SDR发展及应用与示例-便携SDR
便携式无线设备可能趋于一致，但是如果你愿意的话，它们的接口可以继续分离或“进化”。要使手机在从美国到欧洲和亚洲的旅行途中能够继续使用，它需要兼容不断增多的各种不同的协议、调制技术和频带，要能够识别它们并进行无缝调整和匹配。对于手机制造商来说，这是一个挑战；而对于基站供应商而言，这是一个噩梦。
这有多困难呢？ti公司无线研究高级主管bill krenik说：“几年前，双频带gsm手机满足了大部分市场的需要。现在芯片组至少是gsm/gprs的，不久将很有可能成为gsm/gprs/edge的，涵盖pcs和dcs；加入umts，增加对imt-2000频带的wcdma支持，频率为2,100mhz。在调制前端，需要处理gsm的gmsk、用于edge的 8-psk 的高阶调制、以及宽带cdma所需的qpsk；接下来需要解决的难题是hsdpa、hsupa和16-qam；然后是基于ofdm 的lte（长期演进，或4g）标准，它被定为2010年的时间框架。到那时，我们将需要支持tdma、cdma和ofdm；支持至少六个不同的频带，而且很有可能更多；支持从gmsk到qpsk、16qam和64qam的调制技术。我们需要能够解决上述所有技术问题的无线电技术和基站。”在这一点上，软件无线电技术（sdr）要比众多基于硬件的rf信号链更有吸引力。
走进sdr sdr背后的概念很简单：首先是高带宽、高线型度的fr前端，然后将其输出直接进入高速adc，再用高速dsp或fpga在软件中进行所有的信号处理。前面的描述中多次提到的“高速”一词，正是挑战所在。
软件无线电设备是一种由软件来定义其特征的宽带收发器。itu定义sdr为：“一种能够通过软件，和/或能够完成同样功能的技术，对包括rf的运行参数，但不限于频率范围、调制类型或输出功率进行设置或修改的无线电系统。”sdr能够使手机或基站对硬件的需要降至最小，同时也能降低与不断发展的无线标准相对应的“未来验证”的基本设施的需要。sdr基本上是将一个接收器变成一个具有rf前端的计算机。不过sdr需要速度非常快的计算机才能够对各种数g赫兹的信号进行过采样，并准实时的处理所有这些信号。
sdr不是一个没有中间过程的极端方法。sdr论坛定义了从“硬件无线电”——目前的方法——到“终极软件无线电”的全部演变过程，其间包含了一些中间技术阶段：
● 0级－硬件无线电。系统不能做任何修改。系统操作由开关、拨号盘和按钮来完成。
●1级－软件控制无线电。软件上可能实现了控制功能，但是在不改变硬件的条件下，这些无线通信设备是不能改变像频带或调制方式这样的特征参量的。
●2级－软件无线电。这种无线电技术由软件来控制，不需要对硬件做任何修改就能够提供很宽的操作范围。它一般包括宽带滤波前的独立天线、放大器和a/d转换之前的降频器。在发送时，基带信号进入dac，然后转换为中频（if）频率，即依次外差为进行滤波和进入功率放大器之前所需的输出频率。尽管前端的带宽是个限制因素，由于sdr技术能够提供宽带和窄带两种操作中的多种解调技术，因而利用软件可以控制相当宽的频率范围。sdr技术能够存储大量的波形或空间接口，并可以通过从磁盘上传或从空间下载来添加新的内容。
●3级－理想sdr。这种sdr将rf前端的输出直接接入adc，然后进入到dsp，消除了大部分的模拟部件，从而降低了失真和噪声。
●4级－终极sdr。这种sdr没有外置天线、没有运行频率或带宽的限制。它直接传送数字基带输出信号，在几毫秒的时间内进行空中接口间的检测和转换。这是一种低功耗又极为快速的sdr，但要以商业产品的形式出现，估计正在学说话的孩子大学毕业之前是不太可能的。
从天线到dsp 一般的sdr系统（如图1所示）包括各种rf前端，它们为宽带adc提供输入信号。信号再由adc进入可编程dsp引擎。在发射模式下，数字基带信号先要依次通过dac和中频/ 射频（if/rf）升频转换器，再传入输入功率放大器（pa）和天线。
图1. 一般的sdr接收器。
