软件定义无线电工程师指南

软件定义无线电（SDR）的诞生可以追溯到 1970 年代，最初仅限于军事应用。然而，受益于FPGA 和 DSP 信号处理技术的进步、基于 IC 的无线电收发器的发展以及小型蜂窝无线网络的普及，导致 SDR市场在 2000 年代初期快速扩大。本文将解释 SDR 背后的基本概念，探讨与传统 RF 架构和一些流行应用相比，SDR所能够提供的灵活性。考虑到无线连接的使用已成为我们社会的一个重要方面，我们还将讨论可以从 SDR 受益的潜在新应用。
 

无线技术无处不在！

自从马可尼（Marconi）第一次使用火花发射器跨大西洋发送莫尔斯电码（morse code）信息以来，无线连接已经取得了长足的进步。一百二十二年后的今天，无线通信在我们的社会中已经无处不在，它能够提供一种基本连接技术，可以连接我们的智能设备，支持我们的蜂窝网络，并将来自其他星球的图像传送到我们的电视机上。没有无线，我们的社会就无法进步。
 
射频 (RF) 工程向来是一项专业技能，并且传统上属于模拟范畴。从早期开始，无线电通信主要用于语音通信和发送和接收消息，通常使用莫尔斯电码。无论是语音还是莫尔斯电码，传输信息都需要调制发射器的频率。广播公司开始使用调幅 (AM) 进行本地“中波”和远程“短波”传输，频率调制 (FM) 也在本地和国家广播网络的甚高频 (VHF) 传输中变得流行起来。所有无线电接收器和发射器设计都是完全模拟的。数字数据传输使用无线电调制器和解调器（调制解调器）设备将二进制格式转换为无线电模拟域。频移键控 (FSK) 是最初用于此类应用的调制技术。
 
正如我们将在下一节中讨论的那样，SDR 从根本上改变了我们构建无线电系统的方式。但在深入研究 SDR 的工作方式之前，让我们首先考虑一些 SDR用例。
 
业余无线电爱好者是 SDR 的早期采用者。基于 SDR 的收发器（组合的发射器和接收器）能够提供一种方便、轻便且高度便携的方式，可在灾难情况下提供紧急通信。最近的应用案例包括亚速尔群岛火山爆发后救援工作的协助协调。
 
SDR 广泛用于科学天文学研究，它能够控制接收器的中心频率、调整带宽以及在光谱“瀑布”显示器上显示来自遥远恒星的无线电爆发结果。
 
随着蜂窝网络的发展，小型蜂窝开放式无线电接入网络（ORAN）的概念特别适合使用 SDR。电信运营商和网络提供商越来越多地将 SDR 用于下一代 5G 和 6G 蜂窝网络研究和基站。
 

什么是软件定义无线电？

尽管业界对 SDR 接收器或发射器的构成有多种定义，但所有这些都强调，很大一部分传统模拟电路功能已经被基于软件的数字信号处理技术所取代。 SDR 接收器的一个重要元件仍将使用模拟电路。无线电前端检测从天线接收到的超低电压射频信号。然而，从那时起，主要涉及解调的信号处理交由软件执行。该软件可能在专用的嵌入式可编程处理器、笔记本电脑或台式计算机上运行。
 

图 1：简单的 AM 超外差无线电原理功能框图。（来源：贸泽电子）

 
图 1 突出显示了传统 AM 超外差 (superhet) 无线电接收器的主要功能模块图。来自天线的微弱信号通过带通滤波器，通过将检测信号的带宽限制为感兴趣的信号，然后将它们放大并传递到混频器。混频器再将接收到的信号与可变频率振荡器的输出相结合，以产生固定的中频 (IF)。接收器的调谐是通过改变本地振荡器 (LO) 频率来实现。中频放大器能够显著提高信号电平，滤波器去除了混频器中不需要的信号。之后，进行音频信号的解调和放大。
 
对比 SDR 接收器与图 2 的不同之处。
 

图 2：示例 SDR 接收器的基本架构模块。（来源：贸泽电子）

 
SDR 接收器的模拟部分仅限于射频前端。滤波后的信号被传输到模数转换器 (ADC)，以便在数字域中进行后续处理。SDR接收器的确切架构各不相同。例如，当下越来越流行的 SDR 设计方法不再需要中频，这种零中频 (ZIF) 方法，也称为直接转换，是将射频前端的输出直接馈送到 ADC，并直接进入在软件中执行的基带数字处理功能，包括解调和滤波。
 
上面我们仅仅简单讨论了SDR 的基础知识以及它与传统 RF 技术的区别。希望了解更多有关 SDR 的读者可以参考其它详细的资料和资源。这里推荐一本面向工程师的软件定义无线电的出色书籍可供下载，可从 Analog Devices 网站获得。
 
