軟件定義無(wú)線電工程師指南

軟件定義無(wú)線電（SDR）的誕生可以追溯到 1970 年代，最初僅限于軍事應(yīng)用。然而，受益于FPGA 和 DSP 信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步、基于 IC 的無(wú)線電收發(fā)器的發(fā)展以及小型蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的普及，導(dǎo)致 SDR市場(chǎng)在 2000 年代初期快速擴(kuò)大。本文將解釋 SDR 背后的基本概念，探討與傳統(tǒng) RF 架構(gòu)和一些流行應(yīng)用相比，SDR所能夠提供的靈活性。考慮到無(wú)線連接的使用已成為我們社會(huì)的一個(gè)重要方面，我們還將討論可以從 SDR 受益的潛在新應(yīng)用。
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無(wú)線技術(shù)無(wú)處不在！

自從馬可尼（Marconi）第一次使用火花發(fā)射器跨大西洋發(fā)送莫爾斯電碼（morse code）信息以來(lái)，無(wú)線連接已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。一百二十二年后的今天，無(wú)線通信在我們的社會(huì)中已經(jīng)無(wú)處不在，它能夠提供一種基本連接技術(shù)，可以連接我們的智能設(shè)備，支持我們的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并將來(lái)自其他星球的圖像傳送到我們的電視機(jī)上。沒(méi)有無(wú)線，我們的社會(huì)就無(wú)法進(jìn)步。
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射頻 (RF) 工程向來(lái)是一項(xiàng)專業(yè)技能，并且傳統(tǒng)上屬于模擬范疇。從早期開(kāi)始，無(wú)線電通信主要用于語(yǔ)音通信和發(fā)送和接收消息，通常使用莫爾斯電碼。無(wú)論是語(yǔ)音還是莫爾斯電碼，傳輸信息都需要調(diào)制發(fā)射器的頻率。廣播公司開(kāi)始使用調(diào)幅 (AM) 進(jìn)行本地“中波”和遠(yuǎn)程“短波”傳輸，頻率調(diào)制 (FM) 也在本地和國(guó)家廣播網(wǎng)絡(luò)的甚高頻 (VHF) 傳輸中變得流行起來(lái)。所有無(wú)線電接收器和發(fā)射器設(shè)計(jì)都是完全模擬的。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸使用無(wú)線電調(diào)制器和解調(diào)器（調(diào)制解調(diào)器）設(shè)備將二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換為無(wú)線電模擬域。頻移鍵控 (FSK) 是最初用于此類應(yīng)用的調(diào)制技術(shù)。
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正如我們將在下一節(jié)中討論的那樣，SDR 從根本上改變了我們構(gòu)建無(wú)線電系統(tǒng)的方式。但在深入研究 SDR 的工作方式之前，讓我們首先考慮一些 SDR用例。
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業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者是 SDR 的早期采用者?；?SDR 的收發(fā)器（組合的發(fā)射器和接收器）能夠提供一種方便、輕便且高度便攜的方式，可在災(zāi)難情況下提供緊急通信。最近的應(yīng)用案例包括亞速爾群島火山爆發(fā)后救援工作的協(xié)助協(xié)調(diào)。
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SDR 廣泛用于科學(xué)天文學(xué)研究，它能夠控制接收器的中心頻率、調(diào)整帶寬以及在光譜“瀑布”顯示器上顯示來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的無(wú)線電爆發(fā)結(jié)果。
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隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，小型蜂窩開(kāi)放式無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)（ORAN）的概念特別適合使用 SDR。電信運(yùn)營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò)提供商越來(lái)越多地將 SDR 用于下一代 5G 和 6G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究和基站。
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什么是軟件定義無(wú)線電？

盡管業(yè)界對(duì) SDR 接收器或發(fā)射器的構(gòu)成有多種定義，但所有這些都強(qiáng)調(diào)，很大一部分傳統(tǒng)模擬電路功能已經(jīng)被基于軟件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)所取代。 SDR 接收器的一個(gè)重要元件仍將使用模擬電路。無(wú)線電前端檢測(cè)從天線接收到的超低電壓射頻信號(hào)。然而，從那時(shí)起，主要涉及解調(diào)的信號(hào)處理交由軟件執(zhí)行。該軟件可能在專用的嵌入式可編程處理器、筆記本電腦或臺(tái)式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。
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圖 1：簡(jiǎn)單的 AM 超外差無(wú)線電原理功能框圖。（來(lái)源：貿(mào)澤電子）