要建立可配置的、宽带的、高灵敏度的甚至是防弹的rf前端，是事情变得复杂的开始。adi公司rf和无线系统的商业研发主管doug grant说：“即使关注的是小信号，也必须提供非常大的数据处理能力。当得到不同带宽的信号时，要既能看到最宽的带宽又能看到最窄的带宽，并能容纳足够的动态范围。这最终归结回功率，因为要得到宽的无线前端动态范围，势必就会增加功耗。”如果前端被一个大的带外信号损坏了，再多的下级滤波器都无法纠正。grant说，“功率问题被一致归结为研究sdr的任何方法都面临的最大障碍。”
在理想的sdr系统中，射频rf前端的输出在处理之前将直接进入adc。然而adc是sdr所面临的主要挑战之一。在1ghz时，adc的动态范围的上限是20位或120db。频率更高的时候，问题变得更有挑战性，因为adc的采样率要满足奈奎斯特采样定律，必须至少为最高频率（fmax）的两倍。因此，接收器一般将信号通过带通滤波器去掉不需要的信号，再通过外差将信号频率降至adc能够处理的范围。然后将信号通过低噪声放大器（lna），进入adc。具有多rf前端和天线的超级外差接收器很可能一段时间后会出现。
图2. sdr的软件控制任务。
纯粹的数字rf结构，比如ti公司的数字射频处理器（drp），在天线上装有adc，其余所有的事情都有dsp来完成。由于从rf电路中消除了模拟部分，这种结构需要高宽带的σ-δadc和非常快的dsp，而这两个部分的功耗都很大，因此这种方法更适用于基站，而不适于手机。
软件处理 当信号进入数字领域，dsp引擎可以完成相当大的处理量，包括处理不同的调制类型、信道存取、扩频处理、网络界面定义、安全、波束形成、前向纠错和数字降频/升频转换。
图3. sca的软件体系结构。
sdr的软件结构是由软件通讯架构定义的（sca；如图3所示），最初在20世纪90年代为美国军方的联合战术无线通信系统（jtrs）而制定，其目的是希望让所有的军队能够相互实时的通信，得到彼此所在地区的火情、警力、救护车和林务人员的信息。（不论相信与否，他们没能做到）。sca是一个开放的结构框架，它告诉设计者硬件和软件单元是如何在jtrs sdr中协同运行的。sca的规范具体说明了能够配置波形的软件运行环境，以及详细说明了波形必须支持的界面。它还详述了操作系统os（posix）、中间设备（corba orb）以及界面的框架。jtrs组和sdr论坛都在与对象管理组织的swradio领域特别兴趣小组合作，为基于sca的sdr系统建立一个开放的国际工业标准。同时，sca事实上也成为了sdr的国际标准。
jtrs sca 3.0 为信号处理子系统（sps）增加了一个硬件抽象层（hal）。sps为sdr的osi层1（调制解调器、扩展、代码）和应用级功能块（音频、视频）提供高速的计算。可以用dsp和、或fpga的联合来实现sps。
sdr信号处理的需求 xilinx和 altera公司都提出：“数字信号处理”未必等同于dsp。高频商业sdr接收器所需的信号处理事实上是令人生畏的（见表）。xilinx公司的高级dsp市场经理manuel uhm认为：在控制功能块中使用mcu，在低mips的应用中使用dsp以及在高mips的应用中使用fpga都是有意义的。xilinx公司做出一套jtrs sdr工具，它将用于信息通过的包含rtos的corba orb，和加入sca核框架的用于窄带和宽带波形的应用层，还有物理层（emac、phy、数字升或降频转换器）集成在一个“能实现sca的soc中”（aka virtex-4）。
sdr目前的应用 现在我们离理想的sdr还很远，但是商用的sdr已经在多模基站上开始使用了，这些产品至少使用了部分的sdr技术。adi公司的grant说：“我们虽有所发展，但是必须限定对sdr的定义。如果是指可编程信号处理完成了除空间接口以外所有的解调、均衡和探测过程，那么我们已经做到了。如果在定义中加入‘使用通用的无线电前端’，那么我们还没有完成。”
