社交媒体遇见莫尔斯电码

FlexRadio Systems公司的工程副总裁Steve Hicks和销售与营销副总裁Greg Jurrens解释如何设计终极易用的业余无线电，以及模拟电子技术的进步对此有何重要意义。

　　马尔佩洛岛是哥伦比亚沿海的一个荒凉小岛，双鬃鲨环伺，很难与外界建立联系。然而，2012年1月，一支无线电爱好者队伍在此设立营地，搭建起“工作室”，与世界各地的其他业余无线电台进行了将近20万次联络。在“无线电竞赛”中，个人和俱乐部比赛看谁联系的业余无线电台最多，这是一项极限运动。业余无线电探险活动（DX-peditions，例如马尔佩洛岛上进行的上述活动）需要无线电爱好者前往遥远偏僻的地方，有时甚至是危险的地方，或者只是地理网格上从未有其他业余无线电爱好者去过的一个点。这项活动是对参与者生存技能和无线电技能的双重考验。

　　某种意义上，FlexRadio Systems公司的历程就是一次漫长的“业余无线电探险”活动，我们开拓了其它业余无线电公司从未涉足的领域。十年前的一天，当我们的CEO Gerald Youngblood （K5SDR）坐在餐桌旁时，他想到要通过电脑控制他的业余无线电设备。但最后，他将其PC变成一台无线电，从而帮助奠定了软件定义无线电（SDR）的基础。2002年，FlexRadio Systems针对业余无线电爱好者推出了世界首款SDR实验套件。它真正实现了以下功能：接收RF信号，将其转换为数字比特流，然后利用计算机的数字信号处理能力执行信号的所有调制和解调。它与传统无线电有何明显区别呢？答案是没有旋钮。

　　如今，随着模拟技术的进步，业余无线电爱好者已经能够使用以前只有商业、政府和军事用户才能用得起的新型无线电。FLEX-6000 Signature系列是一款即插即用式SDR，实现了直接数字接收、发送和联网，RF频谱同时支持多达8个接收机。对于马尔佩洛岛上的电台或任何参与竞赛者，这意味着同一时间有更多的人可以传输信号，从而有助于消除业余无线电爱好者的心头大恨——卡在访问途中。

　　信号处理挑战

　　在FLEX-6000的开发过程中，遇到了多个重大设计障碍。SDR的最大问题无疑是如何以足够高的速率和精度穿行于模拟和数字世界。因此，我们的头号挑战是找到一款足够强大且业余无线电爱好者负担得起的模数转换器（ADC）。在为一家商业客户开发一个需要较复杂宽带采样接收机的项目时，我们找到了一款可行的解决方案。我们的高频无线电一直使用窄带技术。对于业余无线电，我们敢不敢使用宽带型产品呢？

　　看了数十款产品后，我们把目光集中在了ADI公司的AD9467，它是一款16位高速（245.76 MSPS） ADC，可以直接放在天线上，而无需使用外部缓冲放大器（再也不用担心失真）。在天线连接处对RF信号直接进行数字化是一个巨大优势。一般说来，采样速度越快且带宽越宽，则越容易消除干扰信号，增强有用信号。遇到元件问题时，ADI应用工程师为我们的原型开发提供了全程帮助。例如，我们在使用AD9467 ADC时发现：接近采样频率的数倍时，会产生较大杂散。ADI公司在实验室重建了我们的设置，比较数据后问题暴露出来，原来是我们存在调整问题，而实际上该器件的性能比预期还要好。

　　选定ADC之后，我们构建了一款直接宽带采样接收机，其动态范围、杂散性能和相位噪声超过窄带接收机。我们的收发器和接收机支持创建4到8个独立的片段接收机，调谐范围为0.03 MHz到77 MHz和135 MHz至165 MHz。直接RF至数字转换在100 Hz间隔时提供的动态范围与在2 kHz间隔时一样高。由于信号的所有混频和滤波都是以数字方式完成，因此无需昂贵的滤波器和其它器件。直接数字接收机更为安静。

　　我们还找到一款良好的时钟参考来确保低相位噪声。传统多变频无线电的一大问题是，用于调谐的频率合成器具有非常令人厌恶的高近载波相位噪声和杂散噪声。我们的硬件架构集成了一个工作频率为983.04 MHz的超低相位噪声主振荡器。诸如ADI AD9512之类的时钟驱动器可在1 kHz偏移时提供优于-130 dBc/Hz的相位噪声性能，100 kHz偏移时优于-152 dBc/Hz。这样，业余爱好者可以听见更微弱的信号，并发送更清晰的信号。发送当然也是100%数字化。通过嵌入ADI公司的高性能ADC和DAC，我们的新产品在发送和接收两方面的性能均超过传统无线电。

　　我们还需要引入足够强大的计算能力来发挥宽带直接采样优势。我们发现，Xilinx Virtex®-6现场可编程门阵列（FPGA）可以执行所有数字上下变频和频谱分析工作。XC6VLX75T/130T FPGA具有令人惊叹的性能。例如，中端产品FLEX-6500每秒可以执行191次乘加运算和78次浮点运算。此外，Xilinx FPGA平台非常适合与ADI数据转换器一起工作。

　　工作室或全球联网

　　业余无线电被称为原始社交网络，从多个方面看确实如此。紧急事件中，当传统计算机网络瘫痪时，业余无线电台可以救急，搭建临时社交网络。发生灾难时，业余无线电台往往是向外界传递消息的唯一渠道。事实上，卡特里娜飓风发生后，我们的无线电帮助挽救了许多生命。

　　我们的新型号产品使联网更上一层楼。使用6000系列，无线电台无需外部计算机或昂贵的适配器便可进行远程操作。每台FLEX-6000均配备一个1 Gb以太网端口。初始版软件支持家庭网络，以后的版本将支持在任何地方与互联网联网。对于俱乐部，这是一个福音。我们的产品在公共安全和政府通信机构也颇受欢迎，这些机构需要联网优势来远程维护无线电集群。无线电服务器的时代已经到来。

　　实际上，SDR的所有突破都是在业余无线电历史上的恰当时机出现。即使经过了100年，第一个社交网络仍然在发展壮大。软件无线电在高空中也有许多低调的朋友在做各种实验。在阿拉斯加的一项研究项目中，我们的接收机被用来在云霄中绘制臭氧层。随着新型高性能即插即用式无线电的推出，我们只能想象业余无线电爱好者将会冲击怎样的高度。

　　Steve Hicks是美国德克萨斯州奥斯汀市FlexRadio Systems的工程副总裁，Greg Jurrens是其销售与营销副总裁。

　　图1. 硬件架构：FLEX-6000系列使用一个或多个“频谱捕捉单元”（SCU），该单元对整个高频频谱进行数字化，并将每SCU 3.9Gbps的数据馈入FPGA进行数字信号处理（DSP）。最终解调和控制由TI DaVinci ARM/DSP处理器处理，然后作为1 Gb以太网上的音频或RF样本退出无线电。超低相位噪声的时钟系统确保接收和发送信号干净。

　　图2. 利用软件创建一个优化的接收机。FlexRadio 6000系列具有一个图形用户界面SmartSDR。“频谱捕捉单元”（SCU）是可重用的硬件模块。当SCU的数据以7.8Gbps以上的组合速率进入FPGA时，SmartSDR执行高级数字信号处理，分割数据并将其输入各Panadapter和片段接收机。SmartSDR指挥一切，下至SCU中的滤波器，从而构成一个优化的接收机。如果一位无线电爱好者想在40m上解码所有CW（莫尔斯电码）信号，同时在20m上进行无线电探险，只需点击几下就大功告成。