主頁（http://www.by236.com）：4G技術再革新，SDR支援多種無線電頻段

4G無線通訊涵蓋的頻段眾多，且須向后相容3G/2G技術，造成網路設備與終端使用者裝置極大的設計挑戰，因此相關產品開發商已開始利用軟體定義無線電(SDR)技術簡化硬體配置，并提高支援各種無線電頻段的彈性，以加快多頻多模產品開發時程。

由于行動裝置的普及，終端消費者往往身上同時配備多臺行動裝置，而這些也都成為現代人必備的生活必需品。這些裝置的增加，亦造就使用者對于通訊流量的需求不斷的往大流量與大頻寬增加，因而無線網路通訊也就由2G延續到3G，再往今日的4G延伸，而未來的5G規畫也在各國間展開。 

經由如此的脈絡軌跡，可以發現面對不同的網路速度需求，提供服務的網路設備亦須不斷的發展及更新，且最近幾年的資料需求量爆炸性的成長，亦使設備開發工程師面臨時程緊縮的壓力。另一方面，對于提供通訊服務的營運商來說，快速的網路基礎建置速度等同于大量的使用者加入，亦等同于良好的使用者經驗及利潤。 

早在1990年代中期，北美地區就已開始發展軟體定義無線電(SDR)，當時著重在2G的空中介面(Air Interface)，但是受限于技術因素，使用者端設備采取SDR開發的商業模式并不成功，因此將SDR應用在3G基地臺設備上，也就成為此技術的發展方向，如此延續到4G基地臺的開發上更加被重視。 

傳統上，建構一個無線電系統并非易事，它的設計大部分采用類比電路與元件，比如天線、振蕩器、濾波器、訊號放大器、訊號調變及解調變器、多工/解多工器等。此外，采用類比元件的設計不僅造成售價昂貴，制造成本亦無法壓低，往往也需要工程師不斷的調整與測試，才能達到良好的運作方式。如此設計出來的無線系統，并無法提供設備在成品完成后的性能可調整或重組(Reconfigurable)能力，造成一旦有須要修改或是系統內部更新時，就必須重新設計與制造，此為影響設計成本最大的原因。 

SDR的出現，是希望提供一個可調整或重組能力的無線電硬體解決方案，并利用軟體來加以設定及配置，即可因應不同的使用需求、不同的無線電頻段，提供不同的網路頻寬、不同的無線裝置所需的訊號調變及解調變功能等需求。 

Joseph Mitola III教授于1992年所提出的軟體無線電概念，也希望最終能夠達到在軟體無線電的系統架構里面的設備與系統，在不離線情況下，能夠達成動態的調整與設定此系統上無線電訊號的處理模組與各種參數，以因應不同的需求。在目前長程演進計畫(LTE)的基地臺開發階段上，同樣希望以能夠可調整或重組能力的元件，加速設備的開發時程，提高營運商的布建彈性。 

SDR射頻前端日新月異

自從SDR的想法被提出，相關的功能與運用就被不斷地開發出來，眾多廠商的產品都宣稱具備SDR功能，這里就介紹主要的功能區塊。

小型基地臺(Small Cell)射頻前端的SDR可以分為兩個大架構，一個類比射頻訊號的模組，與一個基頻訊號處理的區塊。目前有許多的廠家推出各自的SDR模組設計，并提供一個測試環境給工程師快速的參考使用，增加自家晶片的市場占有率，同時也會推廣到開放硬體與軟體論壇，讓更多人可以實際的測試使用，而這些公開的資訊也能夠用來了解SDR的設計架構，以及Small Cell應用上的情況。 

由于射頻前端的無線電模組積體電路不斷演進，早期分離式元件組成的射頻收發器訊號電路，于2000年后已有模組化的方案出現，可以提供制造輸出低功率的小型無線電設備廠商使用。此時類比元件，如類比/數位訊號轉換器與訊號調變及解調變器、還有多工/解多工器等都已整合模組化，使得用于制作前端射頻模組的線路復雜度降低許多。但是要制作多頻多模的產品時，設備商使用的仍然是硬體定義無線電(HDR)，利用多層的硬體線路來達成多頻多模的系統需求。 

小型基地臺開發商制作多頻多模產品時，若采用分離式射頻收發器訊號鏈模組化方案的電路，制作上仍然會導致產品設計時間冗長，且墊高生產成本。所以就有廠商開發出整合型射頻收發器，期望能協助開發廠商簡化產品設計，并縮減整體物料清單(BOM)成本。 

