軟件定義的無線電的架構特點與應用

隨著世界逐漸走向無處不在的無線連接，甚至固定功能設備，如手機采用幾個不同的頻段和協(xié)議共存于一個小空間，無線設計師的工作也變得不那么容易了?，F(xiàn)代智能手機和平板電腦可以同時收發(fā)3G/4G，（很快將是5G）語音和數(shù)據(jù)，藍牙，Wi-Fi和可能的GPS數(shù)據(jù)。支持“可穿戴”計算機和外圍設備的新興個人區(qū)域網(wǎng)絡將為已經(jīng)重大通信的設計增加更多的RF責任。即使在相同的頻段內(nèi)，不同的，有時是非互操作的協(xié)議和服務也在爭取認可，接受，時間段和市場份額。例如，考慮2.4 GHz ISM頻段。我們有藍牙，Wi-Fi，ZigBee，無繩電話，遙測和其他幾種服務都存在于這個領域。

它并不止于此。需要連接到不斷變化的無線世界的設計人員必須了解芯片組開發(fā)，協(xié)議棧，知識產(chǎn)權以及眾多開發(fā)環(huán)境，認證，工具和測試設備。

如果有其他方法怎么辦？如果一個RF部分可以完成所有工作怎么辦？

本文將介紹新興的軟件定義無線電（SDR）架構及其支持部分。 SDR擁有單一，超靈活的RF處理系統(tǒng)的承諾，可以對其進行編程，以同時運行多個頻率和多個協(xié)議。此外，軟件定義無線電的完全可編程和信號處理特性使其成為出現(xiàn)的新協(xié)議和服務的理想對沖，但可能不會很快占據(jù)。

您正在被替換

無線電具有相互分離的功能，可以協(xié)同工作。例如，接收器將使用天線來接入低電平信號，放大它，對其進行濾波，進行混頻，解調(diào)恢復的信號（使用幾種調(diào)制/解調(diào)方案中的一種或多種）并將輸出數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為模擬或數(shù)字波形。發(fā)送器調(diào)制而不是解調(diào)，但反向執(zhí)行相同的過程。

高度優(yōu)化的硬件模塊已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定性，清晰度，低漂移，良好的溫度穩(wěn)定性，小尺寸，低功耗，良好的靈敏度和簡單的系統(tǒng)集成。從某種意義上說，SDR的目標是用可編程和自動化技術取代這些訓練有素的工人。

理想情況下，天線將連接到A/D轉(zhuǎn)換器，將寬帶波形饋送到信號處理階段。然后，信號處理塊將在期望的時隙（如果適用的話）從期望的信道和期望的頻帶中提取期望的信號。然而，世界并非那么簡單，至少現(xiàn)在還沒有首先，沒有GHz速度A/D轉(zhuǎn)換器。更重要的是，雖然存儲器深度呈指數(shù)增長，例如在5 GHz頻段，剛剛概述的方案的存儲器要求需要10 GB才能創(chuàng)建一秒緩沖區(qū)（假設16位采樣）。另一方面幾個處理器和IC的進步確實使得將RF前端級分成靈活的高性能處理模塊成為可能，這些處理模塊可以完成大部分高頻信號密集型恢復。此時，數(shù)據(jù)被傳遞到通用處理器，如PC，平板電腦甚至智能手機，它本身可以使用軟件創(chuàng)建用戶界面，控件，顯示器，甚至可以使用某些調(diào)制/解調(diào)方案A/D和D/A接口或聲卡（圖1）。

圖1：密集和高速前端硬件直接從天線捕獲信號以執(zhí)行信道化和采樣率轉(zhuǎn)換。這可以直接饋入數(shù)字信號處理級，執(zhí)行基帶處理。通用處理器（如PC）可以使用聲卡方式的模擬輸入來執(zhí)行解調(diào)和最終信號輸入/輸出。

可以使用可編程級代替濾波器，混頻器，調(diào)制器的離散硬件，解調(diào)器，探測器，比較器，放大器，振蕩器等。已有多種器件可用于此，并直接針對SDR設計。例如，考慮一下ADI公司的RF Agile收發(fā)器。指定的AD9364，它結(jié)合了RF前端和寬帶靈活的混合信號基帶處理器（圖2）。

圖2：模塊化1 x 1收發(fā)器功能12具有并行數(shù)據(jù)總線的A/D和D/A級。片上本地振蕩器和混頻器可用于70 MHz頻段直至6 GHz。雖然它最初是為3G/4G RF數(shù)據(jù)通信而設計的，但它可以通過數(shù)字接口配置到主機處理器，這使它可以作為許多協(xié)議和頻段的靈活收發(fā)器。集成的高端頻率合成器為射頻操作提供了可配置的數(shù)字接口。

