如何實現軟件定義無線電動態范圍的最大化

摘要：本文回顧了軟件定義無線電發展，介紹了擴大軟件定義無線電的動態范圍的電路元件、計算和仿真工具，并重點關注ADC的性能和頻率規劃。

　　首先，什么是軟件定義無線電(SDR)? 大致來說，軟件定義無線電是指信號鏈的一部分是軟件的任何無線電。 具體來說，它會具有以下部分或全部特性： 寬帶、多頻段、多模式、多數據速率、軟件可重新配置，并且其數字轉換(接收或傳輸)會盡可能靠近天線。 請注意，該描述也適用于現代信號(頻譜)分析儀等RF儀器儀表。

　　一般認為是德克薩斯州加蘭的E-Systems(現Raytheon)公司在1984年構建了第一臺軟件定義的基帶接收器，而第一臺軟件定義的基帶收發器可能是WSC-3(v)9，由E Systems加利福尼亞州佛羅里達圣彼得堡分部 在1987年為Patrick AFB設計。 1989年，Haseltine和Motorola ca.又為Rome AFB開發出了新的無線電產品 Speakeasy。 現代的示例包括衛星和地面無線電、軍事聯合戰術無線電系統(JTRS)以及幾乎任何蜂窩或陸地移動無線電終端或基站。

　　從理論上來說，要使數字轉換和信號處理正常工作，應該具有線性時不變系統， 但實踐得出，將模擬片段放在一起后就需要一連串的妥協。 不過，通過精心挑選元件和分布增益，可以在保持靈敏度的同時最大程度地擴大SDR的動態范圍。 而且，無論SDR是通信接收器基站還是信號分析儀，都適用相同的規則。

　　在一些標準通信系統(例如，蜂窩系統)中，SDR在受控環境中工作，也就是說，標準闡明了針對接收器和發射器的要求，而載波則為標準增加了裕量。 在其他一些系統(如軍事、業余和陸地移動無線電)中，環境不受控制，也就是說，最近的發射極可能就在隔壁，最遠的可能剛好在視距的耳語范圍內。

　　因此，在開始設計之前，需要先制定一份檢查清單：

　　? 標準有哪些要求?

　　? 所需的最小和最大信號電平是多少?

　　? 需要多少濾波?

　　—哪些圖像濾波器、通道濾波器和抗混疊濾波器可用?

　　—濾波器中的群延遲是否會產生問題?

　　? 您使用的是什么架構?

　　—零中頻、單通道、雙通道或三通道轉換。您目前如何生成正交信號?

　　—在模擬還是數字(IF采樣)域中?

　　選擇ADC本身就值得討論。 ADC的動態范圍可確定系統架構(反之亦然)。 首先，要查看信號帶寬和采樣頻率(準確的采用頻率通常由時鐘和/或幀速率等數字信號處理要求確定)。 為了獲得ADC的滿量程SNR，尤其是對高輸入頻率采樣時，能否生成足夠良好的時鐘，從而在不降低ADC的指定SNR的情況下以所需的頻率采樣? 要使系統成為線性時不變系統，ADC必須提供足以支持所需信號、干擾信號以及增加的裕量的動態范圍，以支持信號衰落和AGC響應時間。

　　那么，多大的動態范圍才夠呢? 性能最高的軟件定義無線電(和RF實驗室儀器)通常采用14至16位高速ADC，從而以盡可能高的頻率對帶寬高達250 MHz的信號采樣。 為了按照標準(如802.11等字母數字組合)測試頻帶最寬的信號，行業偏向于使用14b AD9680等雙通道高速ADC在I和Q帶寬等于或高于500 MHz的基帶中對I和Q信號進行正交采樣。 一些應用程序需要更小的動態范圍，因此通常使用12b的GSPS ADC(如AD9625)來“抓取”帶寬為500 MHz的頻譜塊，并使用集成數字下變頻器來調低其基帶頻率。

　　ADC的動態范圍是模擬和數字濾波之間的基本權衡。更多的模擬濾波會縮小干擾信號的幅度以及ADC的所需范圍，這就必須對所需的信號和干擾信號進行數字轉換以保持線性系統。 但是，模擬濾波并不是理想的方式，它可能會出現群延遲和相位。 在系統級別，模擬域的大量濾波操作也意味著可能要進行大量費用高昂的機械屏蔽工作以保持濾波器隔離，并且可能需要在多個IF級聯多個濾波器以最大程度地減少濾波器周圍漏電的情況。相反，數字濾波器具有出色的形狀因子，沒有漏電，其特性近乎理想，但需要提高ADC的動態范圍以支持信號和干擾信號。

　　孰優孰劣似乎顯而易見，但您必須將接收器設計為可在所有工作條件下保持對ADC的線性輸入。 例如，這需要將AGC的響應時間結合到ADC的裕量中，也就是說，允許特定數量的dB作為裕量以考慮AGC反應期間的輸入信號變化，這樣接收器不會因信號電平變化而出現過載。

　　此外，在UHF和微波信號中，您可能還希望針對信號衰落增加額外裕量，不管這種信號衰落是由于頻率較低還是信號被大樓或植物阻擋等環境條件而導致的。 除此之外，您還需要考慮解調C/N比、鄰道和相間通道干擾信號以及全雙工系統中可能出現的PA饋通效應的裕量。

　　另外需要記住的是，窄帶接收器的AGC范圍比寬帶接收器更寬。 基本上，寬帶接收器會將大片頻譜小幅度地上移或下移，通常小于10 dB，以使其保持在ADC的線性“窗口”中間。這與對整個蜂窩頻段進行數字轉換時一樣。 相反，窄帶接收器則高度依賴濾波以最大程度地減少通帶中的信號數，但必須能支持更大的干擾信號。它們通常在不受控的環境中使用，其AGC可作用于更窄的通帶中的信號。