下一代無線電必須更具靈活性

將先進(jìn)的無線電標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為商業(yè)上可行的通訊設(shè)備，這其中面臨很多困難，而一個重要的障礙就是無法通過簡單的修改使產(chǎn)品適應(yīng)多個鏈路級標(biāo)準(zhǔn)和帶寬。這種狀況限制了硬件的商業(yè)使用壽命，反過來又影響了設(shè)計參數(shù)。簡言之，不能適應(yīng)技術(shù)或市場需求變化的無線手機(jī)，將無法獲得在工程資源方面的投資，而這恰是它們在競爭中存活下去的必要條件。

軟件定義無線電(SDR)提供了一整套無線電技術(shù)，可以進(jìn)行動態(tài)編程以支持各種不同的波形、滿足新涌現(xiàn)的鏈路級連接標(biāo)準(zhǔn)、提供新的通信協(xié)議和特性，并能改善性能和提供新服務(wù)。美國軍方目前已經(jīng)使用SDR為士兵配備無線電，以便士兵能無線下載軟件模塊，并與使用不同波形和頻率的支援飛機(jī)、偵察機(jī)以及其它軍事系統(tǒng)建立聯(lián)系。

SDR技術(shù)可以為商用無線手機(jī)供應(yīng)商帶來類似的優(yōu)勢嗎？這些供應(yīng)商不僅面臨較短產(chǎn)品生命周期和不同設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的困擾，還具有極高的成本敏感度。原則上，SDR似乎能夠提供現(xiàn)成且極具吸引力的解決方案，但在設(shè)計和實施優(yōu)化方案的時候，SDR卻面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。總體而言，如果一個硬件平臺足夠通用以支持軟件中的各種特性，那么它就必須集成昂貴的元件或消耗大量的功率，或者兩者皆有。有沒有方法能夠打破這種性能權(quán)衡的怪圈呢？


圖1：Pentek的雙數(shù)字上/下變頻模塊方案。

當(dāng)然我們有足夠的動機(jī)要這樣做。在連接的另一端，也就是基站，這樣做或許可以得到相當(dāng)大的回報。手機(jī)產(chǎn)品生命周期短暫這個現(xiàn)實，使一個直接的軟件方案對手機(jī)而言或許不像對無線基站那樣有很大的吸引力，通常人們認(rèn)為后者更加昂貴而且擁有更長的預(yù)期使用壽命。用軟件處理取代缺乏多頻帶能力的專用波形處理硬件，在一個基站的使用年限內(nèi)可以為運營商節(jié)省數(shù)十萬美元。

但是手機(jī)的基本原理與基站不同。手機(jī)的目標(biāo)是：內(nèi)置支持功能使用戶可以添加新的服務(wù)，可以在跨國旅行中獲得有效的傳輸信號。這就要求手機(jī)具有接收并解碼各種波形(可能穿越多種帶寬)的能力。

基礎(chǔ)設(shè)施則不需要支持多個標(biāo)準(zhǔn)，但是它必須能在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與時俱進(jìn)演變的過程中不斷提供相應(yīng)的支持，它必須能夠為基站“提供一張CD”，而后安裝軟件進(jìn)行升級，這種升級在一個已經(jīng)確定的波形標(biāo)準(zhǔn)中實現(xiàn)著變化，或者通過增加協(xié)議來實現(xiàn)新特性。

對多個規(guī)范的支持

但是設(shè)計方法與具體的硬件架構(gòu)緊密相連，這就導(dǎo)致了從規(guī)范到最后嶄新硬件平臺的推出全都要從頭開始。這也就是為什么對硬件元器件的選擇可能造成設(shè)計方案極大不同的原因。

信號進(jìn)行數(shù)字化的過程越快，就越能更快利用軟件模塊來適應(yīng)不同的特性?？紤]到設(shè)計的總體權(quán)衡，A/D轉(zhuǎn)換提供了一個機(jī)會?？梢圆捎靡韵路绞竭M(jìn)行：根據(jù)必須處理的通信信道數(shù)來優(yōu)化功率和成本，以滿足特殊需求。例如，與語音通信相比，可能要為網(wǎng)上沖浪分配更多的信道。

Pentek公司的方案(圖1)是考慮利用可以實現(xiàn)特定用途功能的FPGA來替代標(biāo)準(zhǔn)硬件部件。“如果能對FPGA進(jìn)行編程來處理數(shù)字化輸入，而且其處理能力與幾個標(biāo)準(zhǔn)DSP的效果相當(dāng)，那么整體成本和功耗肯定會大大降低。”Pentek的副總裁Rodger Hosking表示。

TI則采取了相反的作法，它將注意力集中在打造靈活的標(biāo)準(zhǔn)硬件上，以此來處理不斷增多的波形、帶寬和協(xié)議。“我們從幾年前就開始這樣做了。”TI無線部CTO Bill Krenik這樣說，“手機(jī)具有處理新帶寬所需的擴(kuò)展功能，將這種能力整合進(jìn)硬件平臺并且利用軟件實施控制的方案具有更高的性價比。”

TI能夠改善其制造工藝來滿足這些需求。TI目前的65nm工藝能針對多個標(biāo)準(zhǔn)整合硬件，而在未來幾年隨著需求的增長，TI預(yù)期將能轉(zhuǎn)向32nm。據(jù)TI透露，這樣做不僅可以為集成更多標(biāo)準(zhǔn)提供空間，而且還可以降低整體功耗。

