軟件無(wú)線電的歷史，意義與應(yīng)用

說(shuō)起軟件無(wú)線電（software-defined radio，SDR），對(duì)于有些朋友來(lái)說(shuō)可能顯得奇怪，“無(wú)線電不是硬件嗎，怎么又扯到軟件了？”殊不知，軟件無(wú)線電可以說(shuō)是許多射頻電路與系統(tǒng)從業(yè)者心中的終極目標(biāo)。最近Xilinx發(fā)布了用于SDR的RFSoC，那么今天我們就來(lái)好好聊一聊SDR。

隨著無(wú)線電的誕生，不同的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)隨之而來(lái)。不同的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)通常工作在不同的頻段，使用不同的協(xié)議，因此在早起無(wú)線電里需要專門的電路處理。隨著無(wú)線電頻段和標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多，為了應(yīng)付不同標(biāo)準(zhǔn)的射頻系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。那么，有沒(méi)有可能用一種電路處理所有的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)呢？SDR的概念應(yīng)運(yùn)而生，它早在1991年就由當(dāng)時(shí)就職于E-Systems的Joseph Mitola在論文《Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions》中提出并廣為人知，而Mitola本人也因?yàn)檫@篇論文成為了SDR領(lǐng)域教父級(jí)的人物。

Mitola的SDR直接采樣方案

Mitola的SDR架構(gòu)很簡(jiǎn)單，在天線和射頻前端器件后，接收機(jī)直接使用高速ADC把射頻信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把該數(shù)字信號(hào)送到數(shù)字基帶處理器做處理。發(fā)射機(jī)也類似，數(shù)字基帶處理器把信號(hào)在數(shù)字域上變頻并送給高速DAC，DAC把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)并驅(qū)動(dòng)天線。

SDR系統(tǒng)的研究演進(jìn)

SDR系統(tǒng)看上去很簡(jiǎn)單，但是真正要實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，尤其是在90年代的時(shí)候。SDR中的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)尤其困難。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了能夠采集到載波頻率在fc處的射頻信號(hào)，ADC必須能工作在至少2*fc的采樣頻率。除此之外，對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)還有一重難點(diǎn)，就是射頻信號(hào)強(qiáng)度大小不定，其強(qiáng)度變化的范圍可以超過(guò)六到七個(gè)數(shù)量級(jí)，因此ADC的精度必須夠高（10bit以上），否則無(wú)法采集到信號(hào)強(qiáng)度較弱的信號(hào)。最后，還存在blocker信號(hào)干擾的問(wèn)題，因?yàn)榻邮盏降纳漕l信號(hào)強(qiáng)度差距可達(dá)好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此要求ADC的線性度非常好否則強(qiáng)的射頻信號(hào)會(huì)把強(qiáng)度弱的射頻信號(hào)淹沒(méi)掉。

不同射頻頻段的頻譜圖

在90年代Mitola剛提出這個(gè)概念的時(shí)候，集成電路，尤其是CMOS集成電路實(shí)現(xiàn)SDR幾乎是天方夜譚。那時(shí)候最流行的2G GSM標(biāo)準(zhǔn)工作在900MHz附近（因此需要1.8GHz的采樣頻率才能滿足奈奎斯特定理），而ADC的采樣頻率非常慢。例如，拉扎維做的ADC，可以說(shuō)代表了業(yè)界最前沿，1992年的時(shí)候他在ISSCC發(fā)表了12-bit 5MHz采樣頻率的ADC，而1999年他又在CICC發(fā)表了8-bit 150MHz采樣頻率的ADC。無(wú)論是5MHz還是150MHz，離1.8GHz來(lái)說(shuō)都太遠(yuǎn)了。

Mitola的想法最初主要的資助方是美國(guó)國(guó)防部，因?yàn)檐姺綄?duì)于SDR的需求更強(qiáng)烈而且可以不計(jì)成本使用最好的半導(dǎo)體工藝。到了21世紀(jì)初，即2005年前后，一方面隨著摩爾定律CMOS電路能工作到越來(lái)越快，另一方面隨著CMOS RF的興起，SDR在商用領(lǐng)域也得到了各大公司的重視，不少大學(xué)和公司都開始投入SDR的研究。當(dāng)時(shí)的ADC可以工作到10bit，500 MHz左右，但是主流3G通信已經(jīng)開始用到了2GHz頻段，因此使用直接ADC方案還是不行。那么，使用單獨(dú)ADC直接采樣不行，大家就想到了用一個(gè)比較折衷的方案，即設(shè)計(jì)一套接收機(jī)射頻電路，可以通過(guò)配置覆蓋很寬的載波頻率范圍。在同一時(shí)間，SDR接收機(jī)只工作在一個(gè)頻段，但是可以通過(guò)軟件配置在不同的時(shí)間工作在不同的載波頻段。

這個(gè)想法比起硬上ADC方案要簡(jiǎn)單不少，因此吸引了眾多業(yè)界和學(xué)界人士投身其中。這套方案主要的挑戰(zhàn)在于寬帶可配置射頻電路，而且需要在架構(gòu)和電路層面上對(duì)噪聲，線性度做優(yōu)化。雖然困難重重，但是比起ADC直接采樣方案來(lái)說(shuō)還是有做一做的希望的。許多半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)的大佬都投入了SDR的熱潮。在美國(guó)，有UCLA的Abidi提出了基于采樣濾波器的方案。在歐洲，SDR研究也如火如荼，比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)和IMEC在ISSCC上給出了自己的方案，而荷蘭屯特大學(xué)的汝嘉耘以及Eric Klumperink和Bram Nauta也提出了自己的采樣接收機(jī)，使用嶄新的charge-domain signal processing概念在SDR中做出了非常杰出和漂亮的工作。在工業(yè)界，ADI的SDR系統(tǒng)也是鼎鼎有名，使用可配置射頻電路實(shí)現(xiàn)了能覆蓋超大載波頻率范圍的可配置射頻系統(tǒng)。

