軟件定義無線電（SDR）過去是比較少有的舶來品。不過現(xiàn)在，大多數(shù)現(xiàn)代無線電都采用軟件定義無線電的架構(gòu)和技術(shù)。隨著每年IC和其他技術(shù)的不斷進(jìn)步，SDR的性能和應(yīng)用范圍都在與日俱增。事實(shí)上，認(rèn)知無線電（CR）等新興技術(shù)的出現(xiàn)，為SDR在無線通信領(lǐng)域大顯身手創(chuàng)造了條件。

　　什么是軟件定義無線電

　　軟件定義無線電使用軟件來執(zhí)行接收器和發(fā)射器中的部分信號處理任務(wù)。例如，采用隨處可見的超外差架構(gòu)的傳統(tǒng)接收器通過基本電路（圖1a）執(zhí)行所有的信號處理任務(wù)。這種超外差架構(gòu)將輸入信號通過降頻轉(zhuǎn)換成中頻（IF）信號，以便進(jìn)行解調(diào)和其他處理。

圖1:常見的傳統(tǒng)無線電接收器（a）將標(biāo)準(zhǔn)模擬超外差架構(gòu)與執(zhí)行所有功能的模擬電路配合使用。超外差接收器（b）將數(shù)字解調(diào)技術(shù)與DSP配合使用。

　　早期的軟件定義無線電接收器（圖1b）在中頻級之后用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）替代了解調(diào)器，并在數(shù)字信號處理器（DSP）中執(zhí)行解調(diào)和部分濾波工作。如今，由于ADC采樣速率的提高，DSP可以處理更多的功能。

　　要使DSP工作，信號的振幅和相位必須是已知的，從而催生了一種將接收到的信號分至兩個(gè)通路的架構(gòu)，一個(gè)通路產(chǎn)生同相（I）信號和一個(gè)通路產(chǎn)生90°相移正交（Q）信號。基本載波信號具有以下形式：

　　V = Ac cos（2πfct +φ）

　　其中，fc是載波頻率，φ是相位，Ac是載波振幅。這些參數(shù)中的任何一個(gè)參數(shù)都隨調(diào)制方式的不同而有所不同。對于數(shù)字領(lǐng)域中的解調(diào)而言，單信號對于現(xiàn)有的算法來講是不夠的。因此，經(jīng)過調(diào)制的信號被轉(zhuǎn)換成I信號和Q信號：

　　V = I（t） cos（2πfct） + Q（t） sin（2πfct）

　　正交信號的任何振幅、頻率或相位變化都可以檢測到，并用于解調(diào)或其他過程中。

　　圖2是一個(gè)現(xiàn)代I/Q軟件定義無線電接收器的框圖。低噪聲放大器（LNA）一般會(huì)增強(qiáng)來自天線的輸入信號，然后該信號再被施加至兩個(gè)混頻器?；祛l器逐步產(chǎn)生I信號和Q信號。兩個(gè)混頻器都從鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器中接收本振（LO）信號。請注意LO信號與兩個(gè)混頻器之間的90°相移。

圖2:現(xiàn)代軟件定義接收器采用I/Q架構(gòu)將信號分成兩個(gè)正交通路。需要I和Q通道通過數(shù)字信號處理算法恢復(fù)各種類型的調(diào)制。

　　LO頻率被設(shè)置成信號頻率，因此在不調(diào)制的情況下混頻器的差分信號為零。進(jìn)行調(diào)制時(shí)，差分信號為基帶信號或原始調(diào)制信號。這種架構(gòu)被稱為直接轉(zhuǎn)換或者零中頻。

　　基帶信號在低通濾波器中進(jìn)行濾波以消除混頻器輸出端的和分量之后，此信號在一對ADC中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后數(shù)字基帶信號通過數(shù)字下變頻器（DDC）的處理，降低采樣速率，以便能夠與數(shù)字信號處理電路兼容。然后數(shù)字信號處理電路根據(jù)應(yīng)用的要求，同時(shí)使用I信號和Q信號進(jìn)行解調(diào)、均衡和額外的濾波。

