如何選擇合適的軟體無線電解決方案

作者 : Brendon McHugh,Per Vices現場應用工程師和技術作家、Kaue Morcelles,Embedded特約作者、電氣工程師

隨著半導體技術的發展,電子元件現在更便宜、更小,這使得SDR產品的開發能夠在性能、外形和成本之間取得最佳平衡…

數位電子技術繁榮之後,軟體定義無線電(SDR)成為無線電應用中流行的最先進技術,從而創造了一個不斷擴大的利基市場。在SDR市場中,有各種各樣的產品,從針對消費愛好者的小型可攜式裝置,到大規模和關鍵應用的精密設備和堅固耐用設備。因此,通常會發現SDR大小不等,小到USB dongle大小,大到整個SDR機架那麼大。通常,其形狀因數與性能成正比。此外,隨著半導體技術的發展,電子元件現在更便宜、更小,這使得SDR產品的開發能夠在性能、外形和成本之間取得最佳平衡。

在SDR領域,產品選擇並不是一件容易的事,為了指導讀者做出這個決定,本文將討論SDR的基本概念、應用、系統設計過程中的常見挑戰,以及正確的SDR如何解決這些問題。

什麼是SDR?

長期以來,無線電通訊一直由類比電路主導。然而,類比無線電在強健性、整合度、靈活性、調變/解調和頻率調諧方面非常受限。此外,類比升級或修改只能透過更改硬體來執行,這通常意味著更換大量電路,數位技術的快速發展使得無線電可以由軟體而不是類比硬體來定義。現代SDR旨在實現高度的靈活性、穩定性和可配置性,使用FPGA作為運算的核心。FPGA允許在同一設備中實現不同的調變協議、頻寬擷取、糾錯、DSP演算法甚至人工智慧(AI),只需對設備重新程式設計即可定期進行升級。SDR分為兩個主要元素:無線射頻前端(RFE)和數位後端(圖1)。

 

圖1:高階概括的SDR架構。

(來源:Per Vices)

 

RFE負責所有基本的類比無線電功能,例如前置放大、混頻和抗混疊或抗成像濾波。RFE包含透過SMA連接器連接到天線的接收(Rx)通道和發射(Tx)通道。在高階SDR中,最先進的RFE可以在非常高的調諧頻率範圍和很寬的暫態頻寬內運作。例如,Per Vices的Cyan SDR等高性能SDR可以達到3GHz的暫態頻寬和高達18GHz的調諧頻率,可以升級到40GHz。Tx和Rx通道都透過ADC和DAC與後端連接,一個SDR可以有多個獨立的通道(最多16個)。

另一方面,數位後端執行所需的所有訊號處理、生成、資料打包和流量控制以及應用級演算法。它包含一個具有板載DSP功能的FPGA,可與多個功能周邊同步,例如時脈、電源控制器、ADC/DAC、通訊介面和顯示器。

軟體無線電應用領域

考慮到上面描述的配置,市場上有種類繁多的SDR產品。這是因為每個元件根據性能、尺寸、成本和功能的不同而有很大差異。定義典型SDR性能的主要性能參數是:

  • RFE:調諧範圍、RF性能和通道數;
  • ADC/DAC:取樣速率、位元解析度、線性度和雜訊;
  • 時脈:延遲、穩定性、時脈頻率;
  • DSP:支援基本處理功能,如乘法累加(MAC)、浮點單元(FUP)、調變、抽取和插值;
  • 軟體支援:UHD、GNU Radio、Matlab、Python、C++。

由於這種可能性的多樣性,SDR可以分為三大類:

  • 愛好者等級的SDR
  • 性能中階的SDR
  • 性能非常高階的SDR

隨著小型的但功能強大的商用現貨(COTS)元件的發展,出現了第四類,這類SDR結合了中階裝置的便利性和高階SDR的性能。

隨著廉價且使用者友好的數位平台出現,愛好者等級的SDR在技術愛好者中變得流行。rtl-sdr.com等網站不斷發佈新的業餘SDR專案,這些專案正在突破自製電子產品的界限。一些示例是業餘射電天文學、VCR解碼和飛機追蹤。這些項目中使用的SDR可能不是很強大,但這顯示了可以使用USB dongle大小的SDR完成的一系列應用。

另一方面,在更關鍵和更精確的應用中實現高階SDR,需要昂貴的元件和軟體。這些應用包括:

