以軟體無線電為基礎的可程控IC

圖1：高度靈活無線通信系統的關鍵組成部分。

無線通訊技術為現今科技產業中關鍵技術之一，並佔有顯著的使用比例，很難想像現今生活中沒有無線通訊。使用者在各種不同應用領域上，要求不斷增加的數據傳輸速率和範圍覆蓋，對於整體網路，增加了更多附載壓力。由此可見，無論是用戶端裝置或網路基礎建設上，用戶設備或是網路基礎建設的複雜度，均迅速增長以應付呈現指數增長的資料量以及用戶數量。因此，供應商和開發商不斷開發新的設備和硬體平台，以便有效率地使用頻譜和頻帶，進一步協助管理這種複雜性的需求。

因應這一挑戰，無線通信技術供應商已經將目標朝向仿效電腦界已達成的成功模式，以不斷增加的整合度以及可程控性，以因應現有及未來標準與應用。由於迄今為止，尚未有可以符合多種通訊協定、頻段、既標準且符合成本效益的硬體平台，然而在無線領域中此模式難以複製。因此，因應不同的系統，多種裝置還是不可避免的存於複雜設備之中。

然而，近來採用符合成本效益，且整合著具有同等威力次微米CMOS技術DSP的FPGA，使得高度可程控無線系統與通訊協定得以出現在通訊基礎建設市場上。

融合採用由Lime提供像是LMS6002D可程控收發器IC的方式，為高度彈性並包含現今及未來標準的無線系統，提供了平坦的道路。圖一展示這樣的系統典型線路圖，其中關鍵者Lime可程控收發器IC提供了以下特性：

1. Frequency 300MHz-3.8GHz。
2. Highly configurable with numerous bypass options。
3. High level of integration, including dual 12 bit ADC and DAC。
4. Covering all the current and future standards, including 3, 4G and beyond for programmable modulation bandwidths of 1.5, 1.75, 2.5, 2.75, 3, 3.84, 5, 5.5, 6, 7, 8.75, 10, 12, 14, 20 and 28MHz。

重要的是要注意，收發器晶片結合了LNA(RX IN)、PA驅動器(TX VGA2)、Rx/Tx混頻器、Rx/ Tx濾波器、合成器(TX PL、RX PLL)、Rx增益階段(RX VGA1、RXVGA2)和Tx增益階段(TX VGA1)，且僅需要極少的外部元件。因此，可以用來提供高集成和低成本的解決方案。重要的需求像是維持混頻器相位雜訊而提供寬頻範圍、在基頻上可提供多個頻寬選擇的銳截止濾波器、以及收發器鏈路上線性度及雜訊係數預算上等等，均已實現。

很顯然，採用上述的收發器與FPGA，即達成可以涵蓋多頻段及頻率操作的軟體無線電(Software Defined Radio)設計。例如，由於此收發器可以被調整到介於300MHz到3GHz之間的任何頻率，以及所需要的頻寬，因此這個設計可以含括WCDA及LTE所有的3GPP頻段。

此一設計提供系統開發人員優點如下：1.軟體只需要在一個通用平台上發展，因此產品及系統商只需專注在符合規格上；2.通用系統及控制軟體，可以重複使用而大幅縮短開發時間；3.使用一個通用的硬體，可縮短進入市場的時間；4.在不同網路應用下，可迅速客製化或是升級產品；5.使得創新方式的系統及產品成為可能；6.在不同的空中介面上使用相同的晶片，以獲得更低的成本。

這樣能夠以更明確的方式來發展系統，並能提供初期評估設計的性能指標(時延、流量、資源和電力)。值得一提的是，FPGA供應商已提供了一組豐富卓越的系統除錯工具，進一步加快了開發時間。在實際執行方面，開發套件內LIME的可配置收發器電路板，以高速夾層連接(HSMC)接口連接到Altera FPGA設計套件的方式，為重要使用方式之一。這樣的使用組合方式，不論是從消費者、企業的寬頻設備還是white space、軍事、開放原始碼和GNU無線電應用等無線應用均可容易地被創建。圖2中呈現了實際硬體組合，其中LIME通用無線通信工具套件連接到一個支持HSMC的Altera設計平台。

FPGA在這負責提供主要的基頻功能，如調製、解調、編碼？解碼、RF校準等等所有數據鏈的處理。舉例來說，LTE中例如表2的一些需要額外發展的功能，可以現有IP的方式直接購入或整合，以達到最佳化的設計與成本花費。

LIME套件可使得FPGA產生或是處理的任何資料或是訊號的無線通訊成為可能。大幅縮短符合任何標準和無線通訊協議產品的開發時間而可加速產品上市時間。它可用於開發無線各項標準，如3GPP-LTE、WIMAX、W-CDMA/HSPA、CDMA2000和TD-SCDMA，藉由軟體上載可實現在單一硬體平台上進行各項標準的切換。

另外一個低成本入門的方式，透過正在無線工業界快速發展所謂Open Source的行動，尤其是一些組織已採用Open BTS公開資料的概念，我們已經可以看到GSM開放BTS平台部署在不同地區，就如同電腦界中，已看到Linux與其他商業版本作業系統一樣被大量的採用，同樣的情況也預期在無線基礎建設設備與軟體上發生。有鑒於此，一個基本可透過使用USB接口來連接PC或筆電的硬體平台，如圖3已經完成。

此平台包含一個稱作MyriadRF使用Lime收發器(LMS6002D)的RF板、基於Altera的FPGA開發板、以及一片用於連結二者的介面板所組成。整個平台藉由myriadrf.org來支援，此網站包含了完整的設計資訊與實作，亦可在網站訂購。設立一個GSM BTS平台，並連結此系統到運行GSM Open BTS軟體協定棧(software stack)的筆記型電腦，是可以容易實踐的。如此一來，很容易地看出這樣的系統可以解決越來越多的無線接入技術及標準，並可立即編程，以解決額外模式及特性需求。

總之，在不斷演化的無線系統中，靈活性是一個重要的需求。無線OEM製造商所面臨的挑戰是在更短的時間內提供因應不同市場所需的世界性解決方案。通過使用可編程IC，從數位到射頻，滿足從無線產品週期的初始階段到最後的實地布建，評估不同的設計方式，可以有一個更好的選擇。藉由使用單一相同硬體平台，經濟規模可以被達成，更進一步降低成本。