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如何选择合适的软件无线电解决方案

时间:2022-03-24 04:43:59 作者:Brendon McHugh,Kaue Morcelles 阅读:
SDR凭借灵活的配置能力,弥补了模拟无线电在鲁棒性、集成度以及灵活性等诸多方面的限制,已广泛应用于从雷达、通信、医疗以及测量等多种应用。但SDR种类繁杂,如何选择正确的SDR和/或完整的系统,对基于射频的应用至关重要。针对SDR的各种参数,以及如何将设计从纸面快速变为现实,本文给出了详细阐述。
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数字电子技术繁荣之后,软件定义无线电(SDR)成为无线电应用中流行的最先进技术,从而创造了一个不断扩大的利基市场。在SDR市场中,有各种各样的产品,从面向消费爱好者的小型便携式设备,到面向大规模和关键应用的精密设备和坚固耐用设备。因此,通常会发现SDR大小不等,小到USB加密狗大小,大到整个SDR机架那么大。通常,其形状因子与性能成正比。此外,随着半导体技术的发展,电子元件现在更便宜、更小,这使得SDR产品的开发能够在性能、外形和成本之间取得最佳平衡。

在SDR领域,产品选择并不是一件容易的事,为了指导您做出这个决定,我们将讨论SDR的基本概念、应用、系统设计过程中的常见挑战,以及正确的SDR如何解决这些问题。

什么是软件无线电

长期以来,无线电通信一直由模拟电路主导。然而,模拟无线电在鲁棒性、集成度、灵活性、调制/解调和频率调谐方面非常受限。此外,模拟升级或修改只能通过更改硬件来执行,这通常意味着更换大量电路。数字技术的快速发展使得无线电可以由软件而不是模拟硬件来定义。现代SDR旨在实现高度的灵活性、稳定性和可配置性,使用现场可编程门阵列(FPGA)作为计算的核心。FPGA允许在同一设备中实现不同的调制协议、带宽捕获、纠错、DSP算法甚至人工智能,只需对设备重新编程即可定期进行升级。SDR分为两个主要元素:无线电前端(RFE)和数字后端(图1)。

图1:高级概括的SDR架构。(本文资料来源:Per Vices)

RFE负责所有基本的模拟无线电功能,例如前置放大、混频和抗混叠或抗成像滤波。RFE包含通过SMA连接器连接到天线的接收(Rx)通道和发射(Tx)通道。在高端SDR中,最先进的RFE可以在非常高的调谐频率范围和很宽的瞬时带宽内运行。例如,Per Vices的Cyan SDR等高性能SDR可以达到3GHz的瞬时带宽和高达18GHz的调谐频率,可以升级到40GHz。Tx和Rx通道都通过ADC和DAC与后端连接,一个SDR可以有多个独立的通道(最多16个)。

另一方面,数字后端执行所需的所有信号处理、生成、数据打包和流量控制以及应用级算法。它包含一个具有板载DSP功能的FPGA,可与多个功能外设同步,例如时钟、电源控制器、ADC/DAC、通信接口和显示器。

软件无线电应用领域

考虑到上面描述的配置,市场上有种类繁多的SDR产品。这是因为每个组件根据性能、尺寸、成本和功能的不同而有很大差异。定义典型SDR性能的主要性能参数是:

  • RFE:调谐范围、RF性能和通道数
  • ADC/DAC:采样率、位分辨率、线性度和噪声
  • 时钟:延迟、稳定性、时钟频率
  • DSP:支持基本处理功能,如乘法累加(MAC)、浮点单元(FUP)、调制、抽取和插值
  • 软件支持:UHD、GNU Radio、Matlab、Python、C++

由于这种可能性的多样性,SDR可以分为三大类:

  • 爱好者级别的SDR
  • 性能中端的SDR
  • 性能非常高端的SDR。

随着小型的但功能强大的商用现货(COTS)组件的发展,出现了第四类,这类SDR结合了中端设备的便利性和高端SDR的性能。

随着廉价且用户友好的数字平台的出现,爱好者级别的SDR在技术爱好者中变得流行。rtl-sdr.com等网站不断发布新的业余SDR项目,这些项目正在突破自制电子产品的界限。一些示例是业余射电天文学、VCR解码和飞机跟踪。这些项目中使用的SDR可能不是很强大,但这显示了可以使用USB加密狗大小的SDR完成的一系列应用。

