软件定义无线电射频架构研究

Brandon Malatest, Per Vices, Toronto, Canada

软件定义无线电（SDR）为雷达、电子战、信号情报、通信和其他国防应用中越来越多的关键任务系统提供了支持。这些系统的基本要求是性能、可靠性和价格。SDR 的设计通常包括模拟射频前端 (RFE)、发射路径的数模转换器 (DAC)、接收路径的模数转换器 (ADC) 和数字处理器。本文重点介绍模拟 RFE，比较了三种最常见的架构，并深入探讨了对于关键任务应用而言通常最佳的架构。

架构

SDR 可采用多种射频架构，但最常见的是直接采样、直接转换（零中频）和超外差。

直接采样架构

直接采样或直接射频采样是指使用 ADC 直接对射频信号进行数字化，而无需事先进行任何频率转换。这种结构的代表框图如图1 所示。这种方法设计简单，提供宽带操作，仅受 ADC 的限制。虽然这种设计可以同时处理各种频率，但这种架构通常会牺牲射频性能，尤其是动态范围，而动态范围在许多关键任务应用中是至关重要的。高功耗和这些架构所需的高速转换器的价格使这一问题变得更加复杂。

图1 直接采样架构框图

直接转换（零中频）架构

另一种需要考虑的架构是直接转换或零中频。在这种架构中，信号通过混频器一步直接下变频为直流基带信号。这种架构的代表框图如图2 所示。虽然这种结构比直接采样结构稍复杂一些，但由于只需要低通滤波器，因此简化了滤波器的设计。这种架构的射频性能处于中等水平，因为它能有效利用频谱，因为没有中间频率可降低图像（image）风险。尽管减少了图像信号，但这种架构会引入直流偏移和 I/Q 不平衡，从而导致失真。这种架构还容易受到低频噪声的影响，因此被归类为具有中档射频性能。

图2 直接转换结构框图

超外差结构

超外差架构更为复杂。这种方法涉及在数字化之前将射频信号转换为中频 (IF)，虽然这是一种成熟的射频架构，但实施起来却很有挑战性。这种架构的代表框图如图3 所示。采用这种设计的 SDR 具有高选择性、高灵敏度和高动态范围等优点。通过提供出色的滤波特性和只放大所需信号的能力，这些 SDR 在拥挤的射频环境中工作时可提供卓越的性能。由于能够有效处理各种信号强度，采用这种超外差架构的 SDR 成为许多关键任务应用的不二之选。

图3 超外差结构框图

这些系统有一些缺点，但许多缺点都是从最终用户那里抽象出来的，因此负担落在了射频设计人员和 SDR 制造商身上。这种架构的设计增加了射频链中的各个阶段，通常需要更多元件才能达到最佳性能。这意味着这些设计通常比较复杂，会增加 SDR 的整体尺寸和成本。此外，还有可能出现图像频率干扰，这通常需要通过增加滤波和图像抑制混频器来解决。这会导致更高的功耗和成本。

超外差结构的元件选择

本文其余部分将重点介绍大多数超外差架构所包含的组件以及与组件选择相关的基本特征。超外差结构是关键任务系统的绝佳选择。其结构包括几个阶段。每个阶段都需要特定的组件，下文将对此进行讨论。重点介绍了选择这些组件时需要考虑的关键特性。

超外差架构的第一级包括射频连接器、滤波器和低噪声放大器（LNA）。射频连接器的选择看似微不足道，但对于架构中的第一个组件来说，却有一些重要的因素需要考虑。必须考虑以下几点：

频率范围：连接器必须符合系统频率范围的要求。否则，如果连接器的额定频率范围不正确，射频性能可能会立即下降，因为可能会出现信号完整性问题和损耗。

插入损耗：高插入损耗会降低接收器的灵敏度，导致性能不佳。低插入损耗连接器对确保最佳整体性能至关重要。

功率处理能力：连接器必须在指定的最大系统功率下工作。超过连接器的功率处理能力会导致信号完整性问题、连接失败和过热。

价格和可用性：关键是要确保选择的连接器支持生产计划，并且价格不会对目标应用的整体系统价格产生负面影响。

射频滤波器是设计中需要考虑的下一个要素。滤波器可去除带外信号，防止其进入后级。这些滤波器可采用分立元件或芯片，以满足性能和设计要求。在选择合适的射频滤波器时，必须评估的关键参数是带宽和选择性。滤波器必须在最大信号功率下工作而不失真，同时提供强力滤波，以确保在进入射频链的其余部分之前有效去除不需要的信号。

第一射频级的最后一个元件通常是 LNA。LNA 放大微弱信号，同时限制输入信号的噪声。与会产生额外噪声的传统放大器不同，LNA 的设计旨在提高整体射频性能。该元件需要考虑的关键特性包括噪声系数、增益和线性度。噪声系数是指放大器产生的附加噪声量。放大器的增益与微弱信号的增强程度有关，最好不增加失真。线性度对于尽量减少互调失真至关重要，因为互调失真会降低信号质量。

超外差结构的下一阶段包含系统的混频元件，用于改变信号频率。这些元件是混频器和本地振荡器（LO）。混频器是一个非线性三端设备。LO 信号驱动混频器二极管，混频器根据射频和 LO 信号频率的和与差产生输出频率信号。如果输入的射频信号被下变频，混频器产生的中间频率（IF）将是射频和 LO 频率之差。在系统中选择合适的混频器时，重要的是要有高转换增益、低噪声系数和良好的端口隔离。

