原标题：为您的应用选择合适的软件定义无线电解决方案

　　在数字电子技术繁荣之后，软件定义无线电(SDR)成为无线电应用中流行的先进技术，创造了一个不断扩大的利基市场。在SDR市场中，产品种类繁多，从面向消费者爱好者的小型便携式设备到面向大型组织和关键应用的精确而坚固的设备。因此，通常会发现 SDR 的大小从 USB 加密狗到整个 SDR 机架不等，其外形尺寸通常与性能成正比。此外，随着半导体技术的发展，电子元件现在更便宜、更小，从而可以开发在性能、外形和成本之间取得最佳平衡的 SDR 产品。 Per Vices等现代SDR制造商提供了所有这些优势，并结合了简单的系统集成和互操作性。

　　在SDR领域，产品选择并非易事，为了指导您做出这一决定，我们将讨论SDR的基本概念、应用、系统设计过程中的常见挑战，以及正确的SDR如何解决这些问题。

　　什么是特别提款权?

　　无线电通信长期以来一直由模拟电路主导。然而，模拟无线电在鲁棒性、集成度、灵活性、调制/解调和频率调谐方面非常有限。此外，模拟升级或修改只能通过更改硬件来执行，这通常意味着更换大量电路。数字技术的快速发展使无线电由软件而不是模拟硬件定义。现代 SDR 旨在实现高水平的灵活性、稳定性和可配置性，使用现场可编程门阵列 (FPGA) 作为计算的核心。FPGA 允许在同一器件中实现不同的调制协议、带宽捕获、纠错、DSP 算法甚至人工智能， 并且可以通过简单地重新编程设备来定期执行升级。SDR 分为两个主要元素：无线电前端 (RFE) 和数字后端(图 1)。

　　图 1：SDR 架构的高级概述。(来源：每台虎钳)

　　RFE负责所有基本的模拟无线电功能，如前置放大、混音和抗混叠或抗成像滤波。RFE 包含通过 SMA 连接器连接到天线或从天线连接的接收 (Rx) 和发射 (Tx) 通道。在高端SDR中，最先进的RFE可以在非常高的调谐频率范围和大瞬时带宽下工作。像Per Vices的Cyan SDR这样的高性能SDR可以达到3GHz的瞬时带宽和高达18GHz的调谐频率，可以升级到40 GHz。Tx 和 Rx 通道都通过 ADC 和 DAC 与后端接口，一个 SDR 可以有多个独立通道(最多 16 个)。

　　另一方面，数字后端执行操作所需的所有信号处理、生成、数据包化和流量控制以及应用级算法。它包含一个具有板载 DSP 功能的 FPGA，可与多个功能外设同步，例如时钟、电源控制器、ADC/DAC、通信接口和显示器。

　　特别提款权的用户

　　考虑到上一节中描述的配置，市场上的SDR产品种类繁多。这是因为每个组件根据性能、尺寸、成本和功能而有很大差异。定义典型 SDR 性能的主要性能参数包括：

　　RFE：调谐范围、射频性能和通道数

　　ADC/DAC：采样速率、位分辨率、线性度和噪声

　　时钟：延迟、稳定性、时钟速率

　　DSP：支持基本处理功能，如乘法累加 (MAC)、浮点单元 (FUP)、调制、抽取和插值

　　软件支持：UHD，GNU Radio，Matlab，Python，C++

　　由于这种多种可能性，特别提款权可分为三大类：

　　业余爱好者级别的特别提款权

　　中端性能特别提款权

　　超高端性能特别提款权。

　　随着小型而强大的商用现货(COTS)组件的发展，第四类组件正在出现，它将中端设备的便利性与高端SDR的性能相结合。

　　随着廉价且用户友好的数字平台的出现，业余爱好者级别的 SDR 在技术爱好者中变得流行起来。网站如 rtl-sdr.com 不断发布新的业余SDR项目，这些项目正在突破自制电子产品的界限。一些例子是业余射电天文学，VCR解码和飞机跟踪。这些项目中使用的 SDR 可能不是很强大，但这显示了可以使用 USB 加密狗大小的 SDR 完成的一系列应用。