　　在現(xiàn)代軟件定義無線電發(fā)射器中，DSP調(diào)制器將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分成I信號和Q信號，并將這些信號饋至數(shù)字上變頻器（DUC），以提高其采樣速率（圖3）。I信號和Q信號接下來會(huì)被發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），從而產(chǎn)生終的基帶信號。然后這些基帶信號會(huì)進(jìn)行低通濾波，并被發(fā)送至混頻器，混頻器將該信號升頻至終的發(fā)射頻率。該信號會(huì)發(fā)送至功率放大器，然后再施加至天線。

圖3:在SDR發(fā)射器中，調(diào)制是在DSP中進(jìn)行的。然后，I/Q架構(gòu)產(chǎn)生兩個(gè)正交信號，這兩個(gè)正交信號合并在一起，然后升頻至終的頻率以便進(jìn)行傳輸。

　　所有的現(xiàn)代軟件定義無線電收發(fā)器都采用這里所示的接收器和發(fā)射器電路的某種基本變體。當(dāng)然，隨著ADC和DAC采樣速率的日益增加，數(shù)字處理越來越向天線靠近。終的接收器會(huì)成為天線端的一個(gè)濾波器，以限制帶寬和LNA,然后再進(jìn)行快速的ADC處理（圖4）。然后，DSP執(zhí)行解調(diào)和濾波等所有的其他處理。覆蓋頻率高達(dá)30MHz的商用業(yè)余無線電和短波接收器已經(jīng)開始使用這種先進(jìn)的架構(gòu)。

圖4:終的SDR接收器僅采用一個(gè)輸入帶通濾波器、一個(gè)ADC和一個(gè)DSP.所有的解調(diào)、濾波和其他功能都在DSP中進(jìn)行。

　　以下的許多功能現(xiàn)在都是以數(shù)字方式執(zhí)行的：

　　濾波（低通、高通、帶通和帶阻）、調(diào)制（AM、FM、PM、FSK、BPSK、QPSK、QAM、OFDM等）、解調(diào)、均衡、壓縮、解壓、頻譜分析、預(yù)失真。

　　新的調(diào)制方式和相關(guān)過程通常被稱為波形。通過更改波形軟件，用于像FM語音這樣的單個(gè)應(yīng)用的無線電可以針對具有不同協(xié)議的不同頻率上的高速數(shù)據(jù)重編程序。

　　軟件定義無線電的優(yōu)勢在于硬件越來越簡單。標(biāo)準(zhǔn)RF電路得到了限度的縮減，從而保證了低IC成本。DSP軟件提升各種功能（比如濾波器）的性能，從而實(shí)現(xiàn)比同等模擬電路更好的性能。數(shù)據(jù)信號處理還可以對RF器件的某些不足進(jìn)行補(bǔ)償。

　　此外，重編程序可以提供各種靈活性，包括修正錯(cuò)誤、增加新功能、包含升級的操作以及提升性能等?？梢酝ㄟ^軟件快速更改具有靈活設(shè)計(jì)的軟件定義無線電，從而整合新的調(diào)制方式、新協(xié)議以及一般需要新硬件的其他重大調(diào)整。

　　軟件定義無線電的不足之處在于軟件復(fù)雜性、開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間、某些應(yīng)用的頻率范圍有限以及往往較高的功耗。

　　軟件定義無線電的硬件

　　軟件定義無線電需要快速ADC、DAC和DSP.多年來，ADC的采樣速率一直都在與日俱增，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了千兆赫的水平。許多軟件定義無線電采用低中頻架構(gòu)和ADC,將許多100 Msamples/s的采樣速率提升至幾百M(fèi)samples/s,甚至更高。

　　美國國家半導(dǎo)體（現(xiàn)在是德州儀器）近發(fā)布的ADC12Dxx00RF的采樣速率可以達(dá)到3.6 Gsamples/s（請參見www.electronicdesign.com網(wǎng)站上的"ADCs Sample RF Directly"一文）。這款雙通道12位ADC可與時(shí)鐘相移配合使用，實(shí)現(xiàn)交叉或交替通道采樣，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換。DAC采樣速率正緊跟這種趨勢。

　　快速轉(zhuǎn)換必不可少，而DSP也必須足夠快才能夠跟得上這種速度。由于大多數(shù)處理器都能夠輕松地跟上這種速度，因此這不是問題。當(dāng)然，雖然軟件定義無線電是軟件，但仍然需要以多種形式實(shí)現(xiàn)的硬件。

