软件定义无线电与空天无人系统

2018 年 4 月 14 日 无人机

软件定义无线电（SDR）不是新技术，已为很多的无线设备（除了制造低成本基于ASIC的低功耗设备，如智能手机和平板电脑）广泛所采用；无人机上见到的联芯的SDR平台，与传统方案使用的2.4G频段WiFi不同，可以让无人机自定义修改无线电频段，从而获得更远的传输距离，解决了核心的图传问题。目前，最大的两家无人机公司大疆、零度均采用了联芯科技的芯片方案，大疆图传以前是使用的WiFi技术，现在用的是软件无线电SDR。自SDR首次提出以来已有30多年了，下面简单介绍下在SDR三十年演进历史中的主要事件。

▌1984年 E-System创造出“软件无线电”术语

E-Systems，就是现在的雷神，在一份公司的新闻稿里创造了“软件无线电”一词。它提到了一个数字基带接收机原型，配备了处理器阵列，处理宽带信号的干扰消除和解调的自适应滤波。

▌1991 SPEAKeasy

第一个军事计划是DARPA的SPEAKeasy，专门要求用软件来实现物理层组件的无线电功能。最初美国空军的首要目标是单台无线电可以支持十种不同的军用无线电协议并工作在2MHz和2GHz之间任意频率。第二个目标是并入新协议和调制的能力，从而可以适应未来的无线电硬件。从DARPA的描述来看，“SPEAKeasy是企图创建无线电世界的PC”。

▌1992 Joseph Mitola在IEEE发表了软件无线电论文

Joe Mitola在1992年 IEEE 美国电信系统会议（National Telesystems Conference）上发表了关于软件无线电的论文 - “Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions”。许多人将其称为软件无线电教父，Miltola也被认为创造了”软件无线电“一词的人，尽管E-Systems先用了。 E-Systems原型机仅仅是一个接收机，因此不是一个完整无线电。后来，1998年Mitola又提出了“认知无线电”概念，无线电可以意识到其频谱环境，并根据需要智能适应。

▌1996 SDR论坛创立

1996年，致力于SDR的第一个行业协会成立 - “模块化多功能信息传输系统（MMITS，The Modular Multifunction Information Transfer System）论坛”。1998年变成了SDR论坛，在2010年又成为了无线创新论坛。论坛由来自政府、行业和学术界的人员和组织组成，推进发展SDR相关技术为目标。它组建了多个工作组和委员会，以激励和引导创新和标准。

▌1997 JTRS创立

JTRS是Joint Tactical Radio System (联合作战无线系统)的缩写，由美国国防部创建，通过抽象层和接口的标准化和定义提高互操作性和博兴可以移植性，称为软件通信架构（SCA， Software Communication Architecture）。数十亿的计划雄心勃勃，在经历了困难、延期和成本超支之后，于2011年被美国国防部副国务卿正式取消了该计划，认为产品和技术不可能满足既定的要求。然而，它却极大地促进了SDR数十年的发展进步。像Rohde & Schwarz、Thales和Harris等设备制造商已经在部署符合SCA的无线电。此外，欧洲防务局设立了欧洲安全软件定义无线电（European Secure Software Defined Radio，ESSOR）计划，继续JTRS SCA的工作。

▌1998 嵌入式SDR自动代码生成

Nutaq（后来的Lyrtech）与MathWorks合作创建了第一个开发环境，可以从TI DSP和Xilinx FPGA的仿真模型直接生成可执行代码。这一创新解决了开发人员和研究人员一个大难题：为嵌入式处理器写代码。DSP和FPGA配置在SignalMster的板上，与A/D和D/A模块连接，是实验室和大学搭建原型首批商业化的SDR开发平台之一。

▌2001 GNU Radio

由MIT的一个PSpectra框架演变而来，GNU Radio由Eric Blossom创立，Sun Microsystems的员工John Gilmore资助。 GNU Radio是PC环境开发SDR应用的开源框架。截至2012年已拥有5000多个用户，是目前最流行的SDR开发工具。齐全的波形支持，如P25、802.11、ZigBee、蓝牙、RFID、DECT、GSM，甚至是LTE（仍在进行中）都可以从存储库下载并运行在任何的x86系统上。

