嵌入式開發(fā)：車載軟件無線電設(shè)計(jì)與應(yīng)用

最近幾年，無線應(yīng)用已經(jīng)有了快速而且廣泛的發(fā)展。毫無疑問，無線設(shè)備給我們的生活和工作帶來了極大的便利，比如，手機(jī)使我們能夠隨時(shí)隨地地進(jìn)行對(duì)話，大大地提高了溝通的效率。與此相對(duì)應(yīng)，越來越多的無線技術(shù)被創(chuàng)新性地集成在汽車應(yīng)用中，使駕駛也成為了一種舒適生活的體驗(yàn)。下表列舉了目前常見的汽車無線應(yīng)用。

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(huì)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(huì)涵蓋一個(gè)相當(dāng)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(dú)的軟硬件模塊來實(shí)現(xiàn)的。比如收音機(jī)，普遍的解決方案是利用一個(gè)收音機(jī)模塊進(jìn)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(jī)界面上。

獨(dú)立的軟硬件模塊通常意味著簡(jiǎn)潔的軟件設(shè)計(jì)和較低的硬件成本。不過它也有它的弱點(diǎn)：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(jī)要加上RDS的功能，一般要重新選擇新的收音機(jī)模塊，重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)接口以適應(yīng)新的收音機(jī)模塊，重新設(shè)計(jì)軟件來容納RDS功能等。

車載無線應(yīng)用涉及眾多的獨(dú)立硬件模塊和快速發(fā)展的新技術(shù)，同時(shí)變更硬件模塊和修改軟件模塊可能會(huì)導(dǎo)致滯后的上市時(shí)間和較高的設(shè)計(jì)成本。軟件無線電是一個(gè)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(jiǎn)介

傳統(tǒng)的無線電應(yīng)用都是依靠模擬電路來實(shí)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(hào)和分立的數(shù)字信號(hào)的橋梁，而軟件可以控制的是數(shù)字信號(hào)。應(yīng)用軟件代碼高效分析和合理控制數(shù)字信號(hào)，軟件無線電原則上可以實(shí)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(shí)際上可以根據(jù)用戶的需求實(shí)時(shí)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(shí)接收FM信號(hào)和電視信號(hào)。

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(shí)候了。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)通用的軟件無線電模塊。這個(gè)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(gè)簡(jiǎn)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(dāng)主控單元通過可編程接口配置好FPGA之后，F(xiàn)PGA就會(huì)按照我們預(yù)先設(shè)計(jì)的程序進(jìn)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(gè)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(shí)時(shí)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(huì)通過可編程接口傳輸給主控單元。這個(gè)數(shù)據(jù)的流量會(huì)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)率的通用接口可以選：

一般地，USB總線是一個(gè)很好的選擇：簡(jiǎn)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(huì)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(diǎn)運(yùn)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(cè)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(cè)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(hào)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(cuò)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(jì)師和軟件工程師的想象力，設(shè)計(jì)和開發(fā)完美的車載無線電應(yīng)用。一個(gè)手到擒來的例子就是，利用軟件無線電，只要給每個(gè)座位上配一個(gè)耳機(jī)，各個(gè)乘客就可以自主選擇最喜愛的FM電臺(tái)而不受其他人的影響——這在只有一個(gè)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(shí)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(gè)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(huì)有所改進(jìn)，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(yàn)。

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(jì)帶來很大的靈活性，而且還會(huì)產(chǎn)生許多創(chuàng)新性的應(yīng)用。雖然從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)還有一段很長(zhǎng)的道路要走，我們要相信：一切皆有可能是科技對(duì)未來的有力詮釋。