软件无线电的过去、现在和未来

2018-01-15 来源:电科防务研究 我要评论(0) 字号:

“软件定义的无线电(Software Defined Radio,SDR) 是一种无线电广播通信技术,它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级,而不用完全更换硬件。”

一、过去——软件无线电的30

“软件无线电”(SDR)作为一个术语已经存在了约30年,在科技界很长一段时间,软件无线电是一个共同的讨论话题,也夹杂有误解。根据“无线创新论坛”(以前称为SDR论坛)定义,软件无线电是“一部分或全部物理层功能由软件定义的电台”。该术语强调波形的物理层处理,与射频(RF)前端无关,这是一个常见的误解。

三十年后,软件无线电已成为一个重要的行业标准,应用于从军事战术电台到蜂窝手机,几乎凡是电台都是软件电台。半导体和软件技术的持续发展,将推动更高开发生产力和更具成本效益的产品,因此软件无线电的前景没有止境。

二、现在——软件无线电已成为事实上的行业标准

在信号情报、电子战、测试和测量、公共安全通信、频谱监测和军事通信等市场中,软件无线电已成为事实上的行业标准。其中一些市场使用硬件专用集成电路(ASIC),而其他市场已使用可编程数字信号处理器(DSP)。图1显示了过去30年采用软件无线电的进展情况。图中,无论是否使用软件无线电这个术语,最靠近中心的深蓝色部分代表从硬件无线电架构转型到软件无线电架构的第一批市场。

在这些市场中,推动软件无线电发展的技术是来自亚德诺半导体(Analog Devices)等公司的射频集成电路(RFIC)和来自赛灵思(Xilinx)等公司的具有成本效益的数字信号处理器(DSP)密集型现场可编程门阵列(FPGA)的出现。这两种技术的结合,满足了军事战术电台市场数十亿美元的需求,也搅起了一些“市场波动”,这对软件无线电技术发展的影响是巨大的,远远超过了单一军事通信市场的影响。联合战术无线电系统(JTRS)计划为用于军用电台的软件无线电技术的开发和产品化提供了资金,形成了包括半导体、工具和软件公司在内的供应商的强大生态系统。在工具方面,软件无线电要求波形尽可能在不同的硬件平台之间移植,促进了软件通信架构(SCA)核心框架以及电子设计自动化(EDA)和半导体公司更好的编程工具的产生发展。

图1.连续迭代的SDR已经成为无线电行业的主宰,并将继续发展

RFIC、FPGA和EDA工具的进步是在4G LTE基础设施驱动下实现二代软件无线电的重要因素。几乎所有的LTE基站都是用RFIC和FPGA开发的。一些较大的基础架构供应商最终将转向专用集成电路(ASIC),但即使如此,基带ASIC大部分也是可编程的,因为它们使用与“硬件加速器”相连的处理器实现计算密集型功能,例如turbo解码,通常会超出处理器的性能或功能限制。

第三代软件无线电显示了第二个市场波动发生在4G LTE手机持续向软件无线电架构转型时。这种转变是由泰思立达(Tensilica)和高通(Qualcomm)等公司提供的用于手机优化的低功耗、高性能DSP内核实现的。像用于基础设施的基带ASIC一样,这些内核将被集成到专用标准产品(ASSP)或ASIC中,大部分用于物理层处理,连接硬件加速器。一旦发生这种转变,软件无线电就呈指数级增长了,并逐渐成为无线电的实际行业标准。

三、未来——下一代软件无线电

软件无线电的未来是什么?随着4G手机的普及推动了软件无线电发展,5G、物联网(IoT)和传感器网络等新兴技术的前景再次将软件无线电的增长提高一个数量级。什么技术驱动力能将软件无线电提升到这么高的位置?与软件无线电的先前几次飞跃发展一样,驱动力将可能是硬件和软件技术的组合。

下一个硬件技术驱动力之一是将模拟和数字技术结合在单片芯片上,以降低成本、尺寸、重量和功耗(SWaP)。对于基础设施,发展的驱动力可能是集成模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的FPGA。对于手机和传感器,则可能是应用处理器,也可以集成ADC和DAC。

然而,如果软件和工具的发展跟不上,硬件的革新将无法发挥作用。毕竟,这是软件无线电的整体。为了开发这些芯片,并在上面运行波形和应用软件,将需要更好的可用于模拟和数字领域进行设计和调试的系统级工具。随着软件无线电应用于越来越复杂的任务,它们的设计将采用更强大的FPGA来实现增强型DSP。因此,对可处理数据量和复杂性快速增长的FPGA工具的需求日益增长。

虽然通用处理器(GPP)过去已在软件无线电业界获得很好应用。但人们仍在继续努力使GPP满足5G和军事通信等领域的性能要求。图形化编程软件(LABVIEW)FPGA模块和射频片上网络(RFNoC)等软件工具提供了最新型的简化的用户体验,可实现更高的FPGA编程效率。

归根结底,集成融合将推动下一代软件无线电,关键是将模拟和数字技术集成到混合信号芯片中。但软件无线电基本上达到了一个临界点,增长的主要限制是软件而不是硬件。若没有能实现GPP和FPGA无缝编程的软件开发环境,下一代软件无线电的新硬件功能将无法被充分利用,开发将遇到阻滞。LabVIEW FPGA等工具能使非HDL(硬件描述语言)专家的无线工程师能够开发并快速重复精尖复杂的设计,为继续开启下一代软件无线电发展提供了最佳的条件。

感谢编译/述评:中国电科7所   防务蓉

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