了解軟件無線電成為開放無線電所需 - 全文

軟件無線電 (SDR) 這個“抱怨的老兵”在充滿灰塵的休息室里對未來躍躍欲試。在這個大時代，除了戰(zhàn)場無線電、電子對抗和蜂窩小區(qū)基站外，它還在等待從其他領(lǐng)域大獲成功的機會。

而射頻 (RF) 半導體和計算加速技術(shù)的不斷發(fā)展極大的降低了 SDR 硬件成本，簡化了相應的軟件實施，以更低的價格開辟了新應用。機遇來自當前的下一個大事件 — 物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，以及發(fā)展中國家的低成本重新配置無線電，還有發(fā)燒友的開放平臺等。

發(fā)展的焦點是 SDR 體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵成本點。進行討論的一種方法是了解大部分 SDR 實現(xiàn)有哪些相同的部分，技術(shù)變革是怎樣影響它們的。

深入基帶

從最終用戶的角度看，SDR 系統(tǒng)的主要模塊是可編程基帶處理器。要理解整個概念實際上是從這一模塊開始的。在其中，計算電路完成的功能包括，把輸出數(shù)據(jù)變換成基帶頻率范圍內(nèi)的調(diào)制波形，把輸入的數(shù)字化基帶波形變換為接收數(shù)據(jù)。

SDR 概念很簡單：如果您只是處理數(shù)字數(shù)據(jù)，那么在數(shù)字信號處理器 (DSP) 等可編程處理器而不是固定硬件上完成這一工作。然后，您可以通過修改在處理器上執(zhí)行的軟件，來修改濾波器、調(diào)制方法、糾錯算法，以及數(shù)據(jù)包或者數(shù)據(jù)流協(xié)議。

這是一個很強大的概念，但確實有些樂觀了。能夠滿足復雜的算法、數(shù)據(jù)速率和基帶頻率要求的可編程引擎必須非常強大：例如，最快的 DSP 芯片，或者高端 FPGA。這實際上限制了基帶處理器的成本，無法發(fā)揮其可移植性和易于編程的優(yōu)勢。

深入 RF

基帶處理器并不是 SDR 概念中唯一的難題。信號鏈的下一環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：發(fā)送器的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及接收器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，還有相應的模擬濾波器。那么，必須要有上下轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號在基帶和 RF 之間的轉(zhuǎn)換，還要有濾波器和放大器：發(fā)送側(cè)的預驅(qū)動電路，當然還有接收側(cè)的低噪聲放大器 (LNA)。最后是采用不同工藝技術(shù)的獨立組件：功率放大器 (PA)、天線放大器，以及天線開關(guān)等。

這些 RF 模擬和混合信號組件的問題在于它們本質(zhì)上不是可編程的 — 傳統(tǒng)上是采用固定功能 RF 模擬組件實現(xiàn)的。雖然您可以通過修改軟件來改變 SDR 的基帶功能，但是改變載波頻率或者射頻帶寬意味著完全改變或者復制硬件組件。

聰明的設(shè)計人員想出了解決方法 — 可調(diào)振蕩器、可調(diào)濾波器和增益可調(diào)放大器，通過負載寄存器來調(diào)整它們，從而管理模擬通路。但是這些方法起到的作用有限 — 要滿足大范圍可調(diào)模擬組件的帶寬和線性度要求，必須付出很大的成本和功耗。因此，多頻段、連續(xù)可調(diào)SDR會需要多組RF信號通路，包括從本地振蕩器直至天線的所有通路。

在很多潛在的大批量應用中，這種限制帶來了成本、體積和功耗問題。對于認知無線電等某些特殊應用，信號會出現(xiàn)在寬帶頻譜的任意位置，無法滿足多個 RF 鏈的需求。

雖然面臨很大的基帶計算負載和多個 RF 收發(fā)器難題，但 SDR 顯然能很好的工作。它用在發(fā)達國家的高端軍事和應急響應應用中，否則就要采用填滿了各種單一功能無線電設(shè)備的機箱或者機架。它還用在商業(yè)應用中，這類應用的協(xié)議、調(diào)制和頻帶的組合是有限的，而且是事先知道的。而其他領(lǐng)域的應用機會還有待挖掘。

