软件无线电已“调准频道”

软件无线电已“调准频道”
Software-defined radio tunes in
David Marsh, Contributing Technical Editor
SDR（software-defined radio软件无线电）尽管直到前不久还是一项代价昂贵的R&D 工作，却最终还是破壳而出。过去的几个月中，各公司发布了大量的产品：各种专用的集成电路纷纷推出，第一种软件驱动的无线电得到FCC（美国联邦通信委员会）的批准。美国的军方对此怀有浓厚的兴趣，已经专门拨出多达250亿美元的预算，以JTRS（联合战术无线电系统）计划来推进SDR的开发。它的目标是支持在2MHz到55GHz之间的大约33种波形特征（其中的一种还在一个平台上包括了某些蜂窝电话标准）。美国国防部，正在与加拿大、日本、瑞典和英国的各机构一道合作，以促进这项研发。在更为广阔的商业世界中，该技术也同样意味着通过一个普适的、可编程的硬件平台的采用来保证运营商成本的降低和服务提供方面灵活性的提升。那么，在这个巨大标题的背后隐藏的真实故事是什么？在一个传统上采用模拟硬件来解决问题的技术中使用软件解决方案，设计者多久就可以从中获益？
首先，是什么使得SDR迥异于如今承载了大多数移动电话业务的常规通信技术（如CDMA和GSM）？CDMA和GSM系统广泛利用可编程的硬件来实现从基站链路一直到基带处理的各项任务。FCC对SDR的定义简单明了，能让人放松警惕：“在软件无线电中，以前由硬件单独完成的功能，如发射信号的产生以及接收信号的调谐和检波，现在由控制高速信号处理器的软件来实现。”
类似的，SDR论坛把一个SDR装置定义为其功能独立于载波频率、能在一系列传输协议环境中工作的装置。从体系架构的角度而言，这些定义是指可以完全在数字域上实现RF与基带间上、下变频的收发机，这一技术可以减少与发射信道功率放大器、接收通道低噪声放大器的RF接口，而且最大限度减少了模拟滤波器。
图1  理想的软件无线电可以实现载波级速度的数据变换，而且完全在数字域中对信号进行操作
硬件通用性的本质对军事和商业运营商都具有吸引力，因为它可以让运营商避免被绑定到任何一家系统供应商上。关键之处就在于，采用SDR，则通过新软件的载入就可以简单地实现网络的升级。考虑到将一个2G网络升级为3G网络的开销估计为10亿美元，这一发展方向将在设备采购方面实现巨大的节约，而且缩短以往的经济模式所要求的、为期10年的平均网络寿命。此外，基站将能支持各种协议，从而实现以往无法兼容的各种网络间的跨接。这样的跨接将让网络和通信间的界线变得模糊，例如W－CDMA手机可以接入一个本地的WiMax基础架构，以获得宽带数据接入服务。
如今，由于在硬件和软件方面的巨大障碍，上述的远大前景离实现还有一定距离。同时，业界的知情人士承认，SDR将随DSP和转换器IC、电源管理和网络架构设计方面的技术发展而发展。从软件的角度来看，开发者希望采用一种共通的框架，这种框架将实现并提升可移植性。
SDR论坛预计，商业化的3G通信将在2008年以前成熟，而在2010左右开始进入4G服务。它认为SDR的机会与2.5G服务相伴，如在北美投入运营的EDGE（GSM演进中增强的数据）分组交换服务。终端的进化将更为缓慢，这主要是由于功耗方面的要求，另外也是由于今天的手机的制造成本很低。大多数的观察家承认，SDR手机要到2010年才有可能出现。到那时，大规模生产的芯片组日益普及将刺激蜂窝式电话领域之外的增长。
同时，第一种消费级的SDR终端将开始出现在功耗挑战较小的移动应用（如膝上机和PDA），以及车辆中。Philips Semiconductor最近发布了SAF7730，这是一种单芯片的双IF无线电和音响DSP，可以让设计者经济地实现多种功能，如自适应超重低音提升等，以利用单个平台来进一步体现产品的鲜明特色。