  • 雷達:應用電磁輻射來定位和追蹤移動物體的位置、速度和角度。SDR為不同的雷達應用提供了靈活性,例如通用脈衝雷達、合成孔徑雷達(SAR)和都卜勒(Doppler)雷達,以及與傳統雷達技術的互通性。需要強大且快速處理能力的雷達運作方式(例如SAR),可以從SDR技術中受益匪淺,圖2顯示了SAR雷達的基本操作。

 

圖2:SAR雷達運作示意圖。

(來源:Per Vices)

 

  • GPS/GNSS:發送/接收GNSS/GPS訊號/資料和地面站追蹤。SDR提供低延遲、準確度、精確度和高靈敏度以改善上行/下行訊號品質。
  • 鏈路低延遲:對於高頻訊號處理(HFT)、點對點連結和分散式網路中都使用SDR。因為在這些網路中,快速處理、低延遲和回應是必不可少的。
  • 頻譜監測和記錄:用於監測禁區的無線電活動,如監獄、軍事設施和機場,也用於強制執行頻譜政策和檢測許可頻寬的非法使用。在這些應用中,需要採用具有頻寬較寬、調諧範圍大、高傳輸量和出色解析度的SDR,以便在寬頻寬上擷取任何頻率的最微弱訊號。
  • 醫療應用:一些醫療設備,例如MRI、NMR和生物阻抗儀器,需要MIMO波形生成和訊號測量,SDR可以作為這些系統中的基本單元。如Per Vices的Crimson TNG SDR非常適合這些應用,它以小尺寸提供運作頻率高達6.8GHz的四個通道。
  • 5G網路:SDR既可以作為基地台的一部分(接收和傳輸),也可以作為電信新演算法研究的一部分,為5G網路提供類比或測試開發平台。
  • 測試與測量:在此應用中,SDR用於生成和測量射頻,以測試設備(在EMI和RF性能方面)和類比電磁條件。必須採用具有高RF性能的SDR,以確保精準度和穩健性。為了測試靈活性,需要較大的調諧範圍、頻寬、通道數量和DSP資源。

當然,SDR的等級將極大地影響其性能:低於200美元的USB dongle與高達數萬甚至數十萬美元的精密設備之間,肯定存在巨大差距。首先,高階儀器會提供非常寬的暫態頻寬,這需要非常快速的ADC/DAC進行訊號轉換。可配置性在高階設備中至關重要,因此使用支援自訂DSP的FPGA,具有多個平行通道。為了管理智慧電網和國防系統等應用中的海量資料,現代SDR需要高傳輸量資料連結:最高傳輸量的SDR使用qSFP埠和光纜收發器來傳輸高達100Gbps的資料。此外,只有在高階MIMO SDR中,才會具有出色相位相干性和穩定性的多通道配置。

相對於業餘級SDR,高性能SDR還具有非常低的雜訊係數、高SFDR/動態範圍、多個管理埠、大調諧範圍、板載波形儲存和高品質RFE元件,圖3顯示了使用頂級元件的高階Tx/Rx通道示例。

 

圖3:Tx/Rx鏈路採用高品質元件。

(來源:Per Vices)

 

儘管市場更關注業餘級的SDR和頂級昂貴設備,但對介於兩者之間、兼具高性能和實惠價格的儀器有著巨大的需求。此類可以稱為最佳的SDR,以專為滿足此需求而設計的Per Vices的Chestnut SDR為代表。Chestnut SDR在4 Rx/Tx架構中提供高頻寬、擴展的調諧範圍和高數位傳輸量,圖4顯示了市場上三種典型SDR之間的比較。

 

圖4:各類Per Vices SDR比較。

(來源:Per Vices)

 

研發面臨的挑戰

由於來自專案內部和外部的限制,研究人員和工程師通常很難開發RF系統。最典型和令人沮喪的原因是缺乏資金。這種問題在政府實驗室中常常遇到,這些實驗室不鼓勵開發新的專門的硬體和軟體進行試驗。此外,資金缺乏也阻礙了現代高階設備的應用,因此工程師常常在專案研究中不得不採用過時的技術和陳舊設備。

另一個問題是所謂的SWaP (尺寸、重量和功率)限制。例如,飛機上的雷達系統,需要在電源、尺寸和重量嚴苛要求的情況下可靠運作,以便不影響平衡和少佔用空間。同樣,用於電信的可攜式裝置和小型基地台(例如5G網路),需要使用極低功率的無線電系統,提供高資料傳輸量和低延遲。然而,設備的處理能力與功耗、尺寸和重量成正比,因此在SWaP合規性和性能之間存在很難的權衡。

