軟件無(wú)線電離我們還有多遠(yuǎn)

正如電子設(shè)備中的幾乎所有元件一樣，射頻電路正在演變成通過(guò)少量射頻I/O電路進(jìn)行通信的處理器和軟件。因此軟件無(wú)線電(SDR)的興起就不足為奇了。

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)是SDR的核心，隨著更快的ADC和DAC以及處理器的出現(xiàn)，SDR開(kāi)始適用于更多的應(yīng)用。簡(jiǎn)言之，隨著軟件的數(shù)字處理功能越來(lái)越強(qiáng)，硬件的空間正在繼續(xù)受到擠壓。

SDR最早出現(xiàn)在軍用設(shè)備中，但現(xiàn)在也已被用于大多數(shù)的手機(jī)設(shè)計(jì)。SDR也非常適合未來(lái)的公共安全通信，因?yàn)樗峁┝艘环N可以處理災(zāi)難事件中首個(gè)響應(yīng)設(shè)備所使用的大量空中接口和頻譜的方法。

SDR的定義

根據(jù)SDR論壇和IEEE，“軟件無(wú)線電指任何無(wú)線電設(shè)備(如發(fā)射機(jī)或接收機(jī))，其中一部分或全部物理層功能是用軟件實(shí)現(xiàn)的?！边@意味著其核心硬件將是一個(gè)運(yùn)行軟件的處理器，它能夠仿真硬件功能。因此信號(hào)必須是數(shù)字的。

接收機(jī)必須首先用ADC將無(wú)線信號(hào)數(shù)字化。在大多數(shù)情況下，需要用下變頻器將通常處于微波范圍的甚高頻信號(hào)向下轉(zhuǎn)換成適合典型ADC輸入范圍的中頻(IF)信號(hào)。

目前許多SDR接收機(jī)直接將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。一旦ADC將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式后，處理器和軟件就可以緊接著進(jìn)行處理了。DSP軟件通常可以實(shí)現(xiàn)濾波、噪聲抑制和解調(diào)等接收機(jī)功能。

數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生發(fā)送信號(hào)，它可以采用任何一種調(diào)制方法，然后用一個(gè)快速DAC將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。接下來(lái)一個(gè)上變頻電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成最終更高工作頻率的信號(hào)，并送至功放和天線。處理器使用DSP執(zhí)行調(diào)制、濾波和以前用模擬電路實(shí)現(xiàn)的其它功能。

使用SDR的最常見(jiàn)理由是靈活性，或其根據(jù)變化的無(wú)線電環(huán)境進(jìn)行改變或調(diào)整的能力。借助SDR，你可以用同樣的射頻電路適應(yīng)幾乎所有的調(diào)制方案，而不用增加任何硬件。你所需要做的全部工作只是下載一個(gè)新的軟件模塊，然后你就能立馬擁有一臺(tái)新的無(wú)線電設(shè)備。

多種調(diào)制子程序可以共存在軟件代碼中，這使得運(yùn)營(yíng)商可以實(shí)現(xiàn)在線修改。一個(gè)靈活的空中接口和很寬工作頻率范圍使得同一無(wú)線電設(shè)備能夠完成許多不同的任務(wù)。這也是軍方為何對(duì)SDR如此感興趣的原因所在。一個(gè)無(wú)線電臺(tái)可以與許多不同源和終端進(jìn)行通信，這肯定有助于降低成本和減少所需無(wú)線電臺(tái)的數(shù)量。

另外，SDR還能提高無(wú)線電設(shè)備的性能。例如，DSP濾波器與電感-電容(LC)或晶體濾波器相比，選擇靈敏度要好許多倍。磚墻式濾波器也已成為現(xiàn)實(shí)?；フ{(diào)問(wèn)題可以顯著減輕，自動(dòng)增益控制(AGC)和噪聲抑制等性能也可以比模擬電路高出許多倍。

在業(yè)余無(wú)線電臺(tái)領(lǐng)域，無(wú)線電愛(ài)好者要求最佳的性能和最大的靈活性，而SDR正好可以滿(mǎn)足他們的這種需求。無(wú)線電愛(ài)好者們會(huì)在多個(gè)波段中使用多種通信模式。連續(xù)波或CW(摩爾斯電碼)、AM、FM、單邊帶(SSB)、雙邊帶(DSB)、無(wú)線電傳打字機(jī)(RTTY)和分組數(shù)據(jù)只是1800kHz到10GHz波段中使用的幾種方案。

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由于業(yè)務(wù)無(wú)線電波段沒(méi)有分頻道，因此任何電臺(tái)都可以在任何頻率上工作，使得干擾和緊鄰電臺(tái)成為需要克服的巨大挑戰(zhàn)。先進(jìn)DSP濾波對(duì)大多數(shù)業(yè)余無(wú)線電通信來(lái)說(shuō)是一個(gè)真正的福音。雖然SDR通常成本較高，至少目前是這樣，但由于它擁有上述優(yōu)點(diǎn)，因而成為業(yè)務(wù)無(wú)線電愛(ài)好者們的優(yōu)選方案。

