4G無(wú)線(xiàn)通信涵蓋的頻段眾多，且須向后兼容3G/2G技術(shù)，造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端用戶(hù)裝置極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商已開(kāi)始利用軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)簡(jiǎn)化硬件配置，并提高支持各種無(wú)線(xiàn)電頻段的彈性，以加快多頻多模產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)程。

由于行動(dòng)裝置的普及，終端消費(fèi)者往往身上同時(shí)配備多臺(tái)行動(dòng)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(hù)對(duì)于通訊流量的需求不斷的往大流量與大帶寬增加，因而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊也就由2G延續(xù)到3G，再往今日的4G延伸，而未來(lái)的5G規(guī)畫(huà)也在各國(guó)間展開(kāi)。

經(jīng)由如此的脈絡(luò)軌跡，可以發(fā)現(xiàn)面對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)速度需求，提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(zhǎng)，亦使設(shè)備開(kāi)發(fā)工程師面臨時(shí)程緊縮的壓力。另一方面，對(duì)于提供通訊服務(wù)的營(yíng)運(yùn)商來(lái)說(shuō)，快速的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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(yàn)及利潤(rùn)。

早在1990年代中期，北美地區(qū)就已開(kāi)始發(fā)展軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)，當(dāng)時(shí)著重在2G的空中接口(Air Interface)，但是受限于技術(shù)因素，使用者端設(shè)備采取SDR開(kāi)發(fā)的商業(yè)模式并不成功，因此將SDR應(yīng)用在3G基地臺(tái)設(shè)備上，也就成為此技術(shù)的發(fā)展方向，如此延續(xù)到4G基地臺(tái)的開(kāi)發(fā)上更加被重視。

傳統(tǒng)上，建構(gòu)一個(gè)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)并非易事，它的設(shè)計(jì)大部分采用模擬電路與組件，比如天線(xiàn)、振蕩器、濾波器、訊號(hào)放大器、訊號(hào)調(diào)變及解調(diào)變器、多任務(wù)/解多任務(wù)器等。此外，采用模擬組件的設(shè)計(jì)不僅造成售價(jià)昂貴，制造成本亦無(wú)法壓低，往往也需要工程師不斷的調(diào)整與測(cè)試，才能達(dá)到良好的運(yùn)作方式。如此設(shè)計(jì)出來(lái)的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，并無(wú)法提供設(shè)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(shí)，就必須重新設(shè)計(jì)與制造，此為影響設(shè)計(jì)成本最大的原因。

SDR的出現(xiàn)，是希望提供一個(gè)可調(diào)整或重組能力的無(wú)線(xiàn)電硬件解決方案，并利用軟件來(lái)加以設(shè)定及配置，即可因應(yīng)不同的使用需求、不同的無(wú)線(xiàn)電頻段，提供不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬、不同的無(wú)線(xiàn)裝置所需的訊號(hào)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(wú)線(xiàn)電概念，也希望最終能夠達(dá)到在軟件無(wú)線(xiàn)電的系統(tǒng)架構(gòu)里面的設(shè)備與系統(tǒng)，在不脫機(jī)情況下，能夠達(dá)成動(dòng)態(tài)的調(diào)整與設(shè)定此系統(tǒng)上無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)的處理模塊與各種參數(shù)，以因應(yīng)不同的需求。在目前長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)的基地臺(tái)開(kāi)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(shè)備的開(kāi)發(fā)時(shí)程，提高營(yíng)運(yùn)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(guān)的功能與運(yùn)用就被不斷地開(kāi)發(fā)出來(lái)，眾多廠(chǎng)商的產(chǎn)品都宣稱(chēng)具備SDR功能，這里就介紹主要的功能區(qū)塊。

