軟件無線中的寬帶射頻前端
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隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和A/D變換器的性能在成倍的提高，使得軟件無線電在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上成為可能，從而引起了人們對(duì)于軟件無線電技術(shù)研究的興趣。軟件無線電的功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，通過運(yùn)行不同的算法，實(shí)時(shí)的配置信號(hào)波形，從而提供各種語音編碼、信道調(diào)制、載波頻率、加密算法的無線電通信業(yè)務(wù)。
軟件無線電最初起源于軍事通信。由于軟件無線電的完全可編程性、軟件化、模塊化以及寬頻段多功能等特點(diǎn)，使得各種電臺(tái)很容易綜合為一個(gè)整體，能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型電臺(tái)間的直接互通，在提高各軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)能力中發(fā)揮了重要作用。而且，功能的軟件化、模塊化，減輕了系統(tǒng)的尺寸、重量，同時(shí)縮短了開發(fā)周期，能夠方便地實(shí)現(xiàn)與新業(yè)務(wù)、新技術(shù)和通信標(biāo)準(zhǔn)的兼容。
理想的軟件無線電是一種“純軟件”的電臺(tái)，如圖1所示，A/D變換器單元緊靠射頻天線，除低噪聲放大器、功率放大器以及電源等模塊外，絕大部分功能均可通過DSP芯片采用軟件編程實(shí)現(xiàn)。無論在機(jī)械結(jié)構(gòu)還是電器特性上均采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)。然而，基于目前的技術(shù)水平，只能進(jìn)行中頻處理。因此，仍需要一個(gè)靈活的寬帶射頻前端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。以下針?duì)軟件無線電的實(shí)際特點(diǎn)，討論了實(shí)現(xiàn)模擬射頻前端的一些問題。
軟件無線中的射頻前端
系統(tǒng)要求
理想的軟件無線電臺(tái)應(yīng)完全數(shù)字化，一般要求在數(shù)字化處理之前僅做極少的模擬處理，這樣才能使整個(gè)電臺(tái)系統(tǒng)具有充分的靈活性。然而，由于目前工藝水平和技術(shù)的限制，A/D轉(zhuǎn)換器以及DSP芯片的性能仍達(dá)不到所需的技術(shù)指標(biāo)，使得這種構(gòu)想無法付諸實(shí)踐。
根據(jù)RF頻率和奈奎斯特采樣定理可知，若ADC直接置于接收機(jī)的射頻前端，要求A/D變換器高端采樣速率至少為6GHz，且應(yīng)該具有120dB以上的無雜散噪聲動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。而實(shí)際中的A/D轉(zhuǎn)換器最多僅能提供20MHz的帶寬和80dB的SFDR，幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)如表1所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)要求。若再考慮功耗問題，ADC的高功耗需求很難使電臺(tái)成為便攜式。理論計(jì)算，對(duì)于1個(gè)采樣保持A/D轉(zhuǎn)換器件（5GHz，18bit）的最小功率也要超過10W。因此，就目前的A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)，無法實(shí)現(xiàn)理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)。
表1 幾種A/D變換器的主要技術(shù)指標(biāo)
| 名 稱 | 分辨率（位） | 采樣速率（MSPS） | 功 耗 | SNR（dB） | SFDR(dB) |
| AD9042 | 12 | 41 | +5V/575mW | 70 | -82 |
