正如電子設(shè)備中的幾乎所有元件一樣，射頻電路正在演變成通過少量射頻I/O電路進行通信的處理器和軟件。因此軟件無線電(SDR)的興起就不足為奇了。
數(shù)字信號處理(DSP)是SDR的核心，隨著更快的ADC和DAC以及處理器的出現(xiàn)，SDR開始適用于更多的應(yīng)用。簡言之，隨著軟件的數(shù)字處理功能越來越強，硬件的空間正在繼續(xù)受到擠壓。
SDR最早出現(xiàn)在軍用設(shè)備中，但現(xiàn)在也已被用于大多數(shù)的手機設(shè)計。SDR也非常適合未來的公共安全通信，因為它提供了一種可以處理災(zāi)難事件中首個響應(yīng)設(shè)備所使用的大量空中接口和頻譜的方法。
SDR的定義
根據(jù)SDR論壇和IEEE，“軟件無線電指任何無線電設(shè)備(如發(fā)射機或接收機)，其中一部分或全部物理層功能是用軟件實現(xiàn)的。”這意味著其核心硬件將是一個運行軟件的處理器，它能夠仿真硬件功能。因此信號必須是數(shù)字的。
接收機必須首先用ADC將無線信號數(shù)字化。在大多數(shù)情況下，需要用下變頻器將通常處于微波范圍的甚高頻信號向下轉(zhuǎn)換成適合典型ADC輸入范圍的中頻(IF)信號。
目前許多SDR接收機直接將射頻信號轉(zhuǎn)換成基帶信號。一旦ADC將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式后，處理器和軟件就可以緊接著進行處理了。DSP軟件通?？梢詫崿F(xiàn)濾波、噪聲抑制和解調(diào)等接收機功能。
數(shù)字信號處理器產(chǎn)生發(fā)送信號，它可以采用任何一種調(diào)制方法，然后用一個快速DAC將這些信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。接下來一個上變頻電路將信號轉(zhuǎn)換成最終更高工作頻率的信號，并送至功放和天線。處理器使用DSP執(zhí)行調(diào)制、濾波和以前用模擬電路實現(xiàn)的其它功能。
使用SDR的最常見理由是靈活性，或其根據(jù)變化的無線電環(huán)境進行改變或調(diào)整的能力。借助SDR，你可以用同樣的射頻電路適應(yīng)幾乎所有的調(diào)制方案，而不用增加任何硬件。你所需要做的全部工作只是下載一個新的軟件模塊，然后你就能立馬擁有一臺新的無線電設(shè)備。
多種調(diào)制子程序可以共存在軟件代碼中，這使得運營商可以實現(xiàn)在線修改。一個靈活的空中接口和很寬工作頻率范圍使得同一無線電設(shè)備能夠完成許多不同的任務(wù)。這也是軍方為何對SDR如此感興趣的原因所在。一個無線電臺可以與許多不同源和終端進行通信，這肯定有助于降低成本和減少所需無線電臺的數(shù)量。
另外，SDR還能提高無線電設(shè)備的性能。例如，DSP濾波器與電感-電容(LC)或晶體濾波器相比，選擇靈敏度要好許多倍。磚墻式濾波器也已成為現(xiàn)實。互調(diào)問題可以顯著減輕，自動增益控制(AGC)和噪聲抑制等性能也可以比模擬電路高出許多倍。
在業(yè)余無線電臺領(lǐng)域，無線電愛好者要求最佳的性能和最大的靈活性，而SDR正好可以滿足他們的這種需求。無線電愛好者們會在多個波段中使用多種通信模式。連續(xù)波或CW(摩爾斯電碼)、AM、FM、單邊帶(SSB)、雙邊帶(DSB)、無線電傳打字機(RTTY)和分組數(shù)據(jù)只是1800kHz到10GHz波段中使用的幾種方案。
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由于業(yè)務(wù)無線電波段沒有分頻道，因此任何電臺都可以在任何頻率上工作，使得干擾和緊鄰電臺成為需要克服的巨大挑戰(zhàn)。先進DSP濾波對大多數(shù)業(yè)余無線電通信來說是一個真正的福音。雖然SDR通常成本較高，至少目前是這樣，但由于它擁有上述優(yōu)點，因而成為業(yè)務(wù)無線電愛好者們的優(yōu)選方案。
