軟件定義無線電（SDR）的誕生可以追溯到 1970 年代，最初僅限于軍事應用。然而，受益于FPGA 和 DSP 信號處理技術的進步、基于 IC 的無線電收發器的發展以及小型蜂窩無線網絡的普及，導致 SDR市場在 2000 年代初期快速擴大。本文將解釋 SDR 背后的基本概念，探討與傳統 RF 架構和一些流行應用相比，SDR所能夠提供的靈活性。考慮到無線連接的使用已成為我們社會的一個重要方面，我們還將討論可以從 SDR 受益的潛在新應用。
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無線技術無處不在！

自從馬可尼（Marconi）第一次使用火花發射器跨大西洋發送莫爾斯電碼（morse code）信息以來，無線連接已經取得了長足的進步。一百二十二年后的今天，無線通信在我們的社會中已經無處不在，它能夠提供一種基本連接技術，可以連接我們的智能設備，支持我們的蜂窩網絡，并將來自其他星球的圖像傳送到我們的電視機上。沒有無線，我們的社會就無法進步。
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射頻 (RF) 工程向來是一項專業技能，并且傳統上屬于模擬范疇。從早期開始，無線電通信主要用于語音通信和發送和接收消息，通常使用莫爾斯電碼。無論是語音還是莫爾斯電碼，傳輸信息都需要調制發射器的頻率。廣播公司開始使用調幅 (AM) 進行本地“中波”和遠程“短波”傳輸，頻率調制 (FM) 也在本地和國家廣播網絡的甚高頻 (VHF) 傳輸中變得流行起來。所有無線電接收器和發射器設計都是完全模擬的。數字數據傳輸使用無線電調制器和解調器（調制解調器）設備將二進制格式轉換為無線電模擬域。頻移鍵控 (FSK) 是最初用于此類應用的調制技術。
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正如我們將在下一節中討論的那樣，SDR 從根本上改變了我們構建無線電系統的方式。但在深入研究 SDR 的工作方式之前，讓我們首先考慮一些 SDR用例。
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業余無線電愛好者是 SDR 的早期采用者。基于 SDR 的收發器（組合的發射器和接收器）能夠提供一種方便、輕便且高度便攜的方式，可在災難情況下提供緊急通信。最近的應用案例包括亞速爾群島火山爆發后救援工作的協助協調。
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SDR 廣泛用于科學天文學研究，它能夠控制接收器的中心頻率、調整帶寬以及在光譜“瀑布”顯示器上顯示來自遙遠恒星的無線電爆發結果。
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隨著蜂窩網絡的發展，小型蜂窩開放式無線電接入網絡（ORAN）的概念特別適合使用 SDR。電信運營商和網絡提供商越來越多地將 SDR 用于下一代 5G 和 6G 蜂窩網絡研究和基站。
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什么是軟件定義無線電？

盡管業界對 SDR 接收器或發射器的構成有多種定義，但所有這些都強調，很大一部分傳統模擬電路功能已經被基于軟件的數字信號處理技術所取代。 SDR 接收器的一個重要元件仍將使用模擬電路。無線電前端檢測從天線接收到的超低電壓射頻信號。然而，從那時起，主要涉及解調的信號處理交由軟件執行。該軟件可能在專用的嵌入式可編程處理器、筆記本電腦或臺式計算機上運行。
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圖 1：簡單的 AM 超外差無線電原理功能框圖。（來源：貿澤電子）

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圖 1 突出顯示了傳統 AM 超外差 (superhet) 無線電接收器的主要功能模塊圖。來自天線的微弱信號通過帶通濾波器，通過將檢測信號的帶寬限制為感興趣的信號，然后將它們放大并傳遞到混頻器。混頻器再將接收到的信號與可變頻率振蕩器的輸出相結合，以產生固定的中頻 (IF)。接收器的調諧是通過改變本地振蕩器 (LO) 頻率來實現。中頻放大器能夠顯著提高信號電平，濾波器去除了混頻器中不需要的信號。之后，進行音頻信號的解調和放大。
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對比 SDR 接收器與圖 2 的不同之處。
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圖 2：示例 SDR 接收器的基本架構模塊。（來源：貿澤電子）

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SDR 接收器的模擬部分僅限于射頻前端。濾波后的信號被傳輸到模數轉換器 (ADC)，以便在數字域中進行后續處理。SDR接收器的確切架構各不相同。例如，當下越來越流行的 SDR 設計方法不再需要中頻，這種零中頻 (ZIF) 方法，也稱為直接轉換，是將射頻前端的輸出直接饋送到 ADC，并直接進入在軟件中執行的基帶數字處理功能，包括解調和濾波。
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上面我們僅僅簡單討論了SDR 的基礎知識以及它與傳統 RF 技術的區別。希望了解更多有關 SDR 的讀者可以參考其它詳細的資料和資源。這里推薦一本面向工程師的軟件定義無線電的出色書籍可供下載，可從 Analog Devices 網站獲得。
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為了簡潔起見，我們在本節中只討論了接收器架構，但所描述的方法也同樣適用于發射器。
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開始SDR 設計

