掌握软件定义无线电超宽频调谐技术

软件定义无线电（SDR）利用通用 CPU 执行传统上由专用模拟电路处理的数字信号处理。结果是设备灵活性远超纯模拟对应物，提供更高动态范围，且往往成本更低。

虽 SDR 以软件等价替代许多模拟模块，仍需关键前端组件如与天线接口的放大器。混频器也是将信号频率移位的关键；SDR 使用数字混频器将信号视为复数，允许频率移位一直到直流——这是模拟混频器无法做到的。

因 SDR 通常支持中心频率周围宽瞬时带宽，可在无需频繁硬件调整下监控和重调谐跨越广阔频谱。此能力转化为从直流到 18 GHz 以上的高瞬时带宽，视设计而定。

频率调谐可发生在信号链任意点——模拟、数字或混合。本文探讨主要调谐机制：直接采样、IQ（同相/正交）混频、超外差混频。

何为频率机制？

此语境下，频率机制指将高频信号下变频至适合 ADC 采样范围的过程，以及信号数字化后可能发生的后续频率变换。根据信号频率选择特定射频路径；不同路径针对不同范围优化。每条链路内，频率可由模拟转换器（上/下变频）或 FPGA 中数字方式混频。

直接采样以最少或无中间模拟组件直接从天线捕获射频信号。整个射频频段数字化后传递软件处理。虽简单，但需高速 ADC 和时钟，受采样率限制。

商用 ADC 可达 3 GSPS 采样，单次通过即可捕获多个频段——含多个商用蜂窝频段。宽带 SDR 上，当工作频率低于模拟下变频器支持范围时，直接采样链路自动选中。

图 1： 直接采样以最少模拟组件从天线直接传输信号。 来源：Per Vices

发射模式下，用户应用生成样本经 qSFP+ 口送 FPGA。FPGA 使用数控振荡器（NCO）执行重采样和数字上变频。数字移频后样本送 DAC 转模拟信号。抗镜像滤波器抑制杂散镜像后信号经放大经天线辐射。

直接 IQ（同相/正交）采样是直接采样变体，将输入射频信号分成两相移分量，由两路 ADC 通道采样。模拟抗混叠滤波器将带宽限制在 ADC 奈奎斯特区。数字化后，FPGA 与 NCO 混频数字下变频，后随抽取至用户定义带宽。

图 2： 直接 IQ 接收机用两通道采样相移信号。 来源：Per Vices

超外差接收机将输入射频信号与本振混频产生更易用模拟电子处理的中频（IF）。通常 IF 选在听觉范围上方以减少镜像干扰。模拟混频器配合本振生成板产生 IF。IF 随后数字化并可进一步数字处理。

图 3： 超外差接收机的 IF 选择以简化模拟处理。 来源：Per Vices

选择调谐方法时，考虑工作频率和所需带宽。基带或直接采样模式避免模拟混频器但受 ADC 时钟速度限制。高频通常需一级或多级模拟混频级（如超外差前端）将信号带入 ADC 范围。每种方法引入权衡：模拟混频器可能产生镜像伪影；高速 ADC 提高成本和功耗。

选择在宽带 SDR 设计有经验验证的厂商至关重要。评估其产品规格、支持应用、为项目特定频率和带宽需求定制硬件的能力。

>> 本文原发于姊妹站 EDN。

Victor Wollesen 是 Per Vices Corporation CEO。

Eldrich Rebello 是加拿大风能研究所电气工程师。

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