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SDR 開戰
( 12 月 1 日 2006 年)
作者：Nicholas Cravotta，特約技術編輯，EDN雜誌

軟體無線電（software-defined radio，SDR）並不是一項新的技術。過去業界就已經嘗試實現 SDR，但結果都未臻理想。最近再度燃起業界對 SDR 興趣的原因是，創新型軟硬體技術的出現，這些技術能夠以市場可承受的價格提供足夠的彈性、性能和功率效率。例如，寬頻轉換器（wideband converter）現在可以在寬的頻率範圍內工作，並根據某一特定位元解析度來處理收到的波形，而高頻處理器則可以直接與信號工作，從而省掉中頻（intermediate-frequency，IF）級，並降低成本。

SDR 的吸引力來自於這樣一種認知：即轉向一個可處理多種射頻技術的單一硬體平台，其成本不會比那些針對某種應用而提供最低成本的個別無線設計之成本高，這是可以預料的結果。人們期望一個多功能平台可以帶來顯著的規模經濟性，增加射頻功能，並且使軍隊從私有實現的束縛下解放出來。

SDR 的成本效益來自於一個假設：即維護一單一的射頻平台的費用要比管理多個平台來得低。當然，ASIC 在量大的應用中擁有優於 FPGA 和 DSP 實現的成本優勢。但是，當考慮多個平台時，FPGA 和 DSP 的成本會持續降低，軟體也具有可重用性，這些優勢可抵消多個 ASIC 的開發與維護成本。


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規模經濟性
SDR 背後的軍事和商業應用動力是降低成本。軍隊希望經由降低一個設計所必須支援的總射頻數量而實現此一目標。從商用的角度看，SDR 對支援多種射頻技術的關注較少，而是希望減少設計與開發工作，透過廣泛的升級而增加射頻的健壯性，並能在以前實現的基礎上使下一代架構做到矽智財權（intellectual property，IP）可以重複使用。

目前，軍隊要支援 30 個以上的協定。這些協定使用了一系列加密和非加密的（nonsecure）波形。SDR 在軍隊中推廣與發展的推動力量是聯合戰術無線電系統（Joint Tactical Radio System，JTRS）。JTRS 的 SDR 努力目標是推廣現成軟、硬體部件的可用性，使單一的實現便能夠處理多種協定的波形，同時也希望提供最佳的功耗、性能和成本。

在商業應用中，支援多協定的價值低於軍隊應用。通常的情況下，在一個應用領域中只有少數的協議在競爭。行動與安全是關注 SDR 技術發展的兩種非軍事應用。在行動世界中，支援多種射頻技術的基地台（如 GSM 和 CDMA）能夠擴充行動網路的容量，增加潛在的運營收益。對於安全應用（例如員警和消防隊員使用不同的無線電），一種通用的無線電會消除每個人攜帶多種無線電才能相互聯絡的麻煩。

這些願景顯著地改變了產業對 SDR 的處理方法。例如，一款可以在任何頻段上使用的世界性電話只能有限度的使用，市場占有率也很小。軍隊希望的是統一，而商業世界則尋求設計簡化和效率。

SDR 的前途
SDR 的終極目標是建立這樣一種的無線電，其中頻率、中頻、基頻、調變、協議、跳頻等等都是可以編程的。一個典型的無線電實現是要將這些多數特性固定下來，從而限制了無線電。真正的 SDR 則努力要能夠修改所有這些參數。

當前實現的 SDR 距行銷經理們的期望仍然有很長的一段路要走。今天，大多數無線電採用 ASIC 來實現射頻部分，而前端則以特定應用為目標。涵蓋多個頻段和頻率的通用型前端可以用軟體來修改，但它還沒有出現。此外，營運商必須將無線電部分送回工廠重新編制波形，或者採用現場自己更換 RF 模組的方法。

SDR 還能節省其他成本，如動態重新配置射頻資源的能力，以滿足當前的系統需求。考慮到軍事或商用基地台多半採用單一類型的可重配置電路板，你可以透過軟體來配置基地台，以便使它可以支援波形分配。例如，可以將基地台中多個電路板的資源分配為處理 Waveform A 的 20 個通道，以及處理 Waveform B 的 20 個通道。如發生設備故障，例如支援 Waveform A 的 10 個通道無法工作，你可以重新分配剩餘的資源，使它們支援 20/10、15/15，或其他適用於應用和當前波形使用的混合形式。

除了支援多頻段以外，完全動態和可重新配置的無線電還有很多其他好處。例如，一個無線電可以採用正向錯誤校正（forward-error-correction，FEC）技術，以便與該無線電工作的區域匹配。另外，可重配置無線可以立即獲得創新的好處，如更有效的波形實現或健壯的安全機制。

SDR 亦可望減少開發時間，因為設計者可以在現場出現問題或要更換協定時，重新編程一個無線電。例如，雖然協定本身會保持不變，但演算法、波形和調變方式卻在隨時間而不斷地改進。採用了基於 SDR 的結構，就可以不需要重新設計無線電部分，而獲得這些改進與創新的好處。

SCA 框架
在推進軍事 SDR 方面，JTRS 指令的里程碑是軟體通信結構（Software Communications Architecture，SCA）框架。JTRS 正在開發該框架，以打破軟體和硬體之間的鏈結，從而消除在軍隊應用中採用私有實現的固疾。系統實現使用了某種無線電可用的軟、硬體資源，不同供應商的這些資源也各不相同。

SCA 位於作業系統之上，是軟、硬體之間的黏著劑（圖 1）。其目標是：任何符合 SCA 的波形都可以在所有符合 SCA 的無線電硬體上工作。這種軟、硬體互通性是軍隊應用的重要考慮內容，更換一架 F-15 戰鬥機上的無線電可不是件簡單的事。SCA 希望有效地減少現場提供新無線電和升級現有無線電的困難。

