基于SDR技术的无线电设计方法

电子工程师 2017-12-13 1620

RF/无线

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描述

将先进的无线电标准转化为商业上可行的通讯设备，这其中面临很多困难，而一个重要的障碍就是无法通过简单的修改使产品适应多个链路级标准和带宽。这种状况限制了硬件的商业使用寿命，反过来又影响了设计参数。简言之，不能适应技术或市场需求变化的无线手机，将无法获得在工程资源方面的投资，而这恰是它们在竞争中存活下去的必要条件。

软件定义无线电(SDR)提供了一整套无线电技术，可以进行动态编程以支持各种不同的波形、满足新涌现的链路级连接标准、提供新的通信协议和特性，并能改善性能和提供新服务。美国军方目前已经使用SDR为士兵配备无线电，以便士兵能无线下载软件模块，并与使用不同波形和频率的支援飞机、侦察机以及其它军事系统建立联系。

SDR技术可以为商用无线手机供应商带来类似的优势吗？这些供应商不仅面临较短产品生命周期和不同设备标准的困扰，还具有极高的成本敏感度。原则上，SDR似乎能够提供现成且极具吸引力的解决方案，但在设计和实施优化方案的时候，SDR却面临严峻挑战。总体而言，如果一个硬件平台足够通用以支持软件中的各种特性，那么它就必须集成昂贵的元件或消耗大量的功率，或者两者皆有。有没有方法能够打破这种性能权衡的怪圈呢？

软件定义无线电

当然我们有足够的动机要这样做。在连接的另一端，也就是基站，这样做或许可以得到相当大的回报。手机产品生命周期短暂这个现实，使一个直接的软件方案对手机而言或许不像对无线基站那样有很大的吸引力，通常人们认为后者更加昂贵而且拥有更长的预期使用寿命。用软件处理取代缺乏多频带能力的专用波形处理硬件，在一个基站的使用年限内可以为运营商节省数十万美元。

但是手机的基本原理与基站不同。手机的目标是：内置支持功能使用户可以添加新的服务，可以在跨国旅行中获得有效的传输信号。这就要求手机具有接收并解码各种波形(可能穿越多种带宽)的能力。

基础设施则不需要支持多个标准，但是它必须能在现有标准与时俱进演变的过程中不断提供相应的支持，它必须能够为基站“提供一张CD”，而后安装软件进行升级，这种升级在一个已经确定的波形标准中实现着变化，或者通过增加协议来实现新特性。

对多个规范的支持

但是设计方法与具体的硬件架构紧密相连，这就导致了从规范到最后崭新硬件平台的推出全都要从头开始。这也就是为什么对硬件元器件的选择可能造成设计方案极大不同的原因。

信号进行数字化的过程越快，就越能更快利用软件模块来适应不同的特性。考虑到设计的总体权衡，A/D转换提供了一个机会。可以采用以下方式进行：根据必须处理的通信信道数来优化功率和成本，以满足特殊需求。例如，与语音通信相比，可能要为网上冲浪分配更多的信道。

Pentek公司的方案(图1)是考虑利用可以实现特定用途功能的FPGA来替代标准硬件部件。“如果能对FPGA进行编程来处理数字化输入，而且其处理能力与几个标准DSP的效果相当，那么整体成本和功耗肯定会大大降低。”Pentek的副总裁Rodger Hosking表示。

TI则采取了相反的作法，它将注意力集中在打造灵活的标准硬件上，以此来处理不断增多的波形、带宽和协议。“我们从几年前就开始这样做了。”TI无线部CTO Bill Krenik这样说，“手机具有处理新带宽所需的扩展功能，将这种能力整合进硬件平台并且利用软件实施控制的方案具有更高的性价比。”

TI能够改善其制造工艺来满足这些需求。TI目前的65nm工艺能针对多个标准整合硬件，而在未来几年随着需求的增长，TI预期将能转向32nm。据TI透露，这样做不仅可以为集成更多标准提供空间，而且还可以降低整体功耗。