　　另一方面，高端SDR是在更关键和更精确的应用中实施的，这需要昂贵的组件和软件。这些应用程序的一些示例包括：

　　雷达：应用电磁辐射来定位和跟踪移动物体的位置、速度和角度。SDR 为通用脉冲雷达、合成孔径雷达 (SAR) 和多普勒雷达等不同雷达应用提供了灵活性，并可与传统雷达技术实现互操作性。需要强大而快速处理的雷达方法(如SAR)可以从SDR技术中受益匪浅。图2显示了SAR雷达的基本操作。

　　图 2：SAR 雷达操作示意图。(来源：每台虎钳)

　　GPS/GNSS：发送/接收GNSS/GPS信号/数据和地面站跟踪。SDR 提供低延迟、准确、精密和高灵敏度，以改善信号上行/下行链路。

　　低延迟链路：在高频交易(HFT)、点对点链路和分布式网络中使用SDR。快速处理、低延迟和响应在这些网络中至关重要。

　　频谱监测和记录：用于监控限制区域的无线电活动，例如监狱、军事设施和机场。还用于实施频谱策略和检测非法使用许可带宽。在这些应用中，需要具有大带宽、大调谐范围、高吞吐量和出色分辨率的SDR，以便在大带宽上捕获任何给定频率的最弱信号。

　　医疗应用：MRI、NMR 和生物阻抗仪器等多种医疗设备需要 MIMO 波形生成和信号测量才能运行。SDR可以作为这些系统的基本单位实施。像Per Vices的Crimson TNG SDR这样的SDR对于这些应用非常方便，在小尺寸中提供四个工作频率高达6.8 GHz的通道。

　　5G网络：SDR既可以作为基站(接收和传输)的一部分，也可以作为新电信算法研究的一部分，为5G网络提供仿真或测试和开发平台。

　　测试和测量：在此应用中，SDR用于生成和测量射频以测试设备(在EMI和RF性能方面)并模拟电磁条件。必须实施具有高RF性能的SDR，以确保精度和鲁棒性。为了 提高 测试 的 灵活 性， 需要 大 的 调 谐 范围、 带 宽、 通道 数 和 DSP 资源。

　　当然，SDR的等级将极大地影响其性能：成本低于200美元的USB加密狗与成本数万甚至数十万美元的精密设备之间存在巨大差距。首先， 高端 仪器 将 提供 非常 大 的 瞬 时 带 宽， 这 需要 非常 快 的 ADC/DAC 进行 信号 转换。可配置性在高端设备中至关重要，因此使用支持自定义DSP的FPGA，并具有多个并行通道。为了管理智能电网和国防系统等应用中的大量数据，现代 SDR 需要高吞吐量数据链路：最高吞吐量的 SDR 使用 qSFP 端口和光缆收发器来流式传输高达 100Gbps 的数据。此外，具有出色相位相干性和稳定性的多通道操作仅在高端MIMO SDR中才能找到。

　　高性能SDR和业余SDR之间的其他区别包括极低噪声系数、高SFDR/动态范围、多个管理端口、大调谐范围、板载波形存储和高质量RFE组件。图 3 显示了使用顶级组件的高端 Tx/Rx 通道示例。

　　尽管市场更关注业余爱好者级别的SDR和顶级昂贵的设备，但对介于两者之间的仪器的需求很大，将高性能与实惠的价格相结合。这个级别可以称为最佳范围SDR，由SDR表示，例如Per Vices的Chestnut SDR，专门设计用于满足这一需求。Chestnut SDR 在 4 Rx/Tx 架构中提供高带宽、扩展调谐范围和高数字吞吐量。图4显示了市场上三种典型SDR之间的比较。

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　　图4：各类特别提款权的比较(资料来源：每副币)

　　研发的挑战

　　由于项目内部和外部的限制，研究人员和工程师通常很难开发RF系统。最典型和最令人沮丧的障碍是缺乏资金。这个问题通常在政府实验室遇到，政府实验室不鼓励开发新的专用硬件和软件进行实验。此外，缺乏资金阻碍了现代高端设备的采购，因此工程师经常被困在过时的技术和旧设备上继续他们的项目。

　　另一个问题是所谓的SWaP(尺寸，重量和功率)限制。例如，飞机上的雷达系统需要设计为在有限的电源、小尺寸和重量的情况下可靠运行，以便在不影响平衡和空间的情况下实现其功能。同样，便携式设备和电信小型基站(如5G网络)需要使用超低功耗无线电系统提供高数据吞吐量和低延迟。然而，器件的处理能力与功耗、尺寸和重量成正比，因此在SWaP合规性和性能之间需要权衡取舍。

