基于DSP/FPGA的SDR射頻訊號處理方案 - 全文

4G無線通信涵蓋的頻段眾多，且須向后兼容3G/2G技術，造成網(wǎng)絡設備與終端用戶裝置極大的設計挑戰(zhàn)，因此相關產(chǎn)品開發(fā)商已開始利用軟件定義無線電(SDR)技術簡化硬件配置，并提高支持各種無線電頻段的彈性，以加快多頻多模產(chǎn)品開發(fā)時程。

由于行動裝置的普及，終端消費者往往身上同時配備多臺行動裝置，而這些也都成為現(xiàn)代人必備的生活必需品。這些裝置的增加，亦造就用戶對于通訊流量的需求不斷的往大流量與大帶寬增加，因而無線網(wǎng)絡通訊也就由2G延續(xù)到3G，再往今日的4G延伸，而未來的5G規(guī)畫也在各國間展開。

經(jīng)由如此的脈絡軌跡，可以發(fā)現(xiàn)面對不同的網(wǎng)絡速度需求，提供服務的網(wǎng)絡設備亦須不斷的發(fā)展及更新，且最近幾年的數(shù)據(jù)需求量爆炸性的成長，亦使設備開發(fā)工程師面臨時程緊縮的壓力。另一方面，對于提供通訊服務的營運商來說，快速的網(wǎng)絡基礎建置速度等同于大量的使用者加入，亦等同于良好的使用者經(jīng)驗及利潤。

早在1990年代中期，北美地區(qū)就已開始發(fā)展軟件定義無線電(SDR)，當時著重在2G的空中接口(Air Interface)，但是受限于技術因素，使用者端設備采取SDR開發(fā)的商業(yè)模式并不成功，因此將SDR應用在3G基地臺設備上，也就成為此技術的發(fā)展方向，如此延續(xù)到4G基地臺的開發(fā)上更加被重視。

傳統(tǒng)上，建構(gòu)一個無線電系統(tǒng)并非易事，它的設計大部分采用模擬電路與組件，比如天線、振蕩器、濾波器、訊號放大器、訊號調(diào)變及解調(diào)變器、多任務/解多任務器等。此外，采用模擬組件的設計不僅造成售價昂貴，制造成本亦無法壓低，往往也需要工程師不斷的調(diào)整與測試，才能達到良好的運作方式。如此設計出來的無線系統(tǒng)，并無法提供設備在成品完成后的性能可調(diào)整或重組(Reconfigurable)能力，造成一旦有須要修改或是系統(tǒng)內(nèi)部更新時，就必須重新設計與制造，此為影響設計成本最大的原因。

SDR的出現(xiàn)，是希望提供一個可調(diào)整或重組能力的無線電硬件解決方案，并利用軟件來加以設定及配置，即可因應不同的使用需求、不同的無線電頻段，提供不同的網(wǎng)絡帶寬、不同的無線裝置所需的訊號調(diào)變及解調(diào)變功能等需求。

Joseph Mitola III教授于1992年所提出的軟件無線電概念，也希望最終能夠達到在軟件無線電的系統(tǒng)架構(gòu)里面的設備與系統(tǒng)，在不脫機情況下，能夠達成動態(tài)的調(diào)整與設定此系統(tǒng)上無線電訊號的處理模塊與各種參數(shù)，以因應不同的需求。在目前長程演進計劃(LTE)的基地臺開發(fā)階段上，同樣希望以能夠可調(diào)整或重組能力的組件，加速設備的開發(fā)時程，提高營運商的布建彈性。

SDR射頻前端日新月異

自從SDR的想法被提出，相關的功能與運用就被不斷地開發(fā)出來，眾多廠商的產(chǎn)品都宣稱具備SDR功能，這里就介紹主要的功能區(qū)塊。

小型基地臺(Small Cell)射頻前端的SDR可以分為兩個大架構(gòu)，一個模擬射頻訊號的模塊，與一個基頻訊號處理的區(qū)塊。目前有許多的廠家推出各自的SDR模塊設計，并提供一個測試環(huán)境給工程師快速的參考使用，增加自家芯片的市場占有率，同時也會推廣到開放硬件與軟件論壇，讓更多人可以實際的測試使用，而這些公開的信息也能夠用來了解SDR的設計架構(gòu)，以及Small Cell應用上的情況。

