今天和明天的 AD9361 SDR

软件无线电（SDR）自首次构想三十年以来，已经取得了长足的进步。

今天，高度集成的解决方案已超越了一项科技发起人梦寐以求的解决方案，该科技以一项军火生产计划为始端，以提供一个多协议、宽频谱的单个无线电架构。虽然当时的 SDR 只是理论上的，但已开发了技术和工艺，使之成为简化硬件、推出新功能并支持多种调制技术的一个实用策略。这包括发明时对新方法的更新。今天，SDR 成本低、集成度高且用途多样，与过去的繁琐、昂贵、分立式设计大不相同。现在，由于 AD9361 和 AD9364（Analog Devices 的单芯片射频敏捷收发器）等的革命性性能改进，SDR 也对高性能提出了要求。为了达成这个目的，Analog Devices 已努力为设计人员提供一个基于文件齐全、易于使用的参考设计的硬件和软件的完整生态系统，以便他们使用该项技术。

SDR 的概念超越时代，它具有悠久的历史，以 1970 年构想的数字接收器为始端。大量的技术挑战使之在现代无线系统的迅速转型中努力保持良好的势头。在 90 年代，为了使军事通信经得住时间考验并促进互操作性，国防高级研究规划局（DARPA）将通用无线电的梦想变为现实。这在一项价值数十亿美元的美国防卫计划中达到了顶点，该计划称为联合战术无线电系统（JTRS），抽象层称为软件通信架构（SCA）。这项雄心勃勃的计划在十多年的研发后最终以失败告终，但在基础技术方面带来了巨大进步。尽管取得了这些进展，但由于系统成本、尺寸和功耗，SDR 并未真正在商业消费产品领域找到落脚点。在最新发明（包括 AD9361 使 SDR 能够成为一种实用且价格实惠的技术）之前，它一直是一种军事和基础设施导向性的技术。

图 1：介绍 AD9361 敏捷收发器

商业通信产品中使用 SDR 的转折点是低成本数字信号处理器（DSP）的到来以及 CMOS 工艺中模拟和射频集成的进步。在第二代蜂窝系统中，这些发明能够使中频（IF）和基带子系统数字化。数字化使无线电架构的要素进入摩尔定律的轨迹。随着处理能力的提高，误差校正、先进的调制方案、高效的数据编码方法以及信道均衡等复杂的算法功能迅速推出。处理能力的提高以及可重构逻辑的进步已使这些元素成为能够更新和更改的软件实施。由于高度灵活的可配置性、方便的 CMOS 或 LVDS 接口和经证明的 Linux 驱动支持，AD9361 是这些数字平台的完美相伴器件。

自适应无线电和认知无线电是 SDR 领域的最新进展。两者的概念相似，且需要 AD9361 来获得需要的功率和集成度。两种无线电能动态调整收发器的波形、协议、频率和网络等配置，以充分利用可用的频谱而不是被分配使用一个固定的频带或协议。器件转动时，其环境发生变化，且射频连接通过优化利用立即可用的最佳服务进行动态响应。这可以通过 AD9361 的宽频带和调制宽带进行调节。一些智能无线电建议包括自适应的网状网络，而其他则建议使用正交频分多址接入（OFDMA），以利用频谱共享池中未使用的频谱。下一代的终极方向仍然尚在界定中，但当普遍采用宽带认知无线电时，它将彻底改革无线通信。无论终极方向如何，所有潜在的策略都面临与灵活性和性能（AD9361 能够满足）相关的相同挑战。

尽管数字处理方面取得的进展，收发器仍然需要前端放大、滤波、频率产生和降频转换的高性能射频模拟阶段。射频功能与足够性能和灵活性之间的集成困难从根本上限制了 SDR。由于基础半导体性能受到限制，射频元件的集成导致敏感度、选择性、线性和绝缘方面存在折衷。这导致行业一般认为，灵活性和集成度的增益需要牺牲性能和功能。Analog Devices AD9361 改变了该观念范式，其性能满足像 4G LTE 的规格。它改变了行业面貌，即减小尺寸和元件数量，且无需折衷就能产生设计人员一直期待的性能。它完全可配置、可扩展，能够同步用于多芯片系统以实现扩展性能。高水平的灵活性和集成度有利于加快上市时间，降低功耗并缩小板面积。目标应用包括 P2P 通信系统、毫微微蜂窝/微微蜂窝/微蜂窝基站、通用无线电系统、宽带认知无线电和 MIMO。其关键硬件性能包括：

