SDR提高了RF通信的靈活性

模擬技術   作者:貿澤電子Simon Holt 時間:2019-03-20來源:電子產品世界

  摘要

  軟件定義無線電(SDR)代表了一種對傳統射頻(RF)設計技術的突破。原有的傳統系統只能提供固定的功能,而且包含的功能也非常有限。通過靈活的RF前端和高性能數字硬件,開發人員可以利用新技術從無線頻譜中獲取更多容量,并構建高度差異化的系統。工程師可以用SDR構建抗干擾能力更強的無線電系統,應用更高級的信道編碼方案來提高數據速率,并可利用其他先進的RF技術。還能夠訪問包括開源程序庫在內的硬件和軟件生態系統,這意味著比以往任何時候都更容易獲得SDR設計經驗。

  自從20多年前推出2G蜂窩網絡以來,RF設計已經有了巨大的進步。與早期網絡相比,靈活性目前是系統設計的關鍵要求,因為運營商和用戶都希望更充分地利用可用的RF頻譜資源。

  當第一個數字蜂窩網絡推出時,終端、基站和其他射頻設備的制造商只需支持每個地區有限的頻段選擇。而在3G出現后,終端制造商不得不考慮更大范圍的頻段,以便他們可以銷售可在全球大多數地區使用的設備。4G和長期演進(LTE)協議的到來使可能的頻段數量增加到40個以上,即將到來的5G網絡將進一步提高復雜程度,但同時帶來更廣泛的選擇,這不僅僅針對運營商許可頻譜,也包括未經許可頻譜。

  即使在單個移動頻段內,也有許多協議可用于傳輸數據,Wi-Fi就是一個很好的例子。例如,它需要與越來越擁擠的2.4GHz頻段中的藍牙和許多其他協議共存。這些協議不僅在采用的二進制數據包格式方面完全相同,而且在如何將數據轉換為模擬信號,再經放大并隨后傳輸也差異不大。這其中的每個決定都會影響發射和接收子系統的設計,直到注入到傳輸信號流中的數據最終被解碼和恢復。

  RF通信的關鍵方面是將數據信號調制到載波上。載波信號通常以比數據更新速率高得多的頻率振蕩,這可使RF信號的帶寬約束在特定頻率范圍內。數據信號占據邊帶:其頻率可以位于核心載波頻率之上或之下,當數據信號被調制到載波上時,這些邊帶會包括數據信號的傅里葉分量。

  具體的調制方式可以使用各種可選方案中的一種,其中最簡單的是幅度調制,這種調制已經用于最早的廣播無線電。這種方法通過改變載波的強度,可以擴展信號占用的頻率范圍。頻率調制則直接變更載波的頻率,相位調制以一種特定的方式改變載波的幅度,從而改變信號的有效相位。正交幅度調制使用兩個載波信號,相位角為90°,盡管兩個信號在同一通道上一起傳輸,但因為這兩個載波彼此正交,因此可以通過相干解調作為兩個獨立信號提取。

  原則上,可以直接利用數模轉換器(DAC)創建調制信號,然后在接收鏈中使用模數(ADC)來恢復載波信息。此后,可以采用軟件算法來分析信號,以便恢復原始數據信號。只是在最近,這種用軟件進行生成和分析的數字RF處理技術才成為各種無線電系統的可行方法。

  傳統上,由于大多數信號要求能夠處理從數百MHz到GHz頻域的輸入,所以RF處理需要使用固定功能電路??紤]到ADC和DAC無法在如此高的頻率下工作,因此直接轉換是不可能的。

  可以使用外差(heterodyning)等技術來為數字轉換器提供更易操作的頻率。外差轉換可以追溯到20世紀初,它是依賴兩個高頻信號的組合,來產生兩個處在不同頻率的信號。通常,一個輸出是兩個頻率之和,另一個是兩者之差。在下變頻情況下,調諧本地振蕩器可以從差值信號產生中頻,而頻率的總和值則被過濾掉。

  盡管外差技術易于理解并且易于在模擬域中實現,但是它需要精確匹配的組件,而且這些組件需要被調諧到相對有限的輸入頻率范圍,還需要針對特定頻率范圍選擇合適的濾波器。雖然諸如表面聲波(SAW)濾波器之類的器件可以提供強大的噪聲抑制特性,有助于降低來自相鄰頻率信號的干擾,但是這些器件需要針對特定應用進行認真篩選,而提供的調諧能力非常有限。通常,濾波器將根據接收器的需要進行切換。為了處理更大范圍的頻率和信號類型,基于外差架構的傳統收發器設計需要大量的分立元件和濾波器,這增加了PCB面積和總體成本。

  近年來,已經出現了許多能夠增加RF收發器靈活性的設計技術,并且可以進行直接采樣,幾乎所有需要的處理都在數字域內執行 。這為工程師提供了真正的軟件定義無線電功能??删幊蘎F技術是一種構建高靈活性通信系統的方法,可以應對多種頻率和協議,并可具備更高的傳輸效率。

  數字域處理可以改善傳輸信號的整體質量。例如,發送到DAC(該DAC能夠生成用于本地振蕩器混頻的信號)的數據可以經過處理以防止不需要的DC分量泄漏到輸出。更高級的應用包括復雜協議的生成和處理,例如可以使用擴頻技術來提高安全性,或利用現有頻譜來使其帶寬最大化。