建模和仿真確有幫助嗎？

為今后以及仍未知的通訊特性打造一個不充分的硬件平臺所帶來的風(fēng)險，在這些特性以軟件實現(xiàn)之前是無法預(yù)知的。設(shè)計師或許在部署了某個硬件平臺之后，才能確定它缺乏支持所需特性的性能或電池功率，而為了進(jìn)一步發(fā)展，就必須逐步淘汰這個平臺。

第二個風(fēng)險則來自于有關(guān)平臺的預(yù)測，在軟件實施這樣重要的部分沒有完成之前，無法輕易證明平臺是正確的。在硬件平臺還沒有部署的時候，很可能已經(jīng)導(dǎo)致了大量的設(shè)計返工或者產(chǎn)品上市延遲。

上述兩種風(fēng)險都回避了這樣一個問題，即是否可能在項目的開始，就獲得對軟硬件失配性可能性的良好指引。解決該問題的方法之一就是對元器件進(jìn)行建模，并仿真它們之間的交互作用。硬件工程師多年來一直都在使用建模和仿真方法，但在其中加入軟件是否可行？

軟硬件模型現(xiàn)在正變得越來越貼近現(xiàn)實，有時候甚至可以作為直接實現(xiàn)的一部分來使用。像Mathworks和Wolfram Research這樣的分析軟件供應(yīng)商，可使設(shè)計人員生成全面的軟硬件交互模型，并對交互作用進(jìn)行仿真。通過這些，設(shè)計師能夠確認(rèn)并解決技術(shù)問題，并通過改變模型參數(shù)對“what if”情況進(jìn)行分析。

采用Wolfram的Mathematica分析軟件，軟硬件參數(shù)都可以利用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行表述，而且以Mathematica編寫的運行時算法可以與C++或Java代碼連接。雖然采用這種模型作為運行時代碼可能會引發(fā)性能或代碼長度等問題，但最起碼這種模型本身在理解運行于不同硬件配置下的軟件模塊行為方面很有用處。

而Mathworks公司提供的MatLab，在連接模型與實際的工作代碼方面更容易一些，它為包括通信在內(nèi)的若干功能提供標(biāo)準(zhǔn)模塊。例如，近期Mathworks發(fā)布了Communications Blockset 3，在設(shè)計和仿真通信系統(tǒng)物理層以及手持無線收發(fā)器等元器件方面，它的性能有所增強(qiáng)。

MatLab及其配套產(chǎn)品Simulink支持基于模型的設(shè)計，這是一種允許工程師生成軟硬件交互特定工作模型的技術(shù)。工程師可以利用它對這些交互行為進(jìn)行仿真，并根據(jù)已知假設(shè)來修改這些交互行為以獲得一個可接受的設(shè)計。一旦模型最終確定下來，就能將其夠轉(zhuǎn)化為Ｃ或其它語言，并將其作為軟件或固件實現(xiàn)的一部分。



圖2：通過使用基于商用模塊組的模型進(jìn)行特性仿真，Simulink幫助用戶獲得最優(yōu)化的硬件設(shè)計。

這樣的方法能夠在優(yōu)化硬件平臺和軟硬件交互方面提供優(yōu)勢。在軟硬件配置完成之前，這樣的優(yōu)勢是以額外的設(shè)計工作和權(quán)衡分析為代價的。該方法會在本已緊迫的開發(fā)周期之外增加額外的時間，但是能提高實現(xiàn)的質(zhì)量。

最佳解決方案

因為不可能對未來所需要的特性進(jìn)行完全準(zhǔn)確的預(yù)測，所以硬件平臺的設(shè)計歸結(jié)于智能預(yù)測。但是這些預(yù)測中仍然存在共性，即它們都基于過去的一些要求，應(yīng)該為未來提供工作指引：

1．盡可能多地使用所提供的處理能力，這里指的是通用處理器和DSP。增加帶有先進(jìn)數(shù)字特性的軟件模型會消耗掉所有這些處理能力。

2．特別對手機(jī)而言，鑒于其更高的性能、更大的存儲容量以及更多的軟件處理能力，電池使用壽命彌足珍貴。使用電源管理軟件或固件可以最大限度延長電池使用時間。

3．在開發(fā)周期內(nèi)，盡早進(jìn)行軟硬件交互建模。如果軟硬件中的一方在平臺部署之前發(fā)生變化或在平臺部署之后標(biāo)準(zhǔn)得到了發(fā)展，那么這樣做可以節(jié)省重新設(shè)計軟硬件的開銷。

4．在一切可能的地方使用標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺和軟件模塊，當(dāng)然還要對功耗、性能和成本等方面進(jìn)行權(quán)衡取舍，但是一個標(biāo)準(zhǔn)平臺會提供已知的物理特性，據(jù)此還會提供各種軟件模塊。

不存在這樣法則，即在任何情況下都能提供最好的SDR無線收發(fā)器是，因為不同情況間的差異太過南轅北轍。基站多多少少具有更多的共通特性，所以為了適應(yīng)較長的生命周期，對技術(shù)上的權(quán)衡取舍雖然各有不同，但是卻同樣復(fù)雜。

通過使用多種硬件標(biāo)準(zhǔn)和附加的軟件，供應(yīng)商們正在越來越多地延長設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的使用周期。設(shè)計師能夠明智地應(yīng)用這些部件，以確保無線產(chǎn)品更高程度的兼容性。