SDR发展及应用与示例-便携SDR

便携式无线设备可能趋于一致，但是如果你愿意的话，它们的接口可以继续分离或“进化”。要使手机在从美国到欧洲和亚洲的旅行途中能够继续使用，它需要兼容不断增多的各种不同的协议、调制技术和频带，要能够识别它们并进行无缝调整和匹配。对于手机制造商来说，这是一个挑战；而对于基站供应商而言，这是一个噩梦。

这有多困难呢？TI公司无线研究高级主管Bill Krenik说：“几年前，双频带GSM手机满足了大部分市场的需要。现在芯片组至少是GSM/GPRS的，不久将很有可能成为GSM/GPRS/EDGE的，涵盖PCS和DCS；加入UMTS，增加对IMT-2000频带的WCDMA支持，频率为2,100MHz。在调制前端，需要处理GSM的GMSK、用于EDGE的 8-PSK 的高阶调制、以及宽带CDMA所需的QPSK；接下来需要解决的难题是HSDPA、HSUPA和16-QAM；然后是基于OFDM 的LTE（长期演进，或4G）标准，它被定为2010年的时间框架。到那时，我们将需要支持TDMA、CDMA和OFDM；支持至少六个不同的频带，而且很有可能更多；支持从GMSK到QPSK、16QAM和64QAM的调制技术。我们需要能够解决上述所有技术问题的无线电技术和基站。”在这一点上，软件无线电技术（SDR）要比众多基于硬件的RF信号链更有吸引力。

走进SDR

SDR背后的概念很简单：首先是高带宽、高线型度的FR前端，然后将其输出直接进入高速ADC，再用高速DSP或FPGA在软件中进行所有的信号处理。前面的描述中多次提到的“高速”一词，正是挑战所在。
软件无线电设备是一种由软件来定义其特征的宽带收发器。ITU定义SDR为：“一种能够通过软件，和/或能够完成同样功能的技术，对包括RF的运行参数，但不限于频率范围、调制类型或输出功率进行设置或修改的无线电系统。”SDR能够使手机或基站对硬件的需要降至最小，同时也能降低与不断发展的无线标准相对应的“未来验证”的基本设施的需要。SDR基本上是将一个接收器变成一个具有RF前端的计算机。不过SDR需要速度非常快的计算机才能够对各种数G赫兹的信号进行过采样，并准实时的处理所有这些信号。
SDR不是一个没有中间过程的极端方法。SDR论坛定义了从“硬件无线电”——目前的方法——到“终极软件无线电”的全部演变过程，其间包含了一些中间技术阶段：
● 0级－硬件无线电。系统不能做任何修改。系统操作由开关、拨号盘和按钮来完成。
●1级－软件控制无线电。软件上可能实现了控制功能，但是在不改变硬件的条件下，这些无线通信设备是不能改变像频带或调制方式这样的特征参量的。
●2级－软件无线电。这种无线电技术由软件来控制，不需要对硬件做任何修改就能够提供很宽的操作范围。它一般包括宽带滤波前的独立天线、放大器和A/D转换之前的降频器。在发送时，基带信号进入DAC，然后转换为中频（IF）频率，即依次外差为进行滤波和进入功率放大器之前所需的输出频率。尽管前端的带宽是个限制因素，由于SDR技术能够提供宽带和窄带两种操作中的多种解调技术，因而利用软件可以控制相当宽的频率范围。SDR技术能够存储大量的波形或空间接口，并可以通过从磁盘上传或从空间下载来添加新的内容。
●3级－理想SDR。这种SDR将RF前端的输出直接接入ADC，然后进入到DSP，消除了大部分的模拟部件，从而降低了失真和噪声。
●4级－终极SDR。这种SDR没有外置天线、没有运行频率或带宽的限制。它直接传送数字基带输出信号，在几毫秒的时间内进行空中接口间的检测和转换。这是一种低功耗又极为快速的SDR，但要以商业产品的形式出现，估计正在学说话的孩子大学毕业之前是不太可能的。

从天线到DSP

一般的SDR系统（如图1所示）包括各种RF前端，它们为宽带ADC提供输入信号。信号再由ADC进入可编程DSP引擎。在发射模式下，数字基带信号先要依次通过DAC和中频/ 射频（IF/RF）升频转换器，再传入输入功率放大器（PA）和天线。

图1. 一般的SDR接收器。

要建立可配置的、宽带的、高灵敏度的甚至是防弹的RF前端，是事情变得复杂的开始。ADI公司RF和无线系统的商业研发主管Doug Grant说：“即使关注的是小信号，也必须提供非常大的数据处理能力。当得到不同带宽的信号时，要既能看到最宽的带宽又能看到最窄的带宽，并能容纳足够的动态范围。这最终归结回功率，因为要得到宽的无线前端动态范围，势必就会增加功耗。”如果前端被一个大的带外信号损坏了，再多的下级滤波器都无法纠正。Grant说，“功率问题被一致归结为研究SDR的任何方法都面临的最大障碍。”
在理想的SDR系统中，射频RF前端的输出在处理之前将直接进入ADC。然而ADC是SDR所面临的主要挑战之一。在1GHz时，ADC的动态范围的上限是20位或120dB。频率更高的时候，问题变得更有挑战性，因为ADC的采样率要满足奈奎斯特采样定律，必须至少为最高频率（fmax）的两倍。因此，接收器一般将信号通过带通滤波器去掉不需要的信号，再通过外差将信号频率降至ADC能够处理的范围。然后将信号通过低噪声放大器（LNA），进入ADC。具有多RF前端和天线的超级外差接收器很可能一段时间后会出现。

图2. SDR的软件控制任务。