软体无线电（Software-defined radio；SDR）提供了增加弹性与通讯安全的新层级，使它同时成为军用与公共安全应用的理想选择。 SDR技术必须透过结合现场硬体与软体重新配置能力，来支援多种无线介面与调变格式，可编程逻辑结合了最先进的设计软体与广泛的矽智财（IP）组合，是用来实现SDR的理想平台。低成本、高效能的FPGA提供了在实行SDR应用时所需的成本效益的能力，本文将阐述如何最佳化一个采用FPGA架构的SDR系统。

软体无线电

随着无线标准的逐渐增加，未来的无线设备将需要支援多重的无线介面与调变格式，软体无线电（SDR）技术让无线设备可以透过使用可重复配置的硬体平台，以跨越多重的标准达到所需的功能。配合FPGA科技与矽智财（IP）核心的持续发展，让SDR可以越来越快地实现其理想。

SDR是联合作战无线电系统（Joint Tactical Radio System；JTRS）之下的基础科技，最初开始发展软体可编程无线电，是为了让美国军事服务能够无缝、即时地与其他合作的军事力量或盟国沟通，JTRS的功能与扩展性是建立在一个称为「软体通讯架构」的开放式结构，JTRS终端需要能够支援动态载入超过二十五种无线介面或波形中的任何一种规格，这使其比用于民间领域的系统还要更为复杂，FPGA具有所需的处理效能与弹性，能够让系统可以在不超过效能限制的范围内满足这个需求。

SDR系统架构

(图一)描述采用SDR架构的3G基地台的硬体分隔方式，以便可以重新配置来支援多重标准，为了重新配置整个系统，一个理想的SDR基地台可以在数位区执行所有的讯号处理工作，然而，目前的宽频资料转换器并不能支援处理跨越不同无线标准所需的频宽与动态范围，因此在中频（IF）之中通常会有类比到数位转换器（ADC）与数位到类比转换器（DAC）在运作，并且分离式的宽频类比前端通常会接在讯号处理到射频（RF）阶段之后，如图一所示。

《图一 采用现阶段技术的SDR架构》

＜DUC：数位升频器；CFR：波峰因素衰减；DPD：数位预先扭曲；DDC：数位降频器；PA：功率放大器；LNA：低杂讯放大器＞

数位中频处理

数位中频延伸了数位讯号处理的范围，已经远离到天线之外的基频区，到了射频区，这将可以增加系统的弹性，并可减低制造成本，此外，数位频率转换可以比传统的类比技术提供更大的弹性与更高的效能（减少衰减与增加选择性），FPGA提供了更大的弹性与整合平台来执行对运算需求殷切的数位中频功能，包括数位升－降频器，也可减少在导入如DPD、CFR与智慧型天线等复杂新技术时所带来的风险。

数位升频器

资料格式化通常需要在基频处理单元与升频器之间进行，可以如(图二)所示的无缝式地增加到升频器的前端，这个技术可以提供完全客制化的前端升频器，并允许对高频宽的输入资料进行频道分隔。客制化逻辑或是软式核心嵌入式处理器，可以被用于当做控制升频器与基频处理单元之间的介面。

《图二 数字升频器》

＜图注：RRC = 均方根升余弦；NCO = 数字式控制震荡器＞

在数位升频时，输入的资料是结合可调整的负载频率在其经过正交调变之前的基频滤波与内插，要执行内插基频有限脉冲回应（FIR）滤波器，必须要在速度与晶片面积之间做选择，必须为个别的标准找出最理想的固定式或自适应式滤波器架构，数字式控制震荡器核心也可以用于产生一个超过115 dB的无寄生动态范围，并具有非常高效能的广泛型架构，依据可以支援的频率指定数量，多重数位升频器也可以用可编程逻辑元件来实现。

波峰因素衰减

采用3G分码多重存取（CDMA）架构的系统与如正交分频多工（OFDM）这类的多载波系统，会呈现出具有高波峰因素（峰到平均值），例如用于基地台的功率放大器讯号会激烈地降低效率，FPGA为SDR基地台提供可重新配置的平台，可以执行CFR技巧来为每个标准进行客制化。

数位预先扭曲

3G标准与其高速移动资料版本采用非常数型波包调制技术，例如四阶移相键控（QPSK）与正交震幅调变（QAM），这将在功率放大器上产生紧缩的线性需求，可以有效率地在包含有DSP模组的FPGA上实行，在这些DSP模组中的乘法器速度最高可以达到380MHz，并可以有效率地分时来执行复杂的乘法运算。当使用在SDR基地台之中时，FPGA可以被重新配置来执行相对应的DPD运算法则，对电源放大器采用特定的标准可有效率地加以线性化。

数位降频器

在接收端，数位中频技术可以用于取样中频讯号，并在数位区执行频道分隔与取样率转换。使用下取样技巧，高频、中频讯号（典型的为100+MHz）可以被量化，在SDR应用中，不同的标准有不同的片／位元率，非整数的取样率转换是用来为任何一种标准转换取样的数字成为片／位元率所需基本的整数倍数。

《图三 数字降频器》

基频处理

目前无线标准仍持续地在发展，透过导入如自适应式调变与编码、时空编码（STC）、波束形成与多重输入／输出（MIMO）天线技术等先进的基频处理技术，以支援更高的资料传输速率，基频讯号处理元件需要巨大的处理频宽，来支援对运算需求相当密集的运算法则，FPGA可说是为这些需要为HSSPA进行频道编码与波束形成这类的应用所量身订做。

