11.1 软件无线收发设备的体系结构

在本章的介绍中,我们将“软件无线收发”比作一种处理无线电波的声卡。为了更易于理解,有些概念在使用上,尽量避免过于专业化,与枯燥乏味的准确概念之间留出了一定的距离,只给出了一些形式化的简单定义。下面就是一个简化后,并且以功能块分割后的一个基本“软件无线收发”原理图。大多数“软件无线收发”有三个主要部分:“射频信号放大器”(Radio Frequency Amplifier,简称“RF放大器”),“调谐器”(tuner)和“模数转换器”(Analog-to-Digital Converter,ADC)。

虽然从技术角度上来看,天线并不能算是无线的一部分,因为天线只是“采集”(picking up)无线信号,不过,真要说起天线,还是有很多讲究的。有一些天线的功能可以很好地在多个频率上使用,而另一些天线的功能则只能在一个频率上使用。各向同性天线可以发送和接收(或同时收发)来自任何方向的信号。然而,如果你想进行长距离的沟通,那么一个定向天线(如“八木天线”)将会是一个更好的选择。不幸的是,天线是一个复杂的问题,全面讨论则会超出本章的范围,所以这里也不会详细展开。其实有一个简单的原则,那就是在大多数情况下,“软件无线收发”设备自带的天线应该基本足够你使用了。

“射频放大器”负责将弱信号功率提高。用户指定的增益值是以“分贝”为单位,表示为“dB”,“射频放大器”所控制的是在没有增益的前提下放大的数量,因为你可能接收不到太弱的信号。但太多的增益也会扭曲你的信号,就像你将一个音响的音量开得太大了,一些声音会发生变形一样。还有一些无线是通过增益的多个阶段获得的。除此之外,还包括“自动增益控制”(Automatic Gain Control,AGC),在使用这种设备的时候,它会试图帮你选择最佳的增益值。

接下来的“调谐器”,或者叫“混合器”。就像老式收音机的调谐旋钮一样,“混合器”的作用是选择无线电的频谱部分进行分析。这个过程可以理解为“混合器”将一系列的频率“拉到”到一个较低的频率上。有一些无线处理设备是通过几步完成这一操作的,而处理的信号中包含“中频”(Intermediate Frequency,IF)和“基带”(BaseBand,BB)信号的增益。

最后,无线信号的选择,是通过一个“模数转换器”实现的。“模数转换器”的作用是在进行“采样”(sample)的过程中,将模拟的语音波形转变成数字流。虽然这个话题说起来很复杂,但处理过程却很容易理解,不妨从下面一个例子中进行说明。

你的老师要求你记录你家室外的温度,并且画出一张变化走势图。多数情况下,你会设计一个电子表格,根据温度计的读数,然后记录在电子表格上。这种家庭室外温度的变化浮动范围一般只有5度的增减,然而,所以样品的分辨率,也就是精细程度也是有限的。此外,测量温度的频率也会直接影响你的信号分辨率。如果你只是一个星期记录一次,你画出的图也不会太丰富。如果你一个小时记录一次,那么你的图就能体现一天的温度变化。这就是“模数转换器”在功能上的作用,当然这里测量的是电压,而不是上面的温度。

以图11-1为例,我们在理想状态下,把整个过程中每一个模块的处理过程放到一起,集中展示出来。“射频输入”(RF Input,即图上的第一行)代表许多传输中的无线频率,你可能会注意到一些熟悉的波段,如FM调频广播、Wi-Fi无线网络,还有蓝牙网络。“低噪声放大器”(Low Noise Ampfifier,LNA,即图上第二行),简称“放大器”,作用是在模拟信号的频谱中增加增益,使信号得到加强。“调谐器”(Tuner,即图上的第三行),在这个情况下,中心频率是800MHz,主要作用是将高频的频谱调谐到基带区域,以方便“模数转换器”的采样。通过配置“模数转换器”,使其运行在每秒1000万的采样值,换句话说,达到10个“每秒百万次采样值”(Million Samples Per Second,MSPS),计算机可以处理的频谱范围是795MHz~805MHz,也就是说计算机可以处理的带宽是70MHz。

图11-1 理想状态下的“软件无线收发”SDR处理过程

“模数转换器”并不知道正在采样的是哪一部分频谱,其实在“混合器”阶段之后,我们就不知道正在转换的是什么信号了。如图11-1所示,任何波段的信号均可以混合到“模数转换器”所需要的这10MHz带宽中。最终用户的软件,比如gqrx程序会持续跟踪这一信号的变化,并以图形的方式还原成你原来的频率。在分析过程中,你会经常看到相对于调谐频率的频率变化值。需要注意的是,分析时总的可用带宽和原来采样信号的带宽是相等的,只是频率位于0MHz左右,并且中心频率位于0MHz。

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