概念和架构

在本章中,我们将介绍SDR的一般架构、主要组件以及它们的处理要求。如前一节所述,SDR由于其灵活性和可编程性在无线标准开发中发挥着至关重要的作用。这是因为大多数数字信号处理和数字前端(包括信道选择和调制/解调)都发生在数字领域中。这通常在处理器上运行的软件中执行,比如通用CPU和DSP。当然,它也可以在可编程硬件上运行,即FPGA。一般来说,从发射机的角度来看,需要产生基带波形,然后是中频(IF)波形,产生射频(RF)波形,然后通过天线发送。从接收机的角度来看,射频信号被采样和调制,然后解码。为了提供更多的细节,我们对系统的接收端进行了如下的研究。

基于GPP 的SDR

异构器件互联示意

上图所示是SDR的架构。子图(a)表示接收机角度的SDR,子图(b)表示发射机角度的SDR。

来自天线的RF信号在调谐RF阶段通过放大器将一定频段放大。然后将放大的RF信号转换为模拟IF信号。模拟-数字转换器(ADC)将这种IF信号数字化成数字样本。接着,被送入变频级。变频器的另一个输入来自调谐控制设定频率的本地振荡器。 然后,变频器将输入信号转换为基带。下一阶段基本上是一个FIR滤波器,只允许有一个信号。该滤波器限制了信号带宽,并充当一个低通滤波器。为了完成上述任务,数字下变换器的硬件中包括了大量的乘法器、加法器和移位寄存器。接下来,信号处理阶段执行诸如去调制和解码等任务。这一阶段通常由专用硬件处理,如应用专用集成电路(ASIC)或其他可编程的备选方案,如FPGA或DSP。

如图1(a)和(b)所示,在较高的级别上,典型的SDR收发机由以下组件组成:信号处理、数字前端、模拟RF前端和天线。

  • 天线:SDR平台通常采用多个天线覆盖宽频带。天线通常被称为“智能”或“智慧”的,因为它们能够选择频带并适应移动跟踪或干扰消除。在SDR情况下,天线需要满足一定的要求,如自适应(即调优到多个波段的灵活性)、自动调准(即波束成型的能力)和自愈(即抗干扰能力)。

  • RF前端:这是一个RF电路,其主要功能是在不同的工作频率上发送和接收信号。它的另一个功能是改变信号为中频(IF)/从中频(IF)。根据信号的方向(即TX或Rx模式),操作过程分为两部分:

    • 在发射路径中,数字采样被DAC转换成模拟信号,然后由DAC反馈给RF前端。该模拟信号与预设的RF频率混合,调制,然后发送。
    • 在接收路径中,天线捕获RF信号。天线输入端使用匹配电路连接到RF前端,以保证最佳信号功率传输。然后,它通过位于天线附近的低噪声放大器(LNA)来放大微弱信号和最小化噪声电平。这种放大后的信号,加上本地振荡器的信号,被送入变频器,以便向下转换为IF。
  • ADC和DAC:如上一节所述,DAC负责产生从数字样本发送的模拟信号。在接收端,配有ADC,这是无线电接收机中必不可少的组成部分。ADC负责将连续时间信号转换为离散的二进制编码信号。ADC的性能可以用各种参数来描述,包括:

    • 信噪比(SNR):输出信号功率与噪声功率之比
    • 采样精度:每个样本的位数
    • 无杂散动态范围(SFDR):载波信号与次强噪声分量或杂散的强度比,以及(Iv)功耗。SDR发展的进步为ADC性能的改善提供了动力。例如,由于ADC的功耗会影响电池驱动的SDR使用寿命,因此开发出了更节能的ADC。
  • 数字前端:数字前端有两个主要功能:

    • 采样率转换(SRC),这是将采样从一种速率转换到另一种速率的功能。十分必要的,因为通信双方必须同步。
    • 信道化,包括发射机和接收端的上/下转换。它还包括信道过滤,即提取按频率划分的信道。例如,内插滤波器和低通滤波器,在SDR收发机中的图所示,在数字前端执行下列任务:

    • 在发射端(图1(a)),数字上变频器(DUC)将上述基带信号转换为IF。然后连接到DUC的DAC将数字IF采样转换为模拟IF信号。最后,RF上变频器将模拟IF信号转换为RF频率。

    • 在接收端(图1(b)), ADC将IF信号转换为数字样本。这些样本随后被送入下一个模块,即数字下变频器(DDC)。DDC包括一个数字变频频器和一个数字控制振荡器。DDC从ADC中提取基带数字信号,经数字前端处理后,将该数字基带信号转发给高速数字信号处理模块。
  • 信号处理:在该模块中执行信号处理操作,如编码/解码、交织/解交织、调制/解调以及扰码/解扰。信道的编码用作纠错码。具体而言,编码信号包括由接收机解码器用于从已损坏的接收信号中重构原始信号的冗余。纠错码包括卷积码、Turbo码和低密度奇偶校验码(LDPC)。由于数据传输和存储方案,解码器构成信号处理块中计算最密集的部分。作为调制相位的一部分,第二部分被认为是高度复杂和昂贵的(就面积和功率而言)是快速傅立叶变换(FFT)和反FFT(IFFT)。

信号处理块通常称为基带处理块。在讨论SDR时,基带块是讨论的核心,因为大部分数字域都由基带块构成。实现运行在能够有效处理信号的硬件电路之上。像ASIC,FPGA,DSP,GPP和GPU。实现的第二部分是软件,它提供了执行信号处理操作的功能和高层抽象。

在下一篇中,我们将对上述硬件平台进行详细的分析,并分析各种设计方法。