第一个将fcc批准的sdr基站市场化的公司是vanu inc。它在1994年建立了vanu软件无线通信gsm基站。vanu公司采用了一种与众不同的方法实现sdr：在使用通用cpu的电脑上运行便携式应用软件，完全由软件来完成信号处理。vanu公司的首席技术总监（cto） john chapin说，“需要建立所设想的系统：真正增加的价值就是软件。我们编写了便携式代码，这些代码无需太多花费就可以移植到下一代的处理器上。” chapin指出：使用intel的处理器要比使用dsp或fpga更为简单。vanu公司的下一代anywave gsm基站将在intel 的xeon双核处理器平台上运行。
mid-tex cellular公司是美国第一个基于sdr操作的手机运营商。mid-tex在hp的运行linux系统的proliant平台上建立了vanu公司的软件无线电基站，这使得它在乡村的800mhz的tdma系统增加了处理gsm和wcdma的能力。该软件基站能够同时运行多个空间标准，动态分配系统以支持2g和发展中的3g两种标准。
此外，sdr在被动rfid系统上得到了应用。thingmagic公司的mercury4是一个多协议的rfid系统，它利用sdr技术可以同时读取任何标签， 如epc class 1 和epc class 0标签、可重复写入class 0标签，iso 18000-6b 和 ucode epc 1.19的标签。mercury4的作用象一个路由器，将标签的信息传入网络、数据库和应用软件。这个系统更像是一个基站，而不是一个标签阅读器。
便携式sdr？ 将sdr从基站移到手机上还要多久？手机具有很好的市场，但是不是最好的目标。因为sdr的所需的功率——要保证rf前端和g赫兹的adc的需要。尽管如此，还是出现了一些多模手机。adi公司为中国市场研制了一种双模gsm/td scdma器件。这些器件具有两种不同的rf电路，但是所有的解码和节点探测算法全部由软件来进行，而不是使用硬件。
随着运算能力的成本不断降低，而手机的运算能力却不断提高，这样的一天也许不远了：手机中的soc将包括集成的rf前端、高速adc/dac、高速dsp、非挥发性内存和电源管理模块。这只有sdr才能实现。
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低成本高效率易部署，Ruff工业数采网关+IoT云平台赋能工厂数字化转型
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引发生物医学研究变革的方法
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这有多困难呢？ti公司无线研究高级主管bill krenik说：“几年前，双频带gsm手机满足了大部分市场的需要。现在芯片组至少是gsm/gprs的，不久将很有可能成为gsm/gprs/edge的，涵盖pcs和dcs；加入umts，增加对imt-2000频带的wcdma支持，频率为2,100mhz。在调制前端，需要处理gsm的gmsk、用于edge的 8-psk 的高阶调制、以及宽带cdma所需的qpsk；接下来需要解决的难题是hsdpa、hsupa和16-qam；然后是基于ofdm 的lte（长期演进，或4g）标准，它被定为2010年的时间框架。到那时，我们将需要支持tdma、cdma和ofdm；支持至少六个不同的频带，而且很有可能更多；支持从gmsk到qpsk、16qam和64qam的调制技术。我们需要能够解决上述所有技术问题的无线电技术和基站。”在这一点上，软件无线电技术（sdr）要比众多基于硬件的rf信号链更有吸引力。
走进sdr sdr背后的概念很简单：首先是高带宽、高线型度的fr前端，然后将其输出直接进入高速adc，再用高速dsp或fpga在软件中进行所有的信号处理。前面的描述中多次提到的“高速”一词，正是挑战所在。
软件无线电设备是一种由软件来定义其特征的宽带收发器。itu定义sdr为：“一种能够通过软件，和/或能够完成同样功能的技术，对包括rf的运行参数，但不限于频率范围、调制类型或输出功率进行设置或修改的无线电系统。”sdr能够使手机或基站对硬件的需要降至最小，同时也能降低与不断发展的无线标准相对应的“未来验证”的基本设施的需要。sdr基本上是将一个接收器变成一个具有rf前端的计算机。不过sdr需要速度非常快的计算机才能够对各种数g赫兹的信号进行过采样，并准实时的处理所有这些信号。
