软件定义无线电如何处理超宽频率调谐
软件定义无线电 (SDR) 使用通用计算机处理器代替模拟电路硬件来执行数字信号处理的各个方面。与专用电路相比，这通常以更低的成本在应用、处理能力和动态范围方面提供更大的灵活性。与全模拟无线电相比，SDR 用等效的软件实现代替了一些模拟电路，但需要一些模拟组件。
任何 SDR 所需的模拟组件的主要示例是与射频天线接口的发射或接收放大器电路。任何无线电系统的一个重要部分是混频器，其目的是将信号的频率向上或向下移动，这一过程称为外差。 SDR 使用数字混频器，这些混频器使用复数表示信号，这使它们比模拟等效物具有显着优势——它们能够将信号向下移频至直流，而模拟混频器只能将信号移至较低频率。
通常，SDR 在其中心频率附近具有更高的带宽，从而可以监控更大范围的无线电频谱并在更宽的范围内进行调谐，而无需重新调谐。换言之，这意味着 SDR 通常能够在从 DC 到超过 18 GHz 的宽调谐范围内提供高瞬时带宽。由于这两种高性能无线电属性的结合，支持频率调谐所需的无线电和信号处理硬件可能会有所不同。
需要注意的是，根据设计和频率范围，混频和调谐可以在信号链上的任何点实现，包括数字或模拟。本文讨论了可用于调谐各种频率的具体机制，包括直接采样、相位正交 (IQ) 混频和超外差混频。
什么是频率力学？
本文档使用术语频率力学来指将高频信号的频率下移到适合模数转换器 (ADC) 采样的范围的过程，以及随后可能发生的频率转换一旦信号被数字化就会发生。必须根据信号的频率选择特定的无线电路径——不同的无线电路径针对不同的频率范围进行优化。在每个无线电链中，频率可以通过模拟转换器混合，有效地向上或向下移动频率。
同样，数字信号也可以在转换器内或 FPGA 内进行移位。根据所选的频率范围，使用不同的采样和转换方法。简而言之，本文讨论了具体的调谐机制，以及每种操作模式的相关频率机制。
方法模拟调谐组件频率调谐位置直接采样无软件IQMixer硬件后接软件超外差中频下变频器，可能是第二个混频器硬件直接采样
直接采样是指直接从天线采样（或发送）信号，中间有最少或没有模拟组件。换句话说，一大块射频 (RF) 信号被采样、数字化，然后传递给软件进行处理。虽然简单，但这种方法的限制包括噪声和高速采样硬件和时钟的可用性。由于对大范围的射频频谱进行采样，因此无需重新调谐即可实现多频段应用。
调谐到不同频率的能力取决于传输时 ADC 或数模转换器 (DAC) 的采样率。市售的转换器设备可以采样高达 3GSPS（每秒千兆样本），从而可以在短时间内将大量数据数字化。这些采样率允许跨多个频段（包括许多商业蜂窝频段）对数据进行采样。
SDR 通常用作收发器（能够进行发送和接收的设备），而直接采样链是宽带 SDR 上可能的几种链之一。当使用低于模拟下变频器支持的频率时，将自动选择直接采样链。
基带传输
外部天线通过开关和放大器连接到 SDR，但请注意，没有使用用于频率转换的模拟组件。所有重采样和频率转换都在软件中实现，模拟电路仅用于信号调节——滤波——和放大。
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图 1：直接采样是指直接从天线传输信号，中间几乎没有或没有模拟组件。来源：Per Vices
当 SDR 作为发送器运行时，数据由用户应用程序生成并作为样本被 FPGA 接收。 qSFP+ 端口通过串行链路将数字化数据发送到 FPGA，其中在数字域中进行重采样和混频。然后它通过基于 FPGA 的插值程序，然后是基于 FPGA 的数字上变频——使用数控振荡器 (NCO)。在将数据发送到 DAC 之前，任何用户应用的频移都会发生在内插之后，然后再将数据发送到 DAC，如图 1 所示。然后，频移的数字数据由 DAC 转换为模拟信号，在转换过程中生成镜像频率.现在模拟信号通过抗成像滤波器，通过无线电前端放大器，然后输出到无线电天线。
基带传输机制
随着样本通过 SDR 中的各个组件，频率和带宽会发生变化。现在我们对电路有了很好的了解，让我们看看在每个步骤中信号会发生什么。
生成样本
图 1 的下半部分显示了我们可能希望传输的三个波形。在生成样本之前，用户定义一个采样率（标记为 A）。采样率用于指定用户带宽；以 0 Hz 为中心的区间 [-A/2, A/2]。由于这些波形在后期会被 NCO 频率偏移，因此在某些情况下初始正弦波可能具有负频率，如图中的黑色信号。生成后，样本将通过串行链接发送到 SDR 以进行进一步处理。需要注意的是，并非用户带宽中的所有样本都会被传输——稍后会变得清晰（见上图中的黄色信号）。
插值
生成用户样本后，下一步是进行插值以获得更大的带宽。这个新带宽指定了一个更大的间隔——也以 0 Hz 为中心——由设备的采样率定义（深红色 TNG 为 325 MSPS，青色为 1 GSPS）。用户带宽总是小于转换带宽。将样本内插到更大的带宽对于进行数字上变频的下一阶段至关重要。
上变频