由于射頻前端的無線電模塊集成電路不斷演進，早期分離式組件組成的射頻收發(fā)器訊號電路，于2000年后已有模塊化的方案出現(xiàn)，可以提供制造輸出低功率的小型無線電設備廠商使用。此時模擬組件，如模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器與訊號調(diào)變及解調(diào)變器、還有多任務/解多任務器等都已整合模塊化，使得用于制作前端射頻模塊的線路復雜度降低許多。但是要制作多頻多模的產(chǎn)品時，設備商使用的仍然是硬件定義無線電(HDR)(圖1)，利用多層的硬件線路來達成多頻多模的系統(tǒng)需求。

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圖1　多頻多模硬件定義無線電

小型基地臺開發(fā)商制作多頻多模產(chǎn)品時，若采用分離式射頻收發(fā)器訊號鏈模塊化方案的電路(圖2)，制作上仍然會導致產(chǎn)品設計時間冗長，且墊高生產(chǎn)成本。所以就有廠商開發(fā)出整合型射頻收發(fā)器，期望能協(xié)助開發(fā)廠商簡化產(chǎn)品設計，并縮減整體物料清單(BOM)成本。

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圖2　分離式組件組成的射頻收發(fā)器區(qū)塊

對于希望能夠透過同一套硬件平臺，彈性支持各種行動通訊射頻技術的SDR，在基頻訊號處理上是以數(shù)字信號處理器(DSP)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為主。

SDR基頻訊號處理　DSP/FPGA巧妙各有不同

FPGA和DSP各自適合不同用途，其中采用DSP主要用來實作通訊協(xié)議中的訊號處理算法，提供可進行優(yōu)化的硬件平臺；而FPGA的用途則大都做為膠合邏輯(Glue Logic)來串接鏈路。射頻前端設計架構(gòu)上，主要系以整合型射頻收發(fā)器芯片外加DSP；或以整合型射頻收發(fā)器芯片，外加上DSP-FPGA芯片架構(gòu)最為常見。

DSP的采用分為通用型DSP與專用型DSP，專用型DSP一般具有高于通用型DSP的工作效能與速度，且較低的功耗及尺寸。為因應這種需求，相關DSP廠商如德州儀器(TI)與CEVA皆已推出相關商品。而其設計的要點在于小型基地臺上使用的專用DSP，仍保有通用DSP的設計彈性，可執(zhí)行各種不同的通訊算法，以滿足基地臺營運商對2G、3G、4G等不同通訊技術的需求。

由于專用型DSP在架構(gòu)上針對通訊應用進行優(yōu)化，因此在運行這類通訊算法時，會比通用型DSP來得更有效率，如常見的向量處理引擎就是實現(xiàn)LTE通訊的多重輸入多重輸出(MIMO)功能時，不可或缺的關鍵組件。還有Sidewinder所推出的Small Cell SDR基地臺，亦是采用PicoArray DSP來運行基頻訊號。

具有可重復設定的FPGA一直是通訊電子工業(yè)常常使用的設計方案，而廠商也都推出具有相關設計功能的FPGA芯片，如近年來常常被提及的DSP-FPGA，它針對DSP應用實現(xiàn)最高的系統(tǒng)整合度，并進行優(yōu)化，成為成本敏感的DSP算法和需要高DSP性能的協(xié)同處理的理想選擇，最常被運用在通訊系統(tǒng)的設計上。DSP-FPGA通常的架構(gòu)都需要有特別的快速傅立葉變換(FFT)數(shù)學運算能力與邏輯處理單元，用以搭配基頻訊號處理時的功能需求，以達成不同算法所需的運算能力。

目前，模擬整合型射頻收發(fā)器產(chǎn)品，有亞德諾(ADI)與Lime Microsystems等射頻芯片廠商所出產(chǎn)的整合型射頻收發(fā)器，均期望以單一顆芯片，即能完成多頻多模的射頻產(chǎn)品設計。