为了简洁起见，我们在本节中只讨论了接收器架构，但所描述的方法也同样适用于发射器。
 

开始SDR 设计

灵活的 SDR 平台具有多种形状和尺寸。简单的USB加密狗要 25 美元，而综合、完整的 SDR 收发器则需要6,000 美元以上。一些流行的 SDR 评估套件和开发模块的价格在 100 美元到 200 美元之间。许多流行的 SDR 平台使用与 FPGA 结合的商用 RF 收发器 IC。除了选择 SDR 硬件平台外，您还需要决定如何对其进行编程。
 
GNU Radio是一个免费的开源 DSP 编程工具链，专为构建和设计 SDR 应用而设计。GNU Radio最初的设计纯粹是为了教育目的，它后来被广泛用于无线研究和开发、业余无线电和射电天文学。GNU Radio可提供一组不同的功能块，例如滤波器、图形显示、解调器、信号发生器、数学运算符、通道模型和傅里叶分析函数等。各项功能被部署在工作场所，并使用可视化流程图风格编程进行连接，参见图 3。
 

图 3：简单的 FM 接收器示例 GNU Radio 流程图。（来源：GNU Radio）

 
其它受 SDR 工程师欢迎的工具链是使用 Matlab 和 Simulink 及其 DSP 和 SDR 扩展。另一个基于 GNU Radio 但结合了 SoapySDR 框架的 SDR 开发生态系统是 Pothosware。
 
如果您计划在不构建具体设计的情况下尝试 SDR，可以马上开始使用SDR Console等众多免费的开源 SDR 应用。
 
Lime Microsystems 是基于 FPGA 的现场可编程射频 (FPRF) 收发器供应商，能够提供多个基于LMS7002 系列收发器 IC 的 SDR 平台。 LMS7002 是一款具有双收发器的高集成度 IC，可在 100 kHz 至 3.8 GHz 的频率范围内进行全双工操作。
 
该 IC 适用于从 SDR 原型设计、小型蜂窝基站、卫星通信网络到设计可重新配置的无线物联网网络等许多应用。图 4 展示了 LMS7002 的综合架构和核心功能特性。
 

图 4：Lime Microsystems LM7002 双射频收发器 IC 的功能模块架构。（来源：Lime Microsystems）

 
Lime Microsystems 采用了一种创新方法开发基于 LMS7002 系列的 SDR 平台，选择通过 Crowd Supply 为开发提供众筹资源。LimeSDR 迷你板集成了 LMS7002 和 Intel Altera MAX10 FPGA，能够在 USB加密狗PCB 上提供完整的 SDR 解决方案，参见图 5。
 

图 5：Lime Microsystems LimeSDR 迷你板。（来源：Lime Microsystems）

 
MyriadRF是一个在线社区，旨在鼓励将 LMS7002 系列用于开源硬件和软件 SDR 项目。它可提供对开发工具、资源和项目示例生态系统的访问。对于熟悉 Grove Studio 平台和 Raspberry Pi 的创新者和开发人员，LimeSDR 迷你板已经集成在CS-LIME-10 Grove入门套件。
 
Analog Devices 的ADALM PLUTO是一个独立的 RF 学习模块，它集成有 Analog Devices AD9363 RF 收发器 IC 和 Xilinx Zynq 7000 FPGA，通过USB 连接到主机，可在半双工或全双工模式下工作在 325 MHz 至 3,800 MHz 之间。PlutoSDR 的 SDR 开发支持包括 GNUradio、MatLab/Simulink 和 Pothosware等。
 

SDR的未来发展

在这篇简短的文章中，我们介绍了软件定义无线电的主题。对于嵌入式开发人员、模拟设计人员和射频工程师来说，这是一个令人兴奋的领域，可以学习新开发技能，并考虑开发无线系统的新方法。
 
我们提到了一些可能的应用案例，但 SDR 令人兴奋的部分是它能够立即重新配置。因而可以考虑如何将 RF 灵活性和敏捷性添加到设计中，您可以创建一个能够与 LoRa、蜂窝和 Wi-Fi 一起工作的灵活收发器，而不是受限于使用sub-GHz LPWAN LoRa等单一的RF 数据通信方法。SDR的灵活性有助于添加更多功能并减轻材料成本和相关组件采购挑战。想象一下，可以开发一个能够适应任何新无线协议的家庭自动化路由器，通过无线 (OTA) 升级，可以重新配置基于 SDR 的路由器，以充分利用从 5G 迁移到 6G等新的蜂窝基础设施。未来可能的应用案例可能需要更改路由器的天线和模拟前端。在设计的初始时期，诸如未来可能的工作频率和滤波要求等因素可能会影响前端设计，因此需要集成必要的功能。只有使用 SDR 才能实现这种高灵活性的无线通信设计，并同时保证面向未来和长期的客户安全性。