟件，和/或能夠完成同樣功能的技術(shù)，對包括RF的運行參數(shù)，但不限于頻率范圍、調(diào)制類型或輸出功率進行設(shè)置或修改的無線電系統(tǒng)?！盨DR能夠使手機或基站對硬件的需要降至最小，同時也能降低與不斷發(fā)展的無線標準相對應(yīng)的“未來驗證”的基本設(shè)施的需要。SDR基本上是將一個接收器變成一個具有RF前端的計算機。不過SDR需要速度非?？斓挠嬎銠C才能夠?qū)Ω鞣N數(shù)G赫茲的信號進行過采樣，并準實時的處理所有這些信號。
SDR不是一個沒有中間過程的極端方法。SDR論壇定義了從“硬件無線電”——目前的方法——到“終極軟件無線電”的全部演變過程，其間包含了一些中間技術(shù)階段：
● 0級－硬件無線電。系統(tǒng)不能做任何修改。系統(tǒng)操作由開關(guān)、撥號盤和按鈕來完成。
●1級－軟件控制無線電。軟件上可能實現(xiàn)了控制功能，但是在不改變硬件的條件下，這些無線通信設(shè)備是不能改變像頻帶或調(diào)制方式這樣的特征參量的。
●2級－軟件無線電。這種無線電技術(shù)由軟件來控制，不需要對硬件做任何修改就能夠提供很寬的操作范圍。它一般包括寬帶濾波前的獨立天線、放大器和A/D轉(zhuǎn)換之前的降頻器。在發(fā)送時，基帶信號進入DAC，然后轉(zhuǎn)換為中頻（IF）頻率，即依次外差為進行濾波和進入功率放大器之前所需的輸出頻率。盡管前端的帶寬是個限制因素，由于SDR技術(shù)能夠提供寬帶和窄帶兩種操作中的多種解調(diào)技術(shù)，因而利用軟件可以控制相當(dāng)寬的頻率范圍。SDR技術(shù)能夠存儲大量的波形或空間接口，并可以通過從磁盤上傳或從空間下載來添加新的內(nèi)容。
●3級－理想SDR。這種SDR將RF前端的輸出直接接入ADC，然后進入到DSP，消除了大部分的模擬部件，從而降低了失真和噪聲。
●4級－終極SDR。這種SDR沒有外置天線、沒有運行頻率或帶寬的限制。它直接傳送數(shù)字基帶輸出信號，在幾毫秒的時間內(nèi)進行空中接口間的檢測和轉(zhuǎn)換。這是一種低功耗又極為快速的SDR，但要以商業(yè)產(chǎn)品的形式出現(xiàn)，估計正在學(xué)說話的孩子大學(xué)畢業(yè)之前是不太可能的。

從天線到DSP

一般的SDR系統(tǒng)（如圖1所示）包括各種RF前端，它們?yōu)閷拵DC提供輸入信號。信號再由ADC進入可編程DSP引擎。在發(fā)射模式下，數(shù)字基帶信號先要依次通過DAC和中頻/ 射頻（IF/RF）升頻轉(zhuǎn)換器，再傳入輸入功率放大器（PA）和天線。

圖1. 一般的SDR接收器。

要建立可配置的、寬帶的、高靈敏度的甚至是防彈的RF前端，是事情變得復(fù)雜的開始。ADI公司RF和無線系統(tǒng)的商業(yè)研發(fā)主管Doug Grant說：“即使關(guān)注的是小信號，也必須提供非常大的數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)?shù)玫讲煌瑤挼男盘枙r，要既能看到最寬的帶寬又能看到最窄的帶寬，并能容納足夠的動態(tài)范圍。這最終歸結(jié)回功率，因為要得到寬的無線前端動態(tài)范圍，勢必就會增加功耗?！比绻岸吮灰粋€大的帶外信號損壞了，再多的下級濾波器都無法糾正。Grant說，“功率問題被一致歸結(jié)為研究SDR的任何方法都面臨的最大障礙。”
在理想的SDR系統(tǒng)中，射頻RF前端的輸出在處理之前將直接進入ADC。然而ADC是SDR所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。在1GHz時，ADC的動態(tài)范圍的上限是20位或120dB。頻率更高的時候，問題變得更有挑戰(zhàn)性，因為ADC的采樣率要滿足奈奎斯特采樣定律，必須至少為最高頻率（fmax）的兩倍。因此，接收器一般將信號通過帶通濾波器去掉不需要的信號，再通過外差將信號頻率降至ADC能夠處理的范圍。然后將信號通過低噪聲放大器（LNA），進入ADC。具有多RF前端和天線的超級外差接收器很可能一段時間后會出現(xiàn)。

圖2. SDR的軟件控制任務(wù)。

純粹的數(shù)字RF結(jié)構(gòu)，比如TI公司的數(shù)字射頻處理器（DRP），在天線上裝有ADC，其余所有的事情都有DSP來完成。由于從RF電路中消除了模擬部分，這種結(jié)構(gòu)需要高寬帶的Σ-ΔADC和非?？斓腄SP，而這兩個部分的功耗都很大，因此這種方法更適用于基站，而不適于手機。

軟件處理

當(dāng)信號進入數(shù)字領(lǐng)域，DSP引擎可以完成相當(dāng)大的處理量，包括處理不同的調(diào)制類型、信道存取、擴頻處理、網(wǎng)絡(luò)界面定義、安全、波束形成、前向糾錯和數(shù)字降頻/升頻轉(zhuǎn)換。