建模和仿真确有帮助吗？

为今后以及仍未知的通讯特性打造一个不充分的硬件平台所带来的风险，在这些特性以软件实现之前是无法预知的。设计师或许在部署了某个硬件平台之后，才能确定它缺乏支持所需特性的性能或电池功率，而为了进一步发展，就必须逐步淘汰这个平台。

第二个风险则来自于有关平台的预测，在软件实施这样重要的部分没有完成之前，无法轻易证明平台是正确的。在硬件平台还没有部署的时候，很可能已经导致了大量的设计返工或者产品上市延迟。

上述两种风险都回避了这样一个问题，即是否可能在项目的开始，就获得对软硬件失配性可能性的良好指引。解决该问题的方法之一就是对元器件进行建模，并仿真它们之间的交互作用。硬件工程师多年来一直都在使用建模和仿真方法，但在其中加入软件是否可行？

软硬件模型现在正变得越来越贴近现实，有时候甚至可以作为直接实现的一部分来使用。像Mathworks和Wolfram Research这样的分析软件供应商，可使设计人员生成全面的软硬件交互模型，并对交互作用进行仿真。通过这些，设计师能够确认并解决技术问题，并通过改变模型参数对“what if”情况进行分析。

采用Wolfram的Mathematica分析软件，软硬件参数都可以利用数学语言进行表述，而且以Mathematica编写的运行时算法可以与C++或Java代码连接。虽然采用这种模型作为运行时代码可能会引发性能或代码长度等问题，但最起码这种模型本身在理解运行于不同硬件配置下的软件模块行为方面很有用处。

而Mathworks公司提供的MatLab，在连接模型与实际的工作代码方面更容易一些，它为包括通信在内的若干功能提供标准模块。例如，近期Mathworks发布了Communications Blockset 3，在设计和仿真通信系统物理层以及手持无线收发器等元器件方面，它的性能有所增强。

MatLab及其配套产品Simulink支持基于模型的设计，这是一种允许工程师生成软硬件交互特定工作模型的技术。工程师可以利用它对这些交互行为进行仿真，并根据已知假设来修改这些交互行为以获得一个可接受的设计。一旦模型最终确定下来，就能将其够转化为Ｃ或其它语言，并将其作为软件或固件实现的一部分。

软件定义无线电

图2：通过使用基于商用模块组的模型进行特性仿真，Simulink帮助用户获得最优化的硬件设计。

这样的方法能够在优化硬件平台和软硬件交互方面提供优势。在软硬件配置完成之前，这样的优势是以额外的设计工作和权衡分析为代价的。该方法会在本已紧迫的开发周期之外增加额外的时间，但是能提高实现的质量。

最佳解决方案

因为不可能对未来所需要的特性进行完全准确的预测，所以硬件平台的设计归结于智能预测。但是这些预测中仍然存在共性，即它们都基于过去的一些要求，应该为未来提供工作指引：

1．尽可能多地使用所提供的处理能力，这里指的是通用处理器和DSP。增加带有先进数字特性的软件模型会消耗掉所有这些处理能力。

2．特别对手机而言，鉴于其更高的性能、更大的存储容量以及更多的软件处理能力，电池使用寿命弥足珍贵。使用电源管理软件或固件可以最大限度延长电池使用时间。

3．在开发周期内，尽早进行软硬件交互建模。如果软硬件中的一方在平台部署之前发生变化或在平台部署之后标准得到了发展，那么这样做可以节省重新设计软硬件的开销。

4．在一切可能的地方使用标准硬件平台和软件模块，当然还要对功耗、性能和成本等方面进行权衡取舍，但是一个标准平台会提供已知的物理特性，据此还会提供各种软件模块。

不存在这样法则，即在任何情况下都能提供最好的SDR无线收发器是，因为不同情况间的差异太过南辕北辙。基站多多少少具有更多的共通特性，所以为了适应较长的生命周期，对技术上的权衡取舍虽然各有不同，但是却同样复杂。

通过使用多种硬件标准和附加的软件，供应商们正在越来越多地延长设备和基础设施的使用周期。设计师能够明智地应用这些部件，以确保无线产品更高程度的兼容性。

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