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，造成網絡設備與終端用戶裝置極大的設計挑戰(zhàn)，因此相關產品開發(fā)商已開始利用軟件定義無線電(SDR)技術簡化硬件配置，并提高支持各種無線電頻段的彈性，以加快多頻多模產品開發(fā)時程。

由于行動裝置的普及，終端消費者往往身上同時配備多臺行動裝置，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，因而無線網絡通訊也就由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。

經由如此的脈絡軌跡，可以發(fā)現(xiàn)面對不同的網絡速度需求，提供服務的網絡設備亦須不斷的發(fā)展及更新，且最近幾年的數(shù)據(jù)需求量爆炸性的成長，亦使設備開發(fā)工程師面臨時程緊縮的壓力。另一方面，對于提供通訊服務的營運商來說，快速的網絡基礎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驗及利潤。

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)，當時著重在2G的空中接口(Air Interface)，但是受限于技術因素，使用者端設備采取SDR開發(fā)的商業(yè)模式并不成功，因此將SDR應用在3G基地臺設備上，也就成為此技術的發(fā)展方向，如此延續(xù)到4G基地臺的開發(fā)上更加被重視。

傳統(tǒng)上，建構一個無線電系統(tǒng)并非易事，它的設計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、訊號調變及解調變器、多任務/解多任務器等。此外，采用模擬組件的設計不僅造成售價昂貴，制造成本亦無法壓低，往往也需要工程師不斷的調整與測試，才能達到良好的運作方式。如此設計出來的無線系統(tǒng)，并無法提供設備在成品完成后的性能可調整或重組(Reconfigurable)能力，造成一旦有須要修改或是系統(tǒng)內部更新時，就必須重新設計與制造，此為影響設計成本最大的原因。

SDR的出現(xiàn)，是希望提供一個可調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定及配置，即可因應不同的使用需求、不同的無線電頻段，提供不同的網絡帶寬、不同的無線裝置所需的訊號調變及解調變功能等需求。

Joseph Mitola III教授于1992年所提出的軟件無線電概念，也希望最終能夠達到在軟件無線電的系統(tǒng)架構里面的設備與系統(tǒng)，在不脫機情況下，能夠達成動態(tài)的調整與設定此系統(tǒng)上無線電訊號的處理模塊與各種參數(shù)，以因應不同的需求。在目前長程演進計劃(LTE)的基地臺開發(fā)階段上，同樣希望以能夠可調整或重組能力的組件，加速設備的開發(fā)時程，提高營運商的布建彈性。

自從SDR的想法被提出，相關的功能與運用就被不斷地開發(fā)出來，眾多廠商的產品都宣稱具備SDR功能，這里就介紹主要的功能區(qū)塊。

小型基地臺(Small Cell)射頻前端的SDR可以分為兩個大架構，一個模擬射頻訊號的模塊，與一個基頻訊號處理的區(qū)塊。目前有許多的廠家推出各自的SDR模塊設計，并提供一個測試環(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，同時也會推廣到開放硬件與軟件論壇，讓更多人可以實際的測試使用，而這些公開的信息也能夠用來了解SDR的設計架構，以及Small Cell應用上的情況。

由于射頻前端的無線電模塊集成電路不斷演進，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備廠商使用。此時模擬組件，如模擬/數(shù)字信號轉換器與訊號調變及解調變器、還有多任務/解多任務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雜度降低許多。但是要制作多頻多模的產品時，設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

小型基地臺開發(fā)商制作多頻多模產品時，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)，制作上仍然會導致產品設計時間冗長，且墊高生產成本。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)廠商簡化產品設計，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