基频零件通常也需要足够的弹性来启动SDR功能，便需要能够支援同一个标准在其加强版本之间进行升级，而且需要能支援一套完整的不同标准。可编程逻辑的附加效益是可以结合软式核心处理器与IP，并可以提供在现场进行远端升级的能力。 (图四)描述一个范例方案，在此FPGA可以重新配置，透过如加速编码器、Reed-Solomon编码器、符号隔行扫瞄器、符号映射器与反快速傅利叶转换（IFFT）等现有的IP功能，以为WCDMA/HSDPA或802.16a标准支援基频传输功能。

《图四 采用SDR基频数据路径重新配置的范例》

JTRS的波形

(表一)提供了一份波形与实行它们所预估的逻辑用量的精简列表，这些资讯对于了解这些波形在展开时所需的逻辑大小来说相当重要，某些新提议推出的波形大幅度地增加了逻辑的需求量。

使用硬体来执行波形处理的价值在于特定的硬体会比软体有更好的运算效率，如果这些波形采用软体来实行，它们则需要具有数百MIPS处理能力的处理器，就算是针对固定的应用，要满足JTRS丛集5的规格需求时，还是容易在移动时或可个人携带应用时产生不可预测的问题。

辅助处理特性

如(图五)中所描述，SDR基频处理通常同时需要处理器与FPGA，处理器用于掌管系统控制与配置功能，在此同时FPGA则实行对运算需求密集的讯号处理资料路径与控制，以最小化系统的延迟。想要在标准之间切换，处理器可以在软体的主要区段之间快速地切换，此时FPGA可以完成重新配置，如果需要的话，也可以为特定的标准实行资料路径。

《图五 SDR的辅助处理架构 》

FPGA辅助处理器介面搭配广泛的DSP与一般用途的处理器，可以增进系统效能，并具有较低的系统成本，在实行SDR运算法则时也具有选择实行运算法则的自由，给予另外一种的弹性空间，(图六)显示数位预先扭曲运算法则的一小部分仅用软体来完成，以及搭配由软体控制的硬体加速辅助处理器所得到的成果。在这个应用中可以观察到速度增进了10倍，增进的比例将与应用及架构密切相关。在执行SDR波形处理的初步评估中可得知，同时结合软体运算法则与硬体辅助运算器将极具潜力，无论如何，FPGA还是展现出其与生俱来的巨大弹性。

《图六 在数字预先扭曲应用中采用硬件协处理器的结果》

结论

市场上对于软体无线电的兴趣日渐增加，由于需要更有效率地使用既有的频谱，尤其是来自军方的要求，因此对于同时利用软体与硬体的弹性解决方案的需求逐渐增加，FPGA可以连结软式核心微处理器、IP核心与硬体加速辅助处理器，为软体无线电的实行方式提供了更多的弹性。 （作者任职于Altera）

延 伸 阅 读

20世纪是属于广播和电视的年代，而21世纪将属于支援可携式个人资讯工具的双向互动式无线通讯。这种通讯的要求之一是使用小尺寸、低成本的无线电迅速从一种空中介面标准（AIS）变换到另一种空中介面标准，同时维持较长的电池寿命。软体无线电（SDR）正是可实现这种前景的技术。相关介绍请见「 DR与CR技术创造新的无限世界」一文。 第四代行动通讯（4G）的概念可称为宽带（Broadband）接入​​和分布网路，具有非对称的超过2Mbps的数据传输能力。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网路，整合不同模式的无线通讯，行动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。你可在「 第四代行动通讯（4G）关键技术漫谈」一文中得到进一步的介绍。 随着通讯产业的快速澎蓬勃发展，几乎人手一只手机，想像在未来的世界中，倘若因为手机的通讯系统不同，每个人都要随身携带两只以上的手机及各种不同的个人电子产品，那么，会是多么的不方便呢?而软体无线电（Software Defined Radio；SDR）技术就是能解决该问题，它能够在不同的通讯频道，不同的信号调变方式中建立互通性，因此只要一只手机，就可行遍天下。在「电通所开发软体无线电软体平台（Software Defined Radio Software）」一文为你做了相关的评析。

市场动态

华尔街日报指出为解决无线通讯标准繁杂所造成的困扰，英特尔正致力于研究一项称为软体无线电（Software-Defined Radio）技术，期能开发出智慧平台，可自动测出并配合调整为给定环境的无线通讯标准。你可参考 「英特尔加速研发软体无线电技术」一文。 随着行动通信技术与市场之蓬勃发展，在第三代行动通信系统市场起步之际，国际间已纷纷成立相关研究组织探讨B3G技术与发展趋势，例如ITU-T "IMT-2000 and Beyond" SSG与Wireless World Research Forum（WWRF）等。另外，3GPP、IEEE、IETF、ETSI等国际标准制定组织，也积极的参与B3G技术的研讨。 你可在「B3G行动通讯」一文中得到进一步的介绍。 重庆邮电学院第三代手机项目负责人郑建宏教授展示3G手机的样机。大陆第一台拥有完全自主IP的３Ｇ手机（第三代手机）近日在重庆研发成功，标志着大陆在行动通讯技术方面已进入世界先进行列。这种手机利用通用晶片与软体无线电技术相结合，加上自己特有的专利技术，在无线宽频基础上具有可视电话、数位照相、数位摄影及高速上网等多媒体功能。这种手机可望在2005年正式商品化。 在「中国大陆研发出首款拥有完全自主IP的3G手机」一文为你做了相关的评析。