軟體無線電（Software-defined radio；SDR）提供了增加彈性與通訊安全的新層級，使它同時成為軍用與公共安全應用的理想選擇。SDR技術必須透過結合現場硬體與軟體重新配置能力，來支援多種無線介面與調變格式，可編程邏輯結合了最先進的設計軟體與廣泛的矽智財（IP）組合，是用來實現SDR的理想平台。低成本、高效能的FPGA提供了在實行SDR應用時所需的成本效益的能力，本文將闡述如何最佳化一個採用FPGA架構的SDR系統。

軟體無線電

隨著無線標準的逐漸增加，未來的無線設備將需要支援多重的無線介面與調變格式，軟體無線電（SDR）技術讓無線設備可以透過使用可重複配置的硬體平台，以跨越多重的標準達到所需的功能。配合FPGA科技與矽智財（IP）核心的持續發展，讓SDR可以越來越快地實現其理想。

SDR是聯合作戰無線電系統（Joint Tactical Radio System；JTRS）之下的基礎科技，最初開始發展軟體可編程無線電，是為了讓美國軍事服務能夠無縫、即時地與其他合作的軍事力量或盟國溝通，JTRS的功能與擴展性是建立在一個稱為「軟體通訊架構」的開放式結構，JTRS終端需要能夠支援動態載入超過二十五種無線介面或波形中的任何一種規格，這使其比用於民間領域的系統還要更為複雜，FPGA具有所需的處理效能與彈性，能夠讓系統可以在不超過效能限制的範圍內滿足這個需求。

SDR系統架構

(圖一)描述採用SDR架構的3G基地台的硬體分隔方式，以便可以重新配置來支援多重標準，為了重新配置整個系統，一個理想的SDR基地台可以在數位區執行所有的訊號處理工作，然而，目前的寬頻資料轉換器並不能支援處理跨越不同無線標準所需的頻寬與動態範圍，因此在中頻（IF）之中通常會有類比到數位轉換器（ADC）與數位到類比轉換器（DAC）在運作，並且分離式的寬頻類比前端通常會接在訊號處理到射頻（RF）階段之後，如圖一所示。

《圖一　採用現階段技術的SDR架構》

＜DUC：數位升頻器；CFR：波峰因素衰減；DPD：數位預先扭曲；DDC：數位降頻器；PA：功率放大器；LNA：低雜訊放大器＞

數位中頻處理

數位中頻延伸了數位訊號處理的範圍，已經遠離到天線之外的基頻區，到了射頻區，這將可以增加系統的彈性，並可減低製造成本，此外，數位頻率轉換可以比傳統的類比技術提供更大的彈性與更高的效能（減少衰減與增加選擇性），FPGA提供了更大的彈性與整合平台來執行對運算需求殷切的數位中頻功能，包括數位升－降頻器，也可減少在導入如DPD、CFR與智慧型天線等複雜新技術時所帶來的風險。

數位升頻器

資料格式化通常需要在基頻處理單元與升頻器之間進行，可以如(圖二)所示的無縫式地增加到升頻器的前端，這個技術可以提供完全客製化的前端升頻器，並允許對高頻寬的輸入資料進行頻道分隔。客製化邏輯或是軟式核心嵌入式處理器，可以被用於當做控制升頻器與基頻處理單元之間的介面。

《圖二　數位升頻器》

＜圖註：RRC = 均方根升餘弦；NCO = 數字式控制震盪器＞

在數位升頻時，輸入的資料是結合可調整的負載頻率在其經過正交調變之前的基頻濾波與內插，要執行內插基頻有限脈衝回應（FIR）濾波器，必須要在速度與晶片面積之間做選擇，必須為個別的標準找出最理想的固定式或自適應式濾波器架構，數字式控制震盪器核心也可以用於產生一個超過115 dB的無寄生動態範圍，並具有非常高效能的廣泛型架構，依據可以支援的頻率指定數量，多重數位升頻器也可以用可編程邏輯元件來實現。

波峰因素衰減

採用3G分碼多重存取（CDMA）架構的系統與如正交分頻多工（OFDM）這類的多載波系統，會呈現出具有高波峰因素（峰到平均值），例如用於基地台的功率放大器訊號會激烈地降低效率，FPGA為SDR基地台提供可重新配置的平台，可以執行CFR技巧來為每個標準進行客製化。

數位預先扭曲

3G標準與其高速移動資料版本採用非常數型波包調制技術，例如四階移相鍵控（QPSK）與正交震幅調變（QAM），這將在功率放大器上產生緊縮的線性需求，可以有效率地在包含有DSP模組的FPGA上實行，在這些DSP模組中的乘法器速度最高可以達到380MHz，並可以有效率地分時來執行複雜的乘法運算。當使用在SDR基地台之中時，FPGA可以被重新配置來執行相對應的DPD運算法則，對電源放大器採用特定的標準可有效率地加以線性化。

數位降頻器

在接收端，數位中頻技術可以用於取樣中頻訊號，並在數位區執行頻道分隔與取樣率轉換。使用下取樣技巧，高頻、中頻訊號（典型的為100+MHz）可以被量化，在SDR應用中，不同的標準有不同的片／位元率，非整數的取樣率轉換是用來為任何一種標準轉換取樣的數字成為片／位元率所需基本的整數倍數。

《圖三　數位降頻器》

基頻處理

目前無線標準仍持續地在發展，透過導入如自適應式調變與編碼、時空編碼（STC）、波束形成與多重輸入／輸出（MIMO）天線技術等先進的基頻處理技術，以支援更高的資料傳輸速率，基頻訊號處理元件需要巨大的處理頻寬，來支援對運算需求相當密集的運算法則，FPGA可說是為這些需要為HSSPA進行頻道編碼與波束形成這類的應用所量身訂做。

