第一章——软件定义无线电概论-2
1.3 网络与软件定义无线电
随着数字通信系统演变为高度复杂的设备，显然需要采用分而治之的策略，以使这类系统的设计与实现变得可行且易于管理。
因此，研究人员将数字通信系统划分为若干互补的分层，每一层执行传输和接收信息整体过程中的特定功能。得益于这种分而治之的策略，通信系统迅速发展成为具备广泛操作能力的平台，涵盖了从网页浏览和电子邮件到流媒体多媒体内容等多种功能。
事实上，将通信系统操作划分为分层的方法极为成功，以至于存在专注于某一层而不涉及其他层的独立研究群体；他们理所当然地接受来自其所在层上下层的信息。
一般而言，将通信系统划分为层的模型有两种：开放系统互联（OSI）七层模型和传输控制协议（TCP）/互联网协议（IP）五层模型，如图1.4所示。
两种模型的功能大致相同，但TCP/IP模型将最上层的几层合并为一层。本文重点关注TCP/IP五层模型，该模型由从上至下的以下各层组成：
应用层：负责将用户接口与通信系统中的数据连接。例如，应用层包括来源于或面向运行网页浏览器、电子邮件客户端和流媒体界面等软件的数据。这些应用通常通过指定的套接字进行寻址。
传输层：负责在客户端应用程序与服务器应用程序之间传输应用层消息。
此层确保数据传输的可靠性。
网络层：负责将网络层数据包从一台主机传送到另一台主机。定义了数据报的格式，以及终端系统和路由器对数据报的处理方法，同时确定数据报在源与目的地之间的路径。
图1.4 七层OSI模型与五层TCP/IP模型的比较
链路层：处理两个或多个直接连接设备之间的数据交换问题。可靠性：包括误差检测、误差校正以及不同通信系统的寻址。
物理层：将单个比特从一个通信系统直接传递到另一个通信系统。它还涵盖了数据传输设备与传输介质之间的物理接口。
从无线系统及其实现的角度来看，系统设计大部分集中于物理层，但链路层对物理层的影响同样不可忽视。然而，鉴于基带处理完全在软件中进行，通信系统也能够在软件中实现协议栈的更高层功能。
许多通信标准已采用该方案，即在软件中实现跨越所有层的完整通信系统，尽管根据数据速率要求，系统需要具备显著的计算能力以实现实时运行。所有软件实现均支持功能更新，无需更换硬件。
在实际应用中，这通常仅针对于新兴标准或数据速率较低的情况。然而，试想对一台Wi-Fi路由器进行软件升级，能够实现下一代标准而无需更换硬件。这种可通过软件升级的系统将更为复杂，成本可能也高于固定硬件系统，但消费者是否愿意为此支付更高费用？历史经验表明并非如此。对于这些高销量的消费类应用，价格往往是产品成功的关键因素。
大多数终端消费者在浏览亚马逊上的各类产品时，通常不会考虑长期维护和总体拥有成本。决定功能或层级在固定硬件还是灵活软件中实现，是基于产量、成本、功耗、复杂度及其他众多因素的工程决策。
近年来，结合软件定义无线电技术（SDR技术）与软件定义网络（SDN）的兴趣日益增长，后者专注于使上层通信层适应当前的运行环境。这使得如基于物理层启发式算法的路由修改成为可能。自愈网状网络即是该理念的一种实现。
链路层还会影响无线通信系统的物理层（PHY层），如图1.5所示。例如，在802.11（Wi-Fi）中，物理层（第1层）实际上进一步细分为物理层收敛协议（PLCP）和物理媒介相关（PMD）子层。PMD子层负责在两个站点之间通过无线介质传输和接收物理层数据单元，并将其传递给PLCP，PLCP则与上层MAC层、各种管理层实体及通用管理原语接口，以最大化数据速率。
在PHY层，图1.4中所示的单位为比特；然而，在无线和有线链路中，这些数据将被编码成更适合模拟传输的形式，称为符号。如图1.5中第1层所示的预同步码，极有可能永远不会以符号形式在接收机处被解调。
此类序列仅由物理层用于补偿链路中的非理想性，对上层几乎没有任何意义。然而，对于采用软件定义无线电实现的系统来说，这些简单部分是主要关注点，帧的其余部分则为任意数据。
图1.5 帧结构对SDR的影响，PLCP = 物理层汇聚协议。
1.4 软件定义无线电的射频架构
下一代通信系统带来了新的挑战，需要超越单个设备优化所能实现的解决方案。
在无线电中集成更多的软件控制和认知能力，要求射频设计拥有更为灵活的频率和带宽特性。为实现此目标，必须移除静态滤波器，改用可调滤波器。同样，共同平台的理念将缩短开发周期，降低制造成本，并提升系统之间的互操作性。通用平台要求射频系统能够为传统上架构迥异的应用提供全面性能。
