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軟體定義無線與時俱進

( 01 Dec 2007 )
MuratBicer, Mercury Computer Systems

發展中的通訊技術需要能支援各種現有及新興標準的系統，透過在軟體中實施通訊功能，設計師可構建不會過時的通訊設備，即軟體無線電(SDR)。軟體工具必須讓開發人員在較高的抽象層次級別工作，以將可重用的代碼移植到其他系統中。雖然軟體無線電依賴軟體實現其彈性，但硬體也是必不可少的，如交換結構、高速互聯、及採用FPGA的異構型處理器架構。

何謂軟體無線電？
軟體無線電可在射頻(RF)頻段接收或發射訊號，但其訊號轉換方法取決於載入無線電中的軟體。如今，軟體無線電主要依賴傳統的電路來處理射頻訊號。但軟體實施與硬體實施的距離還是在逐漸縮小。典型的軟體無線電包含RF前端電路，該部分可在接收端連接ADC，並在發射端連接DAC(圖1)。這些轉換器連接到訊號處理子系統，子系統中含有通用的或可配置的處理器。

這些處理器的軟體可實施無線標準(即波形)，如GSM、CDMA或單通道地面與機載無線電系統(SINCGARS)。只要RF前端電路及ADC與DAC在足夠寬的頻寬內工作，設計師僅需升級軟體，即可改進無線電的功能。

由於政府機構或服務提供商可隨時重新配置軟體無線電，用戶可在不同的環境與應用中運行一種無線電設備。國際旅行人士來到採用不同通訊標準的國家時，可將新軟體下載到其手機中。基地台無需額外的昂貴的硬體，即可支援多種無線標準。公共安全組織利用軟體無線電技術可以在一個緊急地點利用非均勻通訊通道通話。國際軍事機構也可採用彼此雙方的標準在聯合行動中進行交流。

此外，軟體無線電供應商還可為現場設備提供新的功能和服務，以延長其使用期限。而無需運到工廠或修理場所昂貴的費用。利用軟體無線電技術，設計師還可建立檢測射頻頻段狀態、並能進行適當回應的無線電設備。

發展歷程
美國空軍的整合通訊導航與識別電子系統 (ICNIA)就是一種於二十世紀七十年代末開發的早期軟體無線電設備。該系統採用一個可重新編程的數位訊號處理器(DSP)，在30MHz到1,600MHz頻段運行的多功能、多波段機載無線電設備。ICNIA技術是許多軍用無線電項目的基礎。

在二十世紀九十年代，美國政府的一個項目指定了首個完全可程式的軟體無線電系統“Speakeasy”，即人們所稱的“通訊世界裏的電腦”。Speakeasy採用開放硬體和軟體架構支援各種語音、多媒體及2MHz到2GHz頻率範圍的網路波形應用。

另一項政府專案—聯合戰術無線電系統(JTRS)，在一系列可互操作的多波段網路軟體無線電設備中採用了Speakeasy技術。JTRS專案的目標是以可透過下載新軟體升級的設備代替現有的美國軍用無線電系統。這個專案採用了軟體通訊架構 (SCA)開放標準。

自由軟體基金會也在開發一項開源的軟體無線電專案，GNU Radio是一種免費的軟體套件，設計師可用來構建和學習軟體無線電。利用GNU通用公共許可證獲得的源代碼，能夠實施廣播與窄頻FM無線電以及ATSC(高級電視制式委員會)數位HDTV發射機與接收機。

軟體無線電可滿足系統設計要求
軟體無線電系統應具有最大的彈性，所以設計師要設計出可透過軟體控制波形與無線電功能的常用硬體。這些軟體應該充分發揮代碼的可重用性及可攜性的優勢。設計師首先要選擇最佳的處理器技術組合方案。除了常用的微處理器外(MPU)，多數的軟體無線電還將DSP與FPGA結合使用。這些類型的IC滿足各種電流及未來標準對高頻寬、低延遲及高效能處理的需要。但隨著軟體無線電技術從窄頻無線電向寬頻資料連結及衛星通信發展，硬體設計將會更加依賴於FPGA。

利用基於VME、AdvancedTCA及VPX(一種基於VME的標準)一類標準的硬體與交換結構，設計師將各種板卡進行搭配，來創建一個靈活的異構型系統(圖2)。MicroTCA板卡源於Advanced TCA標準，現用於許多採用軟體無線電的WiMAX基地台中(圖3)。使用上述的標準，設計師可充分發揮新技術的優勢。某些先進的軟體無線電系統已經採用了由Sony、Toshiba與IBM開發的新64位“Cell運算處理板”引擎。

由於波形可能需要不同的頻寬與延遲，系統設計師要對稱地最大程度最佳化處理器間的頻寬。利用這種處理器池，軟體可根據通訊需求迅速地分配資源。交換結構提供了處理這種通訊的有效途徑。新的軟體無線電系統可使用高頻寬互聯技術實現處理器間的通訊，如Serial RapidIO及PCI-Express。

軟體無線電設計師還要充分發揮軟體的重用性可攜性，因此，許多軍用軟體無線電專案明確要求使用上述的SCA標準。SCA標準定義了波形常用的運行環境及API。SCA規範用於針對通用軟體環境所寫編寫的軟體，可支援可移植作業系統介面(POSIX)標準、以及稱為公共物件請求代理體系(CORBA) 的中產件技術的大部分規範內容。POSIX標準對作業系統特定的方法提供了一個抽象層，從而將移植波形軟體的成本降到了最低。CORBA提供了一定的透明性及與不依賴於編程語言的功能。在國防專案中應用這種技術，顯示了美國政府承諾採用商業標準來降低專案風險和生命週期成本的決心。

許多高頻寬波形需要超過MPU單獨能提供的處理能力及I/O頻寬，所以新的軟體無線電代碼一般都可以運行在基於FPGA的系統中。下一代中間件產品，如Mercury的“元件移植架構”(圖4)，就將 SCA概念擴展到了DSP及FPGA中，並改善了代碼可攜性、簡化了系統集成。

採用標準軟體架構與基於元件的設計方式，第三方廠商還可為波形應用提供設計和建模工具。無線電設計師應考慮採用基於工具的設計方法，這種方法可改進轉換能力、降低人為失誤，並能提高代碼可重用性。這些工具的自動代碼產生能力可減少開發時間，而不會影響代碼的性能。

發展前景明朗
設計師利用軟體無線電技術可構建更為智慧化的無線電，這種設備可自動判斷通訊條件及需求。軟體無線電技術將向認知無線電設備發展，這種設備能檢測操作員的活動、當前頻段使用情況、及變化的運行條件，以提高通訊效率。認知無線電技術讓未經許可的用戶佔用一個頻段，只要其使用不干擾許可用戶的通訊。當認知無線電檢測到許可用戶存在時，就會轉到一個無人使用的頻段，這種方式可以實現無線電頻段的高效利用。

SDR相關網站
‧AdvancedTCA:www.advancedtca.org
‧GNU Radio project:http://gnuradio.org/trac
‧Joint Tactical Radio System:http://enterprise.spawar.navy.mil/body.cfm?type=c&category=27&subcat=60
‧Mercury Computer Systems, Inc.:www.mc.com/satcom
‧‧Software Defined Radio Forum: www.sdrforum.org

作者簡介
MuratBicer為Mercury Computer Systems軟體無線電公司的產品行銷經理。他是軟體無線電論壇(SDRF)董事會的成員。他擁有波士頓東北大學電氣工程學的碩士學位、及麻塞諸塞州巴布森學院的MBA學位。他的電子郵件是mbicer@mc.com。
Click here for Illustrations:

Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4

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