圖3. SCA的軟件體系結(jié)構(gòu)。

SDR的軟件結(jié)構(gòu)是由軟件通訊架構(gòu)定義的（SCA；如圖3所示），最初在20世紀90年代為美國軍方的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)（JTRS）而制定，其目的是希望讓所有的軍隊能夠相互實時的通信，得到彼此所在地區(qū)的火情、警力、救護車和林務(wù)人員的信息。（不論相信與否，他們沒能做到）。SCA是一個開放的結(jié)構(gòu)框架，它告訴設(shè)計者硬件和軟件單元是如何在JTRS SDR中協(xié)同運行的。SCA的規(guī)范具體說明了能夠配置波形的軟件運行環(huán)境，以及詳細說明了波形必須支持的界面。它還詳述了操作系統(tǒng)OS（POSIX）、中間設(shè)備（CORBA ORB）以及界面的框架。JTRS組和SDR論壇都在與對象管理組織的SWRADIO領(lǐng)域特別興趣小組合作，為基于SCA的SDR系統(tǒng)建立一個開放的國際工業(yè)標準。同時，SCA事實上也成為了SDR的國際標準。
JTRS SCA 3.0 為信號處理子系統(tǒng)（SPS）增加了一個硬件抽象層（HAL）。SPS為SDR的OSI層1（調(diào)制解調(diào)器、擴展、代碼）和應(yīng)用級功能塊（音頻、視頻）提供高速的計算?？梢杂肈SP和、或FPGA的聯(lián)合來實現(xiàn)SPS。

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SDR信號處理的需求

Xilinx和 Altera公司都提出：“數(shù)字信號處理”未必等同于DSP。高頻商業(yè)SDR接收器所需的信號處理事實上是令人生畏的（見表）。Xilinx公司的高級DSP市場經(jīng)理Manuel Uhm認為：在控制功能塊中使用MCU，在低MIPS的應(yīng)用中使用DSP以及在高MIPS的應(yīng)用中使用FPGA都是有意義的。Xilinx公司做出一套JTRS SDR工具，它將用于信息通過的包含RTOS的CORBA ORB，和加入SCA核框架的用于窄帶和寬帶波形的應(yīng)用層，還有物理層（EMAC、PHY、數(shù)字升或降頻轉(zhuǎn)換器）集成在一個“能實現(xiàn)SCA的SoC中”（aka Virtex-4）。

SDR目前的應(yīng)用

現(xiàn)在我們離理想的SDR還很遠，但是商用的SDR已經(jīng)在多?；旧祥_始使用了，這些產(chǎn)品至少使用了部分的SDR技術(shù)。ADI公司的Grant說：“我們雖有所發(fā)展，但是必須限定對SDR的定義。如果是指可編程信號處理完成了除空間接口以外所有的解調(diào)、均衡和探測過程，那么我們已經(jīng)做到了。如果在定義中加入‘使用通用的無線電前端’，那么我們還沒有完成。”
第一個將FCC批準的SDR基站市場化的公司是Vanu Inc。它在1994年建立了Vanu軟件無線通信GSM基站。Vanu公司采用了一種與眾不同的方法實現(xiàn)SDR：在使用通用CPU的電腦上運行便攜式應(yīng)用軟件，完全由軟件來完成信號處理。Vanu公司的首席技術(shù)總監(jiān)（CTO） John Chapin說，“需要建立所設(shè)想的系統(tǒng)：真正增加的價值就是軟件。我們編寫了便攜式代碼，這些代碼無需太多花費就可以移植到下一代的處理器上。” Chapin指出：使用Intel的處理器要比使用DSP或FPGA更為簡單。Vanu公司的下一代Anywave GSM基站將在Intel 的Xeon雙核處理器平臺上運行。
Mid-Tex Cellular公司是美國第一個基于SDR操作的手機運營商。Mid-Tex在HP的運行Linux系統(tǒng)的ProLiant平臺上建立了Vanu公司的軟件無線電基站，這使得它在鄉(xiāng)村的800MHz的TDMA系統(tǒng)增加了處理GSM和WCDMA的能力。該軟件基站能夠同時運行多個空間標準，動態(tài)分配系統(tǒng)以支持2G和發(fā)展中的3G兩種標準。
此外，SDR在被動RFID系統(tǒng)上得到了應(yīng)用。ThingMagic公司的Mercury4是一個多協(xié)議的RFID系統(tǒng)，它利用SDR技術(shù)可以同時讀取任何標簽， 如EPC Class 1 和EPC Class 0標簽、可重復(fù)寫入Class 0標簽，ISO 18000-6B 和 UCODE EPC 1.19的標簽。Mercury4的作用象一個路由器，將標簽的信息傳入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用軟件。這個系統(tǒng)更像是一個基站，而不是一個標簽閱讀器。

便攜式SDR？

將SDR從基站移到手機上還要多久？手機具有很好的市場，但是不是最好的目標。因為SDR的所需的功率——要保證RF前端和G赫茲的ADC的需要。盡管如此，還是出現(xiàn)了一些多模手機。ADI公司為中國市場研制了一種雙模GSM/TD SCDMA器件。這些器件具有兩種不同的RF電路，但是所有的解碼和節(jié)點探測算法全部由軟件來進行，而不是使用硬件。
隨著運算能力的成本不斷降低，而手機的運算能力卻不斷提高，這樣的一天也許不遠了：手機中的SoC將包括集成的RF前端、高速ADC/DAC、高速DSP、非揮發(fā)性內(nèi)存和電源管理模塊。這只有SDR才能實現(xiàn)。