對于希望能夠透過同一套硬體平臺，彈性支援各種行動通訊射頻技術的SDR，在基頻訊號處理上是以數位訊號處理器(DSP)與現場可編程閘陣列(FPGA)為主。 

SDR基頻訊號處理　DSP/FPGA巧妙各有不同

FPGA和DSP各自適合不同用途，其中采用DSP主要用來實作通訊協定中的訊號處理演算法，提供可進行最佳化的硬體平臺；而FPGA的用途則大都做為膠合邏輯(Glue Logic)來串接鏈路。射頻前端設計架構上，主要系以整合型射頻收發器晶片外加DSP；或以整合型射頻收發器晶片，外加上DSP-FPGA晶片架構最為常見。 

DSP的采用分為通用型DSP與專用型DSP，專用型DSP一般具有高于通用型DSP的工作效能與速度，且較低的功耗及尺寸。為因應這種需求，相關DSP廠商如德州儀器(TI)與CEVA皆已推出相關商品。而其設計的要點在于小型基地臺上使用的專用DSP，仍保有通用DSP的設計彈性，可執行各種不同的通訊演算法，以滿足基地臺營運商對2G、3G、4G等不同通訊技術的需求。 

由于專用型DSP在架構上針對通訊應用進行最佳化，因此在運行這類通訊演算法時，會比通用型DSP來得更有效率，如常見的向量處理引擎就是實現LTE通訊的多重輸入多重輸出(MIMO)功能時，不可或缺的關鍵元件。還有Sidewinder所推出的Small Cell SDR基地臺，亦是采用PicoArray DSP來運行基頻訊號。 

具有可重復設定的FPGA一直是通訊電子工業常常使用的設計方案，而廠商也都推出具有相關設計功能的FPGA晶片，如近年來常常被提及的DSP-FPGA，它針對DSP應用實現最高的系統整合度，并進行最佳化，成為成本敏感的DSP演算法和需要高DSP性能的協同處理的理想選擇，最常被運用在通訊系統的設計上。DSP-FPGA通常的架構都需要有特別的快速傅立葉轉換(FFT)數學運算能力與邏輯處理單元，用以搭配基頻訊號處理時的功能需求，以達成不同演算法所需的運算能力。 

目前，類比整合型射頻收發器產品，有亞德諾(ADI)與Lime Microsystems等射頻晶片廠商所出產的整合型射頻收發器，均期望以單一顆晶片，即能完成多頻多模的射頻產品設計。 

Lime Microsystems所出產的晶片為LMS6002D多頻多標準射頻收發器，該公司也推出Myriad RF和轉接板，并讓它成為開放硬體計畫(Open Source Hardware Projects)來使用，提供軟體無線電開發者完成無線通訊應用產品時的解決方案。LMS6002D可以工作在300M?3.8GHz的頻率，提供頻寬可由1.5?28MHz多模組選擇，內包含LNA與PA、RX/TX混合器及濾波器，還有接收端(RX)的GAIN控制與傳送端的輸出功率(Power)控制。此外，12位元的類比數位轉換器(ADC)/數位類比轉換器(DAC)，適用在分頻多工(FDD)與分時多工(TDD)兩種工作模式中。 

亞德諾在2013年所推出的1×1和2×2的SDR整合型射頻收發器AD9364與AD9361方案，也是同樣希望能以整合型的類比濾波、混頻器、鎖相回路(PLL)、12位元的ADC與DAC等所有射頻收發器訊號鏈元件，縮減線路與元件的擺放面積，而具備更小體積，也降低BOM及簡化系統設計的成本。其無線電頻率范圍可以由70M?6GHz，提供頻寬200k?56MHz，也搭配賽靈思(Xilinx)FPGA來讓工程師進行設計開發，建構開發與測試系統。 

這些整合型射頻收發器都會接上DSP或是FPGA，以達成軟體無線電的工作硬體，再搭配使用的通訊軟體來完成射頻前端的配置，提供Small Cell極大的布建與工作彈性給設計工程師與營運商，加速產品面市與營運布建時的訊號調整測試工作。

