軟件無線電能成為開放無線電嗎?

手機與無線通信 時間:2018-08-31來源:網絡

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,除了戰場無線電、電子對抗和蜂窩小區基站外,它還在等待從其他領域大獲成功的機會。

而射頻 (RF) 半導體和計算加速技術的不斷發展極大的降低了 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 — 物聯網 (IoT),以及發展中國家的低成本重新配置無線電,還有發燒友的開放平臺等。

發展的焦點是 SDR 體系結構的關鍵成本點。進行討論的一種方法是了解大部分 SDR 實現有哪些相同的部分,技術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,把輸出數據變換成基帶頻率范圍內的調制波形,把輸入的數字化基帶波形變換為接收數據。

SDR 概念很簡單:如果您只是處理數字數據,那么在數字信號處理器 (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行的軟件,來修改濾波器、調制方法、糾錯算法,以及數據包或者數據流協議。

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、數據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,無法發揮其可移植性和易于編程的優勢。

深入 RF

基帶處理器并不是 SDR 概念中唯一的難題。信號鏈的下一環節是數據轉換:發送器的數模轉換,以及接收器的模數轉換,還有相應的模擬濾波器。那么,必須要有上下轉換器實現信號在基帶和 RF 之間的轉換,還要有濾波器和放大器:發送側的預驅動電路,當然還有接收側的低噪聲放大器 (LNA)。最后是采用不同工藝技術的獨立組件:功率放大器 (PA)、天線放大器,以及天線開關等。

這些 RF 模擬和混合信號組件的問題在于它們本質上不是可編程的 — 傳統上是采用固定功能 RF 模擬組件實現的。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。

聰明的設計人員想出了解決方法 — 可調振蕩器、可調濾波器和增益可調放大器,通過負載寄存器來調整它們,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、連續可調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 收發器難題,但 SDR 顯然能很好的工作。它用在發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備的機箱或者機架。它還用在商業應用中,這類應用的協議、調制和頻帶的組合是有限的,而且是事先知道的。而其他領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,業界在成本問題上雙管齊下。一方面是尋找以高性價比實現可編程基帶處理器的方法。另一方面是使用統一的寬帶可配置 RF 收發器。

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 技術公司收購,相繼被 Intel 收購,對于蜂窩小區基站,中等規模的簡單 DSP 引擎陣列能夠非常高效的支持基帶處理。

最近,另外兩種體系結構方法展示了很好的結果,這兩種方法都是基于通用 CPU 內核輔以計算加速器這一概念。當 SDR 要突破調制方法和協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異的能力。例如,可以使用 Freescale QorIQ MCU 來實現 LTE 基帶。

沒有以前的基帶限制要求,設計團隊可以使用相同的底層體系結構,但是加速器功能在 FPGA 中實現。好消息是工藝和集成技術的發展使得這些設計能夠在價格合理的小系統 FPGA 中實現,有沒有集成 CPU 內核都可以。

Lime 微系統公司 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快速傅里葉變換和 turbo 編碼,還有協議堆棧卸載等。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。它保證了您的數據轉換器有正確的硬件接口。”

處理收發器

軟件定義基帶也有解決方案 — 足以支持系統規劃人員靈活的處理設計投入和功能范圍的關系。而收發器問題仍然很關鍵: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,在整個范圍內也是線性的,那么,設計人員只需要設置本地振蕩器驅動合成器,調節幾個 RF 濾波器參數,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,但是也不遠了。

Bushehri 仿真了必須要考慮的關鍵信號通路組件 (圖2)。在發送側,有基帶數模轉換器 (DAC)、增益可調放大器 (VGA)、可調低通濾波器、輔助鎖相環 (PLL)和本地振蕩器合成寬帶功能,以及第二個 VGA、PA、天線開關等。對于大部分調制方法,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。

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

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

圖1. 新的現場可配置RF/基帶收發器IC支持對載波頻率、帶寬和濾波器特征參數進行在電路設置。

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的使用模型。Bushehri 認為,“電路設計非常難”。一方面,即使采用先進的工藝技術,有很好的設計技巧,也無法實現一個寬帶組件。芯片使用多個壓控振蕩器來覆蓋頻率范圍,而發送和接收分別只有一個 PLL 。

工作在基帶頻率的收發器設計部分也同樣非常重要。為支持 Lime 能夠達到的應用范圍,片內基帶模塊 — 轉換器、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 位數據轉換器并非可有可無,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??梢耘月反蟛糠止δ苣K,因此,設計人員如果需要可以替換更專用的外部組件。Lime 還在基帶通路的數字端集成了乘法累加器模塊,從基帶數字硬件中卸載高性能數字濾波器。芯片包括集成 8051 MCU 內核,在控制軟件和內部寄存器之間實現抽象功能。

外部組件

寬帶可編程收發器解決了很多設計難題。但是還有 RF 天線濾波器、開關和 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 符合收發器的帶寬要求,或者對于更特殊的應用,芯片提供了多路驅動輸出,因此,用戶可以把多個 PA 調整連接到不同的頻帶。

還有能夠達到 3.8 GHz 的天線開關,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非常靈活的 SDR。這為系統開發人員帶來了很多他們感興趣的機會。

至少,技術進步使得生產商能夠通過一個硬件設計,提供幾種型號產品服務于很多無線市場 — 在各類 IoT 中。他們更感興趣的是,系統開發人員可以開發一個機箱 — 微微小區或者空白收發器,迅速對其初始化,適應各種已知的現場環境。

另一方面,技術不斷進步,認知無線電完成所有功能 — 能夠掃描、解釋并響應寬譜信號,發展中國家的應急響應系統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設施,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展中國家的游戲規則。

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

關鍵詞: 軟件無線電 SDR

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