FlexRadio Systems公司的工程副總裁Steve Hicks和銷售與營(yíng)銷副總裁Greg Jurrens解釋如何設(shè)計(jì)終極易用的業(yè)余無線電，以及模擬電子技術(shù)的進(jìn)步對(duì)此有何重要意義。

　　馬爾佩洛島是哥倫比亞沿海的一個(gè)荒涼小島，雙鬃鯊環(huán)伺，很難與外界建立聯(lián)系。然而，2012年1月，一支無線電愛好者隊(duì)伍在此設(shè)立營(yíng)地，搭建起“工作室”，與世界各地的其他業(yè)余無線電臺(tái)進(jìn)行了將近20萬次聯(lián)絡(luò)。在“無線電競(jìng)賽”中，個(gè)人和俱樂部比賽看誰聯(lián)系的業(yè)余無線電臺(tái)最多，這是一項(xiàng)極限運(yùn)動(dòng)。業(yè)余無線電探險(xiǎn)活動(dòng)（DX-peditions，例如馬爾佩洛島上進(jìn)行的上述活動(dòng)）需要無線電愛好者前往遙遠(yuǎn)偏僻的地方，有時(shí)甚至是危險(xiǎn)的地方，或者只是地理網(wǎng)格上從未有其他業(yè)余無線電愛好者去過的一個(gè)點(diǎn)。這項(xiàng)活動(dòng)是對(duì)參與者生存技能和無線電技能的雙重考驗(yàn)。

　　某種意義上，F(xiàn)lexRadio Systems公司的歷程就是一次漫長(zhǎng)的“業(yè)余無線電探險(xiǎn)”活動(dòng)，我們開拓了其它業(yè)余無線電公司從未涉足的領(lǐng)域。十年前的一天，當(dāng)我們的CEO Gerald Youngblood （K5SDR）坐在餐桌旁時(shí)，他想到要通過電腦控制他的業(yè)余無線電設(shè)備。但最后，他將其PC變成一臺(tái)無線電，從而幫助奠定了軟件定義無線電（SDR）的基礎(chǔ)。2002年，F(xiàn)lexRadio Systems針對(duì)業(yè)余無線電愛好者推出了世界首款SDR實(shí)驗(yàn)套件。它真正實(shí)現(xiàn)了以下功能：接收RF信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流，然后利用計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理能力執(zhí)行信號(hào)的所有調(diào)制和解調(diào)。它與傳統(tǒng)無線電有何明顯區(qū)別呢？答案是沒有旋鈕。

　　如今，隨著模擬技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)余無線電愛好者已經(jīng)能夠使用以前只有商業(yè)、政府和軍事用戶才能用得起的新型無線電。FLEX-6000 Signature系列是一款即插即用式SDR，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字接收、發(fā)送和聯(lián)網(wǎng)，RF頻譜同時(shí)支持多達(dá)8個(gè)接收機(jī)。對(duì)于馬爾佩洛島上的電臺(tái)或任何參與競(jìng)賽者，這意味著同一時(shí)間有更多的人可以傳輸信號(hào)，從而有助于消除業(yè)余無線電愛好者的心頭大恨——卡在訪問途中。

　　信號(hào)處理挑戰(zhàn)

　　在FLEX-6000的開發(fā)過程中，遇到了多個(gè)重大設(shè)計(jì)障礙。SDR的最大問題無疑是如何以足夠高的速率和精度穿行于模擬和數(shù)字世界。因此，我們的頭號(hào)挑戰(zhàn)是找到一款足夠強(qiáng)大且業(yè)余無線電愛好者負(fù)擔(dān)得起的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。在為一家商業(yè)客戶開發(fā)一個(gè)需要較復(fù)雜寬帶采樣接收機(jī)的項(xiàng)目時(shí)，我們找到了一款可行的解決方案。我們的高頻無線電一直使用窄帶技術(shù)。對(duì)于業(yè)余無線電，我們敢不敢使用寬帶型產(chǎn)品呢？

　　看了數(shù)十款產(chǎn)品后，我們把目光集中在了ADI公司的AD9467，它是一款16位高速（245.76 MSPS） ADC，可以直接放在天線上，而無需使用外部緩沖放大器（再也不用擔(dān)心失真）。在天線連接處對(duì)RF信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字化是一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。一般說來，采樣速度越快且?guī)捲綄?，則越容易消除干擾信號(hào)，增強(qiáng)有用信號(hào)。遇到元件問題時(shí)，ADI應(yīng)用工程師為我們的原型開發(fā)提供了全程幫助。例如，我們?cè)谑褂肁D9467 ADC時(shí)發(fā)現(xiàn)：接近采樣頻率的數(shù)倍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大雜散。ADI公司在實(shí)驗(yàn)室重建了我們的設(shè)置，比較數(shù)據(jù)后問題暴露出來，原來是我們存在調(diào)整問題，而實(shí)際上該器件的性能比預(yù)期還要好。

　　選定ADC之后，我們構(gòu)建了一款直接寬帶采樣接收機(jī)，其動(dòng)態(tài)范圍、雜散性能和相位噪聲超過窄帶接收機(jī)。我們的收發(fā)器和接收機(jī)支持創(chuàng)建4到8個(gè)獨(dú)立的片段接收機(jī)，調(diào)諧范圍為0.03 MHz到77 MHz和135 MHz至165 MHz。直接RF至數(shù)字轉(zhuǎn)換在100 Hz間隔時(shí)提供的動(dòng)態(tài)范圍與在2 kHz間隔時(shí)一樣高。由于信號(hào)的所有混頻和濾波都是以數(shù)字方式完成，因此無需昂貴的濾波器和其它器件。直接數(shù)字接收機(jī)更為安靜。

