姓名：高新誠? ? ? ?學(xué)號：17021223282
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【嵌牛導(dǎo)讀】：說起軟件無線電（software-defined radio，SDR），對于有些朋友來說可能顯得奇怪，“無線電不是硬件嗎，怎么又扯到軟件了？”殊不知，軟件無線電可以說是許多射頻電路與系統(tǒng)從業(yè)者心中的終極目標(biāo)。最近Xilinx發(fā)布了用于SDR的RFSoC，那么今天我們就來好好聊一聊SDR。
【嵌牛鼻子】：軟件無線電 SDR?Xilinx
【嵌牛正文】：
軟件無線電的歷史，意義與應(yīng)用
????????隨著無線電的誕生，不同的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)隨之而來。不同的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)通常工作在不同的頻段，使用不同的協(xié)議，因此在早起無線電里需要專門的電路處理。隨著無線電頻段和標(biāo)準(zhǔn)越來越多，為了應(yīng)付不同標(biāo)準(zhǔn)的射頻系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。那么，有沒有可能用一種電路處理所有的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)呢？SDR的概念應(yīng)運而生，它早在1991年就由當(dāng)時就職于E-Systems的Joseph Mitola在論文《Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions》中提出并廣為人知，而Mitola本人也因為這篇論文成為了SDR領(lǐng)域教父級的人物。
SDR系統(tǒng)的研究演進
????????SDR系統(tǒng)看上去很簡單，但是真正要實現(xiàn)起來非常困難，尤其是在90年代的時候。SDR中的接收機實現(xiàn)尤其困難。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了能夠采集到載波頻率在fc處的射頻信號，ADC必須能工作在至少2*fc的采樣頻率。除此之外，對于接收機來說還有一重難點，就是射頻信號強度大小不定，其強度變化的范圍可以超過六到七個數(shù)量級，因此ADC的精度必須夠高（10bit以上），否則無法采集到信號強度較弱的信號。最后，還存在blocker信號干擾的問題，因為接收到的射頻信號強度差距可達(dá)好幾個數(shù)量級，因此要求ADC的線性度非常好否則強的射頻信號會把強度弱的射頻信號淹沒掉。
????????在90年代Mitola剛提出這個概念的時候，集成電路，尤其是CMOS集成電路實現(xiàn)SDR幾乎是天方夜譚。那時候最流行的2G GSM標(biāo)準(zhǔn)工作在900MHz附近（因此需要1.8GHz的采樣頻率才能滿足奈奎斯特定理），而ADC的采樣頻率非常慢。例如，拉扎維做的ADC，可以說代表了業(yè)界最前沿，1992年的時候他在ISSCC發(fā)表了12-bit 5MHz采樣頻率的ADC，而1999年他又在CICC發(fā)表了8-bit 150MHz采樣頻率的ADC。無論是5MHz還是150MHz，離1.8GHz來說都太遠(yuǎn)了。
????????Mitola的想法最初主要的資助方是美國國防部，因為軍方對于SDR的需求更強烈而且可以不計成本使用最好的半導(dǎo)體工藝。到了21世紀(jì)初，即2005年前后，一方面隨著摩爾定律CMOS電路能工作到越來越快，另一方面隨著CMOS RF的興起，SDR在商用領(lǐng)域也得到了各大公司的重視，不少大學(xué)和公司都開始投入SDR的研究。當(dāng)時的ADC可以工作到10bit，500 MHz左右，但是主流3G通信已經(jīng)開始用到了2GHz頻段，因此使用直接ADC方案還是不行。那么，使用單獨ADC直接采樣不行，大家就想到了用一個比較折衷的方案，即設(shè)計一套接收機射頻電路，可以通過配置覆蓋很寬的載波頻率范圍。在同一時間，SDR接收機只工作在一個頻段，但是可以通過軟件配置在不同的時間工作在不同的載波頻段。
????????這個想法比起硬上ADC方案要簡單不少，因此吸引了眾多業(yè)界和學(xué)界人士投身其中。這套方案主要的挑戰(zhàn)在于寬帶可配置射頻電路，而且需要在架構(gòu)和電路層面上對噪聲，線性度做優(yōu)化。雖然困難重重，但是比起ADC直接采樣方案來說還是有做一做的希望的。許多半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)的大佬都投入了SDR的熱潮。在美國，有UCLA的Abidi提出了基于采樣濾波器的方案。在歐洲，SDR研究也如火如荼，比利時魯汶天主教大學(xué)和IMEC在ISSCC上給出了自己的方案，而荷蘭屯特大學(xué)的汝嘉耘以及Eric Klumperink和Bram Nauta也提出了自己的采樣接收機，使用嶄新的charge-domain signal processing概念在SDR中做出了非常杰出和漂亮的工作。在工業(yè)界，ADI的SDR系統(tǒng)也是鼎鼎有名，使用可配置射頻電路實現(xiàn)了能覆蓋超大載波頻率范圍的可配置射頻系統(tǒng)。
