为您的应用选择正确的软件定义无线电解决方案

在数字电子技术蓬勃发展之后，软件定义无线电 (SDR) 成为无线电应用中流行的最先进技术，创造了一个不断扩大的利基市场。在 SDR 市场中，有种类繁多的产品，从面向消费爱好者的小型便携式设备到面向大型组织和关键应用的精确而坚固的设备。因此，通常会发现 SDR 从 USB 加密狗的大小到整个 SDR 机架的大小不等，通常其外形与性能成正比。此外，随着半导体技术的发展，电子元件现在更便宜、更小，这使得 SDR 产品的开发能够在性能、外形和成本之间取得最佳平衡。

在 SDR 领域，产品选择并不是一件容易的事，为了指导您做出这个决定，我们将讨论 SDR 的基本概念、应用、系统设计过程中的常见挑战以及正确的 SDR 如何解决这些问题。

什么是特别提款权?

长期以来，无线电通信由模拟电路主导。然而，模拟无线电在鲁棒性、集成度、灵活性、调制/解调和频率调谐方面非常有限。此外，模拟升级或修改只能通过更改硬件来执行，这通常意味着更换大量电路。数字技术的快速发展使得无线电可以由软件而不是模拟硬件来定义。现代 SDR 旨在实现高度的灵活性、稳定性和可配置性，使用现场可编程门阵列 (FPGA) 作为计算的核心。FPGA 允许在同一设备中实现不同的调制协议、带宽捕获、纠错、DSP 算法甚至人工智能，只需对设备重新编程即可定期进行升级。SDR 分为两个主要元素：无线电前端 (RFE) 和数字后端(图 1)。

图 1：SDR 架构的高级概述。

RFE 负责所有基本的模拟无线电功能，例如前置放大、混合和抗混叠或抗成像滤波。RFE 包含通过 SMA 连接器连接到天线或从天线连接的接收 (Rx) 和发射 (Tx) 通道。在高端 SDR 中，最先进的 RFE 可以在非常高的调谐频率范围和大的瞬时带宽内运行。Per Vices 的 Cyan SDR 等高性能 SDR 可以达到 3GHz 的瞬时带宽和高达 18GHz 的调谐频率，可以升级到 40GHz。Tx 和 Rx 通道都通过 ADC 和 DAC 与后端连接，一个 SDR 可以有多个独立的通道(最多 16 个)。

另一方面，数字后端执行操作所需的所有信号处理、生成、数据打包和流量控制以及应用级算法。它包含一个具有板载 DSP 功能的 FPGA，可与多个功能外设同步，例如时钟、电源控制器、ADC/DAC、通信接口和显示器。

特别提款权用户

考虑到上一节中描述的配置，市场上有种类繁多的 SDR 产品。这是因为每个组件根据性能、尺寸、成本和功能的不同而有很大差异。定义典型 SDR 性能的主要性能参数是：

RFE：调谐范围、RF 性能和通道数

ADC/DAC：采样率、位分辨率、线性度和噪声

时钟：延迟、稳定性、时钟频率

DSP：支持基本处理功能，例如乘法累加 (MAC)、浮点单元 (FUP)、调制、抽取和插值

软件支持：UHD、GNU Radio、Matlab、Python、C++

由于这种可能性的多样性，SDR 可以分为三大类：

爱好者级别的 SDR

中档性能 SDR

非常高端的性能 SDR。

随着小型而强大的商用现货 (COTS) 组件的发展，出现了第四类，它结合了中端设备的便利性和高端 SDR 的性能。

随着廉价且用户友好的数字平台的出现，爱好者级别的 SDR 在技术爱好者中变得流行。rtl-sdr.com等网站不断发布新的业余 SDR 项目，这些项目正在突破自制电子产品的界限。一些示例是业余射电天文学、VCR 解码和平面跟踪。这些项目中使用的 SDR 可能不是很强大，但这显示了可以使用 USB 加密狗大小的 SDR 完成的一系列应用。