小型基地臺(tái)(Small Cell)射頻前端的SDR可以分為兩個(gè)大架構(gòu)，一個(gè)模擬射頻訊號(hào)的模塊，與一個(gè)基頻訊號(hào)處理的區(qū)塊。目前有許多的廠(chǎng)家推出各自的SDR模塊設(shè)計(jì)，并提供一個(gè)測(cè)試環(huán)境給工程師快速的參考使用，增加自家芯片的市場(chǎng)占有率，同時(shí)也會(huì)推廣到開(kāi)放硬件與軟件論壇，讓更多人可以實(shí)際的測(cè)試使用，而這些公開(kāi)的信息也能夠用來(lái)了解SDR的設(shè)計(jì)架構(gòu)，以及Small Cell應(yīng)用上的情況。

由于射頻前端的無(wú)線(xiàn)電模塊集成電路不斷演進(jìn)，早期分離式組件組成的射頻收發(fā)器訊號(hào)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(wú)線(xiàn)電設(shè)備廠(chǎng)商使用。此時(shí)模擬組件，如模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器與訊號(hào)調(diào)變及解調(diào)變器、還有多任務(wù)/解多任務(wù)器等都已整合模塊化，使得用于制作前端射頻模塊的線(xiàn)路復(fù)雜度降低許多。但是要制作多頻多模的產(chǎn)品時(shí)，設(shè)備商使用的仍然是硬件定義無(wú)線(xiàn)電(HDR)(圖1)，利用多層的硬件線(xiàn)路來(lái)達(dá)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(wú)線(xiàn)電

小型基地臺(tái)開(kāi)發(fā)商制作多頻多模產(chǎn)品時(shí)，若采用分離式射頻收發(fā)器訊號(hào)鏈模塊化方案的電路(圖2)，制作上仍然會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間冗長(zhǎng)，且墊高生產(chǎn)成本。所以就有廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出整合型射頻收發(fā)器，期望能協(xié)助開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(duì)于希望能夠透過(guò)同一套硬件平臺(tái)，彈性支持各種行動(dòng)通訊射頻技術(shù)的SDR，在基頻訊號(hào)處理上是以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)為主。

SDR基頻訊號(hào)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(lái)實(shí)作通訊協(xié)議中的訊號(hào)處理算法，提供可進(jìn)行優(yōu)化的硬件平臺(tái)；而FPGA的用途則大都做為膠合邏輯(Glue Logic)來(lái)串接鏈路。射頻前端設(shè)計(jì)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(jiàn)。

DSP的采用分為通用型DSP與專(zhuān)用型DSP，專(zhuān)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(yīng)這種需求，相關(guān)DSP廠(chǎng)商如德州儀器(TI)與CEVA皆已推出相關(guān)商品。而其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于小型基地臺(tái)上使用的專(zhuān)用DSP，仍保有通用DSP的設(shè)計(jì)彈性，可執(zhí)行各種不同的通訊算法，以滿(mǎn)足基地臺(tái)營(yíng)運(yùn)商對(duì)2G、3G、4G等不同通訊技術(shù)的需求。

由于專(zhuān)用型DSP在架構(gòu)上針對(duì)通訊應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，因此在運(yùn)行這類(lèi)通訊算法時(shí)，會(huì)比通用型DSP來(lái)得更有效率，如常見(jiàn)的向量處理引擎就是實(shí)現(xiàn)LTE通訊的多重輸入多重輸出(MIMO)功能時(shí)，不可或缺的關(guān)鍵組件。還有Sidewinder所推出的Small Cell SDR基地臺(tái)，亦是采用PicoArray DSP來(lái)運(yùn)行基頻訊號(hào)。

具有可重復(fù)設(shè)定的FPGA一直是通訊電子工業(yè)常常使用的設(shè)計(jì)方案，而廠(chǎng)商也都推出具有相關(guān)設(shè)計(jì)功能的FPGA芯片，如近年來(lái)常常被提及的DSP-FPGA，它針對(duì)DSP應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最高的系統(tǒng)整合度，并進(jìn)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(yùn)用在通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xué)運(yùn)算能力與邏輯處理單元，用以搭配基頻訊號(hào)處理時(shí)的功能需求，以達(dá)成不同算法所需的運(yùn)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(chǎng)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(shè)計(jì)。