• 带有分立式信号通道的两个完全分立的收发器能够用于单芯片 2x2 配置或同步用于4x4、8x8 或更大的系统，适合聚束和 MIMO 等应用。每个接收器包括多达 3 个差分输入/6 个单端输入。AD9364 敏捷收发器是 AD9361 的一个单通道收发器版本。
• 两个集成式分立本机振荡器（LO），它能够使收发器在频分双工（FDD）或时分双工（TDD）模式下工作。支持 2.5Hz 频率调谐分辨率的集成式 N 分数合成器。
• 频率范围（70MHz~6000MHz）。
• 12 位 ADC 芯片上的软件可配置采样率为 547kSPS*~61.44MSPS。
• 集成式 AGC、DC 偏差校正和正交校正。
• 出色的接收器噪声系数（2dB @800MHz LO）。
• 出色的发射器本底噪声（-157dBm/Hz）。
• CMOS 和 LVDS 接口选项，便于将接口连接到基带处理器。

*该数字目前正在修订中

图 2：AD9361 评估板

(a) Analog Devices AD-FMCOMMS2-EZB 板

(b) Arrow Electronics HSMC ARRADIO 板

AD9361 被包装在一个完整的生态系统中，以迅速评估 AD9361 并开发 SDR 产品。这是开发通信系统的一种真正的革命性方法，因为它避免了前期开发一个工作硬件原型和软件驱动程序的需要。这使开发团队能够集中设计的不同功能而不是基础架构。SDK 具有全面的软件支持和模拟模型。Analog Devices 在射频和 SDR 方面具有悠久的历史，且基于 MathWorks SimRF 工具箱为 AD9361 提供模拟环境，尽管该工具箱并不是专为 AD9361 而设计，Analog Devices 具有许多关于 SDR 的技术参考，如最大化接收器内的动态范围的技术。这些参考讨论与 SDR 有关的重要计算值，如作为时钟抖动函数的 ADC 噪声系数（NF）和信号噪声比（SNR）。AD9361 还具有 Analog Devices Wiki 的直接支持，后者包括电路评估板上工作示例文档的驱动源码、逐步指南等等。从软件层面看，AD9361 和 AD9364 器件和生态系统功能包括：

• 使用软件指令可易于配置，使用不吓人。
• 完整的收发器开发生态系统 - 工具套件包括 Linux 用户应用程序、Linux 和裸金属/无 OS 设备驱动程序，且参考硬件可供简化设计。
• 提供 Arrow 的 ARRadio 硬件参考设计系统。兼容低成本 SoCKit 开发工具套件的 HSMC 夹层卡的构建围绕 Cyclone V SOC 双通道 ARM Cortex-A9s。
• 提供 AD-FMCOMMS2 - EZB EMC 硬件参考设计。FMC 夹层卡兼容基于 FMC 的承载卡。
• SDK 具有与 FMC 无关的连接器，可易于连接任何基带处理系统。
• SDK 具有一个用户应用程序和参考设计，能够产生针对测试输出的连续音的 DDS，直接从流动文件中传输，捕捉接收器的输出并显示在屏幕上。
• Linux 工业输入输出（IIO）示波器应用。请参阅时间域、群集和频谱 FFT 中接受器的信息。由于其调试选项，AD9361 内部的寄存器允许较低水平的峰值和存数。
• 由于 Linux，器件特点的修订可通过简单的文件打开、读、写和关闭操作来实现。
• 提供的经验证的 Matlab Simulink SimRF 模型可准确地表示收发器在不同功率和频率级别处的噪声和非线性。这可在虚拟环境中用于预测设计性能和调整设置，以获得与实际硬件非常接近的值。MathWorks 仪器控制工具箱™能够使射频测量自动化，连接到频谱分析仪和信号发生器，以使用参考硬件测量该设备。