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圖 1 突出顯示了傳統(tǒng) AM 超外差 (superhet) 無(wú)線電接收器的主要功能模塊圖。來(lái)自天線的微弱信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，通過(guò)將檢測(cè)信號(hào)的帶寬限制為感興趣的信號(hào)，然后將它們放大并傳遞到混頻器?；祛l器再將接收到的信號(hào)與可變頻率振蕩器的輸出相結(jié)合，以產(chǎn)生固定的中頻 (IF)。接收器的調(diào)諧是通過(guò)改變本地振蕩器 (LO) 頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。中頻放大器能夠顯著提高信號(hào)電平，濾波器去除了混頻器中不需要的信號(hào)。之后，進(jìn)行音頻信號(hào)的解調(diào)和放大。
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對(duì)比 SDR 接收器與圖 2 的不同之處。
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圖 2：示例 SDR 接收器的基本架構(gòu)模塊。（來(lái)源：貿(mào)澤電子）

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SDR 接收器的模擬部分僅限于射頻前端。濾波后的信號(hào)被傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，以便在數(shù)字域中進(jìn)行后續(xù)處理。SDR接收器的確切架構(gòu)各不相同。例如，當(dāng)下越來(lái)越流行的 SDR 設(shè)計(jì)方法不再需要中頻，這種零中頻 (ZIF) 方法，也稱為直接轉(zhuǎn)換，是將射頻前端的輸出直接饋送到 ADC，并直接進(jìn)入在軟件中執(zhí)行的基帶數(shù)字處理功能，包括解調(diào)和濾波。
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上面我們僅僅簡(jiǎn)單討論了SDR 的基礎(chǔ)知識(shí)以及它與傳統(tǒng) RF 技術(shù)的區(qū)別。希望了解更多有關(guān) SDR 的讀者可以參考其它詳細(xì)的資料和資源。這里推薦一本面向工程師的軟件定義無(wú)線電的出色書(shū)籍可供下載，可從 Analog Devices 網(wǎng)站獲得。
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為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，我們?cè)诒竟?jié)中只討論了接收器架構(gòu)，但所描述的方法也同樣適用于發(fā)射器。
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開(kāi)始SDR 設(shè)計(jì)

靈活的 SDR 平臺(tái)具有多種形狀和尺寸。簡(jiǎn)單的USB加密狗要 25 美元，而綜合、完整的 SDR 收發(fā)器則需要6,000 美元以上。一些流行的 SDR 評(píng)估套件和開(kāi)發(fā)模塊的價(jià)格在 100 美元到 200 美元之間。許多流行的 SDR 平臺(tái)使用與 FPGA 結(jié)合的商用 RF 收發(fā)器 IC。除了選擇 SDR 硬件平臺(tái)外，您還需要決定如何對(duì)其進(jìn)行編程。
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GNU Radio是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)源 DSP 編程工具鏈，專為構(gòu)建和設(shè)計(jì) SDR 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。GNU Radio最初的設(shè)計(jì)純粹是為了教育目的，它后來(lái)被廣泛用于無(wú)線研究和開(kāi)發(fā)、業(yè)余無(wú)線電和射電天文學(xué)。GNU Radio可提供一組不同的功能塊，例如濾波器、圖形顯示、解調(diào)器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)學(xué)運(yùn)算符、通道模型和傅里葉分析函數(shù)等。各項(xiàng)功能被部署在工作場(chǎng)所，并使用可視化流程圖風(fēng)格編程進(jìn)行連接，參見(jiàn)圖 3。
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圖 3：簡(jiǎn)單的 FM 接收器示例 GNU Radio 流程圖。（來(lái)源：GNU Radio）

