軟件無線電在車載無線應(yīng)用設(shè)計中的優(yōu)勢
這些還沒有包括紅外無線應(yīng)用、遙控鑰匙等，加上將來肯定會集成到車內(nèi)的無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和4G通訊網(wǎng)絡(luò)，汽車相關(guān)的無線系統(tǒng)會涵蓋一個相當大的范疇。然而無線應(yīng)用不僅要適用于相關(guān)的頻率，還要滿足規(guī)定的調(diào)制算法。所以現(xiàn)有的車載無線應(yīng)用都是采用單獨的軟硬件模塊來實現(xiàn)的。比如收音機，普遍的解決方案是利用一個收音機模塊進行收音解調(diào)，然后通過專門的通訊協(xié)議(比如I2C)和主處理器交互，并顯示在人機界面上。
獨立的軟硬件模塊通常意味著簡潔的軟件設(shè)計和較低的硬件成本。不過它也有它的弱點：硬件模塊的更改通常意味著比較大的系統(tǒng)改變。比如收音機要加上RDS的功能，一般要重新選擇新的收音機模塊，重新設(shè)計系統(tǒng)接口以適應(yīng)新的收音機模塊，重新設(shè)計軟件來容納RDS功能等。
車載無線應(yīng)用涉及眾多的獨立硬件模塊和快速發(fā)展的新技術(shù)，同時變更硬件模塊和修改軟件模塊可能會導(dǎo)致滯后的上市時間和較高的設(shè)計成本。軟件無線電是一個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，以下本文將就在車載系統(tǒng)中引入軟件無線電模塊展開討論。
軟件無線電簡介
傳統(tǒng)的無線電應(yīng)用都是依靠模擬電路來實現(xiàn)的。軟件無線電的目的就是把無線電領(lǐng)域的硬件問題變成軟件問題，其基本思想就是用軟件解調(diào)接收到的電磁波和用軟件控制發(fā)射的電磁波。軟件無線電的基本框架如下圖。
從框圖中可以看到，模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器是聯(lián)系連續(xù)的模擬信號和分立的數(shù)字信號的橋梁，而軟件可以控制的是數(shù)字信號。應(yīng)用軟件代碼高效分析和合理控制數(shù)字信號，軟件無線電原則上可以實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電的所有應(yīng)用，并且具有傳統(tǒng)無線電設(shè)備所沒有的靈活性——軟件代碼實際上可以根據(jù)用戶的需求實時調(diào)整。也就是說，使用同一塊硬件，軟件無線電軟件可以完成傳統(tǒng)無線電需要多塊硬件才能完成的任務(wù)，比如同時接收FM信號和電視信號。
車載軟件無線電
現(xiàn)在是考慮用軟件無線電來代替汽車內(nèi)傳統(tǒng)無線電應(yīng)用的時候了。要實現(xiàn)這個方案，首先需要設(shè)計一個通用的軟件無線電模塊。這個模塊應(yīng)該包含示意圖中的模塊，而且還要有較好的靈活性，最后還必須有和外部設(shè)備通訊的高速接口。下圖給出了一個簡單的示意例子。
其中，DAC是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，ADC是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，BUS是可編程接口。
其次，看一看作為可編程單元的FPGA。當主控單元通過可編程接口配置好FPGA之后，F(xiàn)PGA就會按照我們預(yù)先設(shè)計的程序進行工作。在軟件無線電領(lǐng)域，以接收為例，F(xiàn)PGA完成的任務(wù)包括按照主控單元指定的頻率段把ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基頻段數(shù)據(jù)，即所謂數(shù)字化下行轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換過去是非常消耗系統(tǒng)資源的，隨著硬件處理能力的提高和軟件算法的更新，無線電領(lǐng)域的上下行轉(zhuǎn)換目前基本上可以實時完成。賽靈思和Altera都提供高性能的FPGA，它們完全可以勝任上述任務(wù)。
再其次，數(shù)字化下行轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)會通過可編程接口傳輸給主控單元。這個數(shù)據(jù)的流量會根據(jù)應(yīng)用和數(shù)字化下行轉(zhuǎn)換算法的不同有較大的變化。典型的數(shù)據(jù)率是每秒數(shù)十兆字節(jié)，這個速度可以適應(yīng)目前車內(nèi)常用的無線系統(tǒng)，而滿足這個數(shù)據(jù)率的通用接口可以選：
一般地，USB總線是一個很好的選擇：簡便而易得。
數(shù)據(jù)經(jīng)接口/總線傳給主控單元，主控單元會按照用戶要求處理數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的嵌入式處理器不僅主頻超過1GHz，而且多核，比如Intel Atom，每秒上十億次的浮點運算能力足以讓應(yīng)用程序完成軟件無線電要求的工作。
射頻(發(fā)射/接收)板和數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用非常重要，它們的性能將直接決定軟件無線電可以處理什么樣的問題。理論上，轉(zhuǎn)換器采樣頻率必須至少是待測頻率的2倍，然而采樣率非常高的轉(zhuǎn)換器較為昂貴。利用射頻板可以將待測頻率從較高的頻段降至轉(zhuǎn)換器的工作頻段。市面上的射頻板可以將高至6GHz的射頻信號的頻率降至中頻10MHz以下，而20MHz的轉(zhuǎn)換器比較容易找到，而且有不錯的精度(16位)。
至此，通用的軟件無線電模塊搭建成功。剩下的事情就是發(fā)揮產(chǎn)品設(shè)計師和軟件工程師的想象力，設(shè)計和開發(fā)完美的車載無線電應(yīng)用。一個手到擒來的例子就是，利用軟件無線電，只要給每個座位上配一個耳機，各個乘客就可以自主選擇最喜愛的FM電臺而不受其他人的影響——這在只有一個FM收音模塊的系統(tǒng)中是不可能完成的任務(wù)。
可以肯定，以現(xiàn)有的技術(shù)，實現(xiàn)多樣化的車載無線電應(yīng)用是完全可行的。然而，無線電在各個國家都是受控制的領(lǐng)域，沒有授權(quán)的應(yīng)用通常無法上市。隨著技術(shù)的成熟，相信這一領(lǐng)域的控制方法也會有所改進，使廣大汽車用戶能夠早日享受到車載軟件無線應(yīng)用帶來的自由體驗。
本文小結(jié)
毫無疑問，用軟件無線電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車內(nèi)無線應(yīng)用，不僅能夠給車載無線系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大的靈活性，而且還會產(chǎn)生許多創(chuàng)新性的應(yīng)用。雖然從設(shè)計到實現(xiàn)還有一段很長的道路要走，我們要相信：一切皆有可能是科技對未來的有力詮釋。
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