编辑器的选择


你应该买一个软件定义的收音机还是自己组装?

2022年5月30日编辑器的选择电信、数据通信、无线、物联网

软件定义无线电(SDRs)在射频收发器应用中提供的灵活性和增强的性能,正在推动其在国防、电信、航空航天和政府等许多行业的使用需求增加。再加上5G的兴起,预计到2027年,全球sdr市场规模将超过390亿美元,这并不令人意外。随着特别提款权市场的增长,许多工程组织正在努力解决一个古老的问题:建造还是购买?然而,对于特别提款权,答案并不简单。

即使采用SOSA(传感器开放系统架构)和CMOSS (C4ISR/电子战模块化开放标准套件)等行业标准,帮助SDR向单一架构转变,同时减少尺寸、重量和功耗(SWaP),软件承诺的灵活性不断推动SDR模块的技术和硬件要求,以处理越来越宽的频率范围和越来越复杂的协议。简单来说,SDRs是一种复杂的数字电路,提供射频(RF)、数据转换和数字信号处理的组合。传统上,构建它们是困难的,但评估商业现货(COTS) SDR也不容易。

由于需要做出大量的考虑和决定,通向最终构建或购买SDR的道路可能是复杂的。本文探讨了射频收发器开发过程中的这些和其他考虑事项,以帮助确定哪种方法最适合您的需求。

从SDR的发展开始

很容易低估为特定用例开发SDR所需的时间和技术技能的广度。射频集成电路(RFIC)和现场可编程门阵列(FPGA)技术的进步简化了开发过程,但这并不意味着开发是简单的。对于公司来说,拥有工程人才自行开发灵活的SDR收发器并不罕见——问题是,这是否是对工程资源的有效和适当的利用。

为了总结SDR的发展,图1提供了所需广泛专业知识的高级概述。为了帮助在构建和购买之间做出明智的决定,让我们更深入地研究一下每个项目所需的开发工作和技能。


图1。对开发、制造和支持SDR所需的不同工程原理的高级概述。

射频硬件工程

RFIC技术的进步是近年来促进SDR发展的最有利因素之一。射频合成器作为本振源、正交混频器、可配置基带滤波器和数据转换器集成在一个芯片中,有助于将射频电路设计的“黑魔法”降至最低。但是即使有了这些集成的射频芯片,在天线和数字化样本之间仍然需要大量的射频工程。

低噪声放大器,射频滤波,仔细的电源设计,准确的参考时钟等仍然需要一个成功的设计,以准备在现实世界中使用。我们可以很容易地假设,使用相同RFIC的两种解决方案的射频性能将是相同的,但实际上,RFIC周围的支持射频硬件有很大的不同。通常还需要对射频硬件设计进行几次迭代,才能达到所需的性能水平。

数字硬件工程

除了集成RFIC硬件之外,还需要对特别提款权进行大量的数字硬件工程。在这个过程的开始,数字硬件工程师需要考虑以下几个主要因素:

•FPGA设备选择(现在几乎所有的sdr都有一个FPGA)。

•FPGA的引导内存。

•本地计算元素(CPU,内存等)。

•高速数字接口,通常可达到高GBps范围。

•电源,需要调整尺寸以支持广泛的操作场景。

在开始开发必要的FPGA代码之前,必须确定这些事项,以便对数字化RF频谱做一些有意义的事情。

FPGA开发

现场可编程门阵列(fpga)在创建SDRs中的灵活射频前端方面发挥着核心作用。它们提供高速、低延迟的数字基础设施,以实现大量的处理和数据传输。这一切都始于能够接口到SDR上使用的高速模拟-数字(A/D)和数字-模拟(D/A)转换器,这通常需要管理高速并行数据总线或SERDES(序列化/反序列化)协议,如JESD204b和JESD204c。FPGA还管理数字化射频频谱的高速率,需要通过USB、以太网或PCIe等传输总线传输到CPU进行处理。

最后,采用SPI和I等低速接口总线2C通常通过FPGA来控制SDR上的硬件外设。在进行任何实际的信号处理之前,所有这些FPGA功能都需要作为典型SDR基础设施的一部分。在许多情况下,还需要在FPGA中进行特定于应用程序的信号处理。

开发软件基础设施

一旦采取步骤创建一个灵活的射频前端与基带a /D和D/ a转换器,接口到FPGA与一个高速传输到CPU,真正的编程乐趣与软件堆栈可以开始。要使这种类型的系统工作,特别提款权基础设施需要多个软件层。图2显示了一个基于Epiq Solutions的SDR组合的软件/FPGA堆栈示例。