達到成本點

很顯然，低成本 SDR 平臺會有很大的市場潛力。重新認識到這一點，業(yè)界在成本問題上雙管齊下。一方面是尋找以高性價比實現(xiàn)可編程基帶處理器的方法。另一方面是使用統(tǒng)一的寬帶可配置 RF 收發(fā)器。

基帶問題是兩個問題中最難解決的。PicoChip 等風投公司早期的工作表明 — 該公司后來被 Mindspeed 技術(shù)公司收購，相繼被 Intel 收購，對于蜂窩小區(qū)基站，中等規(guī)模的簡單 DSP 引擎陣列能夠非常高效的支持基帶處理。

最近，另外兩種體系結(jié)構(gòu)方法展示了很好的結(jié)果，這兩種方法都是基于通用 CPU 內(nèi)核輔以計算加速器這一概念。當 SDR 要突破調(diào)制方法和協(xié)議相對有限的應用范圍時，具有通信加速器的高端微控制器展示了優(yōu)異的能力。例如，可以使用 Freescale QorIQ MCU 來實現(xiàn) LTE 基帶。

沒有以前的基帶限制要求，設(shè)計團隊可以使用相同的底層體系結(jié)構(gòu)，但是加速器功能在 FPGA 中實現(xiàn)。好消息是工藝和集成技術(shù)的發(fā)展使得這些設(shè)計能夠在價格合理的小系統(tǒng) FPGA 中實現(xiàn)，有沒有集成 CPU 內(nèi)核都可以。

Lime 微系統(tǒng)公司 CEO Ebrahim Bushehri 解釋說：“例如，如果您要支持 OFDM LTE，那么，基帶處理器需要加速功能才能實現(xiàn)快速傅里葉變換和 turbo 編碼，還有協(xié)議堆棧卸載等。取決于您要處理的功能范圍，您可以在通用 DSP 芯片、FPGA，或者在 ASIC SoC 中實現(xiàn)這些功能。利用 FPGA 替代方案，您可以靈活的試驗并研究不同的空中接口。它保證了您的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有正確的硬件接口。”

處理收發(fā)器

軟件定義基帶也有解決方案 — 足以支持系統(tǒng)規(guī)劃人員靈活的處理設(shè)計投入和功能范圍的關(guān)系。而收發(fā)器問題仍然很關(guān)鍵：如果每一個要覆蓋的頻帶都需要單獨的 RF 信號鏈，那就無法實現(xiàn)低成本。

理想情況下，天線和基帶接口之間兩個方向的整條信號通路帶寬非常大，在整個范圍內(nèi)也是線性的，那么，設(shè)計人員只需要設(shè)置本地振蕩器驅(qū)動合成器，調(diào)節(jié)幾個 RF 濾波器參數(shù)，獲得所需的選擇功能，就可以選擇要覆蓋的任意窗口。這雖然還沒有實現(xiàn)，但是也不遠了。

Bushehri 仿真了必須要考慮的關(guān)鍵信號通路組件 (圖2)。在發(fā)送側(cè)，有基帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、增益可調(diào)放大器 (VGA)、可調(diào)低通濾波器、輔助鎖相環(huán) (PLL)和本地振蕩器合成寬帶功能，以及第二個 VGA、PA、天線開關(guān)等。對于大部分調(diào)制方法，合成器的所有組成都必須是同樣復制的：一條通路用于同相 (I)，一條通路用于正交 (Q)信號。在接收通路上，天線開關(guān)后面是 RF 濾波器、LNA、合成器組件，然后是包括了 VGA 的 I 和 Q 通路、低通濾波器，以及 ADC。

在用途不變的設(shè)計中，會圍繞設(shè)計目的來優(yōu)化這些通路的每一單元。您同樣也可以對 SDR 進行優(yōu)化，旨在使其能夠應用在密切相關(guān)的頻率和調(diào)制方案中。但是一個開放 SDR 設(shè)計要適應任何應用環(huán)境，對 RF 硬件提出了很高的要求。