sdr不是一个没有中间过程的极端方法。sdr论坛定义了从“硬件无线电”——目前的方法——到“终极软件无线电”的全部演变过程，其间包含了一些中间技术阶段：
● 0级－硬件无线电。系统不能做任何修改。系统操作由开关、拨号盘和按钮来完成。
●1级－软件控制无线电。软件上可能实现了控制功能，但是在不改变硬件的条件下，这些无线通信设备是不能改变像频带或调制方式这样的特征参量的。
●2级－软件无线电。这种无线电技术由软件来控制，不需要对硬件做任何修改就能够提供很宽的操作范围。它一般包括宽带滤波前的独立天线、放大器和a/d转换之前的降频器。在发送时，基带信号进入dac，然后转换为中频（if）频率，即依次外差为进行滤波和进入功率放大器之前所需的输出频率。尽管前端的带宽是个限制因素，由于sdr技术能够提供宽带和窄带两种操作中的多种解调技术，因而利用软件可以控制相当宽的频率范围。sdr技术能够存储大量的波形或空间接口，并可以通过从磁盘上传或从空间下载来添加新的内容。
●3级－理想sdr。这种sdr将rf前端的输出直接接入adc，然后进入到dsp，消除了大部分的模拟部件，从而降低了失真和噪声。
●4级－终极sdr。这种sdr没有外置天线、没有运行频率或带宽的限制。它直接传送数字基带输出信号，在几毫秒的时间内进行空中接口间的检测和转换。这是一种低功耗又极为快速的sdr，但要以商业产品的形式出现，估计正在学说话的孩子大学毕业之前是不太可能的。
从天线到dsp 一般的sdr系统（如图1所示）包括各种rf前端，它们为宽带adc提供输入信号。信号再由adc进入可编程dsp引擎。在发射模式下，数字基带信号先要依次通过dac和中频/ 射频（if/rf）升频转换器，再传入输入功率放大器（pa）和天线。
图1. 一般的sdr接收器。
要建立可配置的、宽带的、高灵敏度的甚至是防弹的rf前端，是事情变得复杂的开始。adi公司rf和无线系统的商业研发主管doug grant说：“即使关注的是小信号，也必须提供非常大的数据处理能力。当得到不同带宽的信号时，要既能看到最宽的带宽又能看到最窄的带宽，并能容纳足够的动态范围。这最终归结回功率，因为要得到宽的无线前端动态范围，势必就会增加功耗。”如果前端被一个大的带外信号损坏了，再多的下级滤波器都无法纠正。grant说，“功率问题被一致归结为研究sdr的任何方法都面临的最大障碍。”
在理想的sdr系统中，射频rf前端的输出在处理之前将直接进入adc。然而adc是sdr所面临的主要挑战之一。在1ghz时，adc的动态范围的上限是20位或120db。频率更高的时候，问题变得更有挑战性，因为adc的采样率要满足奈奎斯特采样定律，必须至少为最高频率（fmax）的两倍。因此，接收器一般将信号通过带通滤波器去掉不需要的信号，再通过外差将信号频率降至adc能够处理的范围。然后将信号通过低噪声放大器（lna），进入adc。具有多rf前端和天线的超级外差接收器很可能一段时间后会出现。
图2. sdr的软件控制任务。
纯粹的数字rf结构，比如ti公司的数字射频处理器（drp），在天线上装有adc，其余所有的事情都有dsp来完成。由于从rf电路中消除了模拟部分，这种结构需要高宽带的σ-δadc和非常快的dsp，而这两个部分的功耗都很大，因此这种方法更适用于基站，而不适于手机。
软件处理 当信号进入数字领域，dsp引擎可以完成相当大的处理量，包括处理不同的调制类型、信道存取、扩频处理、网络界面定义、安全、波束形成、前向纠错和数字降频/升频转换。
图3. sca的软件体系结构。
sdr的软件结构是由软件通讯架构定义的（sca；如图3所示），最初在20世纪90年代为美国军方的联合战术无线通信系统（jtrs）而制定，其目的是希望让所有的军队能够相互实时的通信，得到彼此所在地区的火情、警力、救护车和林务人员的信息。（不论相信与否，他们没能做到）。sca是一个开放的结构框架，它告诉设计者硬件和软件单元是如何在jtrs sdr中协同运行的。sca的规范具体说明了能够配置波形的软件运行环境，以及详细说明了波形必须支持的界面。它还详述了操作系统os（posix）、中间设备（corba orb）以及界面的框架。jtrs组和sdr论坛都在与对象管理组织的swradio领域特别兴趣小组合作，为基于sca的sdr系统建立一个开放的国际工业标准。同时，sca事实上也成为了sdr的国际标准。