汝嘉耘提出的采樣接收機(jī)架構(gòu)

這樣的SDR，不妨稱之為單頻段SDR，主要設(shè)計(jì)思路是一個(gè)射頻系統(tǒng)不可能同時(shí)工作在多個(gè)不同頻段，因此只需要能滿足通過(guò)配置可以工作在不同頻段即可。然而，隨著2010年后4G通訊的興起，載波聚合技術(shù)越來(lái)越重要。載波聚合需要射頻系統(tǒng)同時(shí)在多個(gè)載波頻段發(fā)射或接收信號(hào)，這意味著人們開始有越來(lái)越強(qiáng)的動(dòng)力設(shè)計(jì)能同時(shí)工作在多個(gè)載波頻段的射頻收發(fā)機(jī)。這種SDR不妨稱之為全頻段SDR，因?yàn)樾枰芡瑫r(shí)工作在多個(gè)頻段。全頻段SDR中，使用ADC直接采樣射頻信號(hào)幾乎不可避免，但好在此時(shí)ADC的采樣頻率已經(jīng)上來(lái)了，工作在GHz的高精度ADC比比皆是，但是4G的載波頻率最高主要還是在2GHz附近，相對(duì)于之前的3G沒(méi)有太大變化。終于，2016年時(shí)Broadcom在ISSCC上發(fā)布了采樣率4GHz，精度10bit的ADC，已經(jīng)能滿足全頻段SDR的基本需求。只是Broadcom沒(méi)有推出相應(yīng)的SDR解決方案。

Xilinx的產(chǎn)品

Xilinx在SDR方面有著不少積累，但是主要是在使用FPGA實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)數(shù)字基帶方面。Xilinx FPGA實(shí)現(xiàn)的SDR基帶以及相關(guān)軟件在軍方和業(yè)余無(wú)線電圈子里已經(jīng)頗有名氣。今年二月底，Xilinx又有些出人意料地推出了集成了超高速ADC／DAC的用于SDR的FPGA方案，稱之為Xilinx All Programmable RFSoC。

在Xilinx的RFSoC中，ADC精度達(dá)到了12bit，而采樣頻率到達(dá)了4GHz，可以實(shí)現(xiàn)2GHz頻段內(nèi)的全頻段SDR。DAC則可實(shí)現(xiàn)14bit精度，轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)6.4GHz。配合Xilinx的FPGA用作數(shù)字基帶處理器，一個(gè)完整的SDR電路系統(tǒng)就呼之欲出了。

第一個(gè)商用SDR系統(tǒng)被Xilinx搶先，而不是由Qualcomm，Broadcom等無(wú)線通訊業(yè)巨頭拔得頭籌（尤其是在Broadcom已經(jīng)突破了SDR中最困難的ADC的情況下），確實(shí)讓人有一些意外。然而，仔細(xì)想想還是在情理之中。首先，在過(guò)去的SDR研究中，大家都過(guò)于關(guān)心射頻電路，但對(duì)于數(shù)字基帶大家的關(guān)心并不多，總是覺(jué)得“設(shè)計(jì)出強(qiáng)大的數(shù)字基帶處理器肯定沒(méi)問(wèn)題”。實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)能靈活配置的數(shù)字基帶處理器并不容易，而FPGA以其可快速配置的特性目前不失為一種實(shí)現(xiàn)SDR數(shù)字基帶處理器的選擇。在FPGA方面，Xilinx的技術(shù)顯然是遙遙領(lǐng)先的。另外，也是很關(guān)鍵的一點(diǎn)，就是目前全頻段SDR仍未找到能馬上落地的商用情景。雖然載波聚合需要工作在多個(gè)頻段上，但是要全頻段SDR的成本以及功耗比傳統(tǒng)射頻收發(fā)機(jī)更優(yōu)，恐怕暫時(shí)還做不到。另一方面，在國(guó)防應(yīng)用中，確實(shí)存在對(duì)全頻段SDR的強(qiáng)烈需求，而且FPGA在軍事應(yīng)用中也是很常規(guī)的，因此由FPGA龍頭Xilinx推出全頻段SDR系統(tǒng)也是符合邏輯。

對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的啟示

目前，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在射頻電路與國(guó)外仍有一定差距，例如SDR中需要用到的超高速高精度ADC在中國(guó)仍然沒(méi)有足夠的技術(shù)實(shí)力實(shí)現(xiàn)，而更要命的是超高速ADC集成電路對(duì)于中國(guó)是禁運(yùn)的。然而，除了在射頻電路方面迎頭趕上的同時(shí)，中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)其實(shí)在SDR的其他方面也有機(jī)會(huì)填補(bǔ)空白。之前說(shuō)的Xilinx 全頻段SDR在電路方面已經(jīng)接近理想，但是在片外射頻前端器件方面，Xilinx仍然沒(méi)有能力提供一整套方案。例如，SDR中如何實(shí)現(xiàn)天線，如何做片外功率放大器，仍然是空白。中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)在這些方面也有希望做一些有意義的事情，不僅為人類技術(shù)發(fā)展做貢獻(xiàn)，也能提高我國(guó)在世界技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的話語(yǔ)權(quán)。

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