不過，區(qū)分SDR和軟件控制的無線電之間的差異很重要。軟件控制的無線電通常不涉及常見的SDR方法，除了有限地使用DSP中頻濾波以外。相反，它是典型的計算機控制的接收機。
目前市場上已經(jīng)有許多種軟件控制的無線電臺，它們使用PC并通過圖形用戶界面(GUI)控制所有或大部分接收機功能。這些GUI模仿了接收機前面板上的調(diào)諧度盤、S計、旋鈕和開關(guān)。通過用鼠標點擊，用戶可以改變頻率、選擇波段和模式、增加音量，并執(zhí)行通常用前面板按鈕或旋鈕完成的其它操作。
如今PC已經(jīng)非常普及，因此很容易從傳統(tǒng)的旋鈕、開關(guān)和LCD閱讀前面板過渡到用鼠標點擊方法操作的虛擬前面板。Ten-Tec公司的RX-320D和AOR公司的SR2200就是目前已經(jīng)上市的軟件控制無線電臺的兩個例子。
SDR業(yè)余無線電臺設(shè)備
業(yè)余無線電愛好者對SDR的青睞已經(jīng)有十多年了。這些無線電臺發(fā)燒友從20世紀早期就開始自己制作各種硬件，其中就包括了90年代晚期的一些SDR。但SDR非常復(fù)雜和昂貴，因此僅限于既有技術(shù)又有資金的那些愛好者把玩。
直到最近也只有少量商用的SDR產(chǎn)品推出。1998年推出的Kachina 505DSP是在PC上使用虛擬前面板的首個產(chǎn)品。雖然不是完全的SDR，但它確實使用了DSP實現(xiàn)次級中頻濾波。505DSP沒有持續(xù)多久，它不是一個成功的商用案例，但它確切地表明了什么可以實現(xiàn)，并為其它努力打下了基礎(chǔ)。
業(yè)務(wù)無線電SDR的重大突破出現(xiàn)在2002年。Gerald Youngblood(K5SDR)為美國無線中繼同盟(ARRL)撰寫了SDR基礎(chǔ)系列文章的首篇，文章介紹了名為SDR-1000的完整SDR收發(fā)機的構(gòu)建。最后還促成他成立了FlexRadio Systems公司，并將SDR-1000生產(chǎn)為商用產(chǎn)品。
SDR-1000是一個真正的SDR產(chǎn)品，它采用直接變頻技術(shù)，并利用DSP實現(xiàn)濾波、調(diào)制/解調(diào)和軟件控制。它還采用PC聲卡實現(xiàn)ADC/DAC，具有完整的虛擬前面板功能。PC執(zhí)行所有的DSP功能。SDR-1000直到最近才取得了成功商用。雖然目前還對該產(chǎn)品提供支持，但更重要的是，在該產(chǎn)品基礎(chǔ)上FlexRadio公司推出了最新產(chǎn)品FLEX-5000A。
正如你從將來其它制造商那里看到的那樣，F(xiàn)LEX-5000是一款非常成熟的SDR收發(fā)機產(chǎn)品(圖1)。它遵循SDR-1000設(shè)計并進行了改善。特別是它取消了PC聲卡，增加了自己的ADC和DAC。PC仍然處理DSP、接收機控制和顯示功能，并通過IEEE 1394火線接口與無線電臺通信。
FLEX-5000A非常神秘，可能是目前最強大的實用業(yè)余無線電收發(fā)機。它覆蓋了從1800kHz到54MHz(160、80、40、30、20、17、15、10和6米)所有的業(yè)余波段。另外，它實際上能工作在所有常規(guī)的業(yè)余無線模式，包括CW、AM、SSB、DSB、FM和RTTY，以及多種數(shù)字分組模式(如PSK31)。它的直接變頻接收機具有獨特的前端功能(圖2)。
