软件无线电离我们还有多远

正如电子设备中的几乎所有元件一样，射频电路正在演变成通过少量射频I/O电路进行通信的处理器和软件。因此软件无线电(SDR)的兴起就不足为奇了。

数字信号处理(DSP)是SDR的核心，随著更快的ADC和DAC以及处理器的出现，SDR开始适用于更多的应用。简言之，随著软件的数字处理功能越来越强，硬件的空间正在继续受到挤压。

SDR最早出现在军用设备中，但现在也已被用于大多数的手机设计。SDR也非常适合未来的公共安全通信，因为它提供了一种可以处理灾难事件中首个响应设备所使用的大量空中接口和频谱的方法。

SDR的定义

根据SDR论坛和IEEE，“软件无线电指任何无线电设备(如发射机或接收机)，其中一部分或全部物理层功能是用软件实现的。”这意味着其核心硬件将是一个运行软件的处理器，它能够仿真硬件功能。因此信号必须是数字的。

接收机必须首先用ADC将无线信号数字化。在大多数情况下，需要用下变频器将通常处于微波范围的甚高频信号向下转换成适合典型ADC输入范围的中频(IF)信号。

目前许多SDR接收机直接将射频信号转换成基带信号。一旦ADC将信号转换成数字格式后，处理器和软件就可以紧接着进行处理了。DSP软件通常可以实现滤波、噪声抑制和解调等接收机功能。

数字信号处理器产生发送信号，它可以采用任何一种调制方法，然后用一个快速DAC将这些信号转换成模拟信号。接下来一个上变频电路将信号转换成最终更高工作频率的信号，并送至功放和天线。处理器使用DSP执行调制、滤波和以前用模拟电路实现的其它功能。

使用SDR的最常见理由是灵活性，或其根据变化的无线电环境进行改变或调整的能力。借助SDR，你可以用同样的射频电路适应几乎所有的调制方案，而不用增加任何硬件。你所需要做的全部工作只是下载一个新的软件模块，然后你就能立马拥有一台新的无线电设备。

多种调制子程序可以共存在软件代码中，这使得运营商可以实现在线修改。一个灵活的空中接口和很宽工作频率范围使得同一无线电设备能够完成许多不同的任务。这也是军方为何对SDR如此感兴趣的原因所在。一个无线电台可以与许多不同源和终端进行通信，这肯定有助于降低成本和减少所需无线电台的数量。

另外，SDR还能提高无线电设备的性能。例如，DSP滤波器与电感-电容(LC)或晶体滤波器相比，选择灵敏度要好许多倍。砖墙式滤波器也已成为现实。互调问题可以显著减轻，自动增益控制(AGC)和噪声抑制等性能也可以比模拟电路高出许多倍。

在业余无线电台领域，无线电爱好者要求最佳的性能和最大的灵活性，而SDR正好可以满足他们的这种需求。无线电爱好者们会在多个波段中使用多种通信模式。连续波或CW(摩尔斯电码)、AM、FM、单边带(SSB)、双边带(DSB)、无线电传打字机(RTTY)和分组数据只是1800kHz到10GHz波段中使用的几种方案。

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由于业务无线电波段没有分频道，因此任何电台都可以在任何频率上工作，使得干扰和紧邻电台成为需要克服的巨大挑战。先进DSP滤波对大多数业余无线电通信来说是一个真正的福音。虽然SDR通常成本较高，至少目前是这样，但由于它拥有上述优点，因而成为业务无线电爱好者们的优选方案。

不过，区分SDR和软件控制的无线电之间的差异很重要。软件控制的无线电通常不涉及常见的SDR方法，除了有限地使用DSP中频滤波以外。相反，它是典型的计算机控制的接收机。

目前市场上已经有许多种软件控制的无线电台，它们使用PC并通过图形用户界面(GUI)控制所有或大部分接收机功能。这些GUI模仿了接收机前面板上的调谐度盘、S计、旋钮和开关。通过用鼠标点击，用户可以改变频率、选择波段和模式、增加音量，并执行通常用前面板按钮或旋钮完成的其它操作。

如今PC已经非常普及，因此很容易从传统的旋钮、开关和LCD阅读前面板过渡到用鼠标点击方法操作的虚拟前面板。Ten-Tec公司的RX-320D和AOR公司的SR2200就是目前已经上市的软件控制无线电台的两个例子。

SDR业余无线电台设备

业余无线电爱好者对SDR的青睐已经有十多年了。这些无线电台发烧友从20世纪早期就开始自己制作各种硬件，其中就包括了90年代晚期的一些SDR。但SDR非常复杂和昂贵，因此仅限于既有技术又有资金的那些爱好者把玩。

直到最近也只有少量商用的SDR产品推出。1998年推出的Kachina 505DSP是在PC上使用虚拟前面板的首个产品。虽然不是完全的SDR，但它确实使用了DSP实现次级中频滤波。505DSP没有持续多久，它不是一个成功的商用案例，但它确切地表明了什么可以实现，并为其它努力打下了基础。

