基于DSP/FPGA的SDR射頻訊號(hào)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(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(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,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(duì)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(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(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(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。
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(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(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線電設(shè)備廠商使用。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(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,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