另一方面,在更关键和更精确的应用中实现高端SDR,需要昂贵的组件和软件。这些应用包括:

雷达:应用电磁辐射来定位和跟踪移动物体的位置、速度和角度。SDR为不同的雷达应用提供了灵活性,例如通用脉冲雷达、合成孔径雷达(SAR)和多普勒雷达,以及与传统雷达技术的互操作性。需要强大且快速处理能力的雷达运行方式(例如SAR),可以从SDR技术中受益匪浅。图2显示了SAR雷达的基本操作。

Vicky请注意,图中文字,从上到下排列卫星运动天线发射调频信号辐射脉冲、方位坐标、覆盖区域

图2:SAR雷达运行示意图。

GPS/GNSS:发送/接收GNSS/GPS信号/数据和地面站跟踪。SDR提供低延迟、准确度、精确度和高灵敏度以改善上行/下行信号质量。

链路低延迟:对于高频信号处理(HFT)、点对点链接和分布式网络中都使用SDR。因为在这些网络中,快速处理、低延迟和响应是必不可少的。

频谱监测和记录:用于监测禁区的无线电活动,如监狱、军事设施和机场。也用于强制执行频谱政策和检测许可带宽的非法使用。在这些应用中,需要采用具有带宽较宽、调谐范围大、高吞吐量和出色分辨率的SDR,以便在宽带宽上捕获任何频率的最微弱信号。

医疗应用:一些医疗设备,例如MRI、NMR和生物阻抗仪器,需要MIMO波形生成和信号测量。SDR可以作为这些系统中的基本单元。像Per Vices的Crimson TNG SDR这样的SDR非常适合这些应用,它以小尺寸提供运行频率高达6.8GHz的四个通道。

5G网络:SDR既可以作为基站的一部分(接收和传输),也可以作为电信新算法研究的一部分,为5G网络提供模拟或测试开发平台。

测试与测量:在此应用中,SDR用于生成和测量射频,以测试设备(在EMI和RF性能方面)和模拟电磁条件。必须采用具有高RF性能的SDR,以确保精度和稳健性。为了测试灵活性,需要较大的调谐范围、带宽、通道数量和DSP资源。

当然,SDR的等级将极大地影响其性能:低于200美元的USB加密狗与高达数万甚至数十万美元的精密设备之间,肯定存在巨大差距。首先,高端仪器会提供非常宽的瞬时带宽,这需要非常快速的ADC/DAC进行信号转换。可配置性在高端设备中至关重要,因此使用支持自定义DSP的FPGA,具有多个并行通道。为了管理智能电网和国防系统等应用中的海量数据,现代SDR需要高吞吐量数据链路:最高吞吐量的SDR使用qSFP端口和光缆收发器来传输高达100Gbps的数据。此外,只有在高端MIMO SDR中,才会具有出色相位相干性和稳定性的多通道配置。

相对于业余级SDR,高性能SDR还具有非常低的噪声系数、高SFDR/动态范围、多个管理端口、大调谐范围、板载波形存储和高质量RFE组件。图3显示了使用顶级组件的高端Tx/Rx通道示例。

图3:Tx/Rx链路采用高质量组件。

尽管市场更关注业余级的SDR和顶级昂贵设备,但对介于两者之间、兼具高性能和实惠价格的仪器有着巨大的需求。此类可以称为最佳的SDR,以专为满足此需求而设计的Per Vices的Chestnut SDR等SDR为代表。Chestnut SDR在4 Rx/Tx架构中提供高带宽、扩展的调谐范围和高数字吞吐量。图4显示了市场上三种典型SDR之间的比较。

 

等级 中低端配置 最优配置 高端配置
调谐范围      
带宽      
数据吞吐率      
DSP资源      

 

图4:各类Per Vices SDR的比较。

研发面临的挑战

由于来自项目内部和外部的限制,研究人员和工程师通常很难开发RF系统。最典型和令人沮丧的原因是缺乏资金。这种问题在政府实验室中常常遇到。这些实验室不鼓励开发新的专门的硬件和软件进行试验。此外,资金缺乏也阻碍了现代高端设备的应用,因此工程师常常在项目研究中不得不采用过时的技术和陈旧设备。