　　比如，你可以編寫在通用處理器（GPP）上運(yùn)行的程序。由于某些算法需要在大多數(shù)GPP上難以處理的數(shù)學(xué)程序，因此這可能不是一個(gè)方案。不過，大多數(shù)PC中使用的英特爾（Intel）或AMD雙核處理器如今在某些應(yīng)用中表現(xiàn)非常出色。某些GPP還有一些特殊指令，比如DSP算法中常用的乘和累加函數(shù)。

　　你還可以使用專為處理信號處理代碼而設(shè)計(jì)的DSP.這種DSP擁有特別的架構(gòu)（通常是Harvard架構(gòu)）、內(nèi)存以及可以提高DSP的處理速度的算術(shù)邏輯單元（ALU）指令集。

　　德州儀器（TI）的C5000和C6000等DSP系列已經(jīng)在業(yè)界使用了多年。ADI和飛思卡爾（Freescale）也有通用DSP產(chǎn)品。就像處理器一樣，DSP是完全可編程器件，因此它們在將來可能需要更改、增加和更新的應(yīng)用中具有極高的靈活性。如今，時(shí)鐘頻率高達(dá)1GHz的DSP非常普遍。

　　越來越多的軟件定義無線電設(shè)計(jì)正在使用FPGA.快速傅立葉變換（FFT）等信號處理算法可以縮減成數(shù)字邏輯，并且能夠在GPGA中快速實(shí)現(xiàn)。由于FPGA成本已經(jīng)穩(wěn)步下降，因此FPGA已經(jīng)成為DSP的主要替代方案。FPGA比具有某些功能的某些其它處理器更快，并且仍然具有重編程序的靈活性。Altera和賽靈思（Xilinx）公司的FPGA支持軟件定義無線電。

　　，硬邏輯在如今也非常普遍。在實(shí)現(xiàn)蜂窩無線電規(guī)范等固定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，靈活性或重編程序的能力并不是必不可少的。因此，可以在固定的片上邏輯中實(shí)現(xiàn)各種算法。這種邏輯塊的速度更快，占用的芯片面積更少，并且可以大幅降低功耗。這種邏輯塊一般稱為加速度計(jì)。

　　許多蜂窩手機(jī)基站IC（比如TI的TMS320TC6614系統(tǒng)級芯片（SoC））就是使用加速度計(jì)的例子。圖5顯示了具有ARM GPP和四個(gè)66x通用浮點(diǎn)DSP內(nèi)核的6614.請注意右邊的加速度計(jì)邏輯。大多數(shù)第1層的加速度計(jì)都使用DSP算法來實(shí)現(xiàn)各種軟件定義無線電功能。

圖5:TI的TMS320TC6614是一款用于實(shí)現(xiàn)微微基站、微基站、地鐵基站和其他小型基站的片上基站IC.

所有的基帶功能都在這顆芯片上進(jìn)行。RF電路為外部電路。

請注意右邊的硬件加速度計(jì)，該加速度計(jì)采用硬連線邏輯加快許多DSP軟件定義無線電功能。

　　真正的SDR收發(fā)器

　　目前已經(jīng)開發(fā)出了許多用于聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）下的軍事應(yīng)用的軟件定義無線電。這個(gè)美國國防部的計(jì)劃旨在開發(fā)一整套用于語音、數(shù)據(jù)和視頻的軟件定義無線電，從而用來實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場上的自組網(wǎng)絡(luò)。此計(jì)劃從上世紀(jì)90年代末期就已經(jīng)開始實(shí)施，十多年來已經(jīng)取得了相當(dāng)快的進(jìn)展。

　　JTRS系統(tǒng)的整個(gè)基礎(chǔ)是軟件通信架構(gòu)（SCA）。這種開放架構(gòu)的平臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了硬件和軟件配合工作的方式。其中一個(gè)主要目標(biāo)是開發(fā)可在不同硬件平臺之間全面轉(zhuǎn)換的軟件，從而使所有的軍事無線電都具有多功能和互操作性。

　　近發(fā)布的版本SCA 2.2.2進(jìn)一步提高了程序員的能力，從而提高了軟件的靈活性和可擴(kuò)展性。SCA Next軟件有助于減小程序規(guī)模和減少測試工作。

