认知无线电：现场可编程射频器件提供突破性的机会

认知无线电背后的概念是，设备寻找一个免费的信道，并与接收端交换频率和调制细节，最终使两端同时调谐到免费信道。术语“具有射频意识”的意思是，认知无线电必须能够及时检测出当前时刻周边的无线电环境。这就要求设备了解哪些频段可用，哪些频段是不允许使用或受限制的，比如保留给军事用途的频率。建立未占用信道的一种方式是扫描整个潜在可用的频谱，并检测每个点的射频功率密度。这就需要一个非常灵巧和可编程的接收器，它能以精密受控的方式扫描几十个频段。当然，这也意味着发射器要具有同样的灵活性。

一家名为Lime Microsystems的英国公司于2006年开始开发最具灵活性的无线电收发器，并做成单芯片的形式提供了一种极具成本效益的射频解决方案。这种通用收发器的目标市场是新兴的小型蜂窝基站市场，包括飞蜂窝(femtocell)以及与基础设施相关的其它设备，如中继器和远程无线电头端。最终推出的Lime器件不仅是认知无线电、也是软件无线电(SDR)应用的理想选择。

在飞蜂窝开发的早期阶段，未来还相当不确定，因为有许多障碍需要克服。蜂窝运营商面临的三大挑战是：低成本，“即插即用”，不会干扰宏基站信号。

从历史上看，那些想要扩容的运营商会雇用频率规划人员绘制每个基站的覆盖图，然后作出一个在增加新发射机时不会造成干扰的规划。这种做法对于飞蜂窝来说明显是不可能的，因为它们是以大批量的方式部署在家庭或客户的商业场所。这反过来要求飞蜂窝中的射频单元必须能够扫描可用的频段，并识别被当地宏基站使用的频率。嵌入在设备单元中的智能应当为飞蜂窝选择可用的替代频率。由于在全球范围内已被采用的频率数量巨多，因此情况更为复杂。而长期演进(LTE)和LTE-Advnaced的推广又进一步加剧了这种情形，使得全球在用的不同频段总数超过了40个。

半导体制造经济更钟情于大批量销售的单个器件，不喜欢产生各种较少批量的“点式解决方案”。在这种应用中，答案是做成一种在整个频谱中都可编程的器件。然而，这可不是那么容易。

Lime将第一种高集成度“通用”射频芯片命名为现场可编程射频(FPRF)器件。这种器件规范要求很宽的频率范围，从较低的300MHz下限值开始，连续覆盖到3800MHz，范围的高低频率比超过了12:1。使用混频器得到固定中频(IF)的典型超外差架构被直接转换或零中频所替代，从而减少了芯片的复杂性。这反过来对用作本振的接收器和发射器锁相环(PLL)提出了要求，因为它们也需要覆盖整个范围。解决方案是使用一种能够整合数字逻辑与高性能模拟及射频模块的混合信号技术。最终生成的PLL可以使用可编程小数N分频器和范围为23MHz至41MHz的共享参考输入时钟从单一时钟产生整个范围的射频频率。这为FPRF时钟提供了更大的灵活性，因为它能使用包括主系统时钟在内的任何稳定资源达到节省成本的目的。

为FPRF器件选择的半导体工艺是来自一家美国代工厂的BiCMOS技术，它支持芯片中使用的高性能电路的模拟和数字单元要求。设计包含片上的双路模数(ADC)和数模(DAC)转换器。这些ADC为基带芯片提供组织为同步(I)和正交(Q)分量的数字比特流接收信号，或者接收器可以输出模拟信号。基带器件随后可以通过处理这些I&Q数据恢复出发送的语音或数据。

图1：FPRF接收器框图。

在发送侧，基带电路提供由流进DAC的I&Q数据调制的射频输出。在收发路径上芯片都有滤波器，这些滤波器可以针对各种不同带宽进行编程。这样就可以将信号限制在感兴趣的带宽内，并衰减掉由数据转换器引入的不可避免的混叠和量化噪声。每个放大器均可提供可编程的增益，同时芯片针对接收到的信号提供低噪声放大器(LNA)选择。器件可以通过串行接口(SPI)连接进行编程，因此操作非常方便快捷。

图2：FPRF发送功能框图。

这份简要说明应该介绍一下为什么Lime的FPRF器件适合认知无线电。这种器件能够满足灵活、频率多变设备的低功耗和经济性要求。在大多数应用中，数字处理和控制是由现场可编程门阵列(FPGA)完成的。

图3：FPGA和FPRF为认知无线电系统提供了一个平台。图中由Nuand公司提供的电路板将Altera的FPGA和Lime的FPRF整合在一起。