發(fā)射機可以在所有波段輸出100W的射頻功率。發(fā)射機和接收機的諧波和邊帶抑制、三階互調(diào)失真、靈敏度和圖像抑制性能都是世界一流的。令人印象深刻和靈活的開關(guān)矩陣允許三幅天線中任一幅連接到兩個可能的接收機或發(fā)射機中的任意一個。 [!--empirenews.page--]
連接天線的輸入端采用了一個低噪聲放大器(LNA)以及為每個主要業(yè)余頻段準備的輸入帶通濾波器(BPF)組。在LNA后有一個低通濾波器(LPF)用作平滑濾波器。輸出信號再送到正交開關(guān)檢波器(QSD)。雖然大多數(shù)接收機中的第一級電路是傳統(tǒng)的混頻器，但FLEX-5000A使用了一個獨特的開關(guān)電路，即以發(fā)明者Dan Tayloe名字命名的Tayloe檢波器(N7VE)(圖3)。
該電路實質(zhì)上是一個1比4的MOSFET開關(guān)型多路分接器，四個輸出端各配有一個電容。分接開關(guān)以四倍于目標信號檢測頻率的速度進行切換。驅(qū)動源的輸出電阻和開關(guān)電容形成了一個選擇性的帶通濾波器。開關(guān)速率決定了濾波器的中心頻率，濾波器帶寬則是電阻和電容值的函數(shù)。
但更重要的是，在采樣輸入信號時，輸出信號相互間有90°的相移。組合低噪聲運放中的輸出信號將產(chǎn)生大家熟悉的基帶同步(I)和正交(Q)信號，并使得Tayloe檢波器成為一個直接變頻電路。有了I/Q信號后，任何類型信號的解調(diào)都有了可能。
I和Q信號再發(fā)送給24位的sigma-delta ADC。ADC的采樣率可以在192、96或48ksamples/s之間選擇。ADC輸出通過火線接口進入PC。音頻編解碼器從PC接收經(jīng)過解調(diào)、濾波和其它處理后的信號，然后送到音頻放大器、揚聲器或耳機。
Tayloe檢波器的本地振蕩器信號來自直接數(shù)字合成器(DDS1)，而DDS1的輸入來自10MHz溫補晶振(TCXO)，該晶振負責驅(qū)動帶500MHz壓控晶振(VXCO)輸出的鎖相環(huán)(PLL)。DDS1振蕩器可以按最小1Hz的步距將接收機設(shè)置到任一頻率。
與主接收機相同但獨立于主接收機的第二個接收機可以作為附件安裝。另外還使用了一個獨立的本地振蕩器(DDS2)。對于發(fā)射機來說，來自麥克風的音頻(AF)輸入信號在編解碼器和PC中數(shù)字化以便于調(diào)制。編解碼器中產(chǎn)生的信號再經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換I和Q信號。正交開關(guān)激勵器(QSE)用作調(diào)制器。
在經(jīng)過放大和低通濾波后，信號被送至最后的功放(PA)，這是一個輸出功率達100W的推拉式MOSFET管AB類放大器。信號在送至開關(guān)矩陣和天線之前還要再經(jīng)過一次低通濾波以清除諧波分量。DDS1決定了發(fā)射機的頻率。
雖然FLEX-5000A的硬件令人印象深刻，但它的PowerSDR軟件才是真正的功臣。PowerSDR軟件負責執(zhí)行所有的DSP功能，并實現(xiàn)前面板和所有其它無線電臺控制(圖4)。該軟件采用C#語言編寫，是完全開放源碼的軟件，可從www.flex-radio.com免費下載。眾多有著高度興趣和高超技術(shù)的SDR專家負責該軟件的維護和升級。另外，該軟件可以在Windows XP或Vista下運行。能夠在Mac或Linux機器上運行的通用版本正在開發(fā)中。
接收機的本地振蕩器頻率顯示區(qū)位于PC視頻顯示屏的頂部，上面顯示了接收機和發(fā)射機頻率以及第二臺接收機頻率(如果安裝了的話)。真正令人感興趣的內(nèi)容顯示在PC屏幕的中間，這就是所謂的掃調(diào)附加器顯示區(qū)，上面顯示了正在接收的波段。該波段的寬度等于接收機ADC采樣速度的一半。
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