软件定义的无线电的架构特点与应用

随着世界逐渐走向无处不在的无线连接，甚至固定功能设备，如手机采用几个不同的频段和协议共存于一个小空间，无线设计师的工作也变得不那么容易了。现代智能手机和平板电脑可以同时收发3G/4G，（很快将是5G）语音和数据，蓝牙，Wi-Fi和可能的GPS数据。支持“可穿戴”计算机和外围设备的新兴个人区域网络将为已经重大通信的设计增加更多的RF责任。即使在相同的频段内，不同的，有时是非互操作的协议和服务也在争取认可，接受，时间段和市场份额。例如，考虑2.4 GHz ISM频段。我们有蓝牙，Wi-Fi，ZigBee，无绳电话，遥测和其他几种服务都存在于这个领域。

它并不止于此。需要连接到不断变化的无线世界的设计人员必须了解芯片组开发，协议栈，知识产权以及众多开发环境，认证，工具和测试设备。

如果有其他方法怎么办？如果一个RF部分可以完成所有工作怎么办？

本文将介绍新兴的软件定义无线电（SDR）架构及其支持部分。 SDR拥有单一，超灵活的RF处理系统的承诺，可以对其进行编程，以同时运行多个频率和多个协议。此外，软件定义无线电的完全可编程和信号处理特性使其成为出现的新协议和服务的理想对冲，但可能不会很快占据。

您正在被替换

无线电具有相互分离的功能，可以协同工作。例如，接收器将使用天线来接入低电平信号，放大它，对其进行滤波，进行混频，解调恢复的信号（使用几种调制/解调方案中的一种或多种）并将输出数据呈现为模拟或数字波形。发送器调制而不是解调，但反向执行相同的过程。

高度优化的硬件模块已经发展到稳定性，清晰度，低漂移，良好的温度稳定性，小尺寸，低功耗，良好的灵敏度和简单的系统集成。从某种意义上说，SDR的目标是用可编程和自动化技术取代这些训练有素的工人。

理想情况下，天线将连接到A/D转换器，将宽带波形馈送到信号处理阶段。然后，信号处理块将在期望的时隙（如果适用的话）从期望的信道和期望的频带中提取期望的信号。然而，世界并非那么简单，至少现在还没有首先，没有GHz速度A/D转换器。更重要的是，虽然存储器深度呈指数增长，例如在5 GHz频段，刚刚概述的方案的存储器要求需要10 GB才能创建一秒缓冲区（假设16位采样）。另一方面几个处理器和IC的进步确实使得将RF前端级分成灵活的高性能处理模块成为可能，这些处理模块可以完成大部分高频信号密集型恢复。此时，数据被传递到通用处理器，如PC，平板电脑甚至智能手机，它本身可以使用软件创建用户界面，控件，显示器，甚至可以使用某些调制/解调方案A/D和D/A接口或声卡（图1）。

图1：密集和高速前端硬件直接从天线捕获信号以执行信道化和采样率转换。这可以直接馈入数字信号处理级，执行基带处理。通用处理器（如PC）可以使用声卡方式的模拟输入来执行解调和最终信号输入/输出。

可以使用可编程级代替滤波器，混频器，调制器的离散硬件，解调器，探测器，比较器，放大器，振荡器等。已有多种器件可用于此，并直接针对SDR设计。例如，考虑一下ADI公司的RF Agile收发器。指定的AD9364，它结合了RF前端和宽带灵活的混合信号基带处理器（图2）。

图2：模块化1 x 1收发器功能12具有并行数据总线的A/D和D/A级。片上本地振荡器和混频器可用于70 MHz频段直至6 GHz。虽然它最初是为3G/4G RF数据通信而设计的，但它可以通过数字接口配置到主机处理器，这使它可以作为许多协议和频段的灵活收发器。集成的高端频率合成器为射频操作提供了可配置的数字接口。