模拟技术在RFE中仍占统治地位
在载波频率上对传输的信号进行数字处理，仍将面对许多由对数据转换器的要求而引起的困难。GSM和CDMA等协议所采用的频率可以超过2GHz，这就需要转换器能在5GHz或更高的速度下工作。更糟糕的是，转换器需要13bit以上的分辨率，以让动态范围高到足以使随后的处理能可靠地提取信号内容。微波工艺，如SiGe和GaAs是潜在的候选，但它们既不便宜，又不能保证能量效率。对接收机链路的处理的要求也会极为严格，这严重依赖于调制的模式和信道带宽。在3G服务中，协议在多个会话中共享的信道宽度高达5MHz。这种从窄带到宽度的转移需要DSP技术能实现信号内容的提取，但必须通过将滤波器、信道选择和基带处理转移到数字域中来减少对模拟滤波器的需求。
能达到载波速度的数据转换器目前很少，这迫使设计者考虑用模拟RFE（RF前端）来实现信号的上变频和下变频，并让IF降低到转换器能处理的水平。虽然接收机一侧极富挑战性，但发射机一侧也不是没有自身的问题，例如，线性度的保持与通过开关模式工作实现发射机效率最大化之间就存在矛盾。
一般来说，超宽带的通信对线性度的高要求使得C类放大器若不进行改进就没有用武之地。GSM简单的信号使得功率放大器的效率可达到约40％，但一个3G放大器的线性度要求会将效率降低到3％。目前可以提高非线性放大器中的线性度的技术包括预失真方法等。这种补偿需要采用数字技术来将放大器校准到足够精度，可以将效率提高20％或更高。
设计者一般认为接收的难度要远远超出发射，后者无需从被噪声海洋淹没的信号中获取迅速变化的信息。对通用型的宽带RFE的要求极为严格。虽然可以通过窄带模拟无线电来保证足够好的选择性，但为了保证宽频带上的捷变能力，就需要采用多个接收机通道。当前的机载无线电系统需要多达100个通道，因此，人们希望尽可能地共享资源。对目前能很好地为单个和有限的多波段应用的模拟RFE进行考察，就会看出阻碍SDR有效运用和性能发挥的诸多因素。
因为真正的SDR接收机需要很大的带宽来满足CDMA等协议的需要或者仅仅是简单地搜索出有用的信号，所以传统的窄带－超外差式架构（会出现镜像干扰，需要高性能滤波器予以滤除）就不适用。未来的可扩展其应用的选择包括可在很宽频率范围内编程的滤波器（可能是那些MEMS器件，它们目前尚处在研究阶段）。
当前SDR前端中正在得到应用的一种方法是采用直接变换接收机架构的各种改型。在该架构中，I/Q（同相/正交）混频器先将RF变换为复基带信号（中心频率为0Hz），然后，模数转换器前的一个低通滤波器对信号进行进一步调理。
解调器/DSP可以通过对I/Q相位关系的观察来对接收信号瞬时频率方面的模糊性进行解析：如果Q信号超前于I，则频率为正，否则为负。
I/Q信号间的不平衡会带来围绕有用信号的边带噪声。另外，射频接收机还受到来自外部和机内元器件及各引线耦合的噪声的干扰。在SDR实现中，这些问题也会或多或少地存在。一种传统的解决方案是在数字混频器中的ADC和I/Q变换前级联一个超外差的RF－IF转换器。
要选择IF值，就必须在模拟的下变频器性能中考虑ADC的速度和精度。Analog Devices、Linear Technology，Maxim和Texas Instruments等可以提供适用的14bit的ADC。目前对IF信号的采样速率约为60_70MS/s，而真正的目标是170MS/s，这样就可以为滤波和频率规划带来好处，满足阻塞信号方面的规范，并极大缓解第一级RF下变频级的压力。
图2  很多常规的软件无线电将超外差前端与数字IF和基带处理组合起来
对于载波水平上的数字处理，不妨关注一下TechnoConcepts，该设计公司专门研发SDR产品。其TSR（真软件无线电）技术采用了5GHz的_－_数字化电路。该公司将很快向主要的OEM提供10或11bit的基于GaAs MESFET器件的电路，该公司还在研发12bit的采用SiGe前端的CMOS版本。直接实现载波级的信号处理可以避免超外差架构带来的大量的失真。

FPGA将加速DSP
完成数字化后，以两个数字乘法器构成的混频器将执行信号－I/Q变换，其精度本质上与本机振荡器的频率无关。本机振荡器是一种数字化的合成器，它使用正弦/余弦查阅表和相位累加器来产生相互间存在精确的90