基于DSP/FPGA的SDR射頻訊號處理方案

4G無線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)備與終端用戶裝置極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)商已開始利用軟件定義無線電(SDR)技術(shù)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(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(luò)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(luò)軌跡，可以發(fā)現(xiàn)面對不同的網(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，亦使設(shè)備開發(fā)工程師面臨時(shí)程緊縮的壓力。另一方面，對于提供通訊服務(wù)的營運(yùn)商來說，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。

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(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)的開發(fā)上更加被重視。

傳統(tǒng)上，建構(gòu)一個(gè)無線電系統(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、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(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，制造成本亦無法壓低，往往也需要工程師不斷的調(diào)整與測試，才能達(dá)到良好的運(yùn)作方式。如此設(shè)計(jì)出來的無線系統(tǒng)，并無法提供設(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)整或重組能力的無線電硬件解決方案，并利用軟件來加以設(shè)定及配置，即可因應(yīng)不同的使用需求、不同的無線電頻段，提供不同的網(wǎng)絡(luò)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(dá)到在軟件無線電的系統(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)上無線電訊號的處理模塊與各種參數(shù)，以因應(yīng)不同的需求。在目前長程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)的基地臺(tái)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(shè)備的開發(fā)時(shí)程，提高營運(yùn)商的布建彈性。

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(tái)(Small Cell)射頻前端的SDR可以分為兩個(gè)大架構(gòu)，一個(gè)模擬射頻訊號的模塊，與一個(gè)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(shè)計(jì)，并提供一個(gè)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(shí)也會(huì)推廣到開放硬件與軟件論壇，讓更多人可以實(shí)際的測試使用，而這些公開的信息也能夠用來了解SDR的設(shè)計(jì)架構(gòu)，以及Small Cell應(yīng)用上的情況。

由于射頻前端的無線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(shè)備廠商使用。此時(shí)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(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線電(HDR)(圖1)，利用多層的硬件線路來達(dá)成多頻多模的系統(tǒng)需求。

圖1　多頻多模硬件定義無線電

小型基地臺(tái)開發(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，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(shè)計(jì)，并縮減整體物料清單(BOM)成本。

圖2　分離式組件組成的射頻收發(fā)器區(qū)塊