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

　　馬爾佩洛島是哥倫比亞沿海的一個荒涼小島，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伍在此設(shè)立營地，搭建起“工作室”，與世界各地的其他業(yè)余無線電臺進行了將近20萬次聯(lián)絡(luò)。在“無線電競賽”中，個人和俱樂部比賽看誰聯(lián)系的業(yè)余無線電臺最多，這是一項極限運動。業(yè)余無線電探險活動（DX-peditions，例如馬爾佩洛島上進行的上述活動）需要無線電愛好者前往遙遠偏僻的地方，有時甚至是危險的地方，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點。這項活動是對參與者生存技能和無線電技能的雙重考驗。

　　某種意義上，F(xiàn)lexRadio Systems公司的歷程就是一次漫長的“業(yè)余無線電探險”活動，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，當我們的CEO Gerald Youngblood （K5SDR）坐在餐桌旁時，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針對業(yè)余無線電愛好者推出了世界首款SDR實驗套件。它真正實現(xiàn)了以下功能：接收RF信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流，然后利用計算機的數(shù)字信號處理能力執(zhí)行信號的所有調(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，實現(xiàn)了直接數(shù)字接收、發(fā)送和聯(lián)網(wǎng)，RF頻譜同時支持多達8個接收機。對于馬爾佩洛島上的電臺或任何參與競賽者，這意味著同一時間有更多的人可以傳輸信號，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。

　　信號處理挑戰(zhàn)

　　在FLEX-6000的開發(fā)過程中，遇到了多個重大設(shè)計障礙。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，我們的頭號挑戰(zhàn)是找到一款足夠強大且業(yè)余無線電愛好者負擔得起的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。在為一家商業(yè)客戶開發(fā)一個需要較復雜寬帶采樣接收機的項目時，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（再也不用擔心失真）。在天線連接處對RF信號直接進行數(shù)字化是一個巨大優(yōu)勢。一般說來，采樣速度越快且?guī)捲綄挘瑒t越容易消除干擾信號，增強有用信號。遇到元件問題時，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，我們在使用AD9467 ADC時發(fā)現(xiàn)：接近采樣頻率的數(shù)倍時，會產(chǎn)生較大雜散。ADI公司在實驗室重建了我們的設(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，其動態(tài)范圍、雜散性能和相位噪聲超過窄帶接收機。我們的收發(fā)器和接收機支持創(chuàng)建4到8個獨立的片段接收機，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間隔時提供的動態(tài)范圍與在2 kHz間隔時一樣高。由于信號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)字接收機更為安靜。

　　我們還找到一款良好的時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之類的時鐘驅(qū)動器可在1 kHz偏移時提供優(yōu)于-130 dBc/Hz的相位噪聲性能，100 kHz偏移時優(yōu)于-152 dBc/Hz。這樣，業(yè)余愛好者可以聽見更微弱的信號，并發(fā)送更清晰的信號。發(fā)送當然也是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大的計算能力來發(fā)揮寬帶直接采樣優(yōu)勢。我們發(fā)現(xiàn)，Xilinx Virtex?-6現(xiàn)場可編程門陣列（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次乘加運算和78次浮點運算。此外，Xilinx FPGA平臺非常適合與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)，從多個方面看確實如此。緊急事件中，當傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)癱瘓時，業(yè)余無線電臺可以救急，搭建臨時社交網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生災(zāi)難時，業(yè)余無線電臺往往是向外界傳遞消息的唯一渠道。事實上，卡特里娜颶風發(fā)生后，我們的無線電幫助挽救了許多生命。

　　我們的新型號產(chǎn)品使聯(lián)網(wǎng)更上一層樓。使用6000系列，無線電臺無需外部計算機或昂貴的適配器便可進行遠程操作。每臺FLEX-6000均配備一個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)。對于俱樂部，這是一個福音。我們的產(chǎn)品在公共安全和政府通信機構(gòu)也頗受歡迎，這些機構(gòu)需要聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢來遠程維護無線電集群。無線電服務(wù)器的時代已經(jīng)到來。

　　實際上，SDR的所有突破都是在業(yè)余無線電歷史上的恰當時機出現(xiàn)。即使經(jīng)過了100年，第一個社交網(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)的朋友在做各種實驗。在阿拉斯加的一項研究項目中，我們的接收機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沖擊怎樣的高度。

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

　　圖1. 硬件架構(gòu)：FLEX-6000系列使用一個或多個“頻譜捕捉單元”（SCU），該單元對整個高頻頻譜進行數(shù)字化，并將每SCU 3.9Gbps的數(shù)據(jù)饋入FPGA進行數(shù)字信號處理（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。超低相位噪聲的時鐘系統(tǒng)確保接收和發(fā)送信號干凈。

　　圖2. 利用軟件創(chuàng)建一個優(yōu)化的接收機。FlexRadio 6000系列具有一個圖形用戶界面SmartSDR。“頻譜捕捉單元”（SCU）是可重用的硬件模塊。當SCU的數(shù)據(jù)以7.8Gbps以上的組合速率進入FPGA時，SmartSDR執(zhí)行高級數(shù)字信號處理，分割數(shù)據(jù)并將其輸入各Panadapter和片段接收機。SmartSDR指揮一切，下至SCU中的濾波器，從而構(gòu)成一個優(yōu)化的接收機。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，同時在20m上進行無線電探險，只需點擊幾下就大功告成。