軟件定義基帶也有解決方案 — 足以支持系統規劃人員靈活的處理設計投入和功能范圍的關系。而收發器問題仍然很關鍵:如果每一個要覆蓋的頻帶都需要單獨的 RF 信號鏈,那就無法實現低成本。
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理想情況下,天線和基帶接口之間兩個方向的整條信號通路帶寬非常大,在整個范圍內也是線性的,那么,設計人員只需要設置本地振蕩器驅動合成器,調節幾個 RF 濾波器參數,獲得所需的選擇功能,就可以選擇要覆蓋的任意窗口。這雖然還沒有實現,但是也不遠了。
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Bushehri 仿真了必須要考慮的關鍵信號通路組件 (圖2)。在發送側,有基帶數模轉換器 (DAC)、增益可調放大器 (VGA)、可調低通濾波器、輔助鎖相環 (PLL)和本地振蕩器合成寬帶功能,以及第二個 VGA、PA、天線開關等。對于大部分調制方法,合成器的所有組成都必須是同樣復制的:一條通路用于同相 (I),一條通路用于正交 (Q)信號。在接收通路上,天線開關后面是 RF 濾波器、LNA、合成器組件,然后是包括了 VGA 的 I 和 Q 通路、低通濾波器,以及 ADC。
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在用途不變的設計中,會圍繞設計目的來優化這些通路的每一單元。您同樣也可以對 SDR 進行優化,旨在使其能夠應用在密切相關的頻率和調制方案中。但是一個開放 SDR 設計要適應任何應用環境,對 RF 硬件提出了很高的要求。
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Bushehri 說,好在 CMOS RF 工藝不斷進步,數字輔助模擬和 RF 設計越來越成熟,逐漸能夠滿足這些要求。他指出,例如最近發布的 Lime 器件 —;LMS7002M 現場可編程RF收發器 IC。該器件是 65 nm RF CMOS 芯片,為 2 x 2 多輸入多輸出 (MIMO)軟件定義收發器提供大部分 50 MHz 至 3.8 GHz 信號通路 (圖1)。
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圖1. 新的現場可配置RF/基帶收發器IC支持對載波頻率、帶寬和濾波器特征參數進行在電路設置。
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對每一個模塊的需求是明確的。PLL、合成器、RF VGA 和 LNA 必須在整個 3.75 GHz 頻帶內保持平坦和低噪聲,必須有足夠的線性度來支持包括多載波工作在內的使用模型。Bushehri 認為,“電路設計非常難”。一方面,即使采用先進的工藝技術,有很好的設計技巧,也無法實現一個寬帶組件。芯片使用多個壓控振蕩器來覆蓋頻率范圍,而發送和接收分別只有一個 PLL 。
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工作在基帶頻率的收發器設計部分也同樣非常重要。為支持 Lime 能夠達到的應用范圍,片內基帶模塊 — 轉換器、VGA 和可編程濾波器,必須支持從 100 kHz 至 108 MHz 的帶寬范圍。這對于可編程低通濾波器和 12 位數據轉換器并非可有可無,特別是您增加了低功耗需求的情況。
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一些其他應用場景也擴展了芯片范圍。可以旁路大部分功能模塊,因此,設計人員如果需要可以替換更專用的外部組件。Lime 還在基帶通路的數字端集成了乘法累加器模塊,從基帶數字硬件中卸載高性能數字濾波器。芯片包括集成 8051 MCU 內核,在控制軟件和內部寄存器之間實現抽象功能。
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外部組件
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寬帶可編程收發器解決了很多設計難題。但是還有 RF 天線濾波器、開關和 PA 等未解決的問題。對于這些,最明顯的問題是 PA。但是 Bushehri 說,有商用寬帶 PA 符合收發器的帶寬要求,或者對于更特殊的應用,芯片提供了多路驅動輸出,因此,用戶可以把多個 PA 調整連接到不同的頻帶。
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還有能夠達到 3.8 GHz 的天線開關,其插入損耗和隔離度指標都符合要求。這樣,用戶面臨的主要難題是通過可調RF濾波器獲得所需的接收器選擇功能。
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可編程基帶處理器和 DSP 加速功能,可編程 RF 信號通路,仔細的選擇外部組件,這些因素組合起來能夠以合理的成本,在較小的電路板上實現非常靈活的 SDR。這為系統開發人員帶來了很多他們感興趣的機會。
至少,技術進步使得生產商能夠通過一個硬件設計,提供幾種型號產品服務于很多無線市場 — 在各類 IoT 中。他們更感興趣的是,系統開發人員可以開發一個機箱 — 微微小區或者空白收發器,迅速對其初始化,適應各種已知的現場環境。
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另一方面,技術不斷進步,認知無線電完成所有功能 — 能夠掃描、解釋并響應寬譜信號,發展中國家的應急響應系統和服務提供商也用得起認知無線電,這些國家可能完全沒有基礎設施,資源非常昂貴,但是要求遠程位置服務。這類功能可能會從根本上改變發展中國家的游戲規則。
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而且,較低的價格點也將為認知無線電打開廣闊的發燒友市場。這不但使設計人員更熟悉概念,還會促進從業余無線電直至嵌入式計算和機器人等開放系統的創新,改進已有的技術。認知無線電開放社區雖然才剛剛興起,但是潛力巨大。
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