　　不幸的是，高性能无线电应用需要强大的处理能力。这里的主要问题是高处理能力意味着昂贵的处理器。在高端RF应用中，有几个例子：SAR雷达需要在很短的时间内进行大量的信号处理(包括数据压缩和用于伪影调整的复杂算法)，波束成形/波束控制需要高度同步和独立的相位相干通道，频谱监测应用需要几乎实时处理大块数据。此外，系统可能需要能够改变安全性和功能性的处理方案，例如用于防止干扰的信道/跳频和GPS/GNSS中的调制切换。

　　即使使用强大的嵌入式处理器，典型的台式计算机系统也可能无法处理某些应用程序中捕获的所有数据。在这种情况下，应实现类似服务器的主机系统。然而，这带来了另一个问题：设计一个能够实时捕获、存储和处理数据的主机系统具有挑战性。在非常低延迟的应用程序中，这是非常成问题的，因为很容易发生数据溢出和下溢。

　　SDR 和自定义主机系统如何提供帮助

　　关于主机系统问题，可以开发定制系统以更好地满足极高的实时数据采集SDR应用。这通常涉及构建具有大量 NVMe 驱动程序、SD 卡、几 GB RAM 和适当的网络接口卡 (NIC) 和/或基于 FPGA 的加速器卡的类似服务器的主机系统。还有一些方法可以通过切换到实时操作系统 (RTOS) 或应用针对低延迟传输优化的 NIC，来减少 SDR 与主机系统的主机系统的光链路之间的延迟。在极端情况下，例如高频交易网络，SFP+ 连接器可以设计为与自定义接口协议配合使用。

　　由于SDR的几乎每个重要方面都是由软件定义的，因此集成解决方案也非常容易。例如，它们可以用作初步实验的模拟平台，因为它们能够在现场测试之前使用几种不同的协议和技术。此外，它们可以在不同的实验之间共享，因为SDR可以连接到网络，从而降低了所有涉及项目的成本。网络连接还有助于点对点链路的集成和同步，或使用SDR作为其他设备的外部参考。

　　SDR 也以模块化方式构建，这使得 SWaP 对于预期应用更加灵活。在这种情况下，只需添加所需的外设即可定制SWaP，消除不必要的组件或将电路板重新定向到不同的机箱中，从而减少体积和重量。减少的SWaP提供的便携性使其能够运输到困难的地区，例如天文台望远镜，山区天线和部署在航天器系统中，同时还充当此类应用中积累的数据的存储解决方案。

　　定制还可以更好地满足应用要求，例如，通过优化灵敏度和动态范围。此外，FPGA 可以随时重新配置其整个系统，以便 SDR 可以使用可编程的内部逻辑块互连，无需任何硬件修改即可使用不同的协议、算法、数据格式和波形(图 5)。FPGA还可以定制，以减少主机所需的处理和内存量。

　　图 5：FPGA 包含具有可编程互连的逻辑块和输入/输出模块。(来源：每台虎钳)

　　尽管 SDR 应用程序基于代码，但配置和应用设备只需要基本的软件开发知识。预先开发的代码示例对于开始使用SDR非常有用，并且可以在Python，C++和GNU Radio中轻松编程其他自定义软件，以实现各种功能。GNU Radio还提供了几个DSP工具，用于测试和测量，调制/解调协议。图6显示了PSK解调)、纠错和频谱分析的实现。

　　图 6：GNU 无线电可用于 PSK 解调。

　　结论

　　选择正确的SDR和/或完整系统是充分利用基于RF的应用的基础。然而，这个过程可能具有挑战性且成本高昂，但经济实惠的高性能特别提款权的可用性使这项任务变得更容易。合适的 SDR 型号为所有应用类别(从技术爱好者到大型公司)提供解决方案，所有这些都具有最先进的性能 - 与能够为您的项目提供定制开发的供应商合作，可以让您更轻松地将设计从纸张转化为现实生活。

　　布兰登·麦克休 是现场应用工程师和技术作家 每台虎钳.他拥有多伦多大学的理论和数学物理学学位。

　　考埃·莫塞勒斯 是一名电气工程师，专注于电子设计和仪器仪表。他目前从事生物医学研究，开发用于组织工程的仪器设备。学习和撰写有关尖端技术的知识是他的热情所在之一。