浅谈软件无线电(SDR)和射频片上系统(RFSoC)在通信中的作用

软件定义无线电（SDR）简介

顾名思义，软件定义无线电是一种工作在射频频段的无线通信系统，它可以通过软件进行高度配置。软件定义无线电并非严重依赖专用硬件组件，而是借助软件来定义和控制无线电功能的诸多方面。

在软件定义无线电中，传统模拟无线电中的硬件组件常常被软件实现方式所替代或扩充。这种软件通常部署在无线通信链路中的现场可编程门阵列（FPGA）或数字信号处理器（DSP）上。

软件定义无线电中通常会配置以下组件：

1、混频器（用于上变频和下变频）

2、放大器

3、调制和解调模块

4、射频功率检测节点

5、采用有限脉冲响应（FIR）滤波器概念的滤波器（带通滤波器、低通滤波器）

现代的软件定义无线电实现方式常常将这一概念扩展，把整个物理层和射频链路都纳入软件范畴。

基于软件定义无线电的设计在现有以及下一代无线技术和标准中日益普遍，这些技术和标准包括WLAN、Mobile-WiMAX、4G LTE、LTE-Advanced以及5G NR。

软件定义无线电（SDR）发射机架构

图1：SDR架构的发射机部分

图1展示了典型软件定义无线电架构的发射机部分。它由一个数字信号处理器（DSP）、一个数字上变频器（DUC）、一个数模（D/A）转换器、一个模拟射频上变频器和一个功率放大器组成。

数字基带处理在数字信号处理器内完成，根据特定的发射机要求生成同相/正交（I/Q）数据。然后，使用数字上变频器对这些数据进行数字上变频，其中运用了数字本地振荡器（LO）和数字混频器。

利用数模转换器将得到的数字中频（IF）采样值转换为模拟中频信号。接着，通过射频上变频器将该模拟中频信号上变频为模拟射频（RF）信号。

最后，在使用根据所需系统工作频率选择的合适天线将射频信号发射到空中之前，先由功率放大器对其进行放大。

软件定义无线电（SDR）接收机架构对比

让我们来比较一下传统模拟无线电接收机的架构与软件定义无线电接收机的架构。

图2：模拟无线电接收机

如图2所示，在传统的模拟无线电接收机中，射频（RF）信号首先通过射频放大器进行放大。放大后的信号随后被输入到射频混频器中进行射频下变频。这是通过将输入的放大后的射频信号与本地生成的本振（LO）信号进行混频来实现的。

在射频混频器的输出端提取并放大中频（IF）信号。调幅（AM）广播接收机通常使用的中频中心频率为575KHz，调频（FM）广播接收机则为 11.2MHz。这个放大后的中频信号随后被解调并传送到音频放大器。

包络检波器用于幅度解调，而鉴频器则用于频率解调。

射频混频器执行着将射频信号转换为中频信号的关键功能。

图3：软件定义无线电（SDR）接收机架构

第一个模块是射频调谐器，它将射频信号转换为经过放大的中频信号。实际上，它取代了图2所示的传统模拟接收机中的前三个模块（射频放大器、混频器和中频放大器）。

在射频调谐器模块之后的模块如下：

模数（A/D）转换器：将模拟中频信号转换为数字中频采样值。

1、数字下变频（DDC）：数字采样值被传送到数字下变频器，它将数字中频采样值转换为数字基带采样值（称为同相/正交（I/Q）数据）。数字下变频器由一个数字混频器、一个数字本地振荡器（LO）和一个低通有限脉冲响应（FIR）滤波器组成。

2、数字信号处理器（DSP）芯片：然后，数字基带采样值由数字信号处理器芯片进行处理。在该芯片上运行各种算法，以执行诸如解调、解码以及其他所需的信号处理任务。

这种数字实现方式构成了软件定义无线电的核心。在这些架构中，经常使用FPGA来替代数字信号处理器，以便能够运行更快的信号处理算法。

通过在DSP/FPGA上以软件形式实现基带处理链路，能够利用复杂的算法对同相/正交数据中存在的基带和射频损伤进行实时校正。

通常，在软件定义无线电接收机中会实现诸如直流偏移校正、同相/正交增益和相位不平衡校正，以及时间、频率和信道损伤校正等算法。

软件定义无线电（SDR）的优点

以下是使用软件定义无线电的主要优势分析：

1、更快的上市时间：基于软件定义无线电的原型有助于研究人员和开发人员实现基于第三代合作伙伴计划（3GPP）或电气和电子工程师协会（IEEE）标准的通信协议。根据诸如WiFi（802.11b/a/g/n/ac/ax）、蓝牙、ZigBee、Zwave、全球微波接入互操作性（WiMAX）、LTE、5G、6G等标准，软件定义无线电主要用于物理层和射频的实现，从而加快了产品的开发周期。