在專為SDR提供整機測試平臺的廠商則有Lyrtech(現為Nutaq)，該公司所制作的PicoSDR采用賽靈思的Virtex-6 FPGA。其射頻(RF)支援頻率范圍為300M?3.8GHz，可選擇的頻寬1.5M?28MHz，提供2×2的MIMO與FDD/TDD均能使用的射頻模組，可應用在LTE系統設計上。 

另外，也有廠商提供eNB整機開發完成的軟體，以快速測試小型基地臺開發商所設計的SDR系統，加速設計流程。 

實際上，已經有廠家開發出SDR小型基地臺，如Airspan的Air4Gp Pico Base Station，利用SDR功能使得此基地臺可支援全球微波存取互通介面(WiMAX)與LTE系統，還有Octasic所設計的OCTBTS 3000 Miniature SDR Base Station Platform都具有相同的功能，其他如中興、Alcatel-Lucent、諾基亞通訊(NSN)等廠商皆已有自己的SDR基地臺推出，突顯SDR技術在LTE基地臺開發上，已經廣泛的被應用。

SDR應用在行動市場遍地開花

過去，使用者或手機/平板端未導入SDR的主因在于相關的技術并未成熟，但時至今日，半導體晶片發展進步神速，因此如輝達(NVIDIA)近期已推出Tegra 4i處理器結合NVIDIA i500 LTE數據機(Modem)的LTE SDR數據機，開啟SDR技術在手機射頻應用中的第一槍，而市場上也還有二十幾家計畫采用SDR技術發展處理器的廠商，用以幫助系統廠商改善LTE手機天線的尺寸與耗電量。 

采用SDR技術將會加速LTE行動裝置上市開發時程，并實現全球漫游。而在基地臺端的進展，以目前最熱門的Cloud RAN或是稱作Centralized-RAN(C-RAN)采取的架構，將會打破現有傳統的基地臺以遠端無線電端(RRU)及室內端單元(IDU)組成的無線電系統，將兩者之間的固定線路連接功能更動改變，以基頻訊號處理功能模組做虛擬化。利用基頻訊號處理能夠集中處理，進而將IDU集中化，促使未來SDR導入C-RAN系統中。藉由SDR的技術，無線電基地臺能夠靈活支援多種無線電技術的關鍵應用。由此可確認到，未來SDR的發展將更為迅速，也將更貼近人們的生活中。 

4G無線通訊涵蓋的頻段眾多，且須向后相容3G/2G技術，造成網路設備與終端使用者裝置極大的設計挑戰，因此相關產品開發商已開始利用軟體定義無線電(SDR)技術簡化硬體配置，并提高支援各種無線電頻段的彈性，以加快多頻多模產品開發時程。

由于行動裝置的普及，終端消費者往往身上同時配備多臺行動裝置，而這些也都成為現代人必備的生活必需品。這些裝置的增加，亦造就使用者對于通訊流量的需求不斷的往大流量與大頻寬增加，因而無線網路通訊也就由2G延續到3G，再往今日的4G延伸，而未來的5G規畫也在各國間展開。 

經由如此的脈絡軌跡，可以發現面對不同的網路速度需求，提供服務的網路設備亦須不斷的發展及更新，且最近幾年的資料需求量爆炸性的成長，亦使設備開發工程師面臨時程緊縮的壓力。另一方面，對于提供通訊服務的營運商來說，快速的網路基礎建置速度等同于大量的使用者加入，亦等同于良好的使用者經驗及利潤。 

早在1990年代中期，北美地區就已開始發展軟體定義無線電(SDR)，當時著重在2G的空中介面(Air Interface)，但是受限于技術因素，使用者端設備采取SDR開發的商業模式并不成功，因此將SDR應用在3G基地臺設備上，也就成為此技術的發展方向，如此延續到4G基地臺的開發上更加被重視。 

傳統上，建構一個無線電系統并非易事，它的設計大部分采用類比電路與元件，比如天線、振蕩器、濾波器、訊號放大器、訊號調變及解調變器、多工/解多工器等。此外，采用類比元件的設計不僅造成售價昂貴，制造成本亦無法壓低，往往也需要工程師不斷的調整與測試，才能達到良好的運作方式。如此設計出來的無線系統，并無法提供設備在成品完成后的性能可調整或重組(Reconfigurable)能力，造成一旦有須要修改或是系統內部更新時，就必須重新設計與制造，此為影響設計成本最大的原因。 

