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软件无线电SDR:今天的神话,明天的现实?

 摘 自: 电子工程专辑发布时间: 2006-3-2 17:08:34
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利用软件定义无线电(SDR)技术可使无线服务提供商降低运营成本,有效支持额外的服务如视频和照相手机,而且通过传输以前需由多种独立技术支持的数据流量,SDR可提高运营商的收入,因此这项技术已越来越受人瞩目。

良好设计的SDR将有可能缩短新服务或新功能的上市时间。SDR对无线业的这种潜在影响具有重要的意义,虽然五年前SDR还仅仅是在一小群RF设计人员中流行的术语,今天却已成为一项关键性的技术。

SDR不仅影响消费类无线设备及其支持网络,还影响政府、军队、公共安全以及无线运营商。SDR论坛的成员数量现已超过100位。SDR的商业运用已被接受,而且商业技术领袖正纷纷在无线平台上部署SDR——蜂窝电话可能首当其冲。

美国联邦通信委员会(FCC)对SDR的描述惊人地简单:“在一个SDR中,以前完全在硬件中执行的功能,比如发射信号的产生以及接收到的无线信号的调谐和检测等,现在则利用软件控制高速信号处理器来实现。”

类似地,SDR论坛把SDR设备定义为一个“工作与载频无关的设备,并可以在各种传输协议环境内运行。”

在架构上,这些定义意味着收发器将只在数字域中执行基带与RF之间的上/下变频转换,从而减少到发射信道功放的RF接口和用于接收路径的低噪声放大器(LNA),并最小化模拟滤波过程。

该论坛根据灵活性和能力水平定义了不同级别的SDR设备。0级设备指硬件无线电(HR),在硬件中执行所有的无线电功能,任何功能变化都要求用物理手段实现。所有无线电都能够进行调谐以选取特定(有限制的)频率范围,而改变这种调谐需要一定时间。传统上,在无线电硬件中定义了这些调谐特性,目的是使这些特性可编程化。

1级设备指软件控制无线电(SCR)。在这个层面的SDR,只有控制功能是用软件实现的。对于给定的调制标准,基带处理和无线电前端是固定的。它利用同一个设备中的多个收发器来支持多种标准,而软件负责控制哪一个收发器被激活。该类设备的一个例子是同时支持CDMA与GSM的双模手机。

可重配置SDR被称作2级SDR,是SCR自然发展的结果,目前在基站应用中很普遍。这些设备采用软件来控制各种不同的调制技术、宽带和窄带的运行、安全以及现有和变化中的标准在宽泛频率范围上的波形要求。人们谈到SDR时,一般指的是2级设备。

理想的软件无线电被称为3级无线电,包括2级可重配置SDR的所有功能,但免去了在数模转换之前的模拟放大或外差混频。在蜂窝手机的例子中,可编程性扩展到整个系统,所有的模拟转换都发生在天线、扬声器和麦克风上。

从长远来看,产业的未来走势是推出3级无线电,为此我们必须确定今天的SDR和3级无线电技术之间的差距。这就要求定义一些测量标准。标准之一是RF电路的复杂性。RF/模拟功能越多,SDR的灵活性越小,而RF/模拟电路越简单,SDR灵活性越大。一种潜在的更有效的标准是通过数字化RF/模拟领域中典型的信号处理功能,把无线电的可重配置性特征化。

SDR技术可被视作下一代RF系统的推动力。对于今天的SDR应用,很大一部分的计算能力都源于基带处理设计的提高、更快速的接口总线和工艺节点的先进性。软件无线电目前仍然被瞄准特殊频带和波形的专用RFIC所限制。为了实现低成本解决方案,数字功能必须利用最新的深亚微米CMOS技术工艺节点,如130纳米、90纳米和未来的65纳米。

为了提供所需的动态范围和功率,RF和模拟电路需要的电源电压比深亚微米CMOS技术所能支持的更高。由于数字处理中的电源电压下降到1.5V及以下,阈值电压大约为600mV,几乎没有什么净空间可以用来进行模拟领域的重要信号处理。随着数字处理向最新工艺节点转移,成本被降低,功能密度得以提高,但另一方面仍停留在较早工艺节点上的模拟和RF功能相对落后,因而降低了系统集成度,增加了系统成本,减少了SDR性能。

TI无线模拟技术中心的Bogdan Staszewski表示:“在以深亚微米CMOS工艺设计高度集成的RF电路时,我们面临着一种跳跃式转变,即数字信号边缘转换的时域分辨率优于模拟信号的电压分辨率。”

TI已在其新的数字无线电处理器架构中广泛利用这种转变。该公司利用这种工艺在转换速度和逻辑密度上的优势,已创建一种设计,可弥补现代数字工艺节点在模拟和RF功能方面的弱点。传统的模拟和RF功能正在移植到数字域,以提高集成度,降低系统成本,最终实现2级和超越SDR的能力。这些进步以及在软件可调/可配置性RF技术方面的进步将带来真正具成本效益的前端设计。到那时,SDR的商业化将真正开始。

当前,商用SDR技术主要使用在基站系统中,直到最近才开始开发面向蜂窝手机市场的SDR技术。通过采用数字逻辑实现传统的模拟功能,SDR可以解决蜂窝手机中与RFIC设计有关的性能和成本挑战,并满足在裸片上包容更多功能的要求。对于这类设计,关键的考量因素从性能与设计成本转向了灵活性、小外形尺寸以及产品差异性。虽然相关工作不断取得进展,但要获得实际可行的商用2级和3级SDR系统还需几年时光。

如果距SDR的广泛应用尚有段时间,为什么我们已经听到有关感知无线电(CR)的话题呢?一般认为,CR是一种能适应频谱环境和用户行为的无线电系统,它通过正确选择无线电接口、信道、数据速率等为用户应用提供最大的数据吞吐量。另一方面,SDR是一种只适应网络环境的无线电系统。

今天,采用同一个无线电,你不能同时利用2.4GHz和5GHz的WLAN信号,除非你实现两个单独的无线路径来处理各自的波形。假设SDR技术将在今后几年内解决这一问题,则下一个技术难点就是找到一个能动态接收或自动发射不同类型波形的SDR解决方案,使它能自适应于本地环境并搜索可用于通信的开放频率。为此,感知无线电成为学术及研发界的重要课题。

 
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