jtrs sca 3.0 为信号处理子系统（sps）增加了一个硬件抽象层（hal）。sps为sdr的osi层1（调制解调器、扩展、代码）和应用级功能块（音频、视频）提供高速的计算。可以用dsp和、或fpga的联合来实现sps。
sdr信号处理的需求 xilinx和 altera公司都提出：“数字信号处理”未必等同于dsp。高频商业sdr接收器所需的信号处理事实上是令人生畏的（见表）。xilinx公司的高级dsp市场经理manuel uhm认为：在控制功能块中使用mcu，在低mips的应用中使用dsp以及在高mips的应用中使用fpga都是有意义的。xilinx公司做出一套jtrs sdr工具，它将用于信息通过的包含rtos的corba orb，和加入sca核框架的用于窄带和宽带波形的应用层，还有物理层（emac、phy、数字升或降频转换器）集成在一个“能实现sca的soc中”（aka virtex-4）。
sdr目前的应用 现在我们离理想的sdr还很远，但是商用的sdr已经在多模基站上开始使用了，这些产品至少使用了部分的sdr技术。adi公司的grant说：“我们虽有所发展，但是必须限定对sdr的定义。如果是指可编程信号处理完成了除空间接口以外所有的解调、均衡和探测过程，那么我们已经做到了。如果在定义中加入‘使用通用的无线电前端’，那么我们还没有完成。”
第一个将fcc批准的sdr基站市场化的公司是vanu inc。它在1994年建立了vanu软件无线通信gsm基站。vanu公司采用了一种与众不同的方法实现sdr：在使用通用cpu的电脑上运行便携式应用软件，完全由软件来完成信号处理。vanu公司的首席技术总监（cto） john chapin说，“需要建立所设想的系统：真正增加的价值就是软件。我们编写了便携式代码，这些代码无需太多花费就可以移植到下一代的处理器上。” chapin指出：使用intel的处理器要比使用dsp或fpga更为简单。vanu公司的下一代anywave gsm基站将在intel 的xeon双核处理器平台上运行。
mid-tex cellular公司是美国第一个基于sdr操作的手机运营商。mid-tex在hp的运行linux系统的proliant平台上建立了vanu公司的软件无线电基站，这使得它在乡村的800mhz的tdma系统增加了处理gsm和wcdma的能力。该软件基站能够同时运行多个空间标准，动态分配系统以支持2g和发展中的3g两种标准。
此外，sdr在被动rfid系统上得到了应用。thingmagic公司的mercury4是一个多协议的rfid系统，它利用sdr技术可以同时读取任何标签， 如epc class 1 和epc class 0标签、可重复写入class 0标签，iso 18000-6b 和 ucode epc 1.19的标签。mercury4的作用象一个路由器，将标签的信息传入网络、数据库和应用软件。这个系统更像是一个基站，而不是一个标签阅读器。
便携式sdr？ 将sdr从基站移到手机上还要多久？手机具有很好的市场，但是不是最好的目标。因为sdr的所需的功率——要保证rf前端和g赫兹的adc的需要。尽管如此，还是出现了一些多模手机。adi公司为中国市场研制了一种双模gsm/td scdma器件。这些器件具有两种不同的rf电路，但是所有的解码和节点探测算法全部由软件来进行，而不是使用硬件。
随着运算能力的成本不断降低，而手机的运算能力却不断提高，这样的一天也许不远了：手机中的soc将包括集成的rf前端、高速adc/dac、高速dsp、非挥发性内存和电源管理模块。这只有sdr才能实现。
埃赋隆半导体推出新款BLF989射频（RF）功率电晶体 助力UHF广播应用设计
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什么是区块链的分叉