　　軟件通信架構(gòu)沒有提供具體的認(rèn)識功能。不過在過去幾年里，美國國防硬件規(guī)劃局（DARPA）一直在對軟件通信架構(gòu)的認(rèn)知增強(qiáng)功能進(jìn)行測試，比如動(dòng)態(tài)頻譜接入功能，該功能有望在即將發(fā)布的下一代JTRS無線電中實(shí)現(xiàn)。

　　泰雷茲通信（Thales Communications）的AN/PRC-148 JTRS增強(qiáng)型多頻帶內(nèi)部/外部團(tuán)隊(duì)無線電覆蓋從30MHz至512MHz的所有HF、VHF和UHF軍用頻率（圖6）。功率輸出的選擇范圍為0.1W至5W.提供各種模式和波形。

圖6:Thales AN/PRC-148 JEM軍用無線電采用JTRS SCA軟件平臺來確保軍用無線電的互操作性。

　　認(rèn)知無線電

　　認(rèn)知無線電（CR）進(jìn)一步擴(kuò)展了SDR的定義，它包含為無線電提供智能的功能。無線創(chuàng)新論壇（Wireless Innovation Forum）將認(rèn)知無線電定義為"通信系統(tǒng)可感知其環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)，并且能夠根據(jù)無線電工作行為和預(yù)定義的目標(biāo)作出有關(guān)該信息的決策的無線電。環(huán)境信息可能包含也可能不包含與通信系統(tǒng)相關(guān)的位置信息。"

　　認(rèn)知無線電有時(shí)候也稱為自適應(yīng)無線電，這種無線電可以通過自動(dòng)調(diào)整其行為或操作來實(shí)現(xiàn)具體的目標(biāo)。它們可以感測、了解和調(diào)整。它們具有可存儲(chǔ)用于各種不同情況的指令的內(nèi)存。借助存儲(chǔ)的有關(guān)其自身功能的知識，這些無線電可以進(jìn)行自行決策。

　　認(rèn)知無線電還可以訪問外部數(shù)據(jù)庫，以獲得額外的決策智能。它通過偵聽通道進(jìn)行感測，從而評估是否存在其他信號、其特性和噪聲背景。認(rèn)知無線電還可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來了解情況。認(rèn)知無線電借助已經(jīng)獲得或能夠訪問到的所有知識而成為超級智能無線電。

　　發(fā)射器（TX）和接收器（RX）是具有各種適用波形和所有相關(guān)軟件定義無線電軟硬件的全面捷頻軟件定義無線電（圖7）。獨(dú)立的認(rèn)知處理器引擎運(yùn)行無線電的各種認(rèn)識功能。該引擎從RX和TX獲取輸入（M），以監(jiān)控其狀況和參數(shù)。它通過這些輸入以及其他輸入進(jìn)行決策。

圖7:典型的認(rèn)知無線電中的發(fā)射器和接收器都是捷頻軟件定義無線電裝置。認(rèn)知處理器通過來自策略內(nèi)存的輸入、外部數(shù)據(jù)庫和GPS位置信息（某些情況下）管理認(rèn)知過程。

　　其他輸入來自存儲(chǔ)在內(nèi)存中的策略指令，這些指令定義在不同情況下的工作方式。還可以訪問外部數(shù)據(jù)庫。一些認(rèn)知無線電裝置通過GPS獲取位置信息。然后進(jìn)行決策，并將控制（C）發(fā)布至無線電，從而達(dá)到理想的結(jié)果。

　　認(rèn)知無線電還是人工智能（AI）的一個(gè)很好的例子。人工智能是一系列用來存儲(chǔ)和使用解決問題的知識的軟件。它可以使用標(biāo)準(zhǔn)算法，還可以采用系統(tǒng)、自然語言處理、模糊邏輯和搜索技術(shù)等多種人工智能技術(shù)。人工智能/認(rèn)知無線電可以通過根據(jù)現(xiàn)有的知識評估狀況和決策，并采取行動(dòng)達(dá)到所需的結(jié)果，從而模仿人類用戶。

　　認(rèn)知無線電的一個(gè)非常重要的功能是動(dòng)態(tài)頻譜接入（DSA），該功能使得認(rèn)知無線電能夠在確定頻譜中的一個(gè)頻道未被使用后調(diào)整到該頻道。動(dòng)態(tài)頻譜接入無線電使用未使用的頻譜，從而使有限的頻譜空間產(chǎn)生更高的效率。

