軟件無線電關鍵技術的新趨勢（上）

2019-11-03 09:19:31

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供稿：網友

　　中國電子科技集團第七研究所陳浩

　　近年來軟件無線電技術發展取得了一些進展，但仍面臨許多技術挑戰，包括高速Ａ／Ｄ、ＤＳＰ數字處理、射頻前端、天線技術等問題，可以說這些技術決定著軟件無線電的發展和實現。多年來在這方面的努力也從未停止過，這些技術仍在不斷的發展，同時也出現了一些新的發展趨勢。

　　一、天線技術

　　理想的軟件無線電系統的天線部分應該能覆蓋全部無線通信頻段，要能在很寬的工作頻率范圍內實現無障礙通信。目前采用的是多頻段組合式天線，即在全頻段甚至每個頻段使用幾付天線組合起來形成寬帶天線。

　　寬帶天線被視為是實現理想軟件無線電系統的最佳天線方案，也被認為在目前技術條件水平下是不能實現的。近年來發展的ＲＦＲＭＥＭＳ微機電系統是一種高度小型化的器件，可作為小型開關取代天線中的高成本、大體積的ＰＩＮ二級管、超寬帶場效應晶體管ＦＥＴ和真空繼電器ＶＴＲ，是實現寬帶可重構天線設計的一種具有突破性的技術。采用ＭＥＭＳ，可以電子的方式改變一方環形開槽天線的工作頻率。在一方型的開槽天線上，當周長近似為一個波長時，在某個頻率上可獲取良好的性能，要針對新頻段重構天線時，可通過交換不同的開槽天線單元的入口和出口。因此，在３—８ＧＨｚ范圍進行頻率變換成為可能。利用ＰＩＮ二極管開關實現的ＭＥＭＳ開關還具有低損耗、高隔離與體積小等優勢。

　　另外目前出現的新的天線單元技術，能設計和生產用于ＳＤＲ的寬帶ＷＢ和超寬帶ＵＷＢ天線，這包括超寬帶的“電阻”ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ天線和“曲線”天線ＭＬＡ。ＭＥＭＳ技術的應用將使ＷＢ和ＵＷＢ天線的體積和成本降低多個數量級。另外建模和仿真方法的進步可實現對這些新天線單元的精確仿真。

　　二、ＲＦ前端技術

　　目前ＲＦ元器件的水平還只能支持２０％左右的帶寬，故在現有的軟件無線電系統中采用的技術方案是使用一組ＲＦ模塊覆蓋整個頻段。在支持多標準時還可能要求更換射頻模塊。隨著寬頻段合成技術、低噪聲高性能半導體工藝技術的成熟，出現非常靈活的ＲＦ模塊。高度小型化的多頻段多模式ＭＢＭＭＲＦ芯片已于２００３年投入生產，超導ＲＦ技術有助于實現商用政府多頻段多模式前端所需的性能。這兩種技術在目前正成為ＳＤＲ主流技術，到２００５年開始通用。

　　ＲＦＭＥＭＳ技術是一種新的器件技術，具有低損耗、體積小等特點，可實現一種具有高集成度的高性能器件，它的應用將多頻段多模式ＲＦ芯片的體積、重量、功耗以及成本降低一個數量級，并提高了該芯片的處理速度和處理能力，使數字信號處理器能夠完成調制解調功能。另外ＭＥＭＳ器件的可移動特性可動態調整元件的參數值，從而大大提高了多個射頻器件的性能和靈活性，這包括基于ＭＥＭＳ高Ｑ諧振器的低相位噪聲電壓控制振蕩器、基于ＭＥＭＳ可變電容器和開關電容器網絡的寬帶變電器和相移器、基于ＭＥＭＳ可變電抗單元和開關的可調諧濾波器。可編程帶通濾波器在發射機和接收機中至為關鍵，它能確保信道的有效利用和高靈敏度，同時又是ＲＦ模塊組中價格最高靈活性最差的器件，軟件無線電需要這些單元以電子方式構成或者疊加起來組成一個濾波器庫。目前大多數軟件無線電系統采用后一種方式，據悉，對基于高ＱＭＥＭＳ的濾波器已進行了演示。另外也考慮采用超導技術。該技術可實現具有超速滾降特性的可調諧帶通濾波器。目前利用超導溥膜工藝實現了中頻為３．５、調諧范圍為６２０ＭＨｚ的調諧濾波器。該工藝具有低損耗特點，可設計和實現具有低插入損耗和寬帶能力的多級溥膜濾波器。