▌2004 FCC首次批准商业化SDR

Vanu公司的Anywave基站成功地通过了FCC（ Federal Communications Commission，美国联邦通讯委员会）认证。Anywave是一个能够同时运行GSM和CDMA两个运营商的双模基站，所有协议层在x86 CPU上运行。Vanu公司是由Vanu Bose创立，MIT Pspectra框架的主要贡献者。

▌2004 PHY处理器

Picochip（现在的 Mindspeed Technologies）推出了PC102，专为PHY处理（通常称为基带处理器）而设计的处理器。PC102针对3G基础设施市场，有308个处理单元，14个专用协处理器（加速器）和能处理MAC层以及其他协议的单元。PC102板子大大减少了无线设备的尺寸、成本和功耗。Picochip是新一代专业处理器的发起者。它为新的玩家铺平了道路，如Octasic的24核OCT2224W和Coherent Logix的HyperX系列，促使传统供应商提出SDR优化的架构，产生了TI的Keysto系列和Freescale的QorIQ。

▌2006年 TI和Xilinx一起推动嵌入式SDR开发

Texas Instruments和Xilinx与Nutaq（后来的Lyrtech）一起合作，创建了第一个完全集成独立的SDR开发平台。它配备了一个ARM、一个DSP、一个FPGA和一个可调的前端，频率从200 MHz到1 GHz。该平台比鞋盒小，而且可以由电池供电，这为SDR走出实验室的应用和实验开辟了新的可能性。

▌2008 Sandbridge Technologies推出基带处理器

Sandbridge Technologies推出了SB3500基带处理器，能够在任何通用的多模、多功能移动平台所需的无线协议上运行。其架构创新为当今使用或为今后开发的任何无线协议提供可升级的性能，包括LTE、HSPA、3G WiMAX、Wi-Fi、DVB-H、GPS以及所有多媒体格式。2011年 Sandbridge Technologies公司被无锡德思普公司所收购。

▌2009 第一款商用单芯片射频前端

Lime Microsystems公司推出了射频集成电路（RFIC）LMS6002。随后又推出了LMS6002D，已集成了数据转换器。 RFIC在400 MHz和4 GHz之间任意可调，支持高达28 MHz带宽，并提供一个可选的16位基带滤波器组。此后，其他芯片厂商也开始提供RFIC解决方案。

▌2015 微软研究院软件无线电项目Sora开源

2015年微软研究院软件无线电项目Sora(Microsoft Research Software Radio)正式通过GitHub开源。Sora的软硬件平台的创新使得它可以在PC上完成高性能的无线信号处理。

华为、中兴早在一些网络基础设施上采用了SDR技术。2015年联芯发布的28nm SoC智能手机芯片平台LC1860直接让SDR技术应用到了小米公司的红米2A。SDR在手机上的成功应用，也意味着一个无线新时代的到来。SDR正在逐步应用到更多的产品和领域，芯片技术的发展是SDR技术发展的推动力。SDR可以支持无限量的通讯协议和多媒体应用，这得益于SDR芯片的计算能力。物联网、5G等网络的发展会给SDR带来新的发展空间。而近几年发展起来的“异构系统架构”（HSA，Heterogeneous System Architecture）技术的将会为SDR技术发展注入带来新的活力。

最后，看一看NI公司对SDR的发展的描绘：

与传统方案使用的2.4G WiFi频段不同，联芯的SDR平台可以让无人机自定义修改无线电频段，从而获得更远的传输距离，解决了核心的图传问题。目前，最大的两家无人机公司大疆、零度均采用了联芯科技的芯片方案，大疆图传以前是使用的WiFi技术，现在用的是软件无线电SDR。

SDR为英文Software-defined radio的简写，直译为“软件定义无线电”。“软件无线电”（SDR）作为一个术语已经存在了约30年，在科技界很长一段时间，软件无线电是一个共同的讨论话题，也夹杂有误解。根据“无线创新论坛”（以前称为SDR论坛）定义，软件无线电是“一部分或全部物理层功能由软件定义的电台”。该术语强调波形的物理层处理，与射频（RF）前端无关，这是一个常见的误解。三十年后，软件无线电已成为一个重要的行业标准，应用于从军事战术电台到蜂窝手机，几乎凡是电台都是软件电台。半导体和软件技术的持续发展，将推动更高开发生产力和更具成本效益的产品，因此软件无线电的前景没有止境。

