軟件無線電在車載無線應(yīng)用設(shè)計中的優(yōu)勢

這些還沒有包括紅外無線應(yīng)用、遙控鑰匙等，加上將來肯定會集成到車內(nèi)的無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和4G通訊網(wǎng)絡(luò)，汽車相關(guān)的無線系統(tǒng)會涵蓋一個相當大的范疇。然而無線應(yīng)用不僅要適用于相關(guān)的頻率，還要滿足規(guī)定的調(diào)制算法。所以現(xiàn)有的車載無線應(yīng)用都是采用單獨的軟硬件模塊來實現(xiàn)的。比如收音機，普遍的解決方案是利用一個收音機模塊進行收音解調(diào)，然后通過專門的通訊協(xié)議(比如I2C)和主處理器交互，并顯示在人機界面上。

獨立的軟硬件模塊通常意味著簡潔的軟件設(shè)計和較低的硬件成本。不過它也有它的弱點：硬件模塊的更改通常意味著比較大的系統(tǒng)改變。比如收音機要加上RDS的功能，一般要重新選擇新的收音機模塊，重新設(shè)計系統(tǒng)接口以適應(yīng)新的收音機模塊，重新設(shè)計軟件來容納RDS功能等。

車載無線應(yīng)用涉及眾多的獨立硬件模塊和快速發(fā)展的新技術(shù)，同時變更硬件模塊和修改軟件模塊可能會導致滯后的上市時間和較高的設(shè)計成本。軟件無線電是一個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，以下本文將就在車載系統(tǒng)中引入軟件無線電模塊展開討論。

軟件無線電簡介

傳統(tǒng)的無線電應(yīng)用都是依靠模擬電路來實現(xiàn)的。軟件無線電的目的就是把無線電領(lǐng)域的硬件問題變成軟件問題，其基本思想就是用軟件解調(diào)接收到的電磁波和用軟件控制發(fā)射的電磁波。軟件無線電的基本框架如下圖。

從框圖中可以看到，模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器是聯(lián)系連續(xù)的模擬信號和分立的數(shù)字信號的橋梁，而軟件可以控制的是數(shù)字信號。應(yīng)用軟件代碼高效分析和合理控制數(shù)字信號，軟件無線電原則上可以實現(xiàn)傳統(tǒng)無線電的所有應(yīng)用，并且具有傳統(tǒng)無線電設(shè)備所沒有的靈活性――軟件代碼實際上可以根據(jù)用戶的需求實時調(diào)整。也就是說，使用同一塊硬件，軟件無線電軟件可以完成傳統(tǒng)無線電需要多塊硬件才能完成的任務(wù)，比如同時接收FM信號和電視信號。

車載軟件無線電

現(xiàn)在是考慮用軟件無線電來代替汽車內(nèi)傳統(tǒng)無線電應(yīng)用的時候了。要實現(xiàn)這個方案，首先需要設(shè)計一個通用的軟件無線電模塊。這個模塊應(yīng)該包含示意圖中的模塊，而且還要有較好的靈活性，最后還必須有和外部設(shè)備通訊的高速接口。下圖給出了一個簡單的示意例子。

其中，DAC是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，ADC是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，BUS是可編程接口。

其次，看一看作為可編程單元的FPGA。當主控單元通過可編程接口配置好FPGA之后，F(xiàn)PGA就會按照我們預(yù)先設(shè)計的程序進行工作。在軟件無線電領(lǐng)域，以接收為例，F(xiàn)PGA完成的任務(wù)包括按照主控單元指定的頻率段把ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基頻段數(shù)據(jù)，即所謂數(shù)字化下行轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換過去是非常消耗系統(tǒng)資源的，隨著硬件處理能力的提高和軟件算法的更新，無線電領(lǐng)域的上下行轉(zhuǎn)換目前基本上可以實時完成。賽靈思和Altera都提供高性能的FPGA，它們完全可以勝任上述任務(wù)。

再其次，數(shù)字化下行轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)會通過可編程接口傳輸給主控單元。這個數(shù)據(jù)的流量會根據(jù)應(yīng)用和數(shù)字化下行轉(zhuǎn)換算法的不同有較大的變化。典型的數(shù)據(jù)率是每秒數(shù)十兆字節(jié)，這個速度可以適應(yīng)目前車內(nèi)常用的無線系統(tǒng)，而滿足這個數(shù)據(jù)率的通用接口可以選：

一般地，USB總線是一個很好的選擇：簡便而易得。

數(shù)據(jù)經(jīng)接口/總線傳給主控單元，主控單元會按照用戶要求處理數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的嵌入式處理器不僅主頻超過1GHz，而且多核，比如Intel Atom，每秒上十億次的浮點運算能力足以讓應(yīng)用程序完成軟件無線電要求的工作。

射頻(發(fā)射/接收)板和數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用非常重要，它們的性能將直接決定軟件無線電可以處理什么樣的問題。理論上，轉(zhuǎn)換器采樣頻率必須至少是待測頻率的2倍，然而采樣率非常高的轉(zhuǎn)換器較為昂貴。利用射頻板可以將待測頻率從較高的頻段降至轉(zhuǎn)換器的工作頻段。市面上的射頻板可以將高至6GHz的射頻信號的頻率降至中頻10MHz以下，而20MHz的轉(zhuǎn)換器比較容易找到，而且有不錯的精度(16位)。

至此，通用的軟件無線電模塊搭建成功。剩下的事情就是發(fā)揮產(chǎn)品設(shè)計師和軟件工程師的想象力，設(shè)計和開發(fā)完美的車載無線電應(yīng)用。一個手到擒來的例子就是，利用軟件無線電，只要給每個座位上配一個耳機，各個乘客就可以自主選擇最喜愛的FM電臺而不受其他人的影響――這在只有一個FM收音模塊的系統(tǒng)中是不可能完成的任務(wù)。

可以肯定，以現(xiàn)有的技術(shù)，實現(xiàn)多樣化的車載無線電應(yīng)用是完全可行的。然而，無線電在各個國家都是受控制的領(lǐng)域，沒有授權(quán)的應(yīng)用通常無法上市。隨著技術(shù)的成熟，相信這一領(lǐng)域的控制方法也會有所改進，使廣大汽車用戶能夠早日享受到車載軟件無線應(yīng)用帶來的自由體驗。

本文小結(jié)

毫無疑問，用軟件無線電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車內(nèi)無線應(yīng)用，不僅能夠給車載無線系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大的靈活性，而且還會產(chǎn)生許多創(chuàng)新性的應(yīng)用。雖然從設(shè)計到實現(xiàn)還有一段很長的道路要走，我們要相信：一切皆有可能是科技對未來的有力詮釋。