不過(guò)，區(qū)分SDR和軟件控制的無(wú)線電之間的差異很重要。軟件控制的無(wú)線電通常不涉及常見(jiàn)的SDR方法，除了有限地使用DSP中頻濾波以外。相反，它是典型的計(jì)算機(jī)控制的接收機(jī)。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有許多種軟件控制的無(wú)線電臺(tái)，它們使用PC并通過(guò)圖形用戶(hù)界面(GUI)控制所有或大部分接收機(jī)功能。這些GUI模仿了接收機(jī)前面板上的調(diào)諧度盤(pán)、S計(jì)、旋鈕和開(kāi)關(guān)。通過(guò)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊，用戶(hù)可以改變頻率、選擇波段和模式、增加音量，并執(zhí)行通常用前面板按鈕或旋鈕完成的其它操作。

如今PC已經(jīng)非常普及，因此很容易從傳統(tǒng)的旋鈕、開(kāi)關(guān)和LCD閱讀前面板過(guò)渡到用鼠標(biāo)點(diǎn)擊方法操作的虛擬前面板。Ten-Tec公司的RX-320D和AOR公司的SR2200就是目前已經(jīng)上市的軟件控制無(wú)線電臺(tái)的兩個(gè)例子。

SDR業(yè)余無(wú)線電臺(tái)設(shè)備

業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者對(duì)SDR的青睞已經(jīng)有十多年了。這些無(wú)線電臺(tái)發(fā)燒友從20世紀(jì)早期就開(kāi)始自己制作各種硬件，其中就包括了90年代晚期的一些SDR。但SDR非常復(fù)雜和昂貴，因此僅限于既有技術(shù)又有資金的那些愛(ài)好者把玩。

直到最近也只有少量商用的SDR產(chǎn)品推出。1998年推出的Kachina 505DSP是在PC上使用虛擬前面板的首個(gè)產(chǎn)品。雖然不是完全的SDR，但它確實(shí)使用了DSP實(shí)現(xiàn)次級(jí)中頻濾波。505DSP沒(méi)有持續(xù)多久，它不是一個(gè)成功的商用案例，但它確切地表明了什么可以實(shí)現(xiàn)，并為其它努力打下了基礎(chǔ)。

業(yè)務(wù)無(wú)線電SDR的重大突破出現(xiàn)在2002年。Gerald Youngblood(K5SDR)為美國(guó)無(wú)線中繼同盟(ARRL)撰寫(xiě)了SDR基礎(chǔ)系列文章的首篇，文章介紹了名為SDR-1000的完整SDR收發(fā)機(jī)的構(gòu)建。最后還促成他成立了FlexRadio Systems公司，并將SDR-1000生產(chǎn)為商用產(chǎn)品。

SDR-1000是一個(gè)真正的SDR產(chǎn)品，它采用直接變頻技術(shù)，并利用DSP實(shí)現(xiàn)濾波、調(diào)制/解調(diào)和軟件控制。它還采用PC聲卡實(shí)現(xiàn)ADC/DAC，具有完整的虛擬前面板功能。PC執(zhí)行所有的DSP功能。SDR-1000直到最近才取得了成功商用。雖然目前還對(duì)該產(chǎn)品提供支持，但更重要的是，在該產(chǎn)品基礎(chǔ)上FlexRadio公司推出了最新產(chǎn)品FLEX-5000A。

正如你從將來(lái)其它制造商那里看到的那樣，F(xiàn)LEX-5000是一款非常成熟的SDR收發(fā)機(jī)產(chǎn)品(圖1)。它遵循SDR-1000設(shè)計(jì)并進(jìn)行了改善。特別是它取消了PC聲卡，增加了自己的ADC和DAC。PC仍然處理DSP、接收機(jī)控制和顯示功能，并通過(guò)IEEE 1394火線接口與無(wú)線電臺(tái)通信。

FLEX-5000A非常神秘，可能是目前最強(qiáng)大的實(shí)用業(yè)余無(wú)線電收發(fā)機(jī)。它覆蓋了從1800kHz到54MHz(160、80、40、30、20、17、15、10和6米)所有的業(yè)余波段。另外，它實(shí)際上能工作在所有常規(guī)的業(yè)余無(wú)線模式，包括CW、AM、SSB、DSB、FM和RTTY，以及多種數(shù)字分組模式(如PSK31)。它的直接變頻接收機(jī)具有獨(dú)特的前端功能(圖2)。

發(fā)射機(jī)可以在所有波段輸出100W的射頻功率。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的諧波和邊帶抑制、三階互調(diào)失真、靈敏度和圖像抑制性能都是世界一流的。令人印象深刻和靈活的開(kāi)關(guān)矩陣允許三幅天線中任一幅連接到兩個(gè)可能的接收機(jī)或發(fā)射機(jī)中的任意一個(gè)。 [!--empirenews.page--]

