利用微波数字转换器实现软件定义的无线电_SDR

过去的几十年里，无线电技术标准、相关应用和互联设备得到了爆炸式的发展，对数据带宽和吞吐量的要求越来越高。据统计，45亿因特网用户和迅速发展的物联网(IoT)变革对器件性能要求的年增长速度超过25%1，这是一个巨大的挑战。当今，随着在家办公日益普及，地面和空间通讯的关键基础设施已投入测试。
目前，关键的无线电频段资源短缺，无法满足需要。这意味着现代通讯网络需要找到更明智的方式以保持数据的流通。一种有效的方式是分隔和重用宝贵的射频频段，最大化其利用率。在过去的几年里，新建的基础设置已开始考虑到未来的需要。

目前因特网流量的增长量超过25%(CAGR)，2020年每月超过200EB(EB=1018字节或106TB)，2022年预计达到每年4.2 ZB（数据来源:Cisco 2019)

本文将讨论一些未来电子数据交换的核心技术。在软件定义无线电/网络（SDR/SDN）中，软件技术是影响最大的因素。当今，业内普遍认为虚拟系统硬件以及将人工智能引入复杂的操作流程，可实现最高的系统效率、利用率和动态敏捷度。听起来像是科幻小说？事实上，这种技术即将到来。
如今，无线网络已经非常复杂，无法通过使用诸如设计时间服务计划或简单的通用设计等传统的方法优化。
人们需要更智能、更高级的技术：例如认知无线电(CR)——这种无线电能监测动态网络行为，识别不同应用的需求，自动调整其物理层参数，使网络性能和服务质量(QoS)最大化。在许多情况下，不同的应用共享相同的无线通道和频段，难以同时满足不同的QoS标准。现在使用的基本控制架构无法同时平衡关键的功能参数需求，包括延迟、吞吐量、可靠性和适应力。若是考虑到不同的通讯需求，如低/高数据、时间关键/非时间关键信号等，则更加难以实现。
软件化是一种可行的解决方案。软件化做为一种相对较新的术语，是指利用算法解决之前由硬件解决的通信问题。为了实现软件化，未来的系统会逐渐虚拟化和数字
可控化。
软件化如何影响网络设计和规划？有如下两种情况：
●SDR：通过认知无线电技术，越来越多的应用可使用软件实现调制、纠错甚至载波频率和通道带宽，以满足动态运行的需要。使用波束成型、相控阵天线以及快速载波跳频可进一步增强SDR的性能。
●SDN：控制平面和数据平面的硬件互相解耦，控制集中化，并从具体应用中抽象出基础设计。
迈向软件化欧盟地平线2020计划预测了下一代因特网(NGI)的挑战，并在2018年底发布了网络世界2020讨论文档《NGI的智能网络2》。这篇详细的文档讨论了基于软件化的下一代网络建设的多种挑战，特别是SDR和SDN 。
这篇文档概述了研究和发展的领域，并介绍了当今网络基础设施的情况。不出所料，今天工程师和大众最熟知的挑战是数据安全和个人隐私。考虑到物理网(IoT)对今天的工业4.0革命的影响，越来越多的设备通过网络互连，服务规划是另一个重要的挑战。
系统越来越复杂，需支持数据量剪切和越来越大的容量，还有各种不同的通讯技术（无线标准、光学互连、卫星通讯）以及众多的用户和服务提供商。难怪现在我们期待新的人工智能和机器学习解决方案能将上述的需求一并满足，这需要同时平衡集中和分散的数据方法，如同步进行云计算、雾计算和边缘计算。

无线电软件化是什么？
无线电软件化是通过应用算法实现可编程、可重复配置的无线电通信通道或系统。这些无线电可以使软件定义无线电(SDR)，甚至是认知无线电(CR)，即能够识别本地射频环境并设置其物理层参数（载波频率、调制模式等）以最大化频谱容量利用率的无线电。
随着过去10年数字电子技术的发展，出现了越来越多的复杂敏捷无线电系统和相关的应用，如即将到来的5G移动无线终端。但是，若不仔细规划、设计网络系统，则难以保证未来通讯系统的流畅度。关键的数据需要在机器和机器(M2M)之间交换，如自动售货机网络以及自动驾驶和交通管理系统等，使得系统对吞吐量和延迟的压力越来越大。

软件化或数字控制的本质无线电通讯系统将载波频率（通常是一个单音信号）和数据（信息）信号调制（或混合）。ADC采样信号频率，产生连续的数字信号流，然后数字信号处理器(DSP)将有用的信息从信号流中抽取出来。而DAC通常用于发射端，其产生定义的合成射频信号谱，并将信号功率投射于特定的通道。
在当代的外差式无线电设计中，需使用一个或几个中频环节将信号能量向上或向下投射于无线电频谱中，并转换到转换器的基带频率范围。这些中频需要混合电路和本振频率振荡器，带来设置和校准的挑战，并增加成本和设计复杂度。幸运的是，随着半导体器件技术（例如晶体管跃迁和最大频率）的高速发展，用户可大大减少中频模拟混频器的环节和其本振的需求，直接在射频信号频段数字化。支持多奈奎斯特采样的ADC可实现直接射频转换，提供精确的、无需混频器的通道选择（或调节）功能，并支持多种方便数字信号处理器实现的数字解码和解调的模式。
系统发射端的情况也是类似的。现代的宽带DAC可将信号能量投射在微波频率，允许数字控制，为通讯设施提供可编程性和灵活性。这些智能、灵活的无线电包括动态可调整的物理层，便于处理短时通讯高峰或适配不同的工作模式。