6. SDR架构
6.1 历史上的SDR架构
早期的SDR使用数字信号处理芯片来产生kHz带宽的基带信号，所有的RF调制都使用离散模拟组件进行。RFSoC平台作为最先进的现代SDR平台，可以使用FPGA可编程逻辑内核生成GHz带宽信号，上变频、滤波、数字预失真甚至射频载波调制都可以通过数字方式进行。在这种射频直采SDR中，仅剩的模拟级是射频滤波和射频放大。
6.1.1 基带采样/模拟中频基带采样SDR(1990年代)
第一代数字无线电中，模拟部分使用模拟本地振荡器将射频信号进行一次或者两次下变频，如图6.1和图6.2所示。然后对基带信号进行采样并使用ADC进行数字化，并使用DSP操作进行处理。
6.1.2 数字中频采样SDR(2000年代)
随着A/D接口的采样速度逐渐增加到MSps范围，下一代数字无线电的采样或数字化过程在中频和不是基带进行。该架构的第一级DSP涉及使用直接数字下变频器通过解调和抽取滤波将中频信号转移到基带，如图8.3所示。信号到达基带后进行进一步的DSP处理。在这个架构中，在数字领域实现了更多的功能，为SDR提供了更大的灵活性。
6.1.3 具有可调谐射频的基带采样SDR(2010年代)
随着SDR的应用越来越广泛，IC制造商开始开发单芯片SDR前端，将一些模拟和数字阶段结合在一起;为模拟振荡器、滤波和放大器级带来数字/软件可调性，如图6.4所示。
到2010年，通用计算机也变得更加强大，具有更高的CPU时钟速度和更大的RAM。专用DSP或FPGA硬件不再需要实现SDR系统的最终DSP操作。这些可以在主机上的软件(如MATLAB或GNU Radio)中实现。为了将SDR前端芯片与计算机连接，SDR主板上需要USB、Gbit以太网和PCI Express等接口。fpga作为计算机接口与SDR前端芯片之间的互连集线器，如图6.5所示。
6.1.4 射频直采SDR(2020年代)
现在的A/D转换器可以达到多Gsps速率，这意味着全数字无线电可以用于越来越多的频段，最终采用了直接对射频信号进行采样的方案，如图6.6所示。
几乎全数字的Direct-RF SDR只需要很少的模拟处理——主要是前端RF滤波器和RF放大器。从SDR的角度来看，几乎所有功能都是数字化实现的这一事实非常重要——这意味着无线电的操作可以被控制，甚至可以在运行时使用软件动态更新。
6.2 多输入多输出（MIMO）
上一节中介绍的所有SDR架构都描述为单输入单输出(SISO)无线电。通常，SDR至少支持2个发送(2Tx)和2个接收(2Rx)路径。这被称为2Tx 2Rx或2x2多输入多输出(MIMO) SDR，如图6.7所示。使用MIMO技术可以提高吞吐量，并有助于通过从发射器到接收器的多条路径发送信号来增加信号强度和弹性。
6.3 数字基带级
上述的所有SDR架构都有数字基带处理阶段。这个阶段可在各种可编程硬件上实现，例如DSP芯片和FPGA，或在一般计算设备上运行的软件。
6.3.1 接收路径
样本用2的补码表示，接收路径上的每个adc可以表示的最大值为32767，最小值为-32768。
主动增益控制（AGC）是SDR接收路径中的一个功能模块。AGC的目的是通过动态调整其增益来增加或减少接收信号的幅度，以确保信号尽可能充分地占据ADC范围，同时不会使ADC饱和。图6.9展示了AGC的作用，并与无AGC时做了比较。
可以利用AGC缩放在ADC工作范围内使用尽可能多的位，最大化数字信号的动态范围，该范围可以近似为：
由于AGC级以及天线和其他射频放大器的增益，采样信号功率不等于真正的射频信号功率。它是相对于ADC的属性，这实际上意味着SDR接收机没有校准。为了使用SDR进行精确的信号测量(例如用作频谱分析仪)，需要进行校准，以调整采样信号功率的增益，使其与真实的RF信号功率相匹配。通过对SDR前端天线增益、射频放大器增益、AGC瞬时增益和ADC特性的了解，可以实现增益补偿级，以校准SDR。
1. 调频无线电接收机
若接收到的信号是模拟调频无线电信号，在基带会得到调频调制的波形，需要使用DSP技术对其进行解调。首先将使用数字滤波器将感兴趣的信号过滤出来，如图6.11所示。该过程对应图6.12的第一阶段。
接下来，这个调频信号会经过调频解调器，再对立体声调频复用进行解复用，恢复左右声道。在这些过程中，如果使用定点表示(而不是浮点)，由于滤波和其他DSP处理阶段的算术影响，字长很可能在整个解调过程中增长。例如，一个乘法器块将两个n位数字相乘，应该在输出上配置更大的位数，以确保不会发生饱和和数据损坏。以我们的16位样本为例，考虑它们所能表示的最大值，输出可能需要达到32位。
然后可以使用抽取将采样率降低到更传统的音频速率，并通过截断低位将定点字长降低到与输出音频编解码器兼容的值。此时SDR恢复了发射的立体声音频信号。
2. OFDM接收机
该接收机的框图如图8.13所示。
经过数字滤波隔离感兴趣的信号后，进行前导码检测以检测OFDM包的开始。在此之后，执行频率和相位同步以补偿ADC中的频率调谐偏移和采样偏移。之后是循环前缀去除和使用FFT的OFDM解调。信道估计和信道补偿系统纠正由射频环境和无线电频谱信道引入的基带信号的跨带宽偏移，最后，执行QAM解映射以恢复二进制数据流，并且可以使用纠错级来纠正比特错误。至此，OFDM信号的物理层解调已经完成，恢复了一个二进制数据流。但是，这还没有为最终用户应用程序产生有用的数据。需要实现通信栈接收协议来将二进制数据流转换为被传输的网页、文档、音乐或视频流等。
6.3.2 发射通道
1. 调频无线电发射机
为了利用SDR构建模拟调频无线电发射机，数字基带级必须对源音频流进行处理，形成立体声调频复用，进行基带调频调制，最后调整采样率、采样格式和采样幅度，使其达到目标16位字长，平均采样幅度为±26214。这种发射机如图8.14所示。当源音频流为定点数格式时，确保在复用和调制过程中不发生数据丢失是很重要的。为了优化信号质量和动态范围，通常的做法是允许样本字长在这些算术处理阶段增加，然后在过程的最后阶段减少。
2. OFDM发射机
在SDR的数字基带处理阶段，当数据到达物理层时，应该是二进制数据流的格式。从上层到达物理层的数据如图6.15的左侧所示。当使用纠错编码时，该数据首先经过FEC编码阶段。
当发射机被设计成以“突发”方式运行，而不是通过传输连续的数据流，数字基带级必须插入 “空”位。OFDM调制器接收数据并执行QAM映射，从而创建QAM符号。再通过IFFT来创建OFDM符号，并添加一个循环前缀，并加窗来平滑和降低峰值与平均功率比，然后添加用于接收端OFDM包检测的前导。最后调整采样格式和幅度，使其达到目标16位字长，平均采样幅度为26214。
文章来源：威视锐科技