另一方面，高端 SDR 在更关键和更精确的应用中实现，这需要昂贵的组件和软件。这些应用程序的一些示例是：

雷达：应用电磁辐射来定位和跟踪移动物体的位置、速度和角度。SDR 为不同的雷达应用提供了灵活性，例如通用脉冲雷达、合成孔径雷达 (SAR) 和多普勒雷达，以及与传统雷达技术的互操作性。需要强大且快速处理能力的雷达方法(例如 SAR)可以从 SDR 技术中受益匪浅。图 2 显示了 SAR 雷达的基本操作。

图 2：SAR 雷达运行示意图。

GPS/GNSS：发送/接收 GNSS/GPS 信号/数据和地面站跟踪。SDR 提供低延迟、准确度、精确度和高灵敏度以改善信号上行/下行。

低延迟链接：在高频交易 (HFT)、点对点链接和分布式网络中使用 SDR。在这些网络中，快速处理、低延迟和响应是必不可少的。

频谱监测和记录：用于监测限制区域的无线电活动，如监狱、军事设施和机场。也用于强制执行频谱政策和检测许可带宽的非法使用。在这些应用中，需要具有大带宽、大调谐范围、高吞吐量和出色分辨率的 SDR，以在大带宽上捕获任何给定频率的最弱信号。

医疗应用：一些医疗设备，例如 MRI、NMR 和生物阻抗仪器，需要 MIMO 波形生成和信号测量才能运行。SDR 可以作为这些系统中的基本单元来实现。像 Per Vices 的 Crimson TNG SDR 这样的 SDR 非常适合这些应用，它以小尺寸提供了运行频率高达 6.8 GHz 的四个通道。

5G网络：SDR既可以作为基站的一部分(接收和传输)，也可以作为电信新算法研究的一部分，为5G网络提供仿真或测试开发平台。

测试与测量：在此应用中，SDR 用于生成和测量射频以测试设备(在 EMI 和 RF 性能方面)和模拟电磁条件。必须实施具有高 RF 性能的 SDR 以确保精度和稳健性。为了测试灵活性，需要较大的调谐范围、带宽、通道数量和 DSP 资源。

自然，SDR 的等级将极大地影响其性能：成本低于 200 美元的 USB 加密狗与成本数万甚至数十万美元的精密设备之间存在巨大差距。首先，高端仪器会提供非常大的瞬时带宽，这需要非常快速的 ADC/DAC 进行信号转换。可配置性在高端设备中至关重要，因此使用支持自定义 DSP 的 FPGA，具有多个并行通道。为了管理智能电网和国防系统等应用中的海量数据，现代 SDR 需要高吞吐量数据链路：最高吞吐量的 SDR 使用 qSFP 端口和光缆收发器来传输高达 100Gbps 的数据。此外，只有在高端 MIMO SDR 中才能找到具有出色相位相干性和稳定性的多通道操作。

高性能 SDR 和业余爱好者 SDR 之间的其他区别包括极低的噪声系数、高 SFDR/动态范围、多个管理端口、大调谐范围、板载波形存储和高质量 RFE 组件。图 3 显示了使用顶级组件的高端 Tx/Rx 通道示例。

图 3：Tx/Rx 链包含高质量组件。

尽管市场更关注业余爱好者级别的 SDR 和顶级昂贵设备，但对介于两者之间、兼具高性能和实惠价格的仪器有着巨大的需求。此类可以称为最佳范围 SDR，以专为满足此需求而设计的 Per Vices 的 Chestnut SDR 等 SDR 为代表。Chestnut SDR 在 4 Rx/Tx 架构中提供高带宽、扩展的调谐范围和高数字吞吐量。图 4 显示了市场上三种典型 SDR 之间的比较。

图 4：各类 Per Vices SDR 的比较。

研发挑战

由于项目内部和外部的限制，研究人员和工程师通常很难开发 RF 系统。最典型和令人沮丧的障碍是缺乏资金。这个问题通常在政府实验室中遇到，这些实验室不鼓励开发新的专门的硬件和软件进行实验。此外，缺乏资金阻碍了现代高端设备的采购，因此工程师经常被过时的技术和旧设备困住以继续他们的项目。