　　我們還找到一款良好的時(shí)鐘參考來確保低相位噪聲。傳統(tǒng)多變頻無線電的一大問題是，用于調(diào)諧的頻率合成器具有非常令人厭惡的高近載波相位噪聲和雜散噪聲。我們的硬件架構(gòu)集成了一個(gè)工作頻率為983.04 MHz的超低相位噪聲主振蕩器。諸如ADI AD9512之類的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器可在1 kHz偏移時(shí)提供優(yōu)于-130 dBc/Hz的相位噪聲性能，100 kHz偏移時(shí)優(yōu)于-152 dBc/Hz。這樣，業(yè)余愛好者可以聽見更微弱的信號(hào)，并發(fā)送更清晰的信號(hào)。發(fā)送當(dāng)然也是100%數(shù)字化。通過嵌入ADI公司的高性能ADC和DAC，我們的新產(chǎn)品在發(fā)送和接收兩方面的性能均超過傳統(tǒng)無線電。

　　我們還需要引入足夠強(qiáng)大的計(jì)算能力來發(fā)揮寬帶直接采樣優(yōu)勢(shì)。我們發(fā)現(xiàn)，Xilinx Virtex?-6現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）可以執(zhí)行所有數(shù)字上下變頻和頻譜分析工作。XC6VLX75T/130T FPGA具有令人驚嘆的性能。例如，中端產(chǎn)品FLEX-6500每秒可以執(zhí)行191次乘加運(yùn)算和78次浮點(diǎn)運(yùn)算。此外，Xilinx FPGA平臺(tái)非常適合與ADI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一起工作。

　　工作室或全球聯(lián)網(wǎng)

　　業(yè)余無線電被稱為原始社交網(wǎng)絡(luò)，從多個(gè)方面看確實(shí)如此。緊急事件中，當(dāng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，業(yè)余無線電臺(tái)可以救急，搭建臨時(shí)社交網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生災(zāi)難時(shí)，業(yè)余無線電臺(tái)往往是向外界傳遞消息的唯一渠道。事實(shí)上，卡特里娜颶風(fēng)發(fā)生后，我們的無線電幫助挽救了許多生命。

　　我們的新型號(hào)產(chǎn)品使聯(lián)網(wǎng)更上一層樓。使用6000系列，無線電臺(tái)無需外部計(jì)算機(jī)或昂貴的適配器便可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。每臺(tái)FLEX-6000均配備一個(gè)1 Gb以太網(wǎng)端口。初始版軟件支持家庭網(wǎng)絡(luò)，以后的版本將支持在任何地方與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于俱樂部，這是一個(gè)福音。我們的產(chǎn)品在公共安全和政府通信機(jī)構(gòu)也頗受歡迎，這些機(jī)構(gòu)需要聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)來遠(yuǎn)程維護(hù)無線電集群。無線電服務(wù)器的時(shí)代已經(jīng)到來。

　　實(shí)際上，SDR的所有突破都是在業(yè)余無線電歷史上的恰當(dāng)時(shí)機(jī)出現(xiàn)。即使經(jīng)過了100年，第一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)仍然在發(fā)展壯大。軟件無線電在高空中也有許多低調(diào)的朋友在做各種實(shí)驗(yàn)。在阿拉斯加的一項(xiàng)研究項(xiàng)目中，我們的接收機(jī)被用來在云霄中繪制臭氧層。隨著新型高性能即插即用式無線電的推出，我們只能想象業(yè)余無線電愛好者將會(huì)沖擊怎樣的高度。

　　Steve Hicks是美國(guó)德克薩斯州奧斯汀市FlexRadio Systems的工程副總裁，Greg Jurrens是其銷售與營(yíng)銷副總裁。

　　圖1. 硬件架構(gòu)：FLEX-6000系列使用一個(gè)或多個(gè)“頻譜捕捉單元”（SCU），該單元對(duì)整個(gè)高頻頻譜進(jìn)行數(shù)字化，并將每SCU 3.9Gbps的數(shù)據(jù)饋入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理（DSP）。最終解調(diào)和控制由TI DaVinci ARM/DSP處理器處理，然后作為1 Gb以太網(wǎng)上的音頻或RF樣本退出無線電。超低相位噪聲的時(shí)鐘系統(tǒng)確保接收和發(fā)送信號(hào)干凈。

　　圖2. 利用軟件創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)化的接收機(jī)。FlexRadio 6000系列具有一個(gè)圖形用戶界面SmartSDR?！邦l譜捕捉單元”（SCU）是可重用的硬件模塊。當(dāng)SCU的數(shù)據(jù)以7.8Gbps以上的組合速率進(jìn)入FPGA時(shí)，SmartSDR執(zhí)行高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理，分割數(shù)據(jù)并將其輸入各Panadapter和片段接收機(jī)。SmartSDR指揮一切，下至SCU中的濾波器，從而構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化的接收機(jī)。如果一位無線電愛好者想在40m上解碼所有CW（莫爾斯電碼）信號(hào)，同時(shí)在20m上進(jìn)行無線電探險(xiǎn)，只需點(diǎn)擊幾下就大功告成。