淺談軟件無線電(SDR)和射頻片上系統(tǒng)(RFSoC)在通信中的作用

軟件定義無線電（SDR）簡介

顧名思義，軟件定義無線電是一種工作在射頻頻段的無線通信系統(tǒng)，它可以通過軟件進行高度配置。軟件定義無線電并非嚴重依賴專用硬件組件，而是借助軟件來定義和控制無線電功能的諸多方面。

在軟件定義無線電中，傳統(tǒng)模擬無線電中的硬件組件常常被軟件實現(xiàn)方式所替代或擴充。這種軟件通常部署在無線通信鏈路中的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）或數(shù)字信號處理器（DSP）上。

軟件定義無線電中通常會配置以下組件：

1、混頻器（用于上變頻和下變頻）

2、放大器

3、調(diào)制和解調(diào)模塊

4、射頻功率檢測節(jié)點

5、采用有限脈沖響應（FIR）濾波器概念的濾波器（帶通濾波器、低通濾波器）

現(xiàn)代的軟件定義無線電實現(xiàn)方式常常將這一概念擴展，把整個物理層和射頻鏈路都納入軟件范疇。

基于軟件定義無線電的設(shè)計在現(xiàn)有以及下一代無線技術(shù)和標準中日益普遍，這些技術(shù)和標準包括WLAN、Mobile-WiMAX、4G LTE、LTE-Advanced以及5G NR。

軟件定義無線電（SDR）發(fā)射機架構(gòu)

圖1：SDR架構(gòu)的發(fā)射機部分

圖1展示了典型軟件定義無線電架構(gòu)的發(fā)射機部分。它由一個數(shù)字信號處理器（DSP）、一個數(shù)字上變頻器（DUC）、一個數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器、一個模擬射頻上變頻器和一個功率放大器組成。

數(shù)字基帶處理在數(shù)字信號處理器內(nèi)完成，根據(jù)特定的發(fā)射機要求生成同相/正交（I/Q）數(shù)據(jù)。然后，使用數(shù)字上變頻器對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)字上變頻，其中運用了數(shù)字本地振蕩器（LO）和數(shù)字混頻器。

利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將得到的數(shù)字中頻（IF）采樣值轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號。接著，通過射頻上變頻器將該模擬中頻信號上變頻為模擬射頻（RF）信號。

最后，在使用根據(jù)所需系統(tǒng)工作頻率選擇的合適天線將射頻信號發(fā)射到空中之前，先由功率放大器對其進行放大。

軟件定義無線電（SDR）接收機架構(gòu)對比

讓我們來比較一下傳統(tǒng)模擬無線電接收機的架構(gòu)與軟件定義無線電接收機的架構(gòu)。

圖2：模擬無線電接收機

如圖2所示，在傳統(tǒng)的模擬無線電接收機中，射頻（RF）信號首先通過射頻放大器進行放大。放大后的信號隨后被輸入到射頻混頻器中進行射頻下變頻。這是通過將輸入的放大后的射頻信號與本地生成的本振（LO）信號進行混頻來實現(xiàn)的。

在射頻混頻器的輸出端提取并放大中頻（IF）信號。調(diào)幅（AM）廣播接收機通常使用的中頻中心頻率為575KHz，調(diào)頻（FM）廣播接收機則為 11.2MHz。這個放大后的中頻信號隨后被解調(diào)并傳送到音頻放大器。

包絡(luò)檢波器用于幅度解調(diào)，而鑒頻器則用于頻率解調(diào)。

射頻混頻器執(zhí)行著將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號的關(guān)鍵功能。

圖3：軟件定義無線電（SDR）接收機架構(gòu)

第一個模塊是射頻調(diào)諧器，它將射頻信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過放大的中頻信號。實際上，它取代了圖2所示的傳統(tǒng)模擬接收機中的前三個模塊（射頻放大器、混頻器和中頻放大器）。

在射頻調(diào)諧器模塊之后的模塊如下：

模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器：將模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻采樣值。

1、數(shù)字下變頻（DDC）：數(shù)字采樣值被傳送到數(shù)字下變頻器，它將數(shù)字中頻采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶采樣值（稱為同相/正交（I/Q）數(shù)據(jù)）。數(shù)字下變頻器由一個數(shù)字混頻器、一個數(shù)字本地振蕩器（LO）和一個低通有限脈沖響應（FIR）濾波器組成。

2、數(shù)字信號處理器（DSP）芯片：然后，數(shù)字基帶采樣值由數(shù)字信號處理器芯片進行處理。在該芯片上運行各種算法，以執(zhí)行諸如解調(diào)、解碼以及其他所需的信號處理任務(wù)。

這種數(shù)字實現(xiàn)方式構(gòu)成了軟件定義無線電的核心。在這些架構(gòu)中，經(jīng)常使用FPGA來替代數(shù)字信號處理器，以便能夠運行更快的信號處理算法。

通過在DSP/FPGA上以軟件形式實現(xiàn)基帶處理鏈路，能夠利用復雜的算法對同相/正交數(shù)據(jù)中存在的基帶和射頻損傷進行實時校正。

通常，在軟件定義無線電接收機中會實現(xiàn)諸如直流偏移校正、同相/正交增益和相位不平衡校正，以及時間、頻率和信道損傷校正等算法。

軟件定義無線電（SDR）的優(yōu)點

以下是使用軟件定義無線電的主要優(yōu)勢分析：

1、更快的上市時間：基于軟件定義無線電的原型有助于研究人員和開發(fā)人員實現(xiàn)基于第三代合作伙伴計劃（3GPP）或電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）標準的通信協(xié)議。根據(jù)諸如WiFi（802.11b/a/g/n/ac/ax）、藍牙、ZigBee、Zwave、全球微波接入互操作性（WiMAX）、LTE、5G、6G等標準，軟件定義無線電主要用于物理層和射頻的實現(xiàn)，從而加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2、靈活性和可重構(gòu)性：軟件定義無線電提供了一個靈活、可重構(gòu)且可編程的框架，滿足不同用戶對硬件規(guī)格的多樣化需求。同一套軟件定義無線電硬件可以適配各種不同的無線電系統(tǒng)架構(gòu)。

