軟體定義無線電(SDR)誕生可以追溯到1970年代，最初僅限於軍事應用。然而，受益於現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)和數位訊號處理器(DSP)訊號處理技術進步、基於積體電路(IC)無線電收發器發展以及小型蜂巢無線網路普及，導致SDR市場在2000年代初期快速擴大。
本文將解釋SDR背後基本概念，探討與傳統射頻(RF)架構和一些流行應用相比，SDR所能夠提供之靈活性。考量到無線連接使用越來越重要，本文還將討論可以從SDR受益的潛在新應用。
無線技術無處不在 SDR進一步擴大應用層面
自從馬可尼(Marconi)第一次使用火花發射器跨大西洋發送摩斯密碼(Morse Code)訊息以來，無線連接已經取得長足進步。122年後今天，無線通訊在現今社會中已經無處不在，它能夠提供一種基本連接技術，可以連接智慧型設備，支援蜂巢網路，並能夠將來自其他星球圖像傳送到電視機上。沒有無線技術，社會就無法進步。
射頻工程向來是一項專業技能，並且傳統上屬於類比範疇。從早期開始，無線電通訊主要用於語音通訊和發送/接收訊息，通常使用摩斯密碼。無論是語音還是摩斯密碼，傳輸訊息都需要調變發射器頻率。廣播公司開始使用調幅(AM)進行本地「中波」和遠端「短波」傳輸，頻率調變(FM)也在本地和國家廣播網路甚高頻(VHF)傳輸中變得流行起來。所有無線電接收器和發射器設計都是完全類比式。數位資料傳輸使用無線電調變器和解調器(調變解調器)設備將二進位格式轉換為無線電類比域。頻移鍵控(FSK)是最初用於此類應用之調變技術。
SDR從根本上改變了構建無線電系統方式。但在深入研究SDR運作方式之前，在此先考量一些SDR範例。
業餘無線電愛好者是SDR早期採用者。基於SDR收發器(組合式發射器和接收器)能夠提供一種方便、輕便且高度可攜式，可在災難情況下提供緊急通訊。最近應用案例包括亞速爾群島火山爆發後救援工作協助協調。
SDR廣泛用於科學天文學研究，它能夠控制接收器中心頻率、調整頻寬以及在頻譜「瀑布」顯示螢幕上呈現來自遙遠恒星無線電爆發結果。 伴隨蜂巢網路發展，小型蜂巢開放式無線電存取網路(O-RAN)概念特別適合採用SDR。電信營運商和網路提供商越來越多將SDR用於下一世代5G和6G蜂巢網路研究和基地台。
什麼是軟體定義無線電 從基本認識到實際應用
儘管業界對SDR接收器或發射器構成有多種定義，但這都強調，很大一部分傳統類比電路功能已經被基於軟體的數位訊號處理技術所取代。SDR接收器一個重要元件仍將使用類比電路，且無線電前端檢測從天線接收到的超低電壓射頻訊號。然而，從那時起，主要涉及解調訊號處理交由軟體執行。該軟體可能在專用嵌入式可程式處理器、筆記型電腦或桌上型電腦上運作。
圖1突出顯示了傳統AM超外差(Superhet)無線電接收器主要功能架構圖。來自天線微弱訊號透過帶通濾波器，將檢測訊號頻寬限制為感興趣訊號，然後放大並傳遞到混頻器。混頻器再將接收到訊號與可變頻率振盪器輸出組合，以產生固定中頻(IF)。接收器調諧是透過改變本地振盪器(LO)頻率來實現。中頻放大器能夠顯著提高訊號水準，濾波器去除了混頻器中不需要訊號。之後，進行音訊訊號解調和放大。
圖1 簡單AM超外差無線電原理功能方框圖
對比SDR接收器與圖2不同之處。SDR接收器類比部分僅限於射頻前端。濾波後的訊號被傳輸到類比數位轉換器(ADC)，以便以數位型態進行後續處理。SDR接收器確切架構各不相同。例如，當下越來越流行SDR設計方法不再需要中頻，這種零中頻(ZIF)方法，也稱為直接轉換，是將射頻前端輸出直接傳送到ADC，並直接進入在軟體中執行基頻數位處理功能，包括解調和濾波。
圖2 示例SDR接收器的基本架構方框
上面僅僅簡單討論了SDR基礎知識以及它與傳統射頻技術區別。若想進一步瞭解SDR，可參考其他詳細資訊和資源。這裡推薦一本針對工程師的軟體定義無線電的出色書籍可供下載(https://www.analog.com/en/education/education-library/software-defined-radio-for-engineers.html)，可從亞德諾(Analog Devices)網站獲得。
為簡潔起見，以下只討論接收器架構，但所描述方法也同樣適用於發射器。
選擇開發工具 開始SDR設計