　　認(rèn)知收發(fā)器基本上以工作頻率、調(diào)制模式、功率級別和其他因素的方式通知SDR如何操作，并自動(dòng)作出相應(yīng)的調(diào)整。認(rèn)知無線電是監(jiān)控SDR并在必要時(shí)提供命令和控制指令的軟件。

　　認(rèn)知無線電主要力爭解決兩個(gè)重要的無線問題：有限的頻譜以及不同的無線電或無線系統(tǒng)之間的互操作性。認(rèn)知無線電可以找到開放頻譜并使用該頻譜。它還可以改變其波形或者協(xié)議，以適應(yīng)不同特性的無線電，從而實(shí)現(xiàn)通信或者讓通信更可靠。

　　還有幾種不同類別的認(rèn)知無線電。比如，基于策略的無線電通過一組預(yù)定義的功能（比如波形和程序）編程。使用這種無線電方法是選擇幾種不同的預(yù)編程固定函數(shù)中的其中一種函數(shù)。固定函數(shù)在制造過程中載入，由用戶選擇，或者通過空中接口。

　　另一種認(rèn)知無線電是一種可以全面重新配置的無線電。這種完全普通的收發(fā)器可以在各種頻率和功率范圍內(nèi)工作。這類無線電可以針對新應(yīng)用或通信條件以動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行全面的重新配置。

　　認(rèn)知無線電示例

　　xG Technology公司的xMax運(yùn)營商級認(rèn)知無線電系統(tǒng)用于移動(dòng)通信，該系統(tǒng)使用902至928MHz范圍內(nèi)的未經(jīng)授權(quán)的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。在其首次迭代中，它是作為美國陸軍的試驗(yàn)駐軍和戰(zhàn)場蜂窩無線電系統(tǒng)部署的。

　　作為用來驗(yàn)證和測試用于戰(zhàn)場的系統(tǒng)的軍事網(wǎng)絡(luò)集成評估（NIE）過程的一部分，該系統(tǒng)已在2011年早些時(shí)候在布利斯堡和白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場進(jìn)行了測試。根據(jù)書面媒體報(bào)道和軍 隊(duì)人員的觀點(diǎn)，該系統(tǒng)的表現(xiàn)相當(dāng)出色。

　　xMax原型系統(tǒng)使用微型手機(jī)基站及該系列的TX70手持機(jī)。該系統(tǒng)還通過手持機(jī)自帶的認(rèn)知技術(shù)使用900MHz的時(shí)分雙工（TDD）數(shù)字無線電。該系統(tǒng)還支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音（VoIP）呼叫和發(fā)送短信（SMS）。該手持機(jī)包含完整的Wi-Fi無線電。

　　xMax系統(tǒng)符合美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）針對902至928MHz頻譜的第15部分的規(guī)則。無線電的有效全向輻射功率（EIRP）可高達(dá)4W,基站也是一樣。該系統(tǒng)將該頻譜范圍劃分成18個(gè)1.44MHz頻道，采用魯棒的二進(jìn)制相移健控（BPSK）調(diào)制方式。接入方式為時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)，每個(gè)通道都可以處理多達(dá)12個(gè)語音呼叫。

　　該無線電的認(rèn)知功能可以偵聽使用中的頻帶，以確定哪里有干擾，然后切換到具有噪聲電平的頻率上。xG手持機(jī)每秒鐘掃描頻帶33次，以尋找干擾并確定可形成穩(wěn)定鏈路的確切位置。然后該手持機(jī)通知基站，從而在必要時(shí)更改頻率，保持流暢的連接。

　　目前，xG技術(shù)正在向其第二代xMax設(shè)計(jì)方向發(fā)展。這種新型xMax系統(tǒng)不再使用特殊的手持機(jī)，而是使用標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)。而這正好符合軍 隊(duì)的要求，因?yàn)槭勘褂脴?biāo)準(zhǔn)的智能手機(jī)、膝上型電腦或平板電腦可以節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

　　在這種新系統(tǒng)中，智能手機(jī)與xMod橋接設(shè)備通信（圖8）。該設(shè)備類似于Novatel MiFi設(shè)備，可以讓多個(gè)膝上型電腦通過Wi-Fi連接與它通信，然后通過與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的連接將這些連接回傳至互聯(lián)網(wǎng)。xMod以類似的方式工作，它支持與商業(yè)智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)的Wi-Fi（或直接USB線纜）連接，使用認(rèn)知xMax網(wǎng)絡(luò)傳回互聯(lián)網(wǎng)或軍事網(wǎng)絡(luò)。