| ADC3120 | 14 | 20 | ±15V±5V/5W | 75 | -90 |
| SPT7870 | 10 | 100 | ±5V/1.7W | 56 | -58 |
| LTC1410 | 12 | 1.25 | 5V/160mW | ||
| MAX100 | 8 | 500 | 5V/5.2W | 45 | |
| ADC12662 | 12 | 1.5 | 5V/200mW | 70 | -80 |
| AD6640 | 12 | 65 | 5V/710mW | 68 | -80 |
軟件無線電需要一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)、寬帶、線性好的射頻前端?？紤]到軟件無線電臺(tái)對(duì)于電磁兼容和操作維護(hù)等靈活性的要求，寬帶射頻前端及功放作為一個(gè)獨(dú)立且可互換的電臺(tái)單元，必須是可編程的。作為調(diào)諧電路，在提高增益、抑制鏡頻、提高SNR和選擇性的同時(shí)，必須減少對(duì)軟件定義參數(shù)的限定，因此對(duì)于電臺(tái)的發(fā)射、接收部分在設(shè)計(jì)上提出了新的挑戰(zhàn)。
兩種結(jié)構(gòu)
軟件無線電可以采用兩種結(jié)構(gòu)：超外差型和直接變換型。超外差是傳統(tǒng)電臺(tái)普遍采用的結(jié)構(gòu)，而直接變換是近年來興起的，與超外差結(jié)構(gòu)相比在一些方面具有一定優(yōu)勢(shì)。直接變換結(jié)構(gòu)沒有鏡像響應(yīng)，可以省去固定頻率的抑制鏡頻濾波器，并且，理論上一個(gè)去假頻基帶濾波器可以集成在LSI芯片上。但是，由于器件并非十全十美，直接變換接收機(jī)在零頻仍具有殘留的鏡頻響應(yīng)。同時(shí)，下變頻混頻器中帶內(nèi)調(diào)制的大信號(hào)在直流成分附近會(huì)產(chǎn)生二階非線性失真，對(duì)于多信道接收機(jī)尤為嚴(yán)重。目前，直接變換接收機(jī)的主要應(yīng)用方向是手持/便攜等對(duì)體積、功耗等方面要求高的通信任務(wù)。
由于超外差結(jié)構(gòu)一般在中頻A/D變換，而直接變換結(jié)構(gòu)采用基帶A/D變換。鑒于基帶A/D變換在理論和實(shí)踐上已經(jīng)成熟以及電臺(tái)軟件化的要求，我們當(dāng)前研究的重點(diǎn)應(yīng)是進(jìn)行中頻高速A/D變換的超外差結(jié)構(gòu)。
寬帶射頻前端
寬帶射頻前端要求器件有較寬的頻率范圍，主要完成寬帶低噪聲放大、濾波、混頻、自動(dòng)增益控制以及輸出功率放大等功能。借鑒美軍軟件無線電臺(tái) Speakeasy的方案，射頻前端可分三段實(shí)現(xiàn)：2～30MHz，30～500MHz，500～2000MHz，做成可置換的標(biāo)準(zhǔn)化模塊(見圖2）。
這一部分與傳統(tǒng)的無線電臺(tái)基本相似，只是下變頻到10MHz左右的中頻即可，而不必用模擬電路處理到幾十KHz的基帶信號(hào)，從而簡(jiǎn)化了射頻前端的實(shí)現(xiàn)，具有較大的實(shí)用性和靈活性。
設(shè)計(jì)中實(shí)際問題
由于接收機(jī)中有一些濾波器單元，在一定程度上降低了接收鏈路的動(dòng)態(tài)范圍，而且這些濾波器只有固定的中心頻率和帶寬，調(diào)諧性能也較差。這些因素的綜合，嚴(yán)重影響了電臺(tái)的靈活性?？紤]到電臺(tái)對(duì)體積、價(jià)格、性能等要求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量減少使用濾波器的數(shù)量。
減少濾波器數(shù)量，雖然提高了電臺(tái)的靈活性，但是卻對(duì)射頻/中頻模塊的線性要求很高。同時(shí)還要在混頻之前進(jìn)行鏡頻抑制。然而，射頻前端的線性度和動(dòng)態(tài)范圍比較有限，容易造成有用信號(hào)的失真，因此要采取一些補(bǔ)償技術(shù)。
放大器線性化
寬帶接收機(jī)系統(tǒng)，要求較高的動(dòng)態(tài)范圍，而非線性放大器有較大的交調(diào)干擾和調(diào)諧失真，必然加大有用信號(hào)的失真，降低接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。因此應(yīng)盡量減少使用非線性放大器。
評(píng)論