頻率范圍從70 MHz到6 GHz，支持傳統(tǒng)和現(xiàn)代Wi-Fi頻段。這也使其成為GSM，DECT，藍牙，Wi-Fi，WiMAX，ZigBee以及許多其他流行的無線協(xié)議和服務的范圍。

其他不錯的功能包括信號增益和AGC功能的實時監(jiān)控和控制和128抽頭有限脈沖響應濾波器，以適當?shù)牟蓸勇十a(chǎn)生12位輸出信號?？删幊绦栽试S其用于時分雙工和頻率雙工信令技術。它具有可調(diào)諧的信道帶寬（從200 kHz到56 MHz），可以分離掉部分頻段以獲得高數(shù)據(jù)速率流，或者切出更窄的部分以獲得更低的波特率信號。

支持整個56 MHz至6 GHz范圍的AD-FMCOMMS4-EBZ開發(fā)系統(tǒng)也得到了支持。

另一款用于軟件定義無線電的處理器配套芯片來自Lime Microsystems及其LMS6002DFN多頻段，多標準集成收發(fā)芯片。該器件還具有差分輸入和輸出RF連接，12位并行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)總線，就像ADI公司的部分一樣。 LMS6002DFN涵蓋300 MHz至3.8 GHz頻段，還具有12位A/D和D/A分辨率，專為新興的毫微微和微微蜂窩基站和中繼器而設計。該部分還在內(nèi)部使用差分信號技術用于所有模擬級。請注意，單個部分如何涵蓋WCDMA，HSPA，LTE，GSM，CDMA2000和IEEE 802.16x無線電，所有這些都在軟件控制之下。

這部分的一個特別好的特性是它的雙獨立合成器可實現(xiàn)全雙工操作。此外，兩個發(fā)送器輸出和三個接收器輸入可以同時激活。這允許同時支持不同的協(xié)議和標準。

另一個很好的特性是它的兩級TX增益控制（圖3A）; IF部分的一個階段，RF部分的另一個階段。單個控制字控制I和Q分支。以類似的方式，輸入側(cè)還有三級增益控制（圖3B）。主LNA通過一個6位控制字進行精細增益控制，分辨率為±6 dB。 AGC上的1 dB步長可以減少為通道過濾做準備的增益。

用于LMS6002多功能RF收發(fā)器的Lime Microsystems產(chǎn)品培訓模塊可在Digi-Key網(wǎng)站上獲得。此外，該部件由Lime的MYRIADRF-1開發(fā)套件提供支持，該開發(fā)套件基于靈活的多標準LMS6002收發(fā)器和Altera FPGA模塊。

圖3A：靈活的可編程 - 增益TX級利用兩個獨立的可編程增益放大器。

圖3B：三個增益控制級提供輸入信號調(diào)理的靈活性，包括旁路能力（0 dB）損失）低通濾波器。

其他解決方案

除了專門設計用于SDR功能的部件外，具有大量資源，外設和處理能力的高端通用部件也可用作軟件定義無線電的主機。其中一個例子來自德州儀器（TI）及其TMS320DM6446AZWT高性能通用DSP。這是一個真正的片上系統(tǒng)，因為361 BGA數(shù)字媒體IC包含兩個內(nèi)核，一個297 MHz的高端ARM926時鐘，以及一個594 MHz的專用TMS320C64x + DSP內(nèi)核。

作為公司的一部分DaVinci系列，這部分包括視頻，網(wǎng)絡，圖形控制，混合信號，智能卡，音頻，ATA和Flash接口，USB和DDR內(nèi)存控制，僅舉幾個長篇功能列表。

使用該設備的TMS320C64定點DSP部分允許所有現(xiàn)有的濾波器，調(diào)制器，解調(diào)器和其他信號處理算法與數(shù)字端同時運行。在內(nèi)部，獨立DSP具有自己的存儲器資源和高速緩存，以提高性能并最小化ARM/DSP交互。 TI擁有豐富的設計工具，應用筆記和培訓材料，可幫助工程師快速掌握如此復雜的部件。一個例子是TMDSEVM642評估模塊，它支持C6000，DaVinci和VelociT1.2系列處理器。

總結(jié)

無需大量數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)統(tǒng)一的RF通信和控制方法個別設備。雖然仍處于細化的早期階段，但是有足夠的軟件定義無線電示例來展示這種方法的靈活性和能力，并且它只會變得更好。在最純粹的形式，以及未來的某個時候，SDR接收器可能只是一個連接到天線的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。所有過濾和信號檢測都可以在數(shù)字域中進行，可能在普通的個人計算機，智能手機，平板電腦，筆記本電腦或可穿戴計算機中進行。