圖8:xG Technology xMod無線橋接器通過Wi-Fi將多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)（和膝上型電腦）鏈接至xMax無線網(wǎng)絡(luò)。

　　這種新型布局給系統(tǒng)增加了高速數(shù)據(jù)連接。此外，它還通過智能手機(jī)應(yīng)用增加了受控VoIP功能。普通的3G和4G蜂窩智能手機(jī)通過2G或3G蜂窩鏈路采用蜂窩系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語音服務(wù)，該服務(wù)目前還不是VoIP服務(wù)。xMax系統(tǒng)在智能手機(jī)中加入了一種特殊的應(yīng)用，該應(yīng)用使得智能手機(jī)能夠找出并優(yōu)化語音包。這樣，xMax系統(tǒng)即可提供固話級音效（即使是100%基于IP的系統(tǒng)）。

　　這種新系統(tǒng)利用正交頻分復(fù)用（OFDM）來修改xMax波形。上文中定義的18個(gè)1.44MHz頻道的每一個(gè)頻道都進(jìn)一步分成128個(gè)副載波。無線電接入方式為TDD.增加的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是多入多出（MIMO），該技術(shù)可以大幅提高覆蓋范圍、可靠性和數(shù)據(jù)速率。xMod設(shè)備采用具有四個(gè)接收鏈路和兩個(gè)發(fā)射鏈路的2×4 MIMO系統(tǒng)。

　　認(rèn)知功能和無線電本身主要以軟件（一般稱為SDR）的方式實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)整合了認(rèn)知無線電技術(shù)、MIMO技術(shù)和先進(jìn)的信號處理技術(shù)，限度地提高了覆蓋范圍、可靠性和吞吐能力。所需的相當(dāng)高的處理能力由能夠同時(shí)在xMod和基站中支持50 GOPS的新一代處理器提供。這種處理能力是一個(gè)全新的突破，現(xiàn)在提供適合xMod等電池供電設(shè)備的尺寸和功耗級別。

　　據(jù)xG公司的Rick Rotondo介紹，xMax的認(rèn)知能力和干擾抑制算法使其能夠在"白色空間（white spaces）"以及"灰色空間（gray spaces）"可靠地工作。白色空間是指未被使用的電視頻道，這些頻道已經(jīng)被FCC保留下來，無需授權(quán)即可使用。

　　不過，由于在這些頻道工作的無線麥克風(fēng)以及在這些頻道附近工作的其他白色空間設(shè)備，白色空間很快就會(huì)變成灰色空間。事實(shí)上，xG公司從中獲得經(jīng)驗(yàn)的900MHz頻帶現(xiàn)在已經(jīng)在超負(fù)載使用，由于無繩電話、無線安全系統(tǒng)、遙測無線電和其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾而已經(jīng)變成了"深灰"空間。

　　因此，系統(tǒng)從一開始就必須在具有強(qiáng)干擾的環(huán)境中可靠地工作。這樣，xG認(rèn)知系統(tǒng)就可以通過可靠地讓該系統(tǒng)在其他無線電系統(tǒng)可能無法工作的環(huán)境下工作，從而限度地提高灰色空間的容量。

　　至于應(yīng)用，xG Technology很快就會(huì)推出適用于軍事、農(nóng)村寬帶和企業(yè)的系統(tǒng)。這種新系統(tǒng)將覆蓋902至928MHz的頻帶以及5.8GHz ISM頻帶。未來的系統(tǒng)也可能使用700MHz頻譜。

　　此外，xG公司正在美國和英國評估該公司在電視白色空間領(lǐng)域推出的各種選擇方案（該系統(tǒng)可能非常適合用于美國和英國）。你可以想像一下這樣一種功能強(qiáng)大的移動(dòng)語音和數(shù)據(jù)蜂窩系統(tǒng)，它可以利用空白白色空間6MHz電視頻道，并且可以提供與商業(yè)3G和4G蜂窩系統(tǒng)一樣的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

