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深度——一起认识SDR软件定义无线电

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发表于 2016-5-12 08:45:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
深度——一起认识SDR软件定义无线电

编者按:这是一篇在现代通信杂志发过的老文,看到大家现在对SDR的热情,特意再次整理出来,希望对大家认识SDR有帮助。——CQ《现代通信》
Sorry,先插个广告:欢迎文笔好或外语好或拍得好或人缘好的HAM加入CQ《现代通信》特约编辑团队,让我们一起服务中国HAM。(bg1awv#hamcq.com.cn(请将#换成@))
SDR为英文Software-defined radio的简写,直译为“软件定义无线电”。“软件定义无线电”作为专业词汇虽然在公众场合较少露面,但基于SDR技术和架构的无线电产品在军用和商用无线电领域早已广泛使用,而且近年来势头正猛。很多新出品的无线电信号接收分析类仪器都悄然采用SDR架构,与大众接触最为密切的移动电话中无线电通信组件SDR产品已有相当的应用,同时基于SDR的移动电话基站受到运营商的青睐。在无线电台领域,SDR架构的产品已广泛应用于军事无线电系统和一些高端政府级无线电通信系统,很多高端的商用无线电电台也纷纷转向SDR架构。随着SDR技术的日益成熟和低端SDR硬件器件价格的下降,SDR架构的短波电台、接收机在业余电台领域也开始崭露头角。
软件定义无线电是通过数字信号处理技术在通用可编程数字信号处理硬件平台上,利用软件定义来实现无线电台的各单元功能,对无线电信号进行调制或解调以及测量。SDR架构舍去了传统无线电电路中所有硬件单元包括变频、混频、滤波器、放大器、检波器、解调器等,完全是一种新的架构和技术。理想的软件定义无线电A/D 转换(模数转换)尽量靠近天线,在通用数字信号处理平台上尽量用软件来实现无线电各项功能。理想的软件无线电以单一芯片实现无线电所有功能,但限于器件目前的实际性能在高端应用中硬件设备是由模块化标准化的硬件单元以总线方式连接,构成可编程综合硬件平台。SDR可以构成发射机和接收机,通过加载不同的软件完成各种制式信号的调制和解调。在对讲机电台中SDR架构的优势非常明显,过去一些需要通过复杂昂贵硬件来实现的无线电收发信机中的功能,如频谱显示、接收信号强度测量、多频段工作、跳频、特种调制解调、高强度加密等在软件无线电中均能轻易的低成本实现,而且通过加载不同的软件可以方便地修改和增加不同功能。软件定义无线电是无线电台设备架构继从电子管电路转向晶体管电路后又一次质的飞跃。
软件定义无线电发展历史
软件定义无线电并不是一个全新概念,早在20世纪80年代初,国外就提出了完整的构想,不过当时限于A/D转换器和可编程器件的性能所以实际电路工作频率很低处理效果也不佳,主要还是提出了概念和发展方向。
软件定义无线电的概念在20世纪90年代被国外军方所看中,因为它适合构建支持多频段、多制式、多协议的通用军用无线电通信平台,便于各军种间甚至多国部队间的通信兼容,又适合军用制式电台硬件上的生产标准化、备件通用性、维护便捷性的要求。美国军方的SPEAKeasy系统就是SDR的首次大规模研发和应用,后来美军为了适应三军联合作战需要开发了JTRS(联合战术无线电系统)。目前国外很多制式军用电台都从数字化架构过渡到SDR架构。
个人移动电话在全世界兴起,随着移动电话的发展各种频段各种制式的移动电话系统陆续开始出现,通信协议也不断发展更新。支持多频段和多制式具有升级特性的手机和基站受到关注,这正好是SDR的强项,所以SDR架构的产品很快进入商用市场并广泛应用。目前中兴和华为都推出基于SDR的基站产品,涉及GSM、WCDMA/LTE、CDMA2000、TD-SCDMA主流制式,市场上受到运营商欢迎,在向4G标准发展过渡中显示出SDR架构基站高灵活性性和低成本升级的优势。
在通信测量仪器市场为了适应各种日新月异的通信信号的测量需要,优化测量方案提高了测量精度,射频仪器厂商也把目光投向SDR架构设计。同时SDR架构的测量仪器在硬件批量制造成本、配置灵活性、体积重量控制上都较传统架构仪器有明显的优势。
SDR在业余电台领域的应用主要是近些年的事。一些欧美业余电台制造厂家根据HAM的应用特点和口味推出基于SDR技术的产品,虽然性能上与政府监测级的接收机还有很大距离,但使得业余电台爱好者花费不太多就能初步领略现代通信科技的魅力。SDR业余电台设备中仅凭频谱图和瀑布图就已牢牢的抓住了HAM的心。很多业余电台设备大厂已将下一代业余电台设备锁定SDR技术。有些有技术的HAM利用市场上廉价的SDR硬件平台或利用声卡作为前端A/D转换器,配合外国HAM编制的通用软件在电脑上实现业余电台SDR接收机。使广大HAM能以很低的成本初探SDR的技术特性。此举再次体现了SDR通用可编程数字信号处理平台的灵活性与开放性。
软件定义无线电的优点
软件无线电的主要优点是配置灵活、体积小集成度高、硬件故障率低、硬件成本低、入门门槛低。
SDR是在通用可编程数字信号处理硬件基础上以软件定义方式工作,这就注定了其具有很大的配置灵活性。作为SDR电台,它的工作频段范围、调制与解调、数字信号传输编码加密、执行信号传输协议、操作权限控制都是由软件控制的。这样在同样的硬件平台上通过加载不同的软件可以配置成相互通信的电台也可以配置成工作频段调制方式完全不同的电台。玩SDR接收机的HAM都知道,要增加解调模式只要在SDR上加载对应的解码程序软件即可。原本标配只能解调AM/FM/SSB/CW常规模拟制式的SDR接收机,通过加载软件可支持DMR、APCO 25、GSM等数字信号和常规数字编解码格式。SDR电台的这一特性特别适合制造多频段、多制式、多协议电台。国外军队现在使用的一些SDR架构的军用电台其一些功能和密钥甚至可以通过空中无线电链路进行配置。另外很多SDR接收机提供可变带宽接收和I/Q输出,配合第三方专业软件可以进一步分析处理数字信号。
SDR的硬件主要基于高速DSP处理芯片、FPGA芯片、A/D、D/A转换芯片。这些芯片都具有很高的集成度,其面积往往还没有一张邮票大,所以大大缩减了设备的体积和重量以及功耗,使一些设备的小型化便携化手持化成为可能。现代高集成度的芯片相比分立元件和小规模集成电路组合在电路故障几率上低得多,使得产品更为可靠耐用。虽然SDR架构的产品属于高科技,但纯硬件成本和制造成本却明显低于传统架构产品,厂商具有更大的利润空间。
很多SDR产品由市场上容易买到的通用芯片构成,电路布局也不算很复杂,这样一来降低了进入这一行当进行新产品开发的门槛。SDR架构的高度集成化和软件化特性使得老牌大公司的射频制造经验优势遭到削弱。很多中小公司甚至是私人工作室都有机会开发并生产出自己的SDR架构产品与业内大公司同台竞技。业余电台界就有不少HAM自己设计开发了不同档次的各种SDR接收机,并以整机或套件的形式销售。
本文作者:杨法(BD4AAF),有删节。
现代通信,中国HAM自己的杂志。




转自:http://toutiao.com/i628335225417 ... mp;pbid=15380487992
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