另外,高性能無線電應用還需要強大的處理能力,強大的處理能力意味著昂貴的處理器。在高階射頻應用中,有幾個例子:SAR雷達需要在很短的時間內進行大量的訊號處理(包括資料壓縮和用於偽影調整的複雜演算法),波束成形/波束控制需要高度同步和獨立的相關處理通道,以及頻譜監測應用程式需要幾乎即時處理大量資料。此外,系統可能需要能夠改變安全性和功能性的處理方案,例如用於干擾預防的通道/頻率跳躍和GPS/GNSS中的調變切換。

即使具有強大的嵌入式處理器,典型的台式電腦系統也可能無法處理某些應用程式中擷取的所有資料。在這種情況下,應該實現類似伺服器的主機系統。然而,這導入了另一個問題:設計一個能夠即時擷取、儲存和處理資料的主機系統具有挑戰性。在非常低延遲的應用程式中,問題是非常大的,因為資料溢出和下溢很容易發生。

SDR和客製主機系統

對於主機系統而言,可以開發客製系統以更好地符合極高即時資料擷取的SDR應用。這通常涉及使用大量NVMe驅動程式、SD卡、幾GB的RAM和適當的網路介面卡(NIC)和/或基於FPGA的加速卡來建構類似伺服器的主機系統。還有一些方法可以透過切換到即時作業系統(RTOS)或應用針對低延遲傳輸進行最佳化的NIC,來減少SDR與主機系統到光鏈路之間的延遲。在極端情況下,例如HFT網路,SFP+連接器可以設計成為客製介面協議。

由於SDR的幾乎每個重要方面都由軟體定義,因此整合解決方案也非常容易。例如,它們可以用作初步實驗的模擬平台,因為它們能夠在現場測試之前使用幾種不同的協議和技術。此外,它們可以在不同的實驗之間共用,因為SDR可以連接到網路,從而降低所有相關項目的成本。網路連接還簡化點對點連結的整合和同步,或簡化SDR應用於其他設備的外部基準。

SDR也以模組化方式建構,這使得SWaP對預期應用更加靈活。在這種情況下,可以透過僅添加所需的周邊裝置來客製SWaP、省去了不必要的零件,也省去了重新定位到不同主機殼中的板卡,從而減少了體積和重量。精簡的SWaP提供了便攜性,從而能夠運用到困難的地方,例如天文台望遠鏡、山區天線站,以及可以部署在太空船系統,同時還可以作為這些應用程式中積累資料的儲存解決方案。

例如透過最佳化靈敏度和動態範圍這樣的客製,還可以更好地滿足應用需求。此外,FPGA可以隨時重新配置其整個系統,使SDR可以使用不同的協議、演算法、資料格式和波形,而無需任何硬體修改,使用可程式設計的內部邏輯塊互連即可(圖5)。還可以對FPGA進行客製,以減少主機運作所需的處理量和記憶體。

 

圖5:包含具有可程式設計互連的邏輯塊和輸入/輸出塊的FPGA架構。

(來源:Per Vices)

 

儘管SDR應用程式基於程式碼,但只需具備軟體發展的基本知識即可實現設備配置和應用。預開發的程式碼示例,對於開始使用SDR非常有用,並且可以使用Python、C++和GNU Radio輕鬆編寫更多自訂軟體以實現各種功能。GNU Radio還提供了多種DSP工具,用於測試和測量、調變/解調協議,圖6顯示了PSK解調、糾錯和頻譜分析的實現。

 

圖6:GNU Radio可用於PSK解調。

(來源:Per Vices)

 

結論

選擇正確的SDR和/或完整的系統,對於充分利用基於射頻的應用至關重要。然而,此過程可能具有挑戰性且成本高昂。不過,利用經濟實惠的高性能SDR,將使此任務變得更容易。合適的SDR模型為所有等級的應用提供解決方案,從技術愛好者到大公司,都具有最先進的性能。與能夠為專案提供客製開發的供應商合作,可以更輕鬆地將設計從紙面變成現實。

(參考原文:Selecting the right software defined radio solution for your application,by Brendon McHugh、Kaue Morcelles)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年3月號

 

 

 

 

 

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