另一个问题是所谓的SWaP(尺寸、重量和功率)限制。例如,飞机上的雷达系统,需要在电源、尺寸和重量严苛要求的情况下可靠运行,以便不影响平衡和少占用空间。同样,用于电信的便携式设备和小型基站(例如5G网络),需要使用极低功率的无线电系统,提供高数据吞吐量和低延迟。然而,设备的处理能力与功耗、尺寸和重量成正比,因此在SWaP合规性和性能之间存在很难的权衡。

另外,高性能无线电应用还需要强大的处理能力。强大的处理能力意味着昂贵的处理器。在高端射频应用中,有几个例子:SAR雷达需要在很短的时间内进行大量的信号处理(包括数据压缩和用于伪影调整的复杂算法),波束成形/波束控制需要高度同步和独立的相干处理通道,以及频谱监测应用程序需要几乎实时处理大量数据。此外,系统可能需要能够改变安全性和功能性的处理方案,例如用于干扰预防的信道/频率跳跃和GPS/GNSS中的调制切换。

即使具有强大的嵌入式处理器,典型的台式计算机系统也可能无法处理某些应用程序中捕获的所有数据。在这种情况下,应该实现类似服务器的主机系统。然而,这引入了另一个问题:设计一个能够实时捕获、存储和处理数据的主机系统具有挑战性。在非常低延迟的应用程序中,问题是非常大的,因为数据溢出和下溢很容易发生。

SDR定制主机系统

对于主机系统而言,可以开发定制系统以更好地符合极高实时数据捕获的SDR应用。这通常涉及使用大量NVMe驱动程序、SD卡、几GB的RAM和适当的网络接口卡(NIC)和/或基于FPGA的加速卡来构建类似服务器的主机系统。还有一些方法可以通过切换到实时操作系统(RTOS)或应用针对低延迟传输进行优化的NIC,来减少SDR与主机系统到光链路之间的延迟。在极端情况下,例如HFT网络,SFP+连接器可以设计成为定制接口协议。

由于SDR的几乎每个重要方面都由软件定义,因此集成解决方案也非常容易。例如,它们可以用作初步实验的模拟平台,因为它们能够在现场测试之前使用几种不同的协议和技术。此外,它们可以在不同的实验之间共享,因为SDR可以连接到网络,从而降低所有相关项目的成本。网络连接还简化点对点链接的集成和同步,或简化SDR应用于其他设备的外部基准。

SDR也以模块化方式构建,这使得SWaP对预期应用更加灵活。在这种情况下,可以通过仅添加所需的外围设备来定制SWaP、省去了不必要的组件,也省去了重新定位到不同机箱中的板卡,从而减少了体积和重量。精简的SWaP提供了便携性,从而能够运用到困难的地方,例如天文台望远镜、山区天线站以及可以部署在航天器系统,同时还可以作为这些应用程序中积累数据的存储解决方案。

比如通过优化灵敏度和动态范围这样的定制,还可以更好地满足应用需求。此外,FPGA可以随时重新配置其整个系统,使SDR可以使用不同的协议、算法、数据格式和波形,而无需任何硬件修改,使用可编程的内部逻辑块互连即可(图5)。还可以对FPGA进行定制,以减少主机运行所需的处理量和内存。

图5:包含具有可编程互连的逻辑块和输入/输出块的FPGA架构。

尽管SDR应用程序基于代码,但只需具备软件开发的基本知识即可实现设备配置和应用。预开发的代码示例,对于开始使用SDR非常有用,并且可以使用Python、C++和GNU Radio轻松编写更多自定义软件以实现各种功能。GNU Radio还提供了多种DSP工具,用于测试和测量、调制/解调协议。图6显示了PSK解调、纠错和频谱分析的实现。

图6:GNU Radio可用于PSK解调。

结论

选择正确的SDR和/或完整的系统,对于充分利用基于射频的应用至关重要。然而,此过程可能具有挑战性且成本高昂。不过,利用经济实惠的高性能SDR,将使此任务变得更容易。合适的SDR模型为所有级别的应用提供解决方案,从技术爱好者到大公司,都具有最先进的性能。与能够为项目提供定制开发的供应商合作,可以更轻松地将设计从纸面变成现实。

(参考原文:Selecting the right software defined radio solution for your application )

本文为《电子工程专辑》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

责编:Amy.wu
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