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其它受 SDR 工程師歡迎的工具鏈?zhǔn)鞘褂?Matlab 和 Simulink 及其 DSP 和 SDR 擴(kuò)展。另一個(gè)基于 GNU Radio 但結(jié)合了 SoapySDR 框架的 SDR 開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)是 Pothosware。
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如果您計(jì)劃在不構(gòu)建具體設(shè)計(jì)的情況下嘗試 SDR，可以馬上開(kāi)始使用SDR Console等眾多免費(fèi)的開(kāi)源 SDR 應(yīng)用。
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Lime Microsystems 是基于 FPGA 的現(xiàn)場(chǎng)可編程射頻 (FPRF) 收發(fā)器供應(yīng)商，能夠提供多個(gè)基于LMS7002 系列收發(fā)器 IC 的 SDR 平臺(tái)。 LMS7002 是一款具有雙收發(fā)器的高集成度 IC，可在 100 kHz 至 3.8 GHz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全雙工操作。
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該 IC 適用于從 SDR 原型設(shè)計(jì)、小型蜂窩基站、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)到設(shè)計(jì)可重新配置的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等許多應(yīng)用。圖 4 展示了 LMS7002 的綜合架構(gòu)和核心功能特性。
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圖 4：Lime Microsystems LM7002 雙射頻收發(fā)器 IC 的功能模塊架構(gòu)。（來(lái)源：Lime Microsystems）

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Lime Microsystems 采用了一種創(chuàng)新方法開(kāi)發(fā)基于 LMS7002 系列的 SDR 平臺(tái)，選擇通過(guò) Crowd Supply 為開(kāi)發(fā)提供眾籌資源。LimeSDR 迷你板集成了 LMS7002 和 Intel Altera MAX10 FPGA，能夠在 USB加密狗PCB 上提供完整的 SDR 解決方案，參見(jiàn)圖 5。
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圖 5：Lime Microsystems LimeSDR 迷你板。（來(lái)源：Lime Microsystems）

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MyriadRF是一個(gè)在線社區(qū)，旨在鼓勵(lì)將 LMS7002 系列用于開(kāi)源硬件和軟件 SDR 項(xiàng)目。它可提供對(duì)開(kāi)發(fā)工具、資源和項(xiàng)目示例生態(tài)系統(tǒng)的訪問(wèn)。對(duì)于熟悉 Grove Studio 平臺(tái)和 Raspberry Pi 的創(chuàng)新者和開(kāi)發(fā)人員，LimeSDR 迷你板已經(jīng)集成在CS-LIME-10 Grove入門(mén)套件。
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Analog Devices 的ADALM PLUTO是一個(gè)獨(dú)立的 RF 學(xué)習(xí)模塊，它集成有 Analog Devices AD9363 RF 收發(fā)器 IC 和 Xilinx Zynq 7000 FPGA，通過(guò)USB 連接到主機(jī)，可在半雙工或全雙工模式下工作在 325 MHz 至 3,800 MHz 之間。PlutoSDR 的 SDR 開(kāi)發(fā)支持包括 GNUradio、MatLab/Simulink 和 Pothosware等。
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SDR的未來(lái)發(fā)展

在這篇簡(jiǎn)短的文章中，我們介紹了軟件定義無(wú)線電的主題。對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)人員、模擬設(shè)計(jì)人員和射頻工程師來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域，可以學(xué)習(xí)新開(kāi)發(fā)技能，并考慮開(kāi)發(fā)無(wú)線系統(tǒng)的新方法。
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我們提到了一些可能的應(yīng)用案例，但 SDR 令人興奮的部分是它能夠立即重新配置。因而可以考慮如何將 RF 靈活性和敏捷性添加到設(shè)計(jì)中，您可以創(chuàng)建一個(gè)能夠與 LoRa、蜂窩和 Wi-Fi 一起工作的靈活收發(fā)器，而不是受限于使用sub-GHz LPWAN LoRa等單一的RF 數(shù)據(jù)通信方法。SDR的靈活性有助于添加更多功能并減輕材料成本和相關(guān)組件采購(gòu)挑戰(zhàn)。想象一下，可以開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠適應(yīng)任何新無(wú)線協(xié)議的家庭自動(dòng)化路由器，通過(guò)無(wú)線 (OTA) 升級(jí)，可以重新配置基于 SDR 的路由器，以充分利用從 5G 遷移到 6G等新的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施。未來(lái)可能的應(yīng)用案例可能需要更改路由器的天線和模擬前端。在設(shè)計(jì)的初始時(shí)期，諸如未來(lái)可能的工作頻率和濾波要求等因素可能會(huì)影響前端設(shè)計(jì)，因此需要集成必要的功能。只有使用 SDR 才能實(shí)現(xiàn)這種高靈活性的無(wú)線通信設(shè)計(jì)，并同時(shí)保證面向未來(lái)和長(zhǎng)期的客戶安全性。
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