  雖然SDR仍處于早期階段,但這種技術能夠為開發認知無線電系統提供許多機會。認知無線電系統可以感知周圍的RF使用環境,并可調整其運行以避免干擾,并最大化可用帶寬。相應的協議可以動態調整通道頻率、帶寬和信令技術,以避免潛在的干擾。正在開始開發的其他與4G和5G相關的機會包括波束成形和多輸入多輸出(MIMO)天線陣列等技術,其中的 MIMO可使利用空間分集成為可能,這種技術能夠提高輸入信號的整體質量,可以解碼來自有干擾問題的低功率信號源的數據。在傳輸期間,還可以使用MIMO改變通過每個天線發射的信號,目的是提高接收器成功解碼的機會。通過使用更大的天線陣列,MIMO可以使用波束成形 動態地將信號轉向預期的接收器。除了改善接收性能外,波束成形還減少了與其他用戶可能的干擾,提高了傳輸安全性。

  隨著大部分功能轉移到軟件,開發人員可以利用不斷擴大的開源工具和程序庫生態系統來豐富SDR開發的經驗,并可針對常用的RF功能避免重復性的工作。像GNU Radio這樣的計劃能夠提供現成的模塊,可以很容易地使設計調整到滿足目標應用的需求。 GNU Radio平臺具有濾波器、通道代碼、同步單元、均衡器(equalisers)、解調器、聲碼器(vocoders)、解碼器和許多其他類型的功能模塊,它還定義了功能模塊之間連接和管理彼此之間數據流動的方法。

  在硬件方面,有效的SDR設計需要兩組主要元器件。一組要在數字域中提供管理RF信號所需的處理能力。業界已經開發出高度并行化的微處理器和現場可編程門陣列(FPGA)器件,它們具有處理在多個MHz域中信號所需的數據吞吐量。 Xilinx已將ADC和DAC集成到其MPSoC UltraScale FPGA中,以便能夠更輕松地實現SDR解決方案。更高的集成度不僅降低了PCB復雜性,也降低了功耗。傳統設計使用帶有JESD204串行鏈路的ADC和DAC將數字信號傳送到FPGA和多核處理器。 UltraScale等器件中的數字FPGA內核現在包括有針對RF處理而優化的DSP模塊,例如數字混頻和濾波。通常,該架構包括多個DSP模塊,以執行許多濾波和信號處理任務中所常見的乘法累加運算。

  FPGA陣列可以靈活地將樣本信號分割以便由多個DSP模塊進行處理,并能夠高速地將結果交織(interleave)成為輸出信號??删幊踢壿嬤€可以針對特殊應用實現高度定制化的處理。與可編程邏輯處在同一芯片上的Arm處理器能夠處理更高級別的協議,類似這種架構可支持各種數字格式,能夠處理大規模MIMO等高級應用。這些系統對相位噪聲比較敏感,但由于采用了更高精度的浮點運算,因而有助于克服由此噪聲引起的問題。

  對于前端處理,制造商已經在利用高集成度的先進CMOS處理器功能,可以更輕松地將完整的RF信號下變頻到適合于高速運行的ADC,當然與RF源的頻率不同。這些器件包含前端電路,可以調節模擬域中的本地振蕩器和外差過程,以滿足不同RF信號及其中包含的通道需要。 ADI公司的AD9363就是一個例子,它可以處理325MHz~3.8GHz范圍內的RF信號,覆蓋大多數許可和未許可頻段,工作頻道帶寬從不到200kHz到高達20MHz。每個接收子系統包括獨立的自動增益控制、DC偏移校正、正交校正和數字濾波等功能,從而避免了在數字域中執行這些功能。每個通道有兩個ADC將接收到的I和Q信號數字化,之后數字信號通過可配置的抽取濾波器(decimation filters)和128抽頭有限脈沖響應(FIR)濾波器,產生出12位輸出信號并饋入數字處理。

  針對SDR應用的開發板和套件選擇越來越多,這些可為用戶提供獲得各種技術和經驗的簡便方法,它們可支持處理器、FPGA和主機的不同組合,通過前端器件(如AD9363)提供RF訪問。這其中一個例子是ADALM-PLUTO SDR主動學習模塊(Active Learning Module),它能夠為用戶提供AD9363、軟件處理和可編程邏輯的組合,可用于SDR應用的開發、測試和實施。該模塊具有獨立的發射和接收信號,能夠以全雙工模式運行。它可以采集和生成325MHz~3.8GHz的RF模擬信號,以高達61.44MSPS的速率將數字信號傳入和傳出中頻信道。通過提供對于OS X、Windows和Linux的驅動支持,用戶可以使該模塊在各種計算平臺上運行。

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  圖1:ADI公司的ADALM-PLUTO SDR主動學習模塊。

  Crowd Supply Lime SDR迷你板是基于Intel MAX 10 FPGA和Lime Microsystems LMS7002M RF可編程收發器組合的硬件平臺。Lime SDR迷你板盡管體積很小,但已經被證明是完整LTE 4G基站設計的一部分,能夠在兩部手機之間傳輸直播視頻流。

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  圖2:Crowd Supply Lime SDR迷你板。

  就開源硬件生態系統而言,也已經發布了許多相應的SDR開發套件,其中包括Beaglebone。KiwiSDR能夠為Beaglebone處理器提供10kHz~30MHz范圍的RF接口。為便于使用個人計算機進行快速原型設計,HackRF One具有一個USB 2.0端口,并可在1MHz~6GHz之間任何頻率提供高達10MHz的RF通道。

  針對SDR部署的開發板和套件在不斷增加,由此證明這些用于RF通信的技術正在成為主流?,F在,更多的開發人員可以利用SDR,能夠在法律允許時針對為未經許可的頻段,或者針對授權頻段進行定制通信系統的開發。

關鍵詞: SDR RF

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