Bushehri 說，好在 CMOS RF 工藝不斷進步，數(shù)字輔助模擬和 RF 設(shè)計越來越成熟，逐漸能夠滿足這些要求。他指出，例如最近發(fā)布的 Lime 器件 —；LMS7002M 現(xiàn)場可編程RF收發(fā)器 IC。該器件是 65 nm RF CMOS 芯片，為 2 x 2 多輸入多輸出 (MIMO)軟件定義收發(fā)器提供大部分 50 MHz 至 3.8 GHz 信號通路 (圖1)。

圖1. 新的現(xiàn)場可配置RF/基帶收發(fā)器IC支持對載波頻率、帶寬和濾波器特征參數(shù)進行在電路設(shè)置。

對每一個模塊的需求是明確的。PLL、合成器、RF VGA 和 LNA 必須在整個 3.75 GHz 頻帶內(nèi)保持平坦和低噪聲，必須有足夠的線性度來支持包括多載波工作在內(nèi)的使用模型。Bushehri 認為，“電路設(shè)計非常難”。一方面，即使采用先進的工藝技術(shù)，有很好的設(shè)計技巧，也無法實現(xiàn)一個寬帶組件。芯片使用多個壓控振蕩器來覆蓋頻率范圍，而發(fā)送和接收分別只有一個 PLL 。

工作在基帶頻率的收發(fā)器設(shè)計部分也同樣非常重要。為支持 Lime 能夠達到的應用范圍，片內(nèi)基帶模塊 — 轉(zhuǎn)換器、VGA 和可編程濾波器，必須支持從 100 kHz 至 108 MHz 的帶寬范圍。這對于可編程低通濾波器和 12 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器并非可有可無，特別是您增加了低功耗需求的情況。

一些其他應用場景也擴展了芯片范圍。可以旁路大部分功能模塊，因此，設(shè)計人員如果需要可以替換更專用的外部組件。Lime 還在基帶通路的數(shù)字端集成了乘法累加器模塊，從基帶數(shù)字硬件中卸載高性能數(shù)字濾波器。芯片包括集成 8051 MCU 內(nèi)核，在控制軟件和內(nèi)部寄存器之間實現(xiàn)抽象功能。

外部組件

寬帶可編程收發(fā)器解決了很多設(shè)計難題。但是還有 RF 天線濾波器、開關(guān)和 PA 等未解決的問題。對于這些，最明顯的問題是 PA。但是 Bushehri 說，有商用寬帶 PA 符合收發(fā)器的帶寬要求，或者對于更特殊的應用，芯片提供了多路驅(qū)動輸出，因此，用戶可以把多個 PA 調(diào)整連接到不同的頻帶。

還有能夠達到 3.8 GHz 的天線開關(guān)，其插入損耗和隔離度指標都符合要求。這樣，用戶面臨的主要難題是通過可調(diào)RF濾波器獲得所需的接收器選擇功能。

可編程基帶處理器和 DSP 加速功能，可編程 RF 信號通路，仔細的選擇外部組件，這些因素組合起來能夠以合理的成本，在較小的電路板上實現(xiàn)非常靈活的 SDR。這為系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了很多他們感興趣的機會。

至少，技術(shù)進步使得生產(chǎn)商能夠通過一個硬件設(shè)計，提供幾種型號產(chǎn)品服務于很多無線市場 — 在各類 IoT 中。他們更感興趣的是，系統(tǒng)開發(fā)人員可以開發(fā)一個機箱 — 微微小區(qū)或者空白收發(fā)器，迅速對其初始化，適應各種已知的現(xiàn)場環(huán)境。

另一方面，技術(shù)不斷進步，認知無線電完成所有功能 — 能夠掃描、解釋并響應寬譜信號，發(fā)展中國家的應急響應系統(tǒng)和服務提供商也用得起認知無線電，這些國家可能完全沒有基礎(chǔ)設(shè)施，資源非常昂貴，但是要求遠程位置服務。這類功能可能會從根本上改變發(fā)展中國家的游戲規(guī)則。

而且，較低的價格點也將為認知無線電打開廣闊的發(fā)燒友市場。這不但使設(shè)計人員更熟悉概念，還會促進從業(yè)余無線電直至嵌入式計算和機器人等開放系統(tǒng)的創(chuàng)新，改進已有的技術(shù)。認知無線電開放社區(qū)雖然才剛剛興起，但是潛力巨大。