高转换增益是一项重要功能。它有助于提高信噪比 (SNR)，减少对系统内更多放大的需求。它还能增加灵敏度，提高接收器检测较弱信号的能力。这可以改善系统的整体动态范围，在不超过允许失真水平的情况下实现更宽的信号强度范围，从而提高在弱信号条件下的性能。

端口之间的良好隔离也是混频器的一项基本选择标准。端口与端口之间的高隔离度有助于最大限度地减少信号和 LO 泄漏，避免中频穿通，减少互调产物，提高接收器灵敏度和动态范围。由于超外差架构的良好性能在很大程度上依赖于这一系列特性，因此混频器的选择至关重要。

如前所述，混频器依靠 LO 信号将非线性混频元件驱动到合适的电平和频率。LO 产生一个稳定的频率信号，其选定值可与射频信号混合并产生适当的中频频率。LO 的选择对于超外差架构也至关重要，需要评估的关键特性包括频率稳定性、相位噪声和调谐范围。稳定的 LO 可确保一致的转换频率，而低相位噪声则可最大限度地减少信号衰减。宽调谐范围非常重要，因为它可以灵活地为各种应用生成不同的中频，这是宽带运行的关键因素。

接下来是中频级。这部分包括中频滤波器和中频放大器。中频滤波器的设计目的是通过所需的中频信号，抑制其他信号。这样就能提供选择性，从而实现更好的性能。中频滤波器的主要规格是中心频率、带宽和形状因数。窄带宽可提高选择性，而良好的形状因数则可确保有效的信号分离，并将相邻信道干扰降至最低。滤波器还应具有低插入损耗以保持信号强度，低信噪比以提高灵敏度。

中频放大器，顾名思义，将滤波后的中频信号放大到适合解调的电平。该组件的关键参数是增益、带宽和线性度。增益和带宽的重要性在于确保中频信号具有适当的信号强度，以便在整个信号带宽内驱动解调器。线性度是一个重要参数，因为它会影响信号在到达解调级之前的完整性和失真。影响中频放大器最佳选择的其他参数是噪声和动态范围。添加到信号中的噪声应小，动态范围应大，以确保不同的信号强度不会产生失真。

解调器是第四级。这个部件至关重要，因为它能从调制的中频信号中提取原始信息。这一级的关键选择标准与解调器类型或调制方案以及信号处理能力有关。性能指标包括灵敏度、选择性和抗噪能力。解调器应能以最小的失真准确恢复信号，并根据应用提供必要的信号处理能力。确保与调制类型的兼容性以及实时信号处理所需的足够处理能力至关重要。高级解调器选择过程中的其他可用功能包括纠错和信号增强功能。

最后一级是基带处理。这一级的组件是 ADC 和数字信号处理器 (DSP)。ADC 将模拟解调信号转换为数字格式。该芯片内部有多个处理过程，需要考虑许多不同的特性，其中一些特性会直接影响平台在特定应用中的实用性。四个关键要素是通道数、分辨率（比特数）、采样率和动态范围。通道数与数字信号处理器必须支持的 RFE 数量和正在实施的架构有关。分辨率是另一个关键因素，因为更高的分辨率有助于提高信号保真度、信噪比和整体数据质量。例如，在测试和测量应用中，比特数直接关系到精度和测量可靠性。在这种情况下，分辨率越高越好。采样率直接限制接收器的带宽，影响信号的保真度。它还有助于减少混叠现象，混叠现象会在采样率过低时出现，并可能导致采样数据中出现错误的低频信号分量。采样率直接影响后处理的灵活性。ADC 的功耗始终是一个重要的考虑因素，以确保其在预定的系统性能和环境限制条件下正常运行。

DSP有多种形式。它可以是现场可编程门阵列 (FPGA) 或其他专用 DSP 芯片。无论选择哪种组件，数字信号都要在这一级进行处理，以便进一步进行解码、滤波和纠错等操作。处理速度、逻辑资源量、可编程性和功耗是这一环节的关键考虑因素。重要的是要考虑需要处理多少数据，如果是特定应用，需要进行哪些特定的 DSP 操作。为了获得更大的灵活性，确保芯片组速度快、逻辑资源多，就能实现实时处理和高级操作。数字信号处理器的可编程性直接影响到改变功能的灵活性，并允许进行更新和修改，这通常是适应不同信号类型和条件所必需的。

在许多情况下和许多应用中，将 DSP 中处理的数据传输到另一个设备中进行存储或额外处理是非常有益的。在这种情况下，与设备的接口就变得非常重要。可供选择的接口很多，包括以太网、PCIe、串行接口、FPGA 夹层卡和光学接口，每种接口类型都有各自的优势。在确定平台的最佳接口时，必须考虑数据的传输速率、接口设备和整体应用。

结 论

总之，在设计 SDR 时需要考虑许多不同的架构。每种架构都有其优点，但无论选择哪种架构，元件的选择都至关重要。必须确保设计到系统中的元件符合整个系统的频率范围、带宽和射频性能，如噪声系数、线性度等。此外，还必须考虑与预期应用相关的功耗、尺寸、重量和环境因素，以确保特定使用情况下的最佳产品性能。

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/43239