3、適應未來標準：軟件定義無線電硬件原型很容易適應未來的升級和不斷發(fā)展的協(xié)議。

4、降低開發(fā)成本：重復使用同一原型硬件的能力意味著總體開發(fā)成本更低。

5、參數(shù)可定制性：軟件定義無線電允許根據(jù)系統(tǒng)需求選擇射頻載波頻率、調(diào)制類型、前向糾錯（FEC）技術(shù)和采樣頻率。

6、軟件可調(diào)性能：軟件定義無線電提供了高水平的性能，且可以通過軟件進行調(diào)整和優(yōu)化。

軟件定義無線電的缺點

雖然軟件定義無線電有許多優(yōu)點，但它也帶來了一些挑戰(zhàn)：

1、動態(tài)范圍較差：一些軟件定義無線電原型設(shè)計的動態(tài)范圍有限。

2、軟件復雜性：編寫支持各種不同目標平臺的軟件可能是一項復雜的任務(wù)。

3、接口挑戰(zhàn)：軟件定義無線電架構(gòu)由模擬射頻前端和數(shù)字前端組成，這可能使得在模擬和數(shù)字模塊或組件之間實現(xiàn)無縫接口具有挑戰(zhàn)性。

4、ADC的限制：模數(shù)轉(zhuǎn)換器限制了軟件定義無線電數(shù)字部分能夠使用的最高頻率。

5、技能要求：軟件定義無線電的開發(fā)需要軟件工程師和硬件工程師的專業(yè)知識。

6、簡單系統(tǒng)的成本：對于較為簡單的無線電系統(tǒng)設(shè)計，軟件定義無線電平臺可能過于昂貴。

什么是射頻片上系統(tǒng)（RFSoC）？

和軟件無線電SDR相對的便是射頻模擬部分---射頻片上系統(tǒng)（RFSoC），射頻片上系統(tǒng)是一種將射頻前端組件和數(shù)字處理組件集成在單個芯片上的集成電路（IC）。它們被應用于對空間和功率要求嚴苛的場景中。射頻片上系統(tǒng)廣泛用于諸如Wi-Fi、藍牙、Zigbee等無線連接以及其他無線協(xié)議中。

這些無線片上系統(tǒng)在單個芯片上集成了各種模塊，其中包括射頻收發(fā)器、功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA），以及通信所需的各種數(shù)字處理組件。它還應用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、雷達與傳感等領(lǐng)域。

一個射頻片上系統(tǒng)架構(gòu)包含ADCs/DACs，以及賽靈思（Xilinx）的多處理器片上系統(tǒng)（MPSoC）和一個增強型的ARM現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），如圖4所示。

圖4：RFSOC架構(gòu)示意圖（圖片來自AMD）

RFSoC的優(yōu)點

以下是RFSoC的優(yōu)勢：

1、尺寸減小，電路簡單，并且有可能節(jié)省成本

2、功耗低

3、與依賴外部處理的軟件定義無線電（SDR）相比，信號直接在芯片上進行處理，延遲更低

4、射頻和數(shù)字組件的集成能夠?qū)崿F(xiàn)更好的優(yōu)化

5、外部連接更少，由于故障點減少，提高了整個系統(tǒng)的可靠性

RFSoC的缺點

以下是RFSoC的弊端：

1、與軟件定義無線電相比，靈活性有限

2、在設(shè)計過程中，需要具備射頻和數(shù)字領(lǐng)域的專業(yè)知識

3、在信號處理算法開發(fā)方面，可能不像軟件定義無線電那樣具有通用性

4、由于需要對芯片設(shè)計進行返工，所以更改和修改會導致成本升高

隨著標準的不斷發(fā)展，射頻片上系統(tǒng)可能會更快地過時，因為在設(shè)計時沒有充分考慮到未來的兼容性。

軟件定義無線電（SDR）與射頻片上系統(tǒng)（RFSoC）的區(qū)別

下表對軟件定義無線電和射頻片上系統(tǒng)進行了對比，闡述了二者在各種設(shè)計參數(shù)方面的差異，以及它們各自的優(yōu)缺點。

總結(jié)：

軟件定義無線電（SDR）通過軟件實現(xiàn)無線通信功能，以FPGA/DSP為核心替代傳統(tǒng)硬件，具備高靈活性、可重構(gòu)性及快速適配新標準能力，可降低開發(fā)成本并支持基帶損傷校正，但存在動態(tài)范圍有限、接口復雜、ADC頻率限制等挑戰(zhàn)。射頻片上系統(tǒng)（RFSoC）則將射頻前端與數(shù)字處理集成于單芯片，實現(xiàn)低功耗、低延遲及高可靠性，但靈活性較低且修改成本高。二者對比中，SDR側(cè)重軟件可編程性，RFSoC強調(diào)硬件集成度，前者適用于多協(xié)議快速迭代場景，后者適用于對尺寸和功耗敏感的專用設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信）。