　　三、ＡＤ和ＤＡ變換技術

　　ＡＤ和ＤＡ變換器在軟件無線電系統所處的位置是非常關鍵的，它直接反映了軟件電臺的軟件化程度。對于理想的軟件無線電而言，ＡＤ變換器的動態范圍必須在１００—１２０ｄＢ或者１６－２０位，最大輸入信號頻率要在１ＧＨｚ和５ＧＨｚ之間。就目前的技術發展水平，很難實現這些技術要求。近兩年來，隨著現代深亞微米技術的應用，出現了多種ＡＤ變換器結構：∑△結構和管狀結構。∑△結構ＡＤ變換器的優勢在于能提供較大的動態范圍和高線性度，但變換速度有限。要提高速度，關鍵一點是改進結構，如降低重復取樣速率，減少多比特環路和高階環路穩定度問題以及優化所需的放大器的帶寬等。管狀ＡＤ變換器能實現最高的變換速率，但分辨率只能限于１３—１４位。通過優化整個結構，包括采用先進的校準電路和糾錯算法可實現更高的分辨率和變換速率，最終實現更大的動態范圍。據有關研究顯示，混合結構的變換器，如管狀∑△結構或管狀折疊插入式ＡＤ變換器是很有希望的概念，這種結構不僅能綜合不同結構在分辨率和變換速率方面的優勢，而且還具有糾錯算法、降低功耗和適應不同環境的能力。首個分辨率超過４位、變換速率超過１Ｇｓａｍｐｌｅｓｓ的ＡＤ變換器已公布于眾。盡管仍以犧牲功耗為代價，但向超高速ＡＤ變換器發展趨勢是清晰可見的。

　　根據最新資料顯示：將超導和光取樣技術應用于ＡＤ變換器已成為未來的發展趨勢。具有突破性的一項技術是“快速單通量”ＲＳＦＱ技術。該技術基于超導基本量子機械特性，說明了離散的量化形式中存在著磁通。在該技術中，單磁通量子脈沖代表二進制值。因為一個完整的單磁通量子代表一個脈沖，所以這種技術的性能受到輸入信號最大轉速率的嚴格限制。因此可以通過對處理速度與分辨率進行折衷的方法來達到最佳技術性能。在一個重復取樣的基于超導ＡＤ變換器中，孔徑抖動的影響會大減少，使超寬頻段工作已切實可行。而且在這樣的ＡＤ變換器中，其輸入端的取樣速率與輸出端不同，其內部的可編程抽取器可根據比特數和帶寬進行折衷來設置。

　　基于超導技術的ＡＤ變換器另一個重要特性是高靈敏度。驅動單磁通量子電路所需的最小功率是１ｍＷ，即比高速半導體ＡＤ變換器所需的１ｍＷ小了三個數量級。這一特性加上高取樣速率最終可使系統無需使用低噪聲放大器ＬＮＡ，并可直接在天線端取樣，由此可以得到更高的系統增益。盡管超導ＡＤ變換器與半導體ＡＤ變換器相比，在性能上還沒有顯著的優越性，但主要的技術精華還是非常有前途的。目前工作于１９．６Ｇｌｔｚ頻段的超導ＡＤ變換器已有演示。

　　在光取樣ＡＤ變換器中，取樣與量化功能分別是在光域和電子域中完成的。光取樣ＡＤ變換器的主要優點在于模式鎖定激光源的定時抖動小。目前已報道，信噪比ＳＮＲ為５１ｄＢ的光取樣ＡＤ變換器就相當于速率為５０５Ｍｓｓ，有效分辨率為８．２比特的傳統半導體ＡＤ變換器。在不遠的將來，通過進一步的改進，預計可以實現取樣率達到數ＧＨｚ且具有１２比特分辨率的光取樣ＡＤ變換器。另外，鎖定在１０ＧＨｚ激光模式已實現了光時鐘脈沖的產生，每３ｐｓ３皮秒寬脈沖的定時抖動為１６ｆｓ０．０１６％，幅度抖動為０．０５８％。這些標準的抖動值可使光取樣率在１０Ｇｓｓ時，精度達到１１比特。

　　下面對不同的ＡＤ變換器技術進行了比較：（其中，超導ＡＤ變換器分辨率位數和速率都不是固定的值，可以進行折衷，以達到所期望的性能。）

　　目前ＤＡ的發展水平是：高精度ＤＡ１６ｂｉｔｓ５ＭＳＰＳ，高速度ＤＡ１４ｂｉｔｓ１ＧＳＰＳ，速度和精度兼顧ＤＡ１４ｂｉｔｓ３００ＭＳＰＳ。ＤＡ技術可用變換器，還需要高速存儲器，現在集成電路技術的發展已有１ｎｓ的砷化嫁ＲＡＭ商品，但將大量砷化嫁ＲＡＭ用到任意波形發生器上顯然價格過高，而且也消耗大量功率，比較經濟的做法是用多路轉換的方案，允許波形存儲在相對低速的ＣＯＭＳＲＡＭ。（未完待續）

----《通信世界報》