SDR的出現，是希望提供一個可調整或重組能力的無線電硬體解決方案，并利用軟體來加以設定及配置，即可因應不同的使用需求、不同的無線電頻段，提供不同的網路頻寬、不同的無線裝置所需的訊號調變及解調變功能等需求。 

Joseph Mitola III教授于1992年所提出的軟體無線電概念，也希望最終能夠達到在軟體無線電的系統架構里面的設備與系統，在不離線情況下，能夠達成動態的調整與設定此系統上無線電訊號的處理模組與各種參數，以因應不同的需求。在目前長程演進計畫(LTE)的基地臺開發階段上，同樣希望以能夠可調整或重組能力的元件，加速設備的開發時程，提高營運商的布建彈性。 

SDR射頻前端日新月異

自從SDR的想法被提出，相關的功能與運用就被不斷地開發出來，眾多廠商的產品都宣稱具備SDR功能，這里就介紹主要的功能區塊。

小型基地臺(Small Cell)射頻前端的SDR可以分為兩個大架構，一個類比射頻訊號的模組，與一個基頻訊號處理的區塊。目前有許多的廠家推出各自的SDR模組設計，并提供一個測試環境給工程師快速的參考使用，增加自家晶片的市場占有率，同時也會推廣到開放硬體與軟體論壇，讓更多人可以實際的測試使用，而這些公開的資訊也能夠用來了解SDR的設計架構，以及Small Cell應用上的情況。 

由于射頻前端的無線電模組積體電路不斷演進，早期分離式元件組成的射頻收發器訊號電路，于2000年后已有模組化的方案出現，可以提供制造輸出低功率的小型無線電設備廠商使用。此時類比元件，如類比/數位訊號轉換器與訊號調變及解調變器、還有多工/解多工器等都已整合模組化，使得用于制作前端射頻模組的線路復雜度降低許多。但是要制作多頻多模的產品時，設備商使用的仍然是硬體定義無線電(HDR)，利用多層的硬體線路來達成多頻多模的系統需求。 

小型基地臺開發商制作多頻多模產品時，若采用分離式射頻收發器訊號鏈模組化方案的電路，制作上仍然會導致產品設計時間冗長，且墊高生產成本。所以就有廠商開發出整合型射頻收發器，期望能協助開發廠商簡化產品設計，并縮減整體物料清單(BOM)成本。 

對于希望能夠透過同一套硬體平臺，彈性支援各種行動通訊射頻技術的SDR，在基頻訊號處理上是以數位訊號處理器(DSP)與現場可編程閘陣列(FPGA)為主。 

SDR基頻訊號處理　DSP/FPGA巧妙各有不同

FPGA和DSP各自適合不同用途，其中采用DSP主要用來實作通訊協定中的訊號處理演算法，提供可進行最佳化的硬體平臺；而FPGA的用途則大都做為膠合邏輯(Glue Logic)來串接鏈路。射頻前端設計架構上，主要系以整合型射頻收發器晶片外加DSP；或以整合型射頻收發器晶片，外加上DSP-FPGA晶片架構最為常見。 

DSP的采用分為通用型DSP與專用型DSP，專用型DSP一般具有高于通用型DSP的工作效能與速度，且較低的功耗及尺寸。為因應這種需求，相關DSP廠商如德州儀器(TI)與CEVA皆已推出相關商品。而其設計的要點在于小型基地臺上使用的專用DSP，仍保有通用DSP的設計彈性，可執行各種不同的通訊演算法，以滿足基地臺營運商對2G、3G、4G等不同通訊技術的需求。 

由于專用型DSP在架構上針對通訊應用進行最佳化，因此在運行這類通訊演算法時，會比通用型DSP來得更有效率，如常見的向量處理引擎就是實現LTE通訊的多重輸入多重輸出(MIMO)功能時，不可或缺的關鍵元件。還有Sidewinder所推出的Small Cell SDR基地臺，亦是采用PicoArray DSP來運行基頻訊號。 

具有可重復設定的FPGA一直是通訊電子工業常常使用的設計方案，而廠商也都推出具有相關設計功能的FPGA晶片，如近年來常常被提及的DSP-FPGA，它針對DSP應用實現最高的系統整合度，并進行最佳化，成為成本敏感的DSP演算法和需要高DSP性能的協同處理的理想選擇，最常被運用在通訊系統的設計上。DSP-FPGA通常的架構都需要有特別的快速傅立葉轉換(FFT)數學運算能力與邏輯處理單元，用以搭配基頻訊號處理時的功能需求，以達成不同演算法所需的運算能力。 