Lime Microsystems所出產(chǎn)的芯片為LMS6002D多頻多標準射頻收發(fā)器，該公司也推出Myriad RF和轉(zhuǎn)接板，并讓它成為開放硬件計劃(Open Source Hardware Projects)來使用，提供軟件無線電開發(fā)者完成無線通信應用產(chǎn)品時的解決方案(圖3)。LMS6002D可以工作在300M?3.8GHz的頻率，提供帶寬可由1.5?28MHz多模塊選擇，內(nèi)包含LNA與PA、RX/TX混合器及濾波器，還有接收端(RX)的GAIN控制與傳送端的輸出功率(Power)控制。此外，12位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)/數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，適用在分頻多任務(FDD)與分時多任務(TDD)兩種工作模式中。

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圖3　多頻多標準射頻收發(fā)器功能區(qū)塊　圖片來源：Lime Microsystems

亞德諾在2013年所推出的1×1和2×2的SDR整合型射頻收發(fā)器AD9364與AD9361方案，也是同樣希望能以整合型的模擬濾波、混頻器、鎖相回路(PLL)、12位的ADC與DAC等所有射頻收發(fā)器訊號鏈組件，縮減線路與組件的擺放面積，而具備更小體積，也降低BOM及簡化系統(tǒng)設計的成本。其調(diào)頻范圍可以由70M?6GHz，提供帶寬200k?56MHz，也搭配賽靈思(Xilinx)FPGA來讓工程師進行設計開發(fā)，建構(gòu)開發(fā)與測試系統(tǒng)。

這些整合型射頻收發(fā)器都會接上DSP或是FPGA，以達成軟件無線電的工作硬件，再搭配使用的通訊軟件來完成射頻前端的配置，提供Small Cell極大的布建與工作彈性給設計工程師與營運商，加速產(chǎn)品面市與營運布建時的訊號調(diào)整測試工作。

在專為SDR提供整機測試平臺的廠商則有Lyrtech(現(xiàn)為Nutaq)，該公司所制作的PicoSDR采用賽靈思的Virtex-6 FPGA。其射頻(RF)支持頻率范圍為300M?3.8GHz，可選擇的帶寬1.5M?28MHz，提供2×2的MIMO與FDD/TDD均能使用的射頻模塊，可應用在LTE系統(tǒng)設計上。

另外，也有廠商提供eNB整機開發(fā)完成的軟件，以快速測試小型基地臺開發(fā)商所設計的SDR系統(tǒng)，加速設計流程。

實際上，已經(jīng)有廠家開發(fā)出SDR小型基地臺，如Airspan的Air4Gp Pico Base Station，利用SDR功能使得此基地臺可支持全球微波存取互通接口(WiMAX)與LTE系統(tǒng)，還有Octasic所設計的OCTBTS 3000 Miniature SDR Base Station Platform都具有相同的功能，其他如中興、Alcatel-Lucent、諾基亞通訊(NSN)等廠商皆已有自己的SDR基地臺推出，突顯SDR技術在LTE基地臺開發(fā)上，已經(jīng)廣泛的被應用。

SDR應用在行動市場遍地開花

過去，使用者或手機/平板端未導入SDR的主因在于相關的技術并未成熟，但時至今日，半導體芯片發(fā)展進步神速，因此如輝達(NVIDIA)近期已推出Tegra 4i處理器結(jié)合NVIDIA i500 LTE調(diào)制解調(diào)器(Modem)的LTE SDR調(diào)制解調(diào)器，開啟SDR技術在手機射頻應用中的第一槍，而市場上也還有二十幾家計劃采用SDR技術發(fā)展處理器的廠商，用以幫助系統(tǒng)廠商改善LTE手機天線的尺寸與耗電量。

采用SDR技術將會加速LTE行動裝置上市開發(fā)時程，并實現(xiàn)全球漫游。而在基地臺端的進展，以目前最熱門的Cloud RAN或是稱作Centralized-RAN(C-RAN)采取的架構(gòu)，將會打破現(xiàn)有傳統(tǒng)的基地臺以遠程無線電端(RRU)及室內(nèi)端單元(IDU)組成的無線電系統(tǒng)，將兩者之間的專線連接功能更動改變，以基頻訊號處理功能模塊做虛擬化。利用基頻訊號處理能夠集中處理，進而將IDU集中化，促使未來SDR導入C-RAN系統(tǒng)中。藉由SDR的技術，無線電基地臺能夠靈活支持多種無線電技術的關鍵應用。由此可確認到，未來SDR的發(fā)展將更為迅速，也將更貼近人們的生活中。