最终，未来的平台正在将体积和功耗需求推向新的极限。
手持无线电日益强大且复杂，同时对电池效率提出了更高要求。小型无人机缺乏大型飞行器的电力供应，射频系统消耗的每一毫瓦功率都会直接转化为载荷电池重量，从而缩短飞行时间。为克服这些挑战并打造新一代航空航天与国防解决方案，正在开发新的无线电架构。
自诞生以来，超外差架构一直是无线电设计的核心。无论是手持无线电、无人机数据链，还是信号情报接收机，单级或双级混频的超外差架构均为通用选择（见图1.6）。该设计优势明显：合理的频率规划可实现极低杂散发射，中频滤波器决定信道带宽和选择性，增益在各个级联阶段的分配支持在优化噪声系数与线性之间取得平衡。
在超过100年的应用过程中（详见附录），超外差整个信号链的性能实现了显著提升。微波和射频器件在降低功耗的同时，提升了性能表现。模数转换器和数
模转换器提升了采样率、线性度及有效位数（ENOB）。 FPGA 和数字信号处理器（DSP）的处理能力遵循摩尔定律，随着时间不断提升，使得更高效的算法、数字校正及更深度的集成成为可能。封装技术缩小了器件的引脚间距，同时改善了散热能力。
然而，这些器件特定的改进正逐渐进入收益递减阶段。尽管射频组件遵循尺寸、重量和功耗（SWaP）缩减趋势，高性能滤波器仍体积庞大，且多为定制设计，增加了整体系统成本。此外，中频滤波器决定了平台的模拟信道带宽，难以设计出可在广泛系统中重用的通用平台。对于封装技术，大多数制造生产线的球距不会低于0.65毫米或0.8毫米，这意味着复杂器件在满足大量I/O需求时，其物理尺寸存在限制。
近年来重新成为潜在解决方案的另一种架构是零中频（ZIF）架构，它是超外差架构的替代方案。零中频接收机（ZIF）（见图1.7）利用单级频率混频器，本振（LO）直接设置于目标频段，将接收信号下变频。
图1.6多级超外差收发信号链[4]
图1.7 零中频架构[4]。
转换为基带同相（I）和正交（Q）信号。该架构减轻了超外差架构中苛刻的滤波要求，因为所有模拟滤波均发生在基带，基带滤波器设计更为简便且成本远低于定制射频/中频滤波器。ADC和DAC现于基带对I/Q数据进行处理，因此相较于转换带宽，采样率可降低，从而显著节省功耗。由于简化了模拟前端的复杂度和器件数量，零中频收发器在多项设计指标中实现了显著的尺寸、重量与功耗（SWaP）降低。
这种直接频率转换到基带的方案可能引入载波泄漏和镜像频率分量。由于实际因素，如信号链中的工艺变化和温度德尔塔，无法保持I和Q信号之间完美的90°相位偏移，导致镜像抑制性能下降。此外，混频阶段本振的隔离不完善会引入载波泄漏分量。若不加以校正，镜像和载波泄漏会降低接收机的灵敏度，并产生不良的发射光谱辐射。
历史上，I/Q失衡限制了零中频（ZIF）架构适用的应用范围。这是由两个原因导致的：首先，ZIF架构的分立实现难以避免单片器件和印刷电路板（PCB）上的失配。此外，单片器件可能来自不同制造批次，因固有工艺差异导致精确匹配极为困难。离散实现中，处理器与射频组件物理分离，使得跨频率、温度和带宽实现正交校正算法极为困难。
摩尔定律，或将零中频（ZIF）架构集成到单片收发器器件中，为下一代系统的发展提供了路径。通过将模拟和射频信号链集成于单片硅片，工艺变化得以最大限度地减少。数字信号处理（DSP）模块可集成于收发器中，消除了正交校准算法与信号链之间的界限。该方法不仅在尺寸、重量和功耗（SWaP）方面实现了无与伦比的提升，还能在性能指标上媲美超外差架构。
如图1.8所示的Pluto软件定义无线电等器件，将完整的射频、模拟及数字信号链集成于单一CMOS器件，并包含数字处理功能，能够在所有工艺、频率及温度变化条件下实时执行正交和载波泄漏校正。像AD9361这样的器件专注于中等性能规格及极低功耗，适用于无人机数据链、手持通信系统以及小型形态的软件定义无线电应用。AD9371则针对高性能规格和中等功率进行了优化。
此外，该器件具有精细的校准控制，同时配备了用于功率放大器（PA）线性化的观测接收机以及用于白频段检测的嗅探接收机。这为一系列不同的应用开启了全新的设计潜力。采用宽带波形或占用非连续频谱的通信平台现在能够实现更小的形态尺寸。
文章来源：威视锐科技