认知无线电：现场可编程射频器件提供突破性的机会

毫无疑问，随着速度更快、价格更低的多内核处理器和存储器的推出，基带技术在不断地向前稳步发展，而射频芯片自然也不会止步不前。

认知无线电

概念源自于人们认识到大多数时候的射频频谱利用率太低。频谱的货币价值体现在电信公司乐意为蜂窝频段支付的数十亿美元,这极大地推动了管理机构认真考虑如何 最佳使用这个宝贵资源。认知无线电背后的概念是，设备寻找一个免费的信道，并与接收端交换频率和调制细节，最终使两端同时调谐到免费信道。

术 语“具有射频意识”的意思是，认知无线电必须能够及时检测出当前时刻周边的无线电环境。这就要求设备了解哪些频段可用，哪些频段是不允许使用或受限制的， 比如保留给军事用途的频率。建立未占用信道的一种方式是扫描整个潜在可用的频谱，并检测每个点的射频功率密度。这就需要一个非常灵巧和可编程的接收器，它 能以精密受控的方式扫描几十个频段。当然，这也意味着发射器要具有同样的灵活性。

一家名为Lime Microsystems的英国公司于2006年开始开发最具灵活性的无线电收发器，并做成单芯片的形式提供了一种极具成本效益的射频解决方案。这种通用收发器的目标市场是新兴的小型蜂窝基站市场，包括飞蜂窝(femtocell)以及与基础设施相关的其它设备，如中继器和远程无线电头端。最终推出的Lime器件不仅是认知无线电、也是软件无线电(SDR)应用的理想选择。

在飞蜂窝开发的早期阶段，未来还相当不确定，因为有许多障碍需要克服。蜂窝运营商面临的三大挑战是：低成本，“即插即用”，不会干扰宏基站信号。

从 历史上看，那些想要扩容的运营商会雇用频率规划人员绘制每个基站的覆盖图，然后作出一个在增加新发射机时不会造成干扰的规划。这种做法对于飞蜂窝来说明显 是不可能的，因为它们是以大批量的方式部署在家庭或客户的商业场所。这反过来要求飞蜂窝中的射频单元必须能够扫描可用的频段，并识别被当地宏基站使用的频 率。嵌入在设备单元中的智能应当为飞蜂窝选择可用的替代频率。由于在全球范围内已被采用的频率数量巨多，因此情况更为复杂。而长期演进(LTE)和 LTE-Advnaced的推广又进一步加剧了这种情形，使得全球在用的不同频段总数超过了40个。

半导体制造经济更钟情于大批量销售的单个器件，不喜欢产生各种较少批量的“点式解决方案”。在这种应用中，答案是做成一种在整个频谱中都可编程的器件。然而，这可不是那么容易。

Lime将第一种高集成度“通用”射频芯片命名为现场可编程射频(FPRF) 器件。这种器件规范要求很宽的频率范围，从较低的300MHz下限值开始，连续覆盖到3800MHz，范围的高低频率比超过了12:1。使用混频器得到固 定中频(IF)的典型超外差架构被直接转换或零中频所替代，从而减少了芯片的复杂性。这反过来对用作本振的接收器和发射器锁相环(PLL)提出了要求，因 为它们也需要覆盖整个范围。解决方案是使用一种能够整合数字逻辑与高性能模拟及射频模块的混合信号技术。最终生成的PLL可以使用可编程小数N分频器和范 围为23MHz至41MHz的共享参考输入时钟从单一时钟产生整个范围的射频频率。这为FPRF时钟提供了更大的灵活性，因为它能使用包括主系统时钟在内 的任何稳定资源达到节省成本的目的。

为FPRF器件选择的半导体工 艺是来自一家美国代工厂的BiCMOS技术，它支持芯片中使用的高性能电路的模拟和数字单元要求。设计包含片上的双路模数(ADC)和数模(DAC)转换 器。这些ADC为基带芯片提供组织为同步(I)和正交(Q)分量的数字比特流接收信号，或者接收器可以输出模拟信号。基带器件随后可以通过处理这些 I&Q数据恢复出发送的语音或数据。

图1：FPRF接收器框图。

在发送侧，基带电路提供由流进DAC的I&Q数据调制的射频输出。在收发路径上芯片都有滤波器，这些滤波器可以针对各种不同带宽进行编程。这样就可以将信号限制在感兴趣的带宽内，并衰减掉由数据转换器引入的不可避免的混叠和量化噪声。每个放大器均可提供可编程的增益，同时芯片针对接收到的信号提供低噪声放大器(LNA)选择。器件可以通过串行接口(SPI)连接进行编程，因此操作非常方便快捷。

图2：FPRF发送功能框图。

这份简要说明应该介绍一下为什么Lime的FPRF器件适合认知无线电。这种器件能够满足灵活、频率多变设备的低功耗和经济性要求。在大多数应用中，数字处理和控制是由现场可编程门阵列(FPGA)完成的。