图 3：AD-FMCOMMS2 和 ARRadio 评估系统

AD9361 SDR 信号通路

双通道接收器部分在将射频信号传输到基带处理器（BBP）之前将其转换为数字数据。两个分立的通道允许有多输入多输出（MIMO）系统，同时共享一个常见的频率合成器。三个输入可对应每个接收器进行多路复用，使 AD9361 能够用于要求多个天线的接收器分集系统。直接转换接收器从天线输入数据，并将其传输到低噪音放大器（LNA）。然后，传输到匹配的正交放大器和混合器元件。带通滤波器形成信号并移除混叠频谱，因为射频被降低到基带。如果要求其他放大率或选择性，外部 LNA 或滤波可优先集成到该器件。自动增益控制（AGC）可自动或通过 BBP 控制调节信号级。还可集成接收信号强度指示（RSSI）、自我矫正需要的 DC 偏移追踪和电路。12 位 ADC 的采样率可进行调整。数字化信号能够通过一系列滤波器和 128 阶 FIR 滤波器进一步降低。双通道直接转换发射器接受源于 BBP 的数字数据，其中，数据通过可编程的 128 阶 FIR 滤波器和一系列的内插滤波器进行插补。采样率可调整的 12 位 DAC 可将数字信号转换为模拟信号。产生的正交通道通过混频器升频为射频。将正交信号进行合并并通过带通滤波器成型。射频信号被发送到输出放大器，以进行传输。每个通道都有可调节的衰减器、实时自我矫正和一个 Tx 功率监控器

认知无线电 - 今天和明天的军用 SDR

目前，士兵可利用 JTSR SDR 无线电，如 Thales 的 AN/PRC-154 步枪兵。

这些是的聪明的无线电，具有自我形成和特别是自我修复的能力、同步发音和数据网络，且具有可升级性和互操作性的软件定义功能。它们还可作为其他无线电的转发器。军用 SDR 无线电能适应多种协议且在军用和民用组织之间具有互操作性。将来，SDR 功能能够使军事通信动态地适应堵塞和拥挤的光谱环境，并通过利用提供的最佳连接 - 认知无线电 - 以提高效率和宽带。最佳连接可以是使用目前未使用的频谱 - 一种动态变化的条件。随着手机网络和窄带被纳入到无线电系统中，民防和政府当局能将用户排除在系统之外，以确保服务。这在民防应急时尤为关键。军用认知无线电可能并不是被动地利用频谱，可能在需要时积极地捕捉光谱。认知无线电和其频谱环境之间的交互方式称为礼仪。

SDR 被视为可在态势感知中通过优化宽带连接提供大量的优势。军用 SDR 的另外一个重要领域是更新和升级。能够使用编码、功能集和数据库中的最新进展升级无线电，使系统能够适应新要求和性能。这还能延长无线电系统的预期寿命。军用领域将认知无线电视为延长寿命的过程称为包以德循环（OODA Loop） - 观察、调整、决策和行动。它们是此过程不可或缺的一部分。

军事趋向于战术手机概念的方向发展，因为与现代无线网络连接相关的功能对于前线的通信越来越重要。就所有步兵装备而言，降低重量、减小体积同时延长电池寿命面临相当大的压力，这驱使了对更高级别的集成度的需要。通过 SDR 收发器并基于 AD9361 可满足这些需要。这种未来战术手机将需要认知无线电功能，甚至可能要求带有内置机器的智能无线电以动态地优化性能。如同消费电子产品，士兵也需要平板电脑、手提电脑和摄像机等多种连接的设备来启用。智能车辆、飞机和自主系统（如无人机和机器人），甚至是 Exoskeletons 可能有一天会需要认知（因此 SDR）无线电功能以及前线网络来进行互操作。正在开展研究来启用能够执行电子对抗（如干扰）的军用 SDR 无线电。它们也正在为机器人学和传感器数据监控寻找其他控制链接。通过认知无线电网络进行的背景传感器监测能提供化学、生物甚至是辐射水平的动态地形数据，并提供一个更好的战场全局图片。

结论

由于更智能设备的需要（其最佳使用受限）以及拥挤频谱的增加，SDR 仍然在迅速演变。对于 AD9361 以及其更低成本的单通道收发器同系列 AD9364，其完美定位在于满足目前和下一代 SDR 的需要。AD9361 是认知无线电系统的出色启用设备。其高水平的集成度和灵活性可帮助降低元件数量、尺寸以及功耗。对于带有完整且易于使用的开发工具套件以及文件完整的参考设计，收发器产品的开发绝非易事。提供的硬件参考设计兼容 Xilinx 和 Altera FPGA SOC 开发工具套件。基于低成本的 FPGA 和配备双通道 ARM Cortex A9 的 SOC，这为射频和 BBP提供了一个迅速开发途径。经证明的 Linux 驱动程序可使设计工具套件完整并简化软件开发过程。