靈活SDR平台具有多種形狀和尺寸。簡單的通用序列匯流排(USB)Dongle要價25美元，而綜合、完整SDR收發器則需要6,000美元以上。一些流行SDR評估套件和開發模組價格在100美元到200美元之間。許多流行SDR平台使用與FPGA結合的商用射頻收發器IC。除了選擇SDR硬體平台外，還需要決定如何對其進行程式設計。
GNU Radio是一個免費開放原始碼DSP程式設計工具鏈，專為構建和設計SDR應用而設計。GNU Radio最初設計純粹是為了教育目的，後來被廣泛用於無線研究和開發、業餘無線電和射電天文學。GNU Radio可提供一組不同功能模組，例如濾波器、圖形顯示、解調器、訊號產生器、數學運算式、通道模型和傅立葉分析函數等。各項功能被部署在工作場所，並使用視覺化流程圖風格程式設計進行連接，參見圖3。
圖3 簡單FM接收器示例GNU Radio流程圖
資料來源：GNU Radio
一個受SDR工程師歡迎工具鏈是使用MATLAB和Simulink及其DSP和SDR擴展。另一個基於GNU Radio但結合SoapySDR框架的SDR開發生態系統是Pothosware。
如果計畫在不構建具體設計情形下嘗試SDR，可以馬上開始使用SDR Console等眾多免費開放原始碼SDR應用。
Lime Microsystems是基於FPGA現場可程式設計射頻(FPRF)收發器供應商，能夠提供多個基於LMS7002系列收發器IC的SDR平台。
LMS7002是一款具有雙收發器高整合度IC，可在100kHz至3.8GHz頻率範圍內進行全雙工操作。
該IC適用於從SDR原型設計、小型蜂巢基地台、衛星通訊網路到設計可重新配置無線物聯網網路等許多應用。圖4展示了LMS7002綜合架構和核心功能特性。
圖4 Lime Microsystems LM7002雙射頻收發器IC功能模組架構
資料來源：Lime Microsystems
Lime Microsystems採用一種創新方法開發基於LMS7002系列的SDR平台，選擇透過Crowd Supply為開發提供眾籌資源。LimeSDR迷你板整合了LMS7002和英特爾(Intel)Altera MAX10 FPGA，能夠在USB Dongle印刷電路板(PCB)上提供完整SDR解決方案，如圖5。
圖5 Lime Microsystems LimeSDR迷你板
資料來源：Lime Microsystems
MyriadRF是一個線上社群，旨在鼓勵將LMS7002系列用於開放原始碼硬體和軟體SDR項目。它可提供對開發工具、資源和專案範例生態系統獲取。對於熟悉Grove Studio平台和樹莓派(Raspberry Pi)的創新者和開發人員，LimeSDR迷你板已經整合在CS-LIME-10 Grove入門套件。
亞德諾的ADALM PLUTO是一個獨立射頻學習模組，它整合有亞德諾AD9363射頻收發器IC和Xilinx Zynq 7000 FPGA，透過USB連接到主機，可在半雙工或全雙工模式下於325MHz至3,800MHz之間操作。PlutoSDR的SDR開發支援包括GNU Radio、MATLAB/Simulink和Pothosware等。
SDR應用範圍廣泛 未來發展充滿驚奇
本文介紹了軟體定義無線電主題。對於嵌入式開發人員、類比設計人員和射頻工程師來說，這是一個令人興奮領域，可以學習新開發技能，並考量開發無線系統新方法。同時也提到了一些可能的應用案例，但SDR令人興奮部分是它能夠立即重新配置，因而可以考量如何將射頻靈活性和敏捷性添加到設計中，可發展一個能夠與LoRa、蜂巢和Wi-Fi一起操作的靈活收發器，而不是受限於使用Sub-GHz LPWAN LoRa等單一射頻資料通訊方法。SDR彈性有助於添加更多功能並減小材料成本和相關元件採購挑戰。
想像一下，可以開發一個能夠適應任何新無線協定的家庭自動化路由器，透過無線(OTA)升級，可以重新配置基於SDR路由器，以充分利用從5G升級到6G等新蜂巢基礎設施。未來可能應用案例或許須要更改路由器天線和類比前端。在設計初始時期，諸如未來可能操作頻率和濾波要求等因素或許會影響前端設計，因此需要整合必要功能。只有使用SDR才能實現這種高彈性的無線通訊設計，並同時保證朝向未來和長期的客戶安全性。
(本文作者任職於貿澤電子)