图3：FPGA和FPRF为认知无线电系统提供了一个平台。图中由Nuand公司提供的电路板将Altera的FPGA和Lime的FPRF整合在一起。

图3：FPGA和FPRF为认知无线电系统提供了一个平台。图中由Nuand公司提供的电路板将Altera的FPGA和Lime的FPRF整合在一起。

FPGA 可以用来解码由FPRF芯片输出的数字I&Q数据，也可以用来编码该数据进行发送。使用FPGA执行基带功能的硬件加速任务的优势是，它可以针对 没有现成ASSP器件可用的演示系统进行设计，比如认知无线电系统这种情况。设计可以加以定制以适合系统，而且由于逻辑部分在操作期间可以进行动态重配 置，所以能够实现某种复杂的硬件加速效果。例如，逻辑部分可以经过重配置产生I&Q数据，进而在信道的信噪比较差时提供正交相移键控 (QPSK)，或者在信号条件较好的情况下提供正交幅度调制(QAM)实现更快的数据传送。即使低成本FPGA也有的另外一个优势是，它们包含复杂的时钟 管理模块。这些模块可以通过整合模拟PLL或数字锁相环(DLL)提供频率综合和相移功能。低抖动时钟发生和抖动滤波功能则可以用来产生时钟，进而驱动 FPRF的收发PLL，满足要求不太严格的应用需求。

FPRF芯片逻辑和参数的重配置智能是由系统处理器上 运行的软件提供的。赛灵思和Altera公司的器件都包含高性能ARM处理器，并作为硬件内核的方式嵌入在里面与可编程逻辑放在一起。这样就有机会减少芯 片数量并提高系统性能。下面的文字描述介绍了将赛灵思的Zynq器件用作基带芯片的概念。之所以选择Zynq是因为在ARM和可编程逻辑之间有多条快速片 上连接和数据总线可提供高带宽。另外，诸如Linux等操作系统(OS)支持、设计和调试工具以及用于设计可编程逻辑和ARM组合的全面支持生态系统也都 是现成的。

在认知无线电中，第一步操作是扫描空中电波是否有免费频率。Zynq器件上的处理器按顺序设置FPRF中的带宽和 增益控制，并使用SPI接口加载寄存器(图中为了看得清楚将它们显示为单独的路径，实际在四线SPI上使用了时分复用技术)。ARM处理器和可编程逻辑内 核的组合用于通过SPI改变接收PLL上的小数N和频率值。这样就能让Zynq经过所有信道，而接收到的I&Q数据提供了信号的瞬时电平。可编程 逻辑一般用于处理来自FPRF器件的数据，ARM软件可以被编程为暂停在信号低于预定义电平的任意信道上。如果需要的话，Zynq还能调整增益或带宽以确 保信道没有业务。需要的话，系统还能在整个过程中通过多次扫描来建立当前的业务图案。

图4：FPRF接收器在软件控制下扫描免费信道，并锁定到所选的频率。

一旦状态确定，认知无线电就能发送它所选择使用的频率、带宽和调制方案，并且可能在专门针对这些数据的预定信道上发送。FPRF能够支持全双工操作，一旦在认知无线电的发送和接收端之间相互同意所用的收发信道、带宽和调制方案，系统就能切换到这些设置。

图5：FPRF中发送器的软件控制。

集成了两个ARM处理器的FPGA将 有足够资源运行Linux等操作系统(OS)以及软件栈。可编辑逻辑可以包含用于错误检测和纠错的纠错码。突然的错误增加一般意味着另一台无线电设备在用 相同频率发射信号。在这种情况下，软件可以决定重新扫描免费频率，并与远端接收器协商切换到另外一个信道上。FPRF还能够在跳频系统中工作。在这种跳频 系统中，信道将根据预先定义的顺序周期性的改变，常见于安全通信。

适应各种调制方案和不同带宽的能力使得认知无线电能够最优化即时可用信道。例如，如果准备在低噪声、宽频带上传输数据，那么FPRF带宽可以设置在 28MHz，并使用高阶调制方案(如16QAM)进行快速数据传送。而语音则可以使用受限的带宽设置(比如1.5MHz)在拥挤的空中电波中实现通信。

更 复杂的设计可以采用两个FPRF器件完成，这种方法支持2 x 2多入多出(MIMO)传输。MIMO技术有许多很明显的优势，因为它们能够利用高电平的多径传播方式在有噪信道中实现可靠接收。另外，MIMO可以用来 提高信道的总体数据传输速率。每个FPRF器件连接到自己的收发天线，FPGA设计则利用额外电路完成基带信号的解码。

正如你预计的那样，搭建认知无线电仍面临许多挑战。接收器框图显示片上有3个低噪声放大器(LNA)。 其中有一个针对300MHz至2800MHz的信号进行了优化，另外一个覆盖1.5GHz至3.8GHz范围，第三个LNA设计工作于完整的0.3GHz 至3.8GHz范围。在受限带宽下器件将有更好的灵敏度和噪声系数，如果设计必须覆盖整个范围，那么这点是必须要考虑的。另外一个挑战是设计非常宽带的天 线，这些天线要求在所有信道上都具有很高的效率。对于在受限的频率范围工作的系统来说这个问题可以得到简化。最大射频输出功率为1mW的Lime器件非常 适合小蜂窝要求的短覆盖范围，但在认知无线电应用中需要进行放大。同样，如果要求完整的射频频谱，这方面也是一个挑战。

已经 有开源组织在研究与FRPF有关的课题。用户可以在那里找到有用的信息、购买低成本的评估板、下载免费的FPRF配置软件并得到FPRF的印刷电路板版 图。作为与认知无线电有关的例子，用户可以下载类似频谱分析仪的快速傅里叶变换(FFT)显示应用。芯片内的接收器通过扫描整个频段来依次监听所有频率， 并在PC机上用频谱图显示即时输出。今后还会建立开源网站，为对灵活无线收发器感兴趣的专家和业余爱好者提供直接相关的更多项目。值得预期的是，网站将成 为软件无线电和先进的认知无线电系统的设计人员不可或缺的资源。

需要提醒的是，如果你计划发射无线信号，你必须与当地管理机构联系以获得允许的发射功率电平和频率。