今天的 SCA 框架支援波形的可攜性，這是開發者正在追求且為數不多的透明的互通性。這個中間階段在 SCA 發展中的原因是，SCA 框架主要支援通用處理器，如 Pentium 或 PowerPC。但是，為實現夠高的性能和成本效益，今天多數的設計都採用基於 DSP、FPGA 或同時採用兩種形式的專用硬體（圖2）。SCA 能有效地滿足通用處理器的可攜性，但顯然它不能達到專用硬體的標準。這種不足是 SCA 中最弱的一環，但是，如果你不能在各個平台間輕易地移植軟體，就不可能實現所需要的互通性，或更準確地說，有接近或充分的互通性。

JTRS 正在解決專用硬體的問題。一項主要的考量是，設計者是採用一種線性或順序的方式來進行軟體發展，而硬體則在並行處理時才能達到最高效率。開發者定義各個函數的方法對最終實現的效率有主要的影響。當然，可以將一個準備運行在通用處理器上的波形 C 實現，移植到一個 DSP 或 FPGA 上。要做的所有工作只是透過適當工具運行 C 代碼，將其轉換為 FPGA 實現中的函數。但是這個步驟忽略了使用 FPGA 主架構的優點：廣泛的並行性。事實上，利用這種並行性的唯一方法是有效地重做（rework）代碼，這是將一個簡單移植轉換為一次大規模的重新設計。在這點上還有疑問：即事實上 FPGA 是否會增加成本。

這個問題很難解決。最有效的代碼要與所用結構相匹配：FPGA、DSP、混合 DSP 和 FPGA、通用處理器等等。雖然幾乎不可能要求軟體供應商建立這些顯然互異的代碼版本，但單一的通用實現看來也不會有效。

JTRS 試圖在 SCA 規格 Version 3.0 中解決專用硬體問題。期望透過建立抽象的處理資源，將其分配給各種任務。但是，很多開發者認為此方案是支援軟體，不足以趕上 DSP 和 FPGA的能力。尤其 SCA 並沒有清晰地定義抽象等級，迫使供應商用結果去解釋規格，而每種實現相差甚大，事實上成為了專有的實現。此外，在某些情況下，由於實現抽象需要用到更多的軟體，這足以完全侵蝕掉 DSP 和 FPGA 的任何性能優勢。於是，JTRS 就回復成以前版本的 SCA。

DSP 和 FPGA 是在軍事和商業應用中建立有效和高性能價格比 SCA 實現的基礎。通用處理器在實現一般任務時很有效率，但在實現有良好定義、密集計算的處理演算法時，其效率遠低於專用硬體，從而帶來更大功耗和更大尺寸的體積，兩者都不是想要的結果。JTRS 正尋求利用專用硬體的優點，而不需要將軟體搭配到專有硬體實現上。JTRS 經 2005 年的重組後，其領導層決定從內部解決這個問題。另一方面，儘管這個方案限制了業界在標準形成過程中的參與程度，但這個決定可防止商用勢力推動的變化，它會對業界為軍隊供應商推廣 SCA 的速度造成負面的影響。

在 SCA 實現中有效使用專用硬體的工作正在進行中。例如，在 FPGA 或 DSP 上實現 SCA 的一項主要費用是公用物件請求代理架構（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）的使用。CORBA 是在作業系統和 SCA 框架之間的中間件層（middleware layer）。它透過一個軟體匯流排在軟體物件之間傳送資料。在 DSP 或 FPGA 上實現 CORBA 並非簡單的事。但是，有些供應商正在發展一些在專用硬體上實現 CORBA 的方法，它使硬體看起來更像軟體，而不需要做過多的性能折衷。

過渡期的 SDR
對軍隊來說，最高優先順序的工作是使 SDR 達到這樣一個程度：即無線電部分不再是私有的平台，而 JTRS 用它的指令不斷使這個目標在現實世界中成為可能，雖然有些軍事無線電供應商並不熱衷於將原來狹窄的工作領域擴充到更廣闊的競爭中。SCA 是此一事實的基礎。

但在商用世界裡，SCA 框架只有有限的支撐點，或許沒什麼吸引力。雖然很多商業應用可以從基於 SCA 的原則獲得好處，但 SCA 框架也許吞下了過多難以消化的互通性問題。完全可交換的軟、硬體導致了一個只有成本差異的市場。商用世界裡的開放設計幾乎沒有好處，只不過會帶來降低利潤水準的競爭而已。

商用世界在創新上一片欣欣向榮，而在射頻應用中，硬體是主要的差異化根源。SCA 框架禁止引入專用硬體。但是，隨著 SCA 標準的發展，不採用正式標準而讓自己來處理會有更高的效率。事實上，今天部署的很多商用基地台都有某些軟體定義基礎，相當數量的功能是由軟體實現的，如代碼的遠端升級修補、可編程的基頻處理器，以及可以支援多種波形的 DSP 和 FPGA。基地台只使用了一些零碎東西，可以說是最大的意義。

SDR 有廣泛的採納範圍。軍隊在追求完全互通性和可交換性的理想境界。商用世界則致力於效率、功率和成本的均衡。由於這些目標與應用的差異，他們就像在處理兩種不同的技術。

作者簡介
特約技術編輯 Nicholas Cravotta 主要是報導數位與通信技術，包括網路、匯流排和資料安全。他正在為視頻 iPod 開發一種獨特的附件。



更多資訊
Altera
www.altera.com		Pentek
www.pentek.com
JTRS Program (including information on SCA specifications)
enterprise.spawar.navy.mil/body.cfm?type=c&category=27&subcat=60		 SDR Forum
www.sdrforum.org
 
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