　　說到白色空間，這是認(rèn)知無線電的另外一個(gè)出色的應(yīng)用。白色空間由未被使用的6MHz電視頻道組成，該空間是在2009年模擬電視轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)電視時(shí)被棄用的。電視臺仍然使用2至51個(gè)頻道（54至698MHz），盡管許多頻道未被使用。開放的頻道根據(jù)地區(qū)的不同而有很大的變化，不過這種頻道意味著寶貴頻譜的巨大浪費(fèi)。

　　FCC已經(jīng)批準(zhǔn)在無許可證服務(wù)中使用這些頻道。其指南要求具有可用本地頻道的低功率和知識。FCC以及Spectrum Bridge和Telcordia等多家其他組織已經(jīng)制定出記錄在美國的大多數(shù)地區(qū)使用這些頻道的電視臺和其他無線設(shè)備和服務(wù)的綜合數(shù)據(jù)庫。要使用這些頻道，白色空間無線電必須訪問該數(shù)據(jù)庫，查看該頻道是否正在使用中。如果是的話，將選擇另一個(gè)頻道，以防出現(xiàn)干擾。

　　白色空間無線電分為兩類：基站和客戶端設(shè)備（CPE）終端。CPE終端可能是手機(jī)。如果這類終端要發(fā)射信號，需將其GSP坐標(biāo)位置發(fā)送給基站，然后基站訪問數(shù)據(jù)庫查看所需的頻道是否是開放的。如果是的話，CPE終端就會(huì)收到可以發(fā)射信號的通知。

　　在某些系統(tǒng)中，CPE終端實(shí)際上是偵聽所需的頻道，評估是否存在其他信號。在任何情況下，基站和CPE無線電都使用認(rèn)知無線電的形式進(jìn)行有關(guān)何時(shí)使用哪個(gè)頻道的智能決策。

　　白色空間無線電有望能夠更加高效地使用未使用的電視頻譜，不過認(rèn)知無線電能夠在不產(chǎn)生干擾的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。農(nóng)村地區(qū)的無線寬帶是白色空間的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。農(nóng)村仍有許多地方?jīng)]有良好的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。白色空間非常適合用于這種應(yīng)用。

　　白色空間頻道的低頻率和非視距（NLOS）特性不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸距離長達(dá)幾英里的連接，還可以保證連接的可靠性。在一個(gè)潛在的商業(yè)模式中，無線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（WISP）將幫助實(shí)現(xiàn)美國聯(lián)邦政府的國家寬帶計(jì)劃。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控是白色空間的另一個(gè)潛在應(yīng)用。智能電網(wǎng)連接、視頻監(jiān)控?cái)z像頭、醫(yī)療病人監(jiān)護(hù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)等端到端（M2M）應(yīng)用全部都會(huì)從訪問白色空間中受益。

　　專為白色空間應(yīng)用而設(shè)計(jì)的RuralConnect IP版II（RCIP VII）軟件定義無線電/認(rèn)知無線電可創(chuàng)造具有語音、數(shù)據(jù)和視頻優(yōu)先路由的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（圖9）。其目標(biāo)應(yīng)用是農(nóng)村寬帶訪問，不過也可以用于IP視頻監(jiān)控、井和管道監(jiān)測、智能計(jì)量和交通信號通信中。

圖9:Carlson RuralConnect IP基站裝在靠近天線的位置。等高線圖顯示了農(nóng)村地區(qū)的三個(gè)基站的覆蓋范圍。

　　RCIP VII的工作頻率范圍為470至786MHz.它采用TDD模式，采用正交相移鍵控（QPSK）或16相正交幅度調(diào)制（16QAM）。其傳輸功率為+30 dBm,接收靈敏度范圍為–86至–89dBm.采用AES-128安全標(biāo)準(zhǔn)（共享密鑰）。這些裝置被設(shè)計(jì)成使用Telcordia數(shù)據(jù)庫，并且符合FCC的第15部分規(guī)則以及英國的Ofcom法規(guī)。

　　此外，Neul NeulNET白色空間無線電系統(tǒng)還適用于白色空間中的M2M和農(nóng)村寬帶應(yīng)用（請參見www.electronicdesign.com網(wǎng)站上的"First Commercial White Space Radios Target M2M And Broadband Applications"一文）。

　　SDR/CR的開發(fā)