目前，類比整合型射頻收發器產品，有亞德諾(ADI)與Lime Microsystems等射頻晶片廠商所出產的整合型射頻收發器，均期望以單一顆晶片，即能完成多頻多模的射頻產品設計。 

Lime Microsystems所出產的晶片為LMS6002D多頻多標準射頻收發器，該公司也推出Myriad RF和轉接板，并讓它成為開放硬體計畫(Open Source Hardware Projects)來使用，提供軟體無線電開發者完成無線通訊應用產品時的解決方案。LMS6002D可以工作在300M?3.8GHz的頻率，提供頻寬可由1.5?28MHz多模組選擇，內包含LNA與PA、RX/TX混合器及濾波器，還有接收端(RX)的GAIN控制與傳送端的輸出功率(Power)控制。此外，12位元的類比數位轉換器(ADC)/數位類比轉換器(DAC)，適用在分頻多工(FDD)與分時多工(TDD)兩種工作模式中。  

亞德諾在2013年所推出的1×1和2×2的SDR整合型射頻收發器AD9364與AD9361方案，也是同樣希望能以整合型的類比濾波、混頻器、鎖相回路(PLL)、12位元的ADC與DAC等所有射頻收發器訊號鏈元件，縮減線路與元件的擺放面積，而具備更小體積，也降低BOM及簡化系統設計的成本。其無線電頻率范圍可以由70M?6GHz，提供頻寬200k?56MHz，也搭配賽靈思(Xilinx)FPGA來讓工程師進行設計開發，建構開發與測試系統。 

這些整合型射頻收發器都會接上DSP或是FPGA，以達成軟體無線電的工作硬體，再搭配使用的通訊軟體來完成射頻前端的配置，提供Small Cell極大的布建與工作彈性給設計工程師與營運商，加速產品面市與營運布建時的訊號調整測試工作。

在專為SDR提供整機測試平臺的廠商則有Lyrtech(現為Nutaq)，該公司所制作的PicoSDR采用賽靈思的Virtex-6 FPGA。其射頻(RF)支援頻率范圍為300M?3.8GHz，可選擇的頻寬1.5M?28MHz，提供2×2的MIMO與FDD/TDD均能使用的射頻模組，可應用在LTE系統設計上。 

另外，也有廠商提供eNB整機開發完成的軟體，以快速測試小型基地臺開發商所設計的SDR系統，加速設計流程。 

實際上，已經有廠家開發出SDR小型基地臺，如Airspan的Air4Gp Pico Base Station，利用SDR功能使得此基地臺可支援全球微波存取互通介面(WiMAX)與LTE系統，還有Octasic所設計的OCTBTS 3000 Miniature SDR Base Station Platform都具有相同的功能，其他如中興、Alcatel-Lucent、諾基亞通訊(NSN)等廠商皆已有自己的SDR基地臺推出，突顯SDR技術在LTE基地臺開發上，已經廣泛的被應用。

SDR應用在行動市場遍地開花

過去，使用者或手機/平板端未導入SDR的主因在于相關的技術并未成熟，但時至今日，半導體晶片發展進步神速，因此如輝達(NVIDIA)近期已推出Tegra 4i處理器結合NVIDIA i500 LTE數據機(Modem)的LTE SDR數據機，開啟SDR技術在手機射頻應用中的第一槍，而市場上也還有二十幾家計畫采用SDR技術發展處理器的廠商，用以幫助系統廠商改善LTE手機天線的尺寸與耗電量。 

采用SDR技術將會加速LTE行動裝置上市開發時程，并實現全球漫游。而在基地臺端的進展，以目前最熱門的Cloud RAN或是稱作Centralized-RAN(C-RAN)采取的架構，將會打破現有傳統的基地臺以遠端無線電端(RRU)及室內端單元(IDU)組成的無線電系統，將兩者之間的固定線路連接功能更動改變，以基頻訊號處理功能模組做虛擬化。利用基頻訊號處理能夠集中處理，進而將IDU集中化，促使未來SDR導入C-RAN系統中。藉由SDR的技術，無線電基地臺能夠靈活支援多種無線電技術的關鍵應用。由此可確認到，未來SDR的發展將更為迅速，也將更貼近人們的生活中。