軟體控制的硬體正在改變業界技術格局，而無線電硬體也毫不例外地捲進了這一快速發展進程中。軟體定義無線電(SDR)透過對無線電硬體抽象化來實現基於軟體的介面，已獲得了巨大吸引力。SDR應用案例已廣泛涵蓋了通訊系統、國防、航太、測試和測量、訊號情報(SIGINT)和頻譜監測等眾多領域。

傳統意義上的無線電硬體是高度專業的，包括高密度整合的微波硬體和各種特殊應用的積體電路。而SDR則拋棄了這種模式，它是利用現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)和高度可重配置的硬體來創建通用的無線電平台。在如圖1所示的實現方案中，SDR將無線電前端(radio front end，RFE)和數位後端(DBE)分離開來。硬體和軟體的解耦，使得先進的數位訊號處理器(DSP)能以一種與平台無關的方式與無線電硬體緊密結合。

圖1：SDR基本架構。

大多數SDR中的RFE包含多個獨立且高度可重配置的發射(Tx)和接收(Rx)鏈路。簡單的SDR載頻在數GHz範圍內，頻寬為幾十MHz，而最先進的SDR通常涵蓋從接近直流到18GHz的載頻範圍(一些SDR甚至高達40GHz)，每個收發鏈路的頻寬可高達3GHz。SDR的Tx和Rx鏈路有許多配置可供選擇，入門級SDR通常是兩個收發鏈路共用本地振盪器，而高性能SDR則可以有多達16個獨立的收發鏈路。

FPGA和DSP能力

與傳統的無線電系統不同，SDR整合了FPGA，可以實現高性能的可重配置DSP。像調變、解調、分組和預處理等DSP功能，可移至板載FPGA來提高效率。這是SDR相對基於ASIC的傳統DSP架構的一個明顯優勢，因為這種架構可以很方便地植入新的功能。

儘管FPGA可以提高DSP處理速度，但在主機系統和SDR之間，仍然有資料需要傳輸。在較簡單的SDR中，USB可用於此目的，但更寬頻寬的SDR需要基於光纖的資料回傳，才能適應RFE頻寬。借助VITA49等標準化協定，資料可以很方便地傳送給主機系統，以便實施進一步處理和儲存。

由於通用型硬體驅動器(UHD)的普及，有很多種運算平台可用來實現基於主機的DSP。UHD是一種開源的驅動器，已經成為SDR的一種事實性標準。UHD能夠與GNU Radio、GNU Octave和Simulink等工具無縫整合，還可以將Python和C++與UHD結合，輕鬆實現客製的SDR應用。UHD的開源性非常有益，因為它與供應商無關，所以能夠提供SDR平台之間的可攜性，並有豐富的生態系統可供利用。

寬頻寬的SDR提供了很大的平台靈活性，但寬頻寬需要在SDR和主機系統之間建立高速資料回傳。對於預處理和過濾任務，可以很方便地在採用FPGA架構的SDR上執行。但將資料轉移到外部系統進行進一步處理和儲存時，通常就需要一個精心設計的主機系統。無線電鏈路中的訊號接收路徑通常始於天線輸入端，而終止於將數位化資料傳遞給FPGA的類比數位轉換器(ADC)。FPGA接著將資料發送給外部主機上的網路介面卡(NIC)，發送路徑大致與接收相反，只不過轉換器用的是數位類比轉換器(DAC)，而不再是ADC。

主機系統和訊號路徑必須要仔細設計，確保各級都有充足的緩衝和處理能力。否則，將會發生接收鏈路緩衝區上溢和發送鏈路緩衝區下溢現象，進而造成資料漏失。緩衝問題不僅會造成資料漏失，而且還會導致嚴重的抖動，進一步損害資料完整性。因此必須精心設計收發訊號鏈路，確保SDR的輸送量要求能夠得到滿足。

頻譜監測、SIGINT和衛星

SDR的一個主要好處是其所提供的靈活性，因為可以迅速被整合到各種應用中，包括頻譜監測、雷達和無線通訊。頻譜監測和SIGINT應用通常都有寬頻操作要求，擁有可重配置的多通道ADC和完全獨立接收鏈路的SDR，支援單個SDR在對寬頻進行監測的同時，以更好的雜訊特性對窄頻進行擷取。

儘管獨立的收發鏈路將SDR定位為頻譜監測的最佳選項，但也是支援高效能雷達應用的絕佳選擇。相控陣列雷達系統需要精確的時脈分發，以實現相位穩定和相干性。多通道SDR的高密度整合時脈，可以支援新的雷達無線電硬體設計或現有硬體的升級。因此，高效能SDR可以減輕設計負擔，並降低給定系統的總成本。

近年來，低軌道衛星(LEO)在通訊系統和科學進步方面獲得了長足的發展。這種發展為地面衛星站即服務(GSaaS)開闢了一個新市場，因為它將消除或減少衛星對專用地面站的需求。為了實現可行的商業擴展，用於GSaaS的SDR需要在範圍非常大的頻寬內擷取資料，從而導致資料量爆增。這對大多數下游系統來說是有問題的，不過基於FPGA的通道器(圖2)完全可以勝任這類資料提取和處理。

圖2：基於FPGA的具有多個獨立通道的通道器。

SDR正在迅速改變無線電技術的發展歷程，許多民用和國防應用可以從SDR所特有的快速創建和更新硬體平台特性中獲益。面對寬頻寬無線電的需求，高效能SDR是一種很自然的解決方案，因為它們具有寬頻無線電鏈路、板載FPGA和基於光纖的資料回傳功能。

透過將軟體的敏捷性植入硬體中，可以實現更快的演進速度，從而更好、更快地開發出新一代解決方案。

(參考原文：Software-Defined Radio Brings Agility to Hardware Design，by Alex Colpitts、Brendon McHugh)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年4月號

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