????????這樣的SDR，不妨稱之為單頻段SDR，主要設(shè)計思路是一個射頻系統(tǒng)不可能同時工作在多個不同頻段，因此只需要能滿足通過配置可以工作在不同頻段即可。然而，隨著2010年后4G通訊的興起，載波聚合技術(shù)越來越重要。載波聚合需要射頻系統(tǒng)同時在多個載波頻段發(fā)射或接收信號，這意味著人們開始有越來越強的動力設(shè)計能同時工作在多個載波頻段的射頻收發(fā)機。這種SDR不妨稱之為全頻段SDR，因為需要它能同時工作在多個頻段。全頻段SDR中，使用ADC直接采樣射頻信號幾乎不可避免，但好在此時ADC的采樣頻率已經(jīng)上來了，工作在GHz的高精度ADC比比皆是，但是4G的載波頻率最高主要還是在2GHz附近，相對于之前的3G沒有太大變化。終于，2016年時Broadcom在ISSCC上發(fā)布了采樣率4GHz，精度10bit的ADC，已經(jīng)能滿足全頻段SDR的基本需求。只是Broadcom沒有推出相應(yīng)的SDR解決方案。
Xilinx的產(chǎn)品
????????Xilinx在SDR方面有著不少積累，但是主要是在使用FPGA實現(xiàn)的可重構(gòu)數(shù)字基帶方面。Xilinx FPGA實現(xiàn)的SDR基帶以及相關(guān)軟件在軍方和業(yè)余無線電圈子里已經(jīng)頗有名氣。今年二月底，Xilinx又有些出人意料地推出了集成了超高速ADC／DAC的用于SDR的FPGA方案，稱之為Xilinx All Programmable RFSoC。
????????在Xilinx的RFSoC中，ADC精度達(dá)到了12bit，而采樣頻率到達(dá)了4GHz，可以實現(xiàn)2GHz頻段內(nèi)的全頻段SDR。DAC則可實現(xiàn)14bit精度，轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)6.4GHz。配合Xilinx的FPGA用作數(shù)字基帶處理器，一個完整的SDR電路系統(tǒng)就呼之欲出了。
????????第一個商用SDR系統(tǒng)被Xilinx搶先，而不是由Qualcomm，Broadcom等無線通訊業(yè)巨頭拔得頭籌（尤其是在Broadcom已經(jīng)突破了SDR中最困難的ADC的情況下），確實讓人有一些意外。然而，仔細(xì)想想還是在情理之中。首先，在過去的SDR研究中，大家都過于關(guān)心射頻電路，但對于數(shù)字基帶大家的關(guān)心并不多，總是覺得“設(shè)計出強大的數(shù)字基帶處理器肯定沒問題”。實際上，要實現(xiàn)能靈活配置的數(shù)字基帶處理器并不容易，而FPGA以其可快速配置的特性目前不失為一種實現(xiàn)SDR數(shù)字基帶處理器的選擇。在FPGA方面，Xilinx的技術(shù)顯然是遙遙領(lǐng)先的。另外，也是很關(guān)鍵的一點，就是目前全頻段SDR仍未找到能馬上落地的商用情景。雖然載波聚合需要工作在多個頻段上，但是要全頻段SDR的成本以及功耗比傳統(tǒng)射頻收發(fā)機更優(yōu)，恐怕暫時還做不到。另一方面，在國防應(yīng)用中，確實存在對全頻段SDR的強烈需求，而且FPGA在軍事應(yīng)用中也是很常規(guī)的，因此由FPGA龍頭Xilinx推出全頻段SDR系統(tǒng)也是符合邏輯。
對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的啟示
????????目前，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在射頻電路與國外仍有一定差距，例如SDR中需要用到的超高速高精度ADC在中國仍然沒有足夠的技術(shù)實力實現(xiàn)，而更要命的是超高速ADC集成電路對于中國是禁運的。然而，除了在射頻電路方面迎頭趕上的同時，中國半導(dǎo)體業(yè)其實在SDR的其他方面也有機會填補空白。之前說的Xilinx 全頻段SDR在電路方面已經(jīng)接近理想，但是在片外射頻前端器件方面，Xilinx仍然沒有能力提供一整套方案。例如，SDR中如何實現(xiàn)天線，如何做片外功率放大器，仍然是空白。中國半導(dǎo)體行業(yè)在這些方面也有希望做一些有意義的事情，不僅為人類技術(shù)發(fā)展做貢獻(xiàn)，也能提高我國在世界技術(shù)競爭中的話語權(quán)。