靈活的 SDR 平臺具有多種形狀和尺寸。簡單的USB加密狗要 25 美元，而綜合、完整的 SDR 收發器則需要6,000 美元以上。一些流行的 SDR 評估套件和開發模塊的價格在 100 美元到 200 美元之間。許多流行的 SDR 平臺使用與 FPGA 結合的商用 RF 收發器 IC。除了選擇 SDR 硬件平臺外，您還需要決定如何對其進行編程。
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GNU Radio是一個免費的開源 DSP 編程工具鏈，專為構建和設計 SDR 應用而設計。GNU Radio最初的設計純粹是為了教育目的，它后來被廣泛用于無線研究和開發、業余無線電和射電天文學。GNU Radio可提供一組不同的功能塊，例如濾波器、圖形顯示、解調器、信號發生器、數學運算符、通道模型和傅里葉分析函數等。各項功能被部署在工作場所，并使用可視化流程圖風格編程進行連接，參見圖 3。
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圖 3：簡單的 FM 接收器示例 GNU Radio 流程圖。（來源：GNU Radio）

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其它受 SDR 工程師歡迎的工具鏈是使用 Matlab 和 Simulink 及其 DSP 和 SDR 擴展。另一個基于 GNU Radio 但結合了 SoapySDR 框架的 SDR 開發生態系統是 Pothosware。
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如果您計劃在不構建具體設計的情況下嘗試 SDR，可以馬上開始使用SDR Console等眾多免費的開源 SDR 應用。
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Lime Microsystems 是基于 FPGA 的現場可編程射頻 (FPRF) 收發器供應商，能夠提供多個基于LMS7002 系列收發器 IC 的 SDR 平臺。 LMS7002 是一款具有雙收發器的高集成度 IC，可在 100 kHz 至 3.8 GHz 的頻率范圍內進行全雙工操作。
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該 IC 適用于從 SDR 原型設計、小型蜂窩基站、衛星通信網絡到設計可重新配置的無線物聯網網絡等許多應用。圖 4 展示了 LMS7002 的綜合架構和核心功能特性。
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圖 4：Lime Microsystems LM7002 雙射頻收發器 IC 的功能模塊架構。（來源：Lime Microsystems）

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Lime Microsystems 采用了一種創新方法開發基于 LMS7002 系列的 SDR 平臺，選擇通過 Crowd Supply 為開發提供眾籌資源。LimeSDR 迷你板集成了 LMS7002 和 Intel Altera MAX10 FPGA，能夠在 USB加密狗PCB 上提供完整的 SDR 解決方案，參見圖 5。
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圖 5：Lime Microsystems LimeSDR 迷你板。（來源：Lime Microsystems）

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MyriadRF是一個在線社區，旨在鼓勵將 LMS7002 系列用于開源硬件和軟件 SDR 項目。它可提供對開發工具、資源和項目示例生態系統的訪問。對于熟悉 Grove Studio 平臺和 Raspberry Pi 的創新者和開發人員，LimeSDR 迷你板已經集成在CS-LIME-10 Grove入門套件。
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Analog Devices 的ADALM PLUTO是一個獨立的 RF 學習模塊，它集成有 Analog Devices AD9363 RF 收發器 IC 和 Xilinx Zynq 7000 FPGA，通過USB 連接到主機，可在半雙工或全雙工模式下工作在 325 MHz 至 3,800 MHz 之間。PlutoSDR 的 SDR 開發支持包括 GNUradio、MatLab/Simulink 和 Pothosware等。
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SDR的未來發展

在這篇簡短的文章中，我們介紹了軟件定義無線電的主題。對于嵌入式開發人員、模擬設計人員和射頻工程師來說，這是一個令人興奮的領域，可以學習新開發技能，并考慮開發無線系統的新方法。
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我們提到了一些可能的應用案例，但 SDR 令人興奮的部分是它能夠立即重新配置。因而可以考慮如何將 RF 靈活性和敏捷性添加到設計中，您可以創建一個能夠與 LoRa、蜂窩和 Wi-Fi 一起工作的靈活收發器，而不是受限于使用sub-GHz LPWAN LoRa等單一的RF 數據通信方法。SDR的靈活性有助于添加更多功能并減輕材料成本和相關組件采購挑戰。想象一下，可以開發一個能夠適應任何新無線協議的家庭自動化路由器，通過無線 (OTA) 升級，可以重新配置基于 SDR 的路由器，以充分利用從 5G 遷移到 6G等新的蜂窩基礎設施。未來可能的應用案例可能需要更改路由器的天線和模擬前端。在設計的初始時期，諸如未來可能的工作頻率和濾波要求等因素可能會影響前端設計，因此需要集成必要的功能。只有使用 SDR 才能實現這種高靈活性的無線通信設計，并同時保證面向未來和長期的客戶安全性。
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