软件定义无线电发展历史

软件定义无线电并不是一个全新概念，早在20世纪80年代初，国外就提出了完整的构想，不过当时限于A/D转换器和可编程器件的性能所以实际电路工作频率很低处理效果也不佳，主要还是提出了概念和发展方向。

软件定义无线电的概念在20世纪90年代被国外军方所看中，因为它适合构建支持多频段、多制式、多协议的通用军用无线电通信平台，便于各军种间甚至多国部队间的通信兼容，又适合军用制式电台硬件上的生产标准化、备件通用性、维护便捷性的要求。美国军方的SPEAKeasy系统就是SDR的首次大规模研发和应用，后来美军为了适应三军联合作战需要开发了JTRS(联合战术无线电系统)。目前国外很多制式军用电台都从数字化架构过渡到SDR架构。

个人移动电话在全世界兴起，随着移动电话的发展各种频段各种制式的移动电话系统陆续开始出现，通信协议也不断发展更新。支持多频段和多制式具有升级特性的手机和基站受到关注，这正好是SDR的强项，所以SDR架构的产品很快进入商用市场并广泛应用。目前中兴和华为都推出基于SDR的基站产品，涉及GSM、WCDMA/LTE、CDMA2000、TD-SCDMA主流制式，市场上受到运营商欢迎，在向4G标准发展过渡中显示出SDR架构基站高灵活性性和低成本升级的优势。

现在软件无线电已成为事实上的行业标准

在信号情报、电子战、测试和测量、公共安全通信、频谱监测和军事通信等市场中，软件无线电已成为事实上的行业标准。其中一些市场使用硬件专用集成电路（ASIC），而其他市场已使用可编程数字信号处理器（DSP）。图1显示了过去30年采用软件无线电的进展情况。图中，无论是否使用软件无线电这个术语，最靠近中心的深蓝色部分代表从硬件无线电架构转型到软件无线电架构的第一批市场。

在这些市场中，推动软件无线电发展的技术是来自亚德诺半导体（Analog Devices）等公司的射频集成电路（RFIC）和来自赛灵思（Xilinx）等公司的具有成本效益的数字信号处理器（DSP）密集型现场可编程门阵列（FPGA）的出现。这两种技术的结合，满足了军事战术电台市场数十亿美元的需求，也搅起了一些“市场波动”，这对软件无线电技术发展的影响是巨大的，远远超过了单一军事通信市场的影响。联合战术无线电系统（JTRS）计划为用于军用电台的软件无线电技术的开发和产品化提供了资金，形成了包括半导体、工具和软件公司在内的供应商的强大生态系统。在工具方面，软件无线电要求波形尽可能在不同的硬件平台之间移植，促进了软件通信架构（SCA）核心框架以及电子设计自动化（EDA）和半导体公司更好的编程工具的产生发展。

RFIC、FPGA和EDA工具的进步是在4G LTE基础设施驱动下实现二代软件无线电的重要因素。几乎所有的LTE基站都是用RFIC和FPGA开发的。一些较大的基础架构供应商最终将转向专用集成电路（ASIC），但即使如此，基带ASIC大部分也是可编程的，因为它们使用与“硬件加速器”相连的处理器实现计算密集型功能，例如turbo解码，通常会超出处理器的性能或功能限制。

第三代软件无线电显示了第二个市场波动发生在4G LTE手机持续向软件无线电架构转型时。这种转变是由泰思立达（Tensilica）和高通（Qualcomm）等公司提供的用于手机优化的低功耗、高性能DSP内核实现的。像用于基础设施的基带ASIC一样，这些内核将被集成到专用标准产品（ASSP）或ASIC中，大部分用于物理层处理，连接硬件加速器。一旦发生这种转变，软件无线电就呈指数级增长了，并逐渐成为无线电的实际行业标准。