基頻零件通常也需要足夠的彈性來啟動SDR功能，便需要能夠支援同一個標準在其加強版本之間進行升級，而且需要能支援一套完整的不同標準。可編程邏輯的附加效益是可以結合軟式核心處理器與IP，並可以提供在現場進行遠端升級的能力。(圖四)描述一個範例方案，在此FPGA可以重新配置，透過如加速編碼器、Reed-Solomon編碼器、符號隔行掃瞄器、符號映射器與反快速傅利葉轉換（IFFT）等現有的IP功能，以為WCDMA/HSDPA或802.16a標準支援基頻傳輸功能。

《圖四　採用SDR基頻資料路徑重新配置的範例》

JTRS的波形

(表一)提供了一份波形與實行它們所預估的邏輯用量的精簡列表，這些資訊對於了解這些波形在展開時所需的邏輯大小來說相當重要，某些新提議推出的波形大幅度地增加了邏輯的需求量。

使用硬體來執行波形處理的價值在於特定的硬體會比軟體有更好的運算效率，如果這些波形採用軟體來實行，它們則需要具有數百MIPS處理能力的處理器，就算是針對固定的應用，要滿足JTRS叢集5的規格需求時，還是容易在移動時或可個人攜帶應用時產生不可預測的問題。

輔助處理特性

如(圖五)中所描述，SDR基頻處理通常同時需要處理器與FPGA，處理器用於掌管系統控制與配置功能，在此同時FPGA則實行對運算需求密集的訊號處理資料路徑與控制，以最小化系統的延遲。想要在標準之間切換，處理器可以在軟體的主要區段之間快速地切換，此時FPGA可以完成重新配置，如果需要的話，也可以為特定的標準實行資料路徑。

《圖五　SDR的輔助處理架構 》

FPGA輔助處理器介面搭配廣泛的DSP與一般用途的處理器，可以增進系統效能，並具有較低的系統成本，在實行SDR運算法則時也具有選擇實行運算法則的自由，給予另外一種的彈性空間，(圖六)顯示數位預先扭曲運算法則的一小部分僅用軟體來完成，以及搭配由軟體控制的硬體加速輔助處理器所得到的成果。在這個應用中可以觀察到速度增進了10倍，增進的比例將與應用及架構密切相關。在執行SDR波形處理的初步評估中可得知，同時結合軟體運算法則與硬體輔助運算器將極具潛力，無論如何，FPGA還是展現出其與生俱來的巨大彈性。

《圖六　在數位預先扭曲應用中採用硬體輔助處理器的結果》

結論

市場上對於軟體無線電的興趣日漸增加，由於需要更有效率地使用既有的頻譜，尤其是來自軍方的要求，因此對於同時利用軟體與硬體的彈性解決方案的需求逐漸增加，FPGA可以連結軟式核心微處理器、IP核心與硬體加速輔助處理器，為軟體無線電的實行方式提供了更多的彈性。（作者任職於Altera）

延 伸 閱 讀

20世紀是屬於廣播和電視的年代，而21世紀將屬於支援可攜式個人資訊工具的雙向互動式無線通訊。這種通訊的要求之一是使用小尺寸、低成本的無線電迅速從一種空中介面標準（AIS）變換到另一種空中介面標準，同時維持較長的電池壽命。軟體無線電（SDR）正是可實現這種前景的技術。相關介紹請見「 SDR與CR技術創造新的無線世界」一文。 第四代行動通訊（4G）的概念可稱為寬帶（Broadband）接入和分佈網路，具有非對稱的超過2Mbps的數據傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統和互操作的廣播網路，整合不同模式的無線通訊，行動用戶可以自由地從一個標準漫遊到另一個標準。你可在「 第四代行動通訊（4G）關鍵技術漫談」一文中得到進一步的介紹。 隨著通訊產業的快速澎蓬勃發展，幾乎人手一隻手機，想像在未來的世界中，倘若因為手機的通訊系統不同，每個人都要隨身攜帶兩隻以上的手機及各種不同的個人電子產品，那麼，會是多麼的不方便呢?而軟體無線電（Software Defined Radio；SDR）技術就是能解決該問題，它能夠在不同的通訊頻道，不同的信號調變方式中建立互通性，因此只要一隻手機，就可行遍天下。在「電通所開發軟體無線電軟體平台（Software Defined Radio Software）」一文為你做了相關的評析。

市場動態

華爾街日報指出為解決無線通訊標準繁雜所造成的困擾，英特爾正致力於研究一項稱為軟體無線電（Software-Defined Radio）技術，期能開發出智慧平台，可自動測出並配合調整為給定環境的無線通訊標準。你可參考 「英特爾加速研發軟體無線電技術」一文。 隨著行動通信技術與市場之蓬勃發展，在第三代行動通信系統市場起步之際，國際間已紛紛成立相關研究組織探討B3G技術與發展趨勢，例如ITU-T "IMT-2000 and Beyond" SSG與Wireless World Research Forum（WWRF）等。另外，3GPP、IEEE、IETF、ETSI等國際標準制定組織，也積極的參與B3G技術的研討。 你可在「B3G行動通訊」一文中得到進一步的介紹。 重慶郵電學院第三代手機項目負責人鄭建宏教授展示3G手機的樣機。大陸第一台擁有完全自主IP的３Ｇ手機（第三代手機）近日在重慶研發成功，標誌著大陸在行動通訊技術方面已進入世界先進行列。這種手機利用通用晶片與軟體無線電技術相結合，加上自己特有的專利技術，在無線寬頻基礎上具有可視電話、數位照相、數位攝影及高速上網等多媒體功能。這種手機可望在2005年正式商品化。 在「中國大陸研發出首款擁有完全自主IP的3G手機」一文為你做了相關的評析。