如何實現(xiàn)軟件定義無線電動態(tài)范圍的最大化

摘要：本文回顧了軟件定義無線電發(fā)展，介紹了擴大軟件定義無線電的動態(tài)范圍的電路元件、計算和仿真工具，并重點關(guān)注ADC的性能和頻率規(guī)劃。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//wwW.eepw.com.cn/article/279224.htm

關(guān)鍵詞：軟件定義無線電（SDR）；動態(tài)范圍；信號；RF

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.8.014

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(shù)據(jù)速率、軟件可重新配置，并且其數(shù)字轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)Raytheon）公司在1984年構(gòu)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(fā)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(shè)計。1989年，Haseltine和Motorola ca.又為Rome AFB開發(fā)出了新的無線電產(chǎn)品Speakeasy。現(xiàn)代的示例包括衛(wèi)星和地面無線電、軍事聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（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(shù)字轉(zhuǎn)換和信號處理正常工作，應該具有線性時不變系統(tǒng)，但實踐得出，將模擬片段放在一起后就需要一連串的妥協(xié)。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(tài)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(guī)則。

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

因此，在開始設(shè)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7

·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(chǎn)生問題？

·您使用的是什么架構(gòu)？

零中頻、單通道、雙通道或三通道轉(zhuǎn)換。您目前如何生成正交信號？

在模擬還是數(shù)字（IF采樣）域中？

選擇ADC本身就值得討論。ADC的動態(tài)范圍可確定系統(tǒng)架構(gòu)（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(shù)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(tǒng)成為線性時不變系統(tǒng)，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(tài)范圍，以支持信號衰落和AGC響應時間。

那么，多大的動態(tài)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(shù)字組合）測試頻帶最寬的信號，行業(yè)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言號進行正交采樣。一些應用程序需要更小的動態(tài)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(shù)字下變頻器來調(diào)低其基帶頻率。

ADC的動態(tài)范圍是模擬和數(shù)字濾波之間的基本權(quán)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(shù)字轉(zhuǎn)換以保持線性系統(tǒng)。但是，模擬濾波并不是理想的方式，它可能會出現(xiàn)群延遲和相位。在系統(tǒng)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(lián)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(shù)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(tài)范圍以支持信號和干擾信號。

孰優(yōu)孰劣似乎顯而易見，但您必須將接收器設(shè)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(jié)合到ADC的裕量中，也就是說，允許特定數(shù)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(xiàn)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(huán)境條件而導致的。除此之外，您還需要考慮解調(diào)C/N比、鄰道和相間通道干擾信號以及全雙工系統(tǒng)中可能出現(xiàn)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10dB，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(shù)字轉(zhuǎn)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(shù)，但必須能支持更大的干擾信號。它們通常在不受控的環(huán)境中使用，其AGC可作用于更窄的通帶中的信號。

在為接收器設(shè)計設(shè)置級聯(lián)噪聲系數(shù)和截距模型時，您實際上需要為系統(tǒng)建模三次：一次針對最小信號電平，即最大增益下的AGC關(guān)閉電平；第二次針對最大信號電平，即最大增益衰減下的AGC開啟電平：最后一次針對接收器的標稱輸入電平。您還需要在所有三種模型中考慮交調(diào)效應。幸運的是，ADI的ADISIMRF（圖1）等免費工具將助您一臂之力：這類工具通常內(nèi)置適用于RF增益塊、混頻器、衰減器、巴倫、濾波器和高速轉(zhuǎn)換器的模型庫。

頻率規(guī)劃是另一項需要廣泛研究的有趣課題。您不僅需要為每個混頻器（圖2）制作一個混頻器表，而且可能還希望為發(fā)射路徑制作一個類似的DAC表。此外，您還需要考慮在哪個奈奎斯特頻率區(qū)域使用轉(zhuǎn)換器（ADC或DAC）。系統(tǒng)時鐘通常是幀速率的倍數(shù)（這就是1.2288 MHz和13MHz的倍數(shù)之所以常見的原因）。幸運的是，您可以使用足夠高的頻率（諧波不在頻帶范圍內(nèi)或目標信號上）。您需要通過精心挑選系統(tǒng)時鐘、中頻和本振（LO）頻率來最大程度地減少內(nèi)外部干擾，因為這些頻率將與無法預見的后果混合。

針對級數(shù)和功能類型（濾波器、混頻器、放大器等）設(shè)置了級聯(lián)噪聲系數(shù)和截距模型后，就需要執(zhí)行一些端計算。

例如，您首先需要使用以下等式計算ADC的噪聲系數(shù)（NF）：NF=Prs+174dBm-SNR-IOIog1oB（at300°K）其中prs是ADC的滿量程輸入功率（以dBm單位）PFS（dBm）=10log10 [PFS（mW）/1mW]

NR是ADC的信噪比（以dB為單位），以及B是要進行數(shù)字轉(zhuǎn)換的帶寬，需要考慮輸入濾波器的噪聲帶寬（圖3）。

請注意，如果您希望將所需信號加上干擾信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換以濾除數(shù)字域中的干擾信號，此帶寬可能比信號帶寬更寬。

幸運的是，您可以通過對輸入信號過采樣來提高ADC的噪聲系數(shù)。在這種情況下，計算噪聲系數(shù)的等式將變?yōu)椋篘F=PFS+174dBm-SNR-10log10B-10logl0[fs/2B]

其中，fS是采樣時鐘，B仍然是信號帶寬（或要進行數(shù)字處理的帶寬）。一些IF采樣ADC（如AD9874和AD9864）會在帶通∑一△架構(gòu)中使用過采樣和噪聲整形。這些ADC實際上是完整的IF子系統(tǒng)，接受IF輸入并提供接近100 dB的SNR，以及在輸出時抽取的16或24位I和Q數(shù)據(jù)。

過采樣并不是改善ADC噪聲系數(shù)的唯一途徑。您也可以使用變壓器在“無噪聲”增益下提高ADC的輸入電壓，如圖4所示AD6645。

您需要完成的最后一個端計算是針對轉(zhuǎn)換時鐘的。具有（或缺乏）生成低抖動時鐘的能力是針對高動態(tài)范圍的接收器未在天線中放置ADC的原因所在，我們將在下面對此進行介紹。計算ADC理論上的SNR（作為時鐘抖動的函數(shù)）的等式為：SNR=20log1012πftj其中F是正在采樣的頻率（以Hz為單位）和tj是時鐘抖動（以秒為單位）或者，給定所需的SNR（以dB為單位）和最大輸入頻率f（以Hz為單位）tj=1/（2πfl0-20）

例如，在進行IF采樣時，如果您希望在IF為240 MHz時對20 MHz寬的信號采樣，則頻率最高的采樣元件將是IF加上信號帶寬的一半（或250MHz）。SNR為80 dB，最大輸入頻率為250 MHz時，可通過求解得出最大時鐘抖動為63.66 fs。您可以仿真PLL/VCO的性能，并使用以下網(wǎng)址提供的ADISIMPLL和ADISIMCLK等免費工具計算各類環(huán)路濾波器以及電路配置的抖動：www.analog.com。借助這些工具，您可以優(yōu)化環(huán)路濾波器的設(shè)計以獲得最佳相位噪聲，進而最大程度地減少抖動，這種做法的代價是會增加濾波器的建立時間，但這對高速ADC的固定頻率時鐘來說通常不是問題。