频率范围从70 MHz到6 GHz，支持传统和现代Wi-Fi频段。这也使其成为GSM，DECT，蓝牙，Wi-Fi，WiMAX，ZigBee以及许多其他流行的无线协议和服务的范围。

其他不错的功能包括信号增益和AGC功能的实时监控和控制和128抽头有限脉冲响应滤波器，以适当的采样率产生12位输出信号。可编程性允许其用于时分双工和频率双工信令技术。它具有可调谐的信道带宽（从200 kHz到56 MHz），可以分离掉部分频段以获得高数据速率流，或者切出更窄的部分以获得更低的波特率信号。

支持整个56 MHz至6 GHz范围的AD-FMCOMMS4-EBZ开发系统也得到了支持。

另一款用于软件定义无线电的处理器配套芯片来自Lime Microsystems及其LMS6002DFN多频段，多标准集成收发芯片。该器件还具有差分输入和输出RF连接，12位并行发送和接收数据总线，就像ADI公司的部分一样。 LMS6002DFN涵盖300 MHz至3.8 GHz频段，还具有12位A/D和D/A分辨率，专为新兴的毫微微和微微蜂窝基站和中继器而设计。该部分还在内部使用差分信号技术用于所有模拟级。请注意，单个部分如何涵盖WCDMA，HSPA，LTE，GSM，CDMA2000和IEEE 802.16x无线电，所有这些都在软件控制之下。

这部分的一个特别好的特性是它的双独立合成器可实现全双工操作。此外，两个发送器输出和三个接收器输入可以同时激活。这允许同时支持不同的协议和标准。

另一个很好的特性是它的两级TX增益控制（图3A）; IF部分的一个阶段，RF部分的另一个阶段。单个控制字控制I和Q分支。以类似的方式，输入侧还有三级增益控制（图3B）。主LNA通过一个6位控制字进行精细增益控制，分辨率为±6 dB。 AGC上的1 dB步长可以减少为通道过滤做准备的增益。

用于LMS6002多功能RF收发器的Lime Microsystems产品培训模块可在Digi-Key网站上获得。此外，该部件由Lime的MYRIADRF-1开发套件提供支持，该开发套件基于灵活的多标准LMS6002收发器和Altera FPGA模块。

图3A：灵活的可编程 - 增益TX级利用两个独立的可编程增益放大器。

图3B：三个增益控制级提供输入信号调理的灵活性，包括旁路能力（0 dB）损失）低通滤波器。

其他解决方案

除了专门设计用于SDR功能的部件外，具有大量资源，外设和处理能力的高端通用部件也可用作软件定义无线电的主机。其中一个例子来自德州仪器（TI）及其TMS320DM6446AZWT高性能通用DSP。这是一个真正的片上系统，因为361 BGA数字媒体IC包含两个内核，一个297 MHz的高端ARM926时钟，以及一个594 MHz的专用TMS320C64x + DSP内核。

作为公司的一部分DaVinci系列，这部分包括视频，网络，图形控制，混合信号，智能卡，音频，ATA和Flash接口，USB和DDR内存控制，仅举几个长篇功能列表。

使用该设备的TMS320C64定点DSP部分允许所有现有的滤波器，调制器，解调器和其他信号处理算法与数字端同时运行。在内部，独立DSP具有自己的存储器资源和高速缓存，以提高性能并最小化ARM/DSP交互。 TI拥有丰富的设计工具，应用笔记和培训材料，可帮助工程师快速掌握如此复杂的部件。一个例子是TMDSEVM642评估模块，它支持C6000，DaVinci和VelociT1.2系列处理器。

总结

无需大量数据即可实现统一的RF通信和控制方法个别设备。虽然仍处于细化的早期阶段，但是有足够的软件定义无线电示例来展示这种方法的灵活性和能力，并且它只会变得更好。在最纯粹的形式，以及未来的某个时候，SDR接收器可能只是一个连接到天线的模数转换芯片。所有过滤和信号检测都可以在数字域中进行，可能在普通的个人计算机，智能手机，平板电脑，笔记本电脑或可穿戴计算机中进行。