另一个问题是所谓的 SWaP(尺寸、重量和功率)限制。例如，飞机上的雷达系统需要设计为在有限的电源、小尺寸和重量的情况下可靠运行，以便在不影响平衡和空间的情况下完成其功能。同样，用于电信的便携式设备和小型基站(例如 5G 网络)需要使用极低功率的无线电系统提供高数据吞吐量和低延迟。然而，设备的处理能力与功耗、尺寸和重量成正比，因此在 SWaP 合规性和性能之间存在很强的权衡。

不幸的是，高性能无线电应用需要强大的处理能力。这里的主要问题是高处理能力意味着昂贵的处理器。在高端射频应用中，有几个例子：SAR雷达需要在很短的时间内进行大量的信号处理(包括数据压缩和复杂的伪影调整算法)，波束成形/波束控制需要高度同步和独立的相位相干通道，以及频谱监测应用程序需要几乎实时处理大量数据。此外，系统可能需要能够改变安全性和功能性的处理方案，例如用于干扰预防的信道/频率跳跃和 GPS/GNSS 中的调制切换。

即使具有强大的嵌入式处理器，典型的台式计算机系统也可能无法处理某些应用程序中捕获的所有数据。在这种情况下，应该实现类似服务器的主机系统。然而，这引入了另一个问题：设计一个能够实时捕获、存储和处理数据的主机系统具有挑战性。在非常低延迟的应用程序中，这是非常有问题的，因为数据上溢和下溢很容易发生。

SDR 和自定义主机系统如何提供帮助

关于主机系统问题，可以开发定制系统以更好地符合极高实时数据捕获 SDR 应用程序。这通常涉及使用大量 NVMe 驱动程序、SD 卡、几 GB 的 RAM 和适当的网络接口卡 (NIC) 和/或基于 FPGA 的加速卡来构建类似服务器的主机系统。还有一些方法可以通过切换到实时操作系统 (RTOS) 或应用针对低延迟传输进行优化的 NIC，来减少 SDR 与主机系统到主机系统的光链路之间的延迟。在极端情况下，例如 HFT 网络，SFP+ 连接器可以设计为使用自定义接口协议。

由于 SDR 的几乎每个重要方面都由软件定义，因此集成解决方案也非常容易。例如，它们可以用作初步实验的模拟平台，因为它们能够在现场测试之前使用几种不同的协议和技术。此外，它们可以在不同的实验之间共享，因为 SDR 可以连接到网络，从而降低所有相关项目的成本。网络连接还有助于点对点链接的集成和同步，或使用 SDR 作为其他设备的外部参考。

SDR 也以模块化方式构建，这使得 SWaP 对预期应用更加灵活。在这种情况下，可以通过仅添加所需的外围设备、消除不必要的组件或将板重新定位到不同的机箱中来定制 SWaP，从而减少体积和重量。减少的 SWaP 提供的便携性使其能够运输到困难地区，例如天文台望远镜、山区天线和部署在航天器系统中，同时还可以作为此类应用程序中积累的数据的存储解决方案。

定制还可以更好地满足应用要求，例如，通过优化灵敏度和动态范围。此外，FPGA 可以随时重新配置其整个系统，使 SDR 可以使用不同的协议、算法、数据格式和波形运行，而无需任何硬件修改，使用可编程的内部逻辑块互连(图 5)。FPGA 还可以进行定制，以减少主机所需的处理量和内存。

图 5：FPGA 包含具有可编程互连的逻辑块和输入/输出块。

尽管 SDR 应用程序是基于代码的，但只需具备软件开发的基本知识即可配置和应用该设备。预先开发的代码示例对于开始使用您的 SDR 非常有用，并且可以使用 Python、C++ 和 GNU Radio 轻松编写更多自定义软件以实现各种功能。GNU Radio 还提供了多种 DSP 工具，用于测试和测量、调制/解调协议。图 6 显示了 PSK 解调)、纠错和频谱分析的实现。

图 6：GNU Radio 可用于 PSK 解调。

结论

选择正确的 SDR 和/或完整系统是充分利用基于 RF 的应用的基础。然而，此过程可能具有挑战性且成本非常高，但可负担得起的高性能 SDR 的可用性使此任务变得更容易。合适的 SDR 模型为所有应用程序类别提供解决方案，从技术爱好者到大公司，都具有最先进的性能 - 与能够为您的项目提供定制开发的供应商合作，让您更轻松地将设计从纸到现实生活。
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