　　SDR收發(fā)器主要是一個(gè)軟件項(xiàng)目。一旦有了穩(wěn)固的RF平臺，下一步就需要選擇DSP處理技術(shù)?？赡艿倪x擇包括標(biāo)準(zhǔn)DSP、FPGA或者某種GPP.對于項(xiàng)目而言，使用供應(yīng)商開發(fā)工具的參考設(shè)計(jì)確實(shí)會(huì)加快和簡化開發(fā)工作。除此之外，還有一些相對獨(dú)立的選擇。

　　一種方法是使用GNU無線電，這是一種用于軟件定義無線電的開源開發(fā)平臺。它包含一組信號處理例程，包括用于高斯頻移鍵控（GMSK）、相移鍵控（PSK）、QAM、OFDM等的調(diào)制方式。軟件還包含Reed-Solomon、Viterbi和渦輪碼等糾錯(cuò)碼。還有用于優(yōu)化濾波器、傅立葉快速變換、均衡器和計(jì)時(shí)器的例程。此軟件可在Windows、Linux或MacOS操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

　　GNU無線電軟件依靠一種名為通用軟件定義無線電外設(shè)（USRP）的基本RF平臺。它包含多個(gè)覆蓋高達(dá)5.9 GHz的頻率范圍的RF板。還包含一個(gè)由快速ADC、DAC和相關(guān)支持電路組成的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB端口提供基本I/O.

　　優(yōu)質(zhì)USRP提供商Ettus Research公司生產(chǎn)了一系列覆蓋不同頻率范圍的RF板，這些RF板采用基本I/Q架構(gòu)，具有全雙工傳輸能力。提供發(fā)射/接收開關(guān)。發(fā)射器功率和接收器增益是可控制的。典型帶寬為30MHz.你可以在軟件中使用整合了ARM GPP和TI C64xx DSP的TI OMAP3等標(biāo)準(zhǔn)DSP、Xilinx Spartan 3A DSP1800或Altera Cyclone FPGA.

　　至于ADC和DAC,某些Ettus USRP型號采用100Msamples/s的14位ADC和400 Msamples/s的16位DAC.其他型號采用64Msamples/s的12位ADC和128Msamples/s的14位DAC.

　　如果你只是剛剛開始接觸軟件定義無線電/認(rèn)知無線電或者想教這門課程，那么美國國家儀器（NI）公司的USRP產(chǎn)品可能是你的一個(gè)不錯(cuò)的新選擇。NI公司擁有Ettus公司，NI在頻率范圍為50 MHz至2.2 GHz的NI USRP 2120和頻率范圍為2.4至5.5 GHz的NI USRP 2921這兩個(gè)產(chǎn)品中使用了Ettus的基本硬件。

圖10:NI公司的通用軟件定義無線電外設(shè)（USRP）使用采樣速率高達(dá)100Msamples/s的標(biāo)準(zhǔn)I/Q架構(gòu)無線電。

該USRP為開發(fā)軟件定義無線電和認(rèn)知無線電而設(shè)計(jì)，采用包含調(diào)制工具包的LabVIEW軟件。DSP在外部PC上運(yùn)行。

　　這兩款收發(fā)器都使用標(biāo)準(zhǔn)直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)，并通過1吉比特以太網(wǎng)端口將其I/Q信號輸出至PC.高達(dá)25Msamples/s基帶的信號可能按這種方式分流。帶寬為50MHz.此裝置單價(jià)約為4000美元。

　　數(shù)字信號處理和其他程序在PC上運(yùn)行。NI公司帶調(diào)制工具包的LabVIEW軟件可用于開發(fā)?？蓪④浖罭I的包含Xilinx FPGA的Flex RIO PXI中。

　　雖然NI USRP是軟件定義無線電/認(rèn)知無線電入門者的一個(gè)出色學(xué)習(xí)平臺，但是其當(dāng)初的開發(fā)主旨是針對大學(xué)教學(xué)和研究。如果你購買包含兩個(gè)裝置的捆 綁產(chǎn)品，即可獲得德克薩斯大學(xué)和斯坦福大學(xué)開發(fā)的全套教學(xué)材料。此捆 綁產(chǎn)品價(jià)格約為6000美元。對于初步研究和原型設(shè)計(jì)（包括采用OFDM和MIMO技術(shù)的項(xiàng)目）而言，使用NI USRP是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。