軟件定義無線電在軍事方面的應(yīng)用

無論是對于戰(zhàn)場上的士兵，還是命令控制中心的決策者，安全實(shí)時準(zhǔn)確的信息對于任何軍事行動、促進(jìn)策略和戰(zhàn)術(shù)決策都是至關(guān)重要的。

先進(jìn)的無線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)由許多復(fù)雜的射頻(RF)和信號處理技術(shù)交織而成，所有這些技術(shù)密切協(xié)作，形成可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，用戶只需輕觸按鈕就能傳輸信息。

在軍用通信歷史中，涌現(xiàn)了大量不同且不兼容的無線電，在這些領(lǐng)域，工作小組可能需要不同的裝置，以用于機(jī)載鏈路、衛(wèi)星通信、中繼基站、緊急發(fā)射器以及特定應(yīng)用目的(如無人機(jī)操作)。其中每一個無線電鏈路都起著生死攸關(guān)的作用，漏掉其中一個會使工作小組處于不利境地。然而，無線電在尺寸、重量和備用電池等方面都需要考慮成本。隨著各種新要求和新鏈路的加入，問題變得更加復(fù)雜。

需要一款通用型全雙工無線電模塊，可以用于所有平臺，并能在現(xiàn)場進(jìn)行動態(tài)重配置。這將減少負(fù)擔(dān)，帶來靈活性和通用性，提高效率，用一組電池可以工作更長時間，從而形成巨大的尺寸、重量和功耗(SWaP)優(yōu)勢。

然而，把這種通用無線電概念變成現(xiàn)實(shí)卻比預(yù)期要困難得多，而且提供合適的模擬前端(AFE) 也非常困難。直到最近，面向這類多功能無線電的實(shí)用模擬前端還需要一個重疊并行通道陣列，每個通道旨在覆蓋射頻頻譜的一個特定頻段，其帶寬與目標(biāo)信號格式相匹配。這種方法在最終印刷電路板占用空間、重量、功耗方面的代價非常高。

軟件定義解決方案

軟件定義無線電(SDR)可以適應(yīng)各種物理層格式和協(xié)議，并可通過處理器上運(yùn)行的軟件加密數(shù)據(jù)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，對于軍事要求堪稱完美。用戶可以動態(tài)控制頻率、調(diào)制、帶寬、加密功能和波形要求。

SDR還可以將新波形和功能靈活整合到系統(tǒng)中，無需升級或替換硬件組件。士兵可以使用這些SDR進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問并與命令中心進(jìn)行通信，另外還可使用這些SDR創(chuàng)建廣域傳感器/網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)位置檢測和戰(zhàn)斗士兵之間的通信。

SDR中最重要的組件是收發(fā)器，它需要具有可通過軟件快速調(diào)整的極寬RF范圍。另外還需要支持頻分復(fù)用(FDD)和時分復(fù)用(TDD)，同時需具有高水平范圍和可靠性，即使在噪聲條件下亦是如此。與此同時，此設(shè)備應(yīng)該可以在較低功率下運(yùn)行，使士兵電池組消耗最小。

一種高度集成的混合信號RF IC使寬帶SDR設(shè)計更小、更輕、耗電更少。但是真正的挑戰(zhàn)是SDR中AFE的超高帶寬特性;將需要很多頻譜特定前端，每個前端對于設(shè)計和評估都是一種挑戰(zhàn)。此外，最終產(chǎn)品將不符合SwaP方面的要求。

組件要求

具有支持雙獨(dú)立收發(fā)器通道的新一代寬帶可編程前端收發(fā)器，包括ADI公司的AD9361 RF捷變收發(fā)器。這些器件可應(yīng)對SDR的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)處理器可以動態(tài)重新配置關(guān)鍵參數(shù)(如帶寬和RF頻率)，以適應(yīng)應(yīng)用需求，從而帶來最佳結(jié)果。此外，它可以處理快速增長的多輸入、多輸出(MIMO)頻段以及不需要MIMO的那些應(yīng)用。

這款10 x 10mm的芯片級器件具有200kHz至56MHz的用戶可調(diào)帶寬范圍，以及構(gòu)建70MHz到6GHz信號鏈所需的其他特性和性能。利用這款2 × 2直接變頻組件，可以將整個模擬前端簡化成一個相對簡單的電路。它通過一個LVDS或CMOS端口與主機(jī)處理器連接，以提升速度、簡化操作。該設(shè)備集成了12位ADC和DAC、小數(shù)N分頻頻率合成器、數(shù)字和模擬濾波器、自動增益控制(AGC)、發(fā)射功率監(jiān)控、正交校正和其他關(guān)鍵功能。

接收器噪聲系數(shù)也小于2.5dB，發(fā)送器的誤差矢量幅值(EVM)優(yōu)于-40Db，且發(fā)送器噪底低于-157dBm/Hz。對于發(fā)射和接收路徑，本振步長為2.5Hz，可實(shí)現(xiàn)精密調(diào)諧。即使所有功能均集成到器件中，一般功耗僅1W左右。

系統(tǒng)設(shè)計

像靈活的寬帶軟件定義無線電一樣的復(fù)雜設(shè)計涉及大量的電路設(shè)計工作，以及算法開發(fā)工作和一些權(quán)衡，因此，AD9361有一種配套的參考設(shè)計，專門針對Xilinx FPGA應(yīng)用而優(yōu)化。

該板可通過軟件完全自定義，同時無需改變?nèi)魏斡布?，提供針對各種MIMO配置的額外選項(xiàng)。ADI公司還與MathWorks公司合作，將AD9361和AD9361濾波器設(shè)計向?qū)д系狡湓O(shè)計和仿真工具中。Mathworks公司還將該設(shè)備列入其SimRF庫中，允許在無線系統(tǒng)設(shè)計中仿真其性能。

由于這款靈活的小型高性能IC取代了大量分立式電路，所以表面看起來，對此類分立式設(shè)計的需求已經(jīng)不復(fù)存在。但事實(shí)不一定是這樣的，因?yàn)獒槍浖x無線電頻率范圍的特定頻段、格式和帶寬的收發(fā)器信號鏈設(shè)計，如果設(shè)計精良、經(jīng)仔細(xì)調(diào)試而且布局合理，其在該特定應(yīng)用中的性能有可能超過AD9631 IC，雖然其體積較大。

無論系統(tǒng)工程師是愿意用ADI FMC平臺，還是使用已上市的軟件定義無線電平臺，來開展軟件定義無線電的設(shè)計和開發(fā)工作，使用AD9361而取得的整體產(chǎn)品封裝和性能都將帶來巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。

這款I(lǐng)C已經(jīng)發(fā)布并被設(shè)計到兩款現(xiàn)有開放市場SDR產(chǎn)品中：即Ettus Research的通用軟件無線電外設(shè)(USRP)和Epiq Solutions的Maveriq多通道可重配置射頻收發(fā)器。