連接天線的輸入端采用了一個(gè)低噪聲放大器(LNA)以及為每個(gè)主要業(yè)余頻段準(zhǔn)備的輸入帶通濾波器(BPF)組。在LNA后有一個(gè)低通濾波器(LPF)用作平滑濾波器。輸出信號(hào)再送到正交開(kāi)關(guān)檢波器(QSD)。雖然大多數(shù)接收機(jī)中的第一級(jí)電路是傳統(tǒng)的混頻器，但FLEX-5000A使用了一個(gè)獨(dú)特的開(kāi)關(guān)電路，即以發(fā)明者Dan Tayloe名字命名的Tayloe檢波器(N7VE)(圖3)。

該電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)1比4的MOSFET開(kāi)關(guān)型多路分接器，四個(gè)輸出端各配有一個(gè)電容。分接開(kāi)關(guān)以四倍于目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)頻率的速度進(jìn)行切換。驅(qū)動(dòng)源的輸出電阻和開(kāi)關(guān)電容形成了一個(gè)選擇性的帶通濾波器。開(kāi)關(guān)速率決定了濾波器的中心頻率，濾波器帶寬則是電阻和電容值的函數(shù)。

但更重要的是，在采樣輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)相互間有90°的相移。組合低噪聲運(yùn)放中的輸出信號(hào)將產(chǎn)生大家熟悉的基帶同步(I)和正交(Q)信號(hào)，并使得Tayloe檢波器成為一個(gè)直接變頻電路。有了I/Q信號(hào)后，任何類(lèi)型信號(hào)的解調(diào)都有了可能。

I和Q信號(hào)再發(fā)送給24位的sigma-delta ADC。ADC的采樣率可以在192、96或48ksamples/s之間選擇。ADC輸出通過(guò)火線接口進(jìn)入PC。音頻編解碼器從PC接收經(jīng)過(guò)解調(diào)、濾波和其它處理后的信號(hào)，然后送到音頻放大器、揚(yáng)聲器或耳機(jī)。

Tayloe檢波器的本地振蕩器信號(hào)來(lái)自直接數(shù)字合成器(DDS1)，而DDS1的輸入來(lái)自10MHz溫補(bǔ)晶振(TCXO)，該晶振負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)帶500MHz壓控晶振(VXCO)輸出的鎖相環(huán)(PLL)。DDS1振蕩器可以按最小1Hz的步距將接收機(jī)設(shè)置到任一頻率。

與主接收機(jī)相同但獨(dú)立于主接收機(jī)的第二個(gè)接收機(jī)可以作為附件安裝。另外還使用了一個(gè)獨(dú)立的本地振蕩器(DDS2)。對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，來(lái)自麥克風(fēng)的音頻(AF)輸入信號(hào)在編解碼器和PC中數(shù)字化以便于調(diào)制。編解碼器中產(chǎn)生的信號(hào)再經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換I和Q信號(hào)。正交開(kāi)關(guān)激勵(lì)器(QSE)用作調(diào)制器。

在經(jīng)過(guò)放大和低通濾波后，信號(hào)被送至最后的功放(PA)，這是一個(gè)輸出功率達(dá)100W的推拉式MOSFET管AB類(lèi)放大器。信號(hào)在送至開(kāi)關(guān)矩陣和天線之前還要再經(jīng)過(guò)一次低通濾波以清除諧波分量。DDS1決定了發(fā)射機(jī)的頻率。

雖然FLEX-5000A的硬件令人印象深刻，但它的PowerSDR軟件才是真正的功臣。PowerSDR軟件負(fù)責(zé)執(zhí)行所有的DSP功能，并實(shí)現(xiàn)前面板和所有其它無(wú)線電臺(tái)控制(圖4)。該軟件采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，是完全開(kāi)放源碼的軟件，可從www.flex-radio.com免費(fèi)下載。眾多有著高度興趣和高超技術(shù)的SDR專(zhuān)家負(fù)責(zé)該軟件的維護(hù)和升級(jí)。另外，該軟件可以在Windows XP或Vista下運(yùn)行。能夠在Mac或Linux機(jī)器上運(yùn)行的通用版本正在開(kāi)發(fā)中。

接收機(jī)的本地振蕩器頻率顯示區(qū)位于PC視頻顯示屏的頂部，上面顯示了接收機(jī)和發(fā)射機(jī)頻率以及第二臺(tái)接收機(jī)頻率(如果安裝了的話)。真正令人感興趣的內(nèi)容顯示在PC屏幕的中間，這就是所謂的掃調(diào)附加器顯示區(qū)，上面顯示了正在接收的波段。該波段的寬度等于接收機(jī)ADC采樣速度的一半。