在最底层,在内核空间中运行的软件设备驱动程序与FPGA支持的传输总线连接。由于SDR通常依赖于连续地向CPU传输高速率的数字化无线电频谱,在那里可以进行信号处理的核心,这些内核空间设备驱动程序对于支持FPGA和CPU之间高效、高速率的数据流至关重要。

内核空间设备驱动程序之上的下一层是用户空间API,通常需要它为底层硬件公开控制层。这个控制层是所有特定于应用程序的软件开发的基础。它允许应用程序的用户执行功能,如改变射频中心频率、降低射频接收器增益、设置a /D转换器的采样率,以及启动或停止数字化无线电频谱流到CPU。这些类型的函数通常包含在许多其他参数中,这些参数必须经常向应用程序软件公开。每个参数需要有自己的底层控制函数集,然后通常在用户空间库、内核空间驱动程序和FPGA之间划分。

当然,所有这些特定于sdr的软件可能需要在各种不同的主机操作系统和/或cpu上运行。这可能包括不同版本的Windows或Linux、32位与64位操作系统,以及软件将运行的主机CPU所带来的所有其他差异。每个选项都决定了SDR的灵活性,这最终会影响到贯穿整个开发生命周期直至最终应用程序的决策。

设计迭代以确保最佳性能

一旦开发并集成了上述所有硬件和软件,就需要确保无线电性能满足应用程序的要求,这通常需要进行多次硬件设计迭代,如图3所示。在每次迭代没有产生预期的性能需求或没有实现SWaP目标之后,该过程将重新开始。每次修订通常包括对射频前端和/或数字硬件进行细微调整,以尽量减少干扰和杂波信号。

每次硬件迭代通常需要一个完整的周期,包括原理图调整、PCB布局更新、PCB制造和组装,然后才能最终将最新的硬件迭代拿回手中。这个过程每次迭代可能需要8到10周的时间,超出了每次评估性能所需的应用程序开发和工程时间。

功能测试

在完成最终设计迭代之后,将需要对SDR硬件进行功能测试。理想情况下,测试基础设施的开发应与SDR的开发同时进行。

设置自动化功能测试环境来执行必要的SDR数字和RF验证可能是一项重要的任务。执行功能测试需要额外的硬件资源来开发SDR的测试吊舱、控制RF测试设备(如射频信号发生器和频谱分析仪)的软件,以及测量SDR性能的软件。

这个测试和验证步骤对于确保SDR模块本身的质量是至关重要的,并且通常需要一个独立于致力于支持这种类型的测试开发的工程团队的团队。

除了发展物流

同样重要的是要注意,仅仅拥有开发硬件和软件组件的技术能力是不够的。在许多应用中,RF工程师不断被要求改进所有组件的SWaP, sdr也不例外。

为SWaP优化SDR的需求可能会延长开发时间,并使构建过程的许多开发阶段进一步复杂化,原因有二。首先,当构建SDR时,第一个或两个迭代通常会比所需的要大得多,导致需要额外的时间和精力来减少其大小。其次,随着射频设备尺寸的缩小,有一些独特的技术挑战,这将需要额外的硬件周期,作为优化过程的一部分。当涉及到最终解决方案的性能时,仔细的部件放置、组件屏蔽和PCB层堆叠管理可以产生显著的差异。

供应链可靠性和管理

在构建自定义解决方案时,管理组件可用性和交付时间也可能是不可预见的障碍。例如,在2018年,由于原材料短缺和钢铝关税上调等意外和不可预测的市场力量,电容器(一种简单的被动元件)的交货时间延长至50周。

使这些因素复杂化的是电子技术向电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)等新市场的扩张。电动汽车使用的电容器比汽油驱动的同类产品多得多,因此全球对大多数电子元件——尤其是电容器——的需求增加了,这导致了供应短缺。

最近,从射频芯片到fpga,再到电感器等简单无源器件,半导体行业的元件前置时间大幅增加。鉴于目前零部件短缺、原材料供应极少以及对其他国家制造的依赖,零部件供应方面的挑战很可能会延续到2023年。

除了市场力量,自然力量也会导致突然和意外的延迟。在2020年底,一场大火摧毁了日本Nobeoka的旭化成微系统(AKM)半导体工厂。该工厂以生产用于SDR开发的高端音频设备和高稳定性参考时钟的组件而闻名。生产预计将推迟至少6个月,这可能会削弱全球半导体供应,迫使买家寻找其他供应商或重新设计其应用程序。COTS SDR供应商不会那么容易受到这些事件的影响,因为他们的部分责任是拥有库存,因此能够更好地应对供应链短缺。