2、灵活性和可重构性：软件定义无线电提供了一个灵活、可重构且可编程的框架，满足不同用户对硬件规格的多样化需求。同一套软件定义无线电硬件可以适配各种不同的无线电系统架构。

3、适应未来标准：软件定义无线电硬件原型很容易适应未来的升级和不断发展的协议。

4、降低开发成本：重复使用同一原型硬件的能力意味着总体开发成本更低。

5、参数可定制性：软件定义无线电允许根据系统需求选择射频载波频率、调制类型、前向纠错（FEC）技术和采样频率。

6、软件可调性能：软件定义无线电提供了高水平的性能，且可以通过软件进行调整和优化。

软件定义无线电的缺点

虽然软件定义无线电有许多优点，但它也带来了一些挑战：

1、动态范围较差：一些软件定义无线电原型设计的动态范围有限。

2、软件复杂性：编写支持各种不同目标平台的软件可能是一项复杂的任务。

3、接口挑战：软件定义无线电架构由模拟射频前端和数字前端组成，这可能使得在模拟和数字模块或组件之间实现无缝接口具有挑战性。

4、ADC的限制：模数转换器限制了软件定义无线电数字部分能够使用的最高频率。

5、技能要求：软件定义无线电的开发需要软件工程师和硬件工程师的专业知识。

6、简单系统的成本：对于较为简单的无线电系统设计，软件定义无线电平台可能过于昂贵。

什么是射频片上系统（RFSoC）？

和软件无线电SDR相对的便是射频模拟部分---射频片上系统（RFSoC），射频片上系统是一种将射频前端组件和数字处理组件集成在单个芯片上的集成电路（IC）。它们被应用于对空间和功率要求严苛的场景中。射频片上系统广泛用于诸如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等无线连接以及其他无线协议中。

这些无线片上系统在单个芯片上集成了各种模块，其中包括射频收发器、功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA），以及通信所需的各种数字处理组件。它还应用于物联网设备、移动设备、无线传感器网络、卫星通信、雷达与传感等领域。

一个射频片上系统架构包含ADCs/DACs，以及赛灵思（Xilinx）的多处理器片上系统（MPSoC）和一个增强型的ARM现场可编程门阵列（FPGA），如图4所示。

图4：RFSOC架构示意图（图片来自AMD）

RFSoC的优点

以下是RFSoC的优势：

1、尺寸减小，电路简单，并且有可能节省成本

2、功耗低

3、与依赖外部处理的软件定义无线电（SDR）相比，信号直接在芯片上进行处理，延迟更低

4、射频和数字组件的集成能够实现更好的优化

5、外部连接更少，由于故障点减少，提高了整个系统的可靠性

RFSoC的缺点

以下是RFSoC的弊端：

1、与软件定义无线电相比，灵活性有限

2、在设计过程中，需要具备射频和数字领域的专业知识

3、在信号处理算法开发方面，可能不像软件定义无线电那样具有通用性

4、由于需要对芯片设计进行返工，所以更改和修改会导致成本升高

随着标准的不断发展，射频片上系统可能会更快地过时，因为在设计时没有充分考虑到未来的兼容性。

软件定义无线电（SDR）与射频片上系统（RFSoC）的区别

下表对软件定义无线电和射频片上系统进行了对比，阐述了二者在各种设计参数方面的差异，以及它们各自的优缺点。

总结：

软件定义无线电（SDR）通过软件实现无线通信功能，以FPGA/DSP为核心替代传统硬件，具备高灵活性、可重构性及快速适配新标准能力，可降低开发成本并支持基带损伤校正，但存在动态范围有限、接口复杂、ADC频率限制等挑战。射频片上系统（RFSoC）则将射频前端与数字处理集成于单芯片，实现低功耗、低延迟及高可靠性，但灵活性较低且修改成本高。二者对比中，SDR侧重软件可编程性，RFSoC强调硬件集成度，前者适用于多协议快速迭代场景，后者适用于对尺寸和功耗敏感的专用设备（如物联网、卫星通信）。