了解軟件無(wú)線電成為開放無(wú)線電所需

軟件無(wú)線電 (SDR) 這個(gè)“抱怨的老兵”在充滿灰塵的休息室里對(duì)未來(lái)躍躍欲試。在這個(gè)大時(shí)代，除了戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線電、電子對(duì)抗和蜂窩小區(qū)基站外，它還在等待從其他領(lǐng)域大獲成功的機(jī)會(huì)。

而射頻 (RF) 半導(dǎo)體和計(jì)算加速技術(shù)的不斷發(fā)展極大的降低了 SDR 硬件成本，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的軟件實(shí)施，以更低的價(jià)格開辟了新應(yīng)用。機(jī)遇來(lái)自當(dāng)前的下一個(gè)大事件 — 物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，以及發(fā)展中國(guó)家的低成本重新配置無(wú)線電，還有發(fā)燒友的開放平臺(tái)等。

發(fā)展的焦點(diǎn)是 SDR 體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵成本點(diǎn)。進(jìn)行討論的一種方法是了解大部分 SDR 實(shí)現(xiàn)有哪些相同的部分，技術(shù)變革是怎樣影響它們的。

深入基帶

從最終用戶的角度看，SDR 系統(tǒng)的主要模塊是可編程基帶處理器。要理解整個(gè)概念實(shí)際上是從這一模塊開始的。在其中，計(jì)算電路完成的功能包括，把輸出數(shù)據(jù)變換成基帶頻率范圍內(nèi)的調(diào)制波形，把輸入的數(shù)字化基帶波形變換為接收數(shù)據(jù)。

SDR 概念很簡(jiǎn)單：如果您只是處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，那么在數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 等可編程處理器而不是固定硬件上完成這一工作。然后，您可以通過(guò)修改在處理器上執(zhí)行的軟件，來(lái)修改濾波器、調(diào)制方法、糾錯(cuò)算法，以及數(shù)據(jù)包或者數(shù)據(jù)流協(xié)議。

這是一個(gè)很強(qiáng)大的概念，但確實(shí)有些樂觀了。能夠滿足復(fù)雜的算法、數(shù)據(jù)速率和基帶頻率要求的可編程引擎必須非常強(qiáng)大：例如，最快的 DSP 芯片，或者高端 FPGA。這實(shí)際上限制了基帶處理器的成本，無(wú)法發(fā)揮其可移植性和易于編程的優(yōu)勢(shì)。

深入 RF

基帶處理器并不是 SDR 概念中唯一的難題。信號(hào)鏈的下一環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：發(fā)送器的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及接收器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，還有相應(yīng)的模擬濾波器。那么，必須要有上下轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)在基帶和 RF 之間的轉(zhuǎn)換，還要有濾波器和放大器：發(fā)送側(cè)的預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)然還有接收側(cè)的低噪聲放大器 (LNA)。最后是采用不同工藝技術(shù)的獨(dú)立組件：功率放大器 (PA)、天線放大器，以及天線開關(guān)等。

這些 RF 模擬和混合信號(hào)組件的問題在于它們本質(zhì)上不是可編程的 — 傳統(tǒng)上是采用固定功能 RF 模擬組件實(shí)現(xiàn)的。雖然您可以通過(guò)修改軟件來(lái)改變 SDR 的基帶功能，但是改變載波頻率或者射頻帶寬意味著完全改變或者復(fù)制硬件組件。

聰明的設(shè)計(jì)人員想出了解決方法 — 可調(diào)振蕩器、可調(diào)濾波器和增益可調(diào)放大器，通過(guò)負(fù)載寄存器來(lái)調(diào)整它們，從而管理模擬通路。但是這些方法起到的作用有限 — 要滿足大范圍可調(diào)模擬組件的帶寬和線性度要求，必須付出很大的成本和功耗。因此，多頻段、連續(xù)可調(diào)SDR會(huì)需要多組RF信號(hào)通路，包括從本地振蕩器直至天線的所有通路。

在很多潛在的大批量應(yīng)用中，這種限制帶來(lái)了成本、體積和功耗問題。對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電等某些特殊應(yīng)用，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在寬帶頻譜的任意位置，無(wú)法滿足多個(gè) RF 鏈的需求。

雖然面臨很大的基帶計(jì)算負(fù)載和多個(gè) RF 收發(fā)器難題，但 SDR 顯然能很好的工作。它用在發(fā)達(dá)國(guó)家的高端軍事和應(yīng)急響應(yīng)應(yīng)用中，否則就要采用填滿了各種單一功能無(wú)線電設(shè)備的機(jī)箱或者機(jī)架。它還用在商業(yè)應(yīng)用中，這類應(yīng)用的協(xié)議、調(diào)制和頻帶的組合是有限的，而且是事先知道的。而其他領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)會(huì)還有待挖掘。

達(dá)到成本點(diǎn)

很顯然，低成本 SDR 平臺(tái)會(huì)有很大的市場(chǎng)潛力。重新認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，業(yè)界在成本問題上雙管齊下。一方面是尋找以高性價(jià)比實(shí)現(xiàn)可編程基帶處理器的方法。另一方面是使用統(tǒng)一的寬帶可配置 RF 收發(fā)器。

基帶問題是兩個(gè)問題中最難解決的。PicoChip 等風(fēng)投公司早期的工作表明 — 該公司后來(lái)被 Mindspeed 技術(shù)公司收購(gòu)，相繼被 Intel 收購(gòu)，對(duì)于蜂窩小區(qū)基站，中等規(guī)模的簡(jiǎn)單 DSP 引擎陣列能夠非常高效的支持基帶處理。

最近，另外兩種體系結(jié)構(gòu)方法展示了很好的結(jié)果，這兩種方法都是基于通用 CPU 內(nèi)核輔以計(jì)算加速器這一概念。當(dāng) SDR 要突破調(diào)制方法和協(xié)議相對(duì)有限的應(yīng)用范圍時(shí)，具有通信加速器的高端微控制器展示了優(yōu)異的能力。例如，可以使用 Freescale QorIQ MCU 來(lái)實(shí)現(xiàn) LTE 基帶。

沒有以前的基帶限制要求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以使用相同的底層體系結(jié)構(gòu)，但是加速器功能在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)。好消息是工藝和集成技術(shù)的發(fā)展使得這些設(shè)計(jì)能夠在價(jià)格合理的小系統(tǒng) FPGA 中實(shí)現(xiàn)，有沒有集成 CPU 內(nèi)核都可以。

Lime 微系統(tǒng)公司 CEO Ebrahim Bushehri 解釋說(shuō)：“例如，如果您要支持 OFDM LTE，那么，基帶處理器需要加速功能才能實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換和 turbo 編碼，還有協(xié)議堆棧卸載等。取決于您要處理的功能范圍，您可以在通用 DSP 芯片、FPGA，或者在 ASIC SoC 中實(shí)現(xiàn)這些功能。利用 FPGA 替代方案，您可以靈活的試驗(yàn)并研究不同的空中接口。它保證了您的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有正確的硬件接口?！?/p>

處理收發(fā)器