Lime Microsystems所出產(chǎn)的芯片為L(zhǎng)MS6002D多頻多標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)放硬件計(jì)劃(Open Source Hardware Projects)來(lái)使用，提供軟件無(wú)線(xiàn)電開(kāi)發(fā)者完成無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用產(chǎn)品時(shí)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(wù)(FDD)與分時(shí)多任務(wù)(TDD)兩種工作模式中。

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圖3　多頻多標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器功能區(qū)塊　圖片來(lái)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(hào)鏈組件，縮減線(xiàn)路與組件的擺放面積，而具備更小體積，也降低BOM及簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)讓工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，建構(gòu)開(kāi)發(fā)與測(cè)試系統(tǒng)。

這些整合型射頻收發(fā)器都會(huì)接上DSP或是FPGA，以達(dá)成軟件無(wú)線(xiàn)電的工作硬件，再搭配使用的通訊軟件來(lái)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(shè)計(jì)工程師與營(yíng)運(yùn)商，加速產(chǎn)品面市與營(yíng)運(yùn)布建時(shí)的訊號(hào)調(diào)整測(cè)試工作。

在專(zhuān)為SDR提供整機(jī)測(cè)試平臺(tái)的廠(chǎng)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(yīng)用在LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。

另外，也有廠(chǎng)商提供eNB整機(jī)開(kāi)發(fā)完成的軟件，以快速測(cè)試小型基地臺(tái)開(kāi)發(fā)商所設(shè)計(jì)的SDR系統(tǒng)，加速設(shè)計(jì)流程。

實(shí)際上，已經(jīng)有廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)出SDR小型基地臺(tái)，如Airspan的Air4Gp Pico Base Station，利用SDR功能使得此基地臺(tái)可支持全球微波存取互通接口(WiMAX)與LTE系統(tǒng)，還有Octasic所設(shè)計(jì)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(chǎng)商皆已有自己的SDR基地臺(tái)推出，突顯SDR技術(shù)在LTE基地臺(tái)開(kāi)發(fā)上，已經(jīng)廣泛的被應(yīng)用。

SDR應(yīng)用在行動(dòng)市場(chǎng)遍地開(kāi)花

過(guò)去，使用者或手機(jī)/平板端未導(dǎo)入SDR的主因在于相關(guān)的技術(shù)并未成熟，但時(shí)至今日，半導(dǎo)體芯片發(fā)展進(jìn)步神速，因此如輝達(dá)(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(kāi)啟SDR技術(shù)在手機(jī)射頻應(yīng)用中的第一槍?zhuān)袌?chǎng)上也還有二十幾家計(jì)劃采用SDR技術(shù)發(fā)展處理器的廠(chǎng)商，用以幫助系統(tǒng)廠(chǎng)商改善LTE手機(jī)天線(xiàn)的尺寸與耗電量。

采用SDR技術(shù)將會(huì)加速LTE行動(dòng)裝置上市開(kāi)發(fā)時(shí)程，并實(shí)現(xiàn)全球漫游。而在基地臺(tái)端的進(jìn)展，以目前最熱門(mén)的Cloud RAN或是稱(chēng)作Centralized-RAN(C-RAN)采取的架構(gòu)，將會(huì)打破現(xiàn)有傳統(tǒng)的基地臺(tái)以遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)電端(RRU)及室內(nèi)端單元(IDU)組成的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，將兩者之間的專(zhuān)線(xiàn)連接功能更動(dòng)改變，以基頻訊號(hào)處理功能模塊做虛擬化。利用基頻訊號(hào)處理能夠集中處理，進(jìn)而將IDU集中化，促使未來(lái)SDR導(dǎo)入C-RAN系統(tǒng)中。藉由SDR的技術(shù)，無(wú)線(xiàn)電基地臺(tái)能夠靈活支持多種無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用。由此可確認(rèn)到，未來(lái)SDR的發(fā)展將更為迅速，也將更貼近人們的生活中。