灵活性和长期支持的重要性

既然已经对开发SDR(从芯片选择到功能测试)所涉及的内容有了高层次的理解,那么是时候更深入地思考一下对您的组织来说什么是可行的了。组建一个拥有各种技能的专门团队来开发所有必要的硬件和软件组件是一项昂贵和耗时的提议,所以沿着这条路走显然是不可行的。

然而,这并不总是那么清楚。一般来说,如果特别提款权的要求非常具体,如果特别提款权平台要求的灵活性不是必需的,或者如果时间表要求或上市时间压力不是问题,那么建立一个内部团队来定制设计软件定义的无线电系统可能是最好的选择。但是如果开发时间紧张或预算不灵活,应该考虑选择COTS SDR。

另一个重要的考虑事项是,在将SDR交付给客户后支持它。如果SDR是内部开发的,并且产品团队深入到产品开发中,那么如果出现技术问题,可能不会对专有SDR提供足够的支持。

这也适用于对正在开发的产品寄予的期望。如果你知道最终产品将永远不需要或期望超越它的设计目标,那么内部开发一个专门制造的射频收发器可能是非常合适的。但是,如果需要特别提款权,它可能需要成为系统的一部分,并且可以随着应用程序需求的发展而不断增强。

首先使用SDR的主要原因之一是其更新和重新配置的能力。如果没有持续的创新或发展,一个内部的SDR解决方案将只会像它被设计出来的那天一样好。诚实地看待需求转移的可能性,对于在项目开发周期的早期回答构建与购买的问题是非常有益的。

另一方面,COTS SDR将有专门的产品团队,他们的唯一工作是增强您的SDR的功能并提供持续的支持。随着开发的发展,SDR供应商以简单的软件更新的形式提供新特性并不罕见。当考虑构建自定义解决方案时,这种永久的产品创新很容易被忽视,更不用说严格的支持文档,以及在未来项目需要时,拥有来自同一供应商的新无线网卡的一致API库和用户体验。

了解充分实现一个灵活的SDR收发器需要什么是很重要的,也很重要的是要知道单干的财务收支平衡点在哪里。Epiq Solutions的团队在开发COTS SDR模块组合时多次经历了这一过程。财务投资不小,前期工程/开发投资高达数百万美元。评估财务承诺,加上交付一些工作良好的东西所需的技术专业知识,可以帮助您现实地评估是自己承担开发还是从可信的供应商那里购买。

最后,时间限制总是决策过程的一部分。特别提款权供应商将拥有之前讨论过的步骤——射频硬件开发、数字硬件开发、FPGA开发、软件开发、测试和文档——最终成为一门科学。即使与一家经验丰富、白手起家的公司相比,一个高度专业化的团队所实现的时间效率也是非常显著的。

选择正确的供应商和COTS SDR解决方案

让我们假设已经做出了购买而非建造的重大决定。在这一点上,您可能认为决策已经结束了。但是现在是做出另一个重大决定的时候了:选择哪个SDR供应商和COTS解决方案。如果SWaP也是一个考虑因素,那么候选选项池非常小。

评估潜在供应商支持SDR产品开发和发展的能力也是一项优先事项。选择处理标准商业形式因素的供应商,如PCIe卡、MiniPCIe卡、M.2卡、3U/6U VPX卡或类似的,可以从根本上简化SDR与预期主机系统的接口和集成。

此外,就计算资源和外设而言,这些商业形式因素通常为系统拓扑提供大量选项。标准简化了系统开发过程,并且选择与基于标准的形式因素相一致的COTS SDR可以增加终端产品对众多买家的吸引力。

对你的决定有信心吗

在Epiq Solutions,开发具有灵活性、性能和功能的小型sdr是核心原则之一。该公司的SDR卡、FPGA参考设计和软件组合已被现场验证,可在关键任务mil/aero和通信应用中可靠地发挥作用。

如果您发现自己正在权衡内部开发SDR与使用来自已证明的供应商的COTS SDR的利弊,Epiq Solutions的团队将欢迎您讨论您的应用程序。

欲了解更多信息,请联系RFiber Solutions的Richard Finniss, +27 82 654 3665(电子邮件保护)www.rfibersolutions.com


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