业务无线电SDR的重大突破出现在2002年。Gerald Youngblood(K5SDR)为美国无线中继同盟(ARRL)撰写了SDR基础系列文章的首篇，文章介绍了名为SDR-1000的完整SDR收发机的构建。最后还促成他成立了FlexRadio Systems公司，并将SDR-1000生产为商用产品。

SDR-1000是一个真正的SDR产品，它采用直接变频技术，并利用DSP实现滤波、调制/解调和软件控制。它还采用PC声卡实现ADC/DAC，具有完整的虚拟前面板功能。PC执行所有的DSP功能。SDR-1000直到最近才取得了成功商用。虽然目前还对该产品提供支持，但更重要的是，在该产品基础上FlexRadio公司推出了最新产品FLEX-5000A。

正如你从将来其它制造商那里看到的那样，FLEX-5000是一款非常成熟的SDR收发机产品(图1)。它遵循SDR-1000设计并进行了改善。特别是它取消了PC声卡，增加了自己的ADC和DAC。PC仍然处理DSP、接收机控制和显示功能，并通过IEEE 1394火线接口与无线电台通信。

FLEX-5000A非常神秘，可能是目前最强大的实用业余无线电收发机。它覆盖了从1800kHz到54MHz(160、80、40、30、20、17、15、10和6米)所有的业余波段。另外，它实际上能工作在所有常规的业余无线模式，包括CW、AM、SSB、DSB、FM和RTTY，以及多种数字分组模式(如PSK31)。它的直接变频接收机具有独特的前端功能(图2)。

发射机可以在所有波段输出100W的射频功率。发射机和接收机的谐波和边带抑制、三阶互调失真、灵敏度和图像抑制性能都是世界一流的。令人印象深刻和灵活的开关矩阵允许三幅天线中任一幅连接到两个可能的接收机或发射机中的任意一个。 [!--empirenews.page--]

连接天线的输入端采用了一个低噪声放大器(LNA)以及为每个主要业余频段准备的输入带通滤波器(BPF)组。在LNA后有一个低通滤波器(LPF)用作平滑滤波器。输出信号再送到正交开关检波器(QSD)。虽然大多数接收机中的第一级电路是传统的混频器，但FLEX-5000A使用了一个独特的开关电路，即以发明者Dan Tayloe名字命名的Tayloe检波器(N7VE)(图3)。

该电路实质上是一个1比4的MOSFET开关型多路分接器，四个输出端各配有一个电容。分接开关以四倍于目标信号检测频率的速度进行切换。驱动源的输出电阻和开关电容形成了一个选择性的带通滤波器。开关速率决定了滤波器的中心频率，滤波器带宽则是电阻和电容值的函数。

但更重要的是，在采样输入信号时，输出信号相互间有90°的相移。组合低噪声运放中的输出信号将产生大家熟悉的基带同步(I)和正交(Q)信号，并使得Tayloe检波器成为一个直接变频电路。有了I/Q信号后，任何类型信号的解调都有了可能。

I和Q信号再发送给24位的sigma-delta ADC。ADC的采样率可以在192、96或48ksamples/s之间选择。ADC输出通过火线接口进入PC。音频编解码器从PC接收经过解调、滤波和其它处理后的信号，然后送到音频放大器、扬声器或耳机。

Tayloe检波器的本地振荡器信号来自直接数字合成器(DDS1)，而DDS1的输入来自10MHz温补晶振(TCXO)，该晶振负责驱动带500MHz压控晶振(VXCO)输出的锁相环(PLL)。DDS1振荡器可以按最小1Hz的步距将接收机设置到任一频率。

与主接收机相同但独立于主接收机的第二个接收机可以作为附件安装。另外还使用了一个独立的本地振荡器(DDS2)。对于发射机来说，来自麦克风的音频(AF)输入信号在编解码器和PC中数字化以便于调制。编解码器中产生的信号再经DAC转换I和Q信号。正交开关激励器(QSE)用作调制器。

在经过放大和低通滤波后，信号被送至最后的功放(PA)，这是一个输出功率达100W的推拉式MOSFET管AB类放大器。信号在送至开关矩阵和天线之前还要再经过一次低通滤波以清除谐波分量。DDS1决定了发射机的频率。

虽然FLEX-5000A的硬件令人印象深刻，但它的PowerSDR软件才是真正的功臣。PowerSDR软件负责执行所有的DSP功能，并实现前面板和所有其它无线电台控制(图4)。该软件采用C#语言编写，是完全开放源码的软件，可从www.flex-radio.com免费下载。众多有着高度兴趣和高超技术的SDR专家负责该软件的维护和升级。另外，该软件可以在Windows XP或Vista下运行。能够在Mac或Linux机器上运行的通用版本正在开发中。

接收机的本地振荡器频率显示区位于PC视频显示屏的顶部，上面显示了接收机和发射机频率以及第二台接收机频率(如果安装了的话)。真正令人感兴趣的内容显示在PC屏幕的中间，这就是所谓的扫调附加器显示区，上面显示了正在接收的波段。该波段的宽度等于接收机ADC采样速度的一半。