兩張圖看懂 軟體定義無線電應對多頻段軍事通訊挑戰

能夠跨越多個安全數據鏈路獲取準確的實時信息是任何軍事行動取得成功的基石。由於指揮和控制中心現在需要通過語音和數據直接與戰地士兵進行通信，因此更加需要具備這種能力。但是，只有具備與高級無線技術一樣出色的能力 – 能夠導航複雜的射頻（RF）網和信號處理技術以及在充滿挑戰的RF頻譜環境中呈現無縫、可靠和安全的通信網路，從而在適當的時間提供適當的信息，才能成為戰略和戰術優勢。

以前，軍隊一直依賴於各種不同且不兼容的無線電和波形來為戰術無線電、機載鏈路、衛星通信、中繼基站和緊急發射器以及新興的特定應用功能，如需要控制並且在某些情況下需要依靠視頻監控圖像的無人飛行器（UAV）操作等多種多樣的需求提供服務。每個無線電都會建立一條重要的通信鏈路，在混頻中漏掉其中一個就會使經營小組處於不利境地。然而，每個無線電都需要考慮尺寸、重量和備用電池（在士兵系統中）等成本。隨著各種新要求和新波形的加入，問題變得更加複雜且難以掌控。

更為複雜的是，未來的運行要求需要系統具有多種功能。除了需要無線電在更廣的RF頻率中支持多種語音和數據波形外，未來的士兵系統還希望集成電子監控和電子戰功能，這就進一步增加了系統設計的難題。

通用全雙工無線電模塊可以解決所有這些難題。該模塊可在所有平台中使用，並且能在現場動態實時重新配置，可通過單一電池組提供靈活性、多功能性、高效率和更長的工作壽命。此外，在尺寸、重量和功率（SWaP）方面也具有顯著的優勢。

要使這種「通用」無線電概念變成現實卻比預期要困難得多：提供合適的模擬前端（AFE）尤為困難。更複雜的是，新一代「通用」無線電需要應對由於商業無線電和蜂窩系統大量湧現而導致的頻譜更加擁堵所帶來的挑戰。這不僅會增加帶外信號濾波或導致動態範圍需要管理潛在干擾信號，而且還需要系統為尚不存在擁堵問題的其他頻帶中運行做準備。

直到最近，面向這類多功能無線電的模擬前端還需要一個重疊並行通道陣列，每個通道旨在覆蓋射頻頻譜的一個特定頻段，其帶寬與目標信號格式相匹配，並且可能具有可滿足帶外信號抑制需求的特定濾波。在最好的情況下，這種方法只是在最終印刷電路板占用空間、重量和功耗方面耗費成本；在最壞的情況下則需要開發多個完整的無線電。

採用軟件定義方法

軟件定義無線電（SDR）是針對此問題的最終解決方案。通過加強對模數和基於軟件的信號處理的重視，它可以適應各種物理層格式和協議、加密數據並通過在處理器或FPGA上運行的軟件來轉換模數信號，使其完美滿足軍事需求。用戶可以動態控制頻率、調制、帶寬、加密功能和波形要求。

SDR還能夠將新波形和功能靈活結合到系統中，無需升級或更換硬件元件。這些SDR不僅可用於士兵訪問數據以及與指揮中心通信，還可用於創建廣域傳感器/網格網路，以進行定位/檢測和戰鬥士兵之間的通信。

SDR中最重要的元件是收發器。為了做到上述所有靈活性和多功能性，收發器需要具有極寬的RF範圍，並且能夠通過軟件快速調諧和配置通道帶寬；它必須支持頻分多路復用（FDM）和時分多路復用（TDM）。為了獲得更高級的波形支持，它還必須在動態範圍和可靠性方面具有高性能，即使是在噪聲條件和具有有意和無意干擾的環境中。與此同時，它還應該在更低的功耗下運行，以最大程度地減少士兵電池組中的電流消耗。

一種高度集成的混合信號RF集成電路（RFIC）可使寬帶SDR設計更小、更輕、耗電更少。但真正的挑戰在於，ADR中的AFE擁有極寬的帶寬，因此在經典設計中需要大量針對特定頻譜和可能波形的前端，而其中每個前端的設計和評估都將面臨巨大的挑戰，最終產品可能會在尺寸、重量和功耗三項指標排名中名落孫山。

元件要求

新一代寬帶、可編程前端收發器支持兩個獨立的收發器通道，能夠滿足這些SDR挑戰。系統處理器可以動態重新配置關鍵參數（如帶寬和RF頻率），以符合應用需求並帶來最佳結果。此外，它還可以滿足快速發展的多路輸入多路輸出（MIMO）市場以及非MIMO市場的需求。

新一代寬帶集成型RF收發器是許多新一代軍事通信和電子監控系統的理想解決方案。由於它們支持寬通道帶寬，因此可以在新一代系統中部署與許多以數據為中心的新波形匹配的設備。這種高度可配置性可做到認知無線電系統，並且能夠使用自適應波形。這些設備能夠快速在RF帶寬間調諧，可以作為電子監控（尤其是在功耗受限的平台中）的解決方案。

ADI公司的AD9361 RF捷變收發器（見圖1）就是這樣一款收發器，這款10 × 10 mm的晶片級器件採用用戶可調的200 kHz至56 MHz帶寬設計。它擁有構建70 MHz至6 GHz信號鏈所需的各種其他特性和性能屬性。這款2 x 2的直接變頻元件可以將整個AFE簡化成一個相對簡單的電路，並通過一個LVDS或CMOS端口與主機處理器連接。IC中集成了12位A/D和D/A轉換器、小數N頻率合成器、數字和模擬濾波器、自動增益控制、發射功率監控、正交校正和其他關鍵功能。

接收器噪聲系數不到2.5 dB，而發射器誤差向量幅度（EVM）則優於-40 dB，發射器本底噪聲低於-157 dBm/Hz。對於發射和接收路徑，本振步長只有2.5 Hz，可做到精密調諧。盡管IC中集成了諸多功能，其功耗卻非常低，一般為1 W左右。

集成系統設計

靈活的寬帶SDR平台涉及大量電路設計工作，以及算法開發工作和一些權衡考量。盡管初看起來，這似乎是一項困難的開發工作，但新一代收發器必須包含可用的參考設計以簡化系統開發。除了在不更改硬件的情況下做到軟件完全自定義外，參考平台還必須經過優化以與FPGA配合使用，並且為電源和電路板布局提供指引以確保最佳性能。此外，為了支持日漸盛行的MIMO配置，波束成形和波束控制參考設計的支持選項應該顯示多設備同步（見圖2）。

通過遵循參考設計中提供的設計指南，工程師可以快速從評估過渡到原型製作，從而成功實施可以在現場動態重新配置的長壽命全雙工輕型平台，並最終將「通用」無線電從畫板概念變為真實的應用。