将信号内插到器件的转换带宽后，FPGA 可以继续对样本进行上变频。回想一下，上变频只是将所有频率向上移动一个固定量——NCO 的频率。 Crimson TNG 和 Cyan 都有 CORDIC 数字混频器，能够进行上变频和下变频（DUC、DDC）。上变频是通过将用户样本与 FPGA 中的本地振荡器（设置为 NCO 频率）混合来实现的。这会导致我们所有信号的频率增加。使用我们从插值中获得的更大的转换带宽确保我们可以捕获更多的混合产品。
在某些情况下（参见黄色信号），将我们生成的信号与 NCO 频率混合会导致频率不在用户带宽内。在这里，混合产品仍将具有旋转以适合我们的捕获带宽的图像（参见黄色虚线）。对于基带信号，负频率分量被丢弃，因此该图像不相关并被忽略。
然后 DAC 将信号转换为其模拟形式。尽管现代 DAC 的性能有多好，原始信号的奈奎斯特图像仍将存在；在我们转换带宽的每个倍数处，我们可能会在相应的偏移处看到信号的图像。抗成像滤波器用于抑制通常会出现在更高奈奎斯特区域（转换带宽的倍数）的图像。现在可以通过天线传输最终的模拟信号。
直接智商
直接 IQ 或同相正交采样是直接采样的一种变体，其中接收的 RF 信号被分成两个分量，相位相差 90 度。两个 ADC 通道（或用于传输的 DAC 通道）用于对这些相移信号进行采样。直接 IQ 接收的过程描述如下。
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图 2：直接 IQ 接收器是直接采样的一种变体，采用两个通道对相移信号进行采样。来源：Per Vices
图 2 左侧的第一部分显示了三个纯正弦波及其被天线拾取的图像。可变衰减器衰减感兴趣频带之外的频率。下一阶段——IQ 调制器——将 I 和 Q 分量组合以形成 RF 信号。此过程将所有频率向下移动一个由本地振荡器 (LO) 确定的量。请注意，这是一个模拟过程。
模拟抗混叠滤波器旨在将输入信号限制为仅落在转换器域内的信号。这很重要，因为 ADC 具有有限的工作频率范围，该范围受其采样率的限制。转换器带宽指定了一个以 0 Hz 为中心的大间隔，该间隔由设备的采样率定义（深红色 TNG 为 325 MSPS，青色为 1 GSPS）。 ADC 将输入信号转换为数字形式。
此时，转换后的带宽对于数字处理来说是很大的。为了准备抽取，样本被数字下变频。这会将所有信号的频率降低 FPGA 上设置的 NCO 频率。 Crimson TNG 和 Cyan 具有支持 DUC 和 DDC 的 CORDIC 数字混音器。下变频是通过将接收到的样本与在 FPGA 中找到的本地振荡器混合来实现的——设置为所谓的 NCO 频率。请注意，在此发生后，某些频率（如红色显示的频率）可能为负。
在接收样本之前，用户定义一个采样率（标记为 B）。采样率反过来指定用户带宽，间隔 [-B/2, B/2] 以 0 Hz 为中心。抽取确保所有输入信号都落在用户带宽内。
超外差
外差接收器将接收到的射频信号 (f1) 与来自本地振荡器 (f2) 的参考信号混合，以产生两个中频 (f1 ± f2) 的信号。选择超外差 - 缩短为超外差 - 接收器的中频 (IF) 使其更易于使用模拟电子设备进行处理，因此高于正常的人类可听频率（因此有前缀“超级”）。
超外差接收器
图 3 显示了一个超外差接收器。请注意，为了简单起见，只显示了一个接收器——等效传输电路将使用类似的组件，但信号流相反。当用户选择超外差范围内的工作频率时，会自动选择相关的模拟级。超外差接收器首先使用模拟混频器对接收到的 RF 进行下变频。这是通过图 3 中标记为“LOgen 板”的合适的独立电路实现的。以这种方式使用高频模拟混频会产生所谓的拍频或中频倍数。数字化前需要模拟滤波器。
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图 3：选择超外差接收器的 IF 使其更易于使用模拟电子设备进行处理。来源：Per Vices
下变频的第二阶段是使用 IQ 调制器和抗成像滤波器来实现的，以去除高频混频过程产生的转换产物。中频现在已数字化，可以在抽取之前使用数字混频器进一步混合，最终在软件中使用。
了解权衡
根据工作频率，宽带 SDR 从可用的模拟电路中进行选择。使用基带频率或直接采样时，不可能进行模拟混频，并且频率受电路时钟速度的限制。当使用更高频率时，需要模拟混频器电路，而模拟混频级的数量又取决于频率。在 GHz 范围内工作通常需要一个超外差模拟电路和两个模拟混频电路，以便将信号频率降低到数字组件（例如 ADC 或 DAC）的工作范围。
使用单个设备进行宽带调谐需要了解各种方法的权衡。示例包括由模拟混合引起的信号伪影或高速转换设备的成本（如果不需要模拟混合）。与具有宽带操作开发经验并且有能力修改其产品以满足与给定项目相关的特定要求的供应商合作非常重要。最好根据供应商的可用产品、规格、支持的应用程序以及围绕其功能的讨论来选择供应商。
>> 本文最初发表在我们的姊妹网站 EDN .
维克多·沃勒森 是 Per Vices Corporation 的首席执行官。 
Eldrich Rebello 是加拿大风能研究所的电气工程师。 相关内容：
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