软件定义无线电是通过数字信号处理技术在通用可编程数字信号处理硬件平台上，利用软件定义来实现无线电台的各单元功能，对无线电信号进行调制或解调以及测量。SDR架构舍去了传统无线电电路中所有硬件单元包括变频、混频、滤波器、放大器、检波器、解调器等，完全是一种新的架构和技术。理想的软件定义无线电A/D 转换（模数转换）尽量靠近天线，在通用数字信号处理平台上尽量用软件来实现无线电各项功能。理想的软件无线电以单一芯片实现无线电所有功能，但限于器件目前的实际性能在高端应用中硬件设备是由模块化标准化的硬件单元以总线方式连接，构成可编程综合硬件平台。SDR可以构成发射机和接收机，通过加载不同的软件完成各种制式信号的调制和解调。在对讲机电台中SDR架构的优势非常明显，过去一些需要通过复杂昂贵硬件来实现的无线电收发信机中的功能，如频谱显示、接收信号强度测量、多频段工作、跳频、特种调制解调、高强度加密等在软件无线电中均能轻易的低成本实现，而且通过加载不同的软件可以方便地修改和增加不同功能。软件定义无线电是无线电台设备架构继从电子管电路转向晶体管电路后又一次质的飞跃。

在通信测量仪器市场为了适应各种日新月异的通信信号的测量需要，优化测量方案提高了测量精度，射频仪器厂商也把目光投向SDR架构设计。同时SDR架构的测量仪器在硬件批量制造成本、配置灵活性、体积重量控制上都较传统架构仪器有明显的优势。

SDR在业余电台领域的应用主要是近些年的事。一些欧美业余电台制造厂家根据HAM的应用特点和口味推出基于SDR技术的产品，虽然性能上与政府监测级的接收机还有很大距离，但使得业余电台爱好者花费不太多就能初步领略现代通信科技的魅力。SDR业余电台设备中仅凭频谱图和瀑布图就已牢牢的抓住了HAM的心。很多业余电台设备大厂已将下一代业余电台设备锁定SDR技术。有些有技术的HAM利用市场上廉价的SDR硬件平台或利用声卡作为前端A/D转换器，配合外国HAM编制的通用软件在电脑上实现业余电台SDR接收机。使广大HAM能以很低的成本初探SDR的技术特性。此举再次体现了SDR通用可编程数字信号处理平台的灵活性与开放性。

软件定义无线电的优点

软件无线电的主要优点是配置灵活、体积小集成度高、硬件故障率低、硬件成本低、入门门槛低。

SDR是在通用可编程数字信号处理硬件基础上以软件定义方式工作，这就注定了其具有很大的配置灵活性。作为SDR电台，它的工作频段范围、调制与解调、数字信号传输编码加密、执行信号传输协议、操作权限控制都是由软件控制的。这样在同样的硬件平台上通过加载不同的软件可以配置成相互通信的电台也可以配置成工作频段调制方式完全不同的电台。玩SDR接收机的HAM都知道，要增加解调模式只要在SDR上加载对应的解码程序软件即可。原本标配只能解调AM/FM/SSB/CW常规模拟制式的SDR接收机，通过加载软件可支持DMR、APCO 25、GSM等数字信号和常规数字编解码格式。SDR电台的这一特性特别适合制造多频段、多制式、多协议电台。国外军队现在使用的一些SDR架构的军用电台其一些功能和密钥甚至可以通过空中无线电链路进行配置。另外很多SDR接收机提供可变带宽接收和I/Q输出，配合第三方专业软件可以进一步分析处理数字信号。

SDR的硬件主要基于高速DSP处理芯片、FPGA芯片、A/D、D/A转换芯片。这些芯片都具有很高的集成度，其面积往往还没有一张邮票大，所以大大缩减了设备的体积和重量以及功耗，使一些设备的小型化便携化手持化成为可能。现代高集成度的芯片相比分立元件和小规模集成电路组合在电路故障几率上低得多，使得产品更为可靠耐用。虽然SDR架构的产品属于高科技，但纯硬件成本和制造成本却明显低于传统架构产品，厂商具有更大的利润空间。

很多SDR产品由市场上容易买到的通用芯片构成，电路布局也不算很复杂，这样一来降低了进入这一行当进行新产品开发的门槛。SDR架构的高度集成化和软件化特性使得老牌大公司的射频制造经验优势遭到削弱。很多中小公司甚至是私人工作室都有机会开发并生产出自己的SDR架构产品与业内大公司同台竞技。业余电台界就有不少HAM自己设计开发了不同档次的各种SDR接收机，并以整机或套件的形式销售。

未来下一代软件无线电

软件无线电的未来是什么？随着4G手机的普及推动了软件无线电发展，5G、物联网（IoT）和传感器网络等新兴技术的前景再次将软件无线电的增长提高一个数量级。什么技术驱动力能将软件无线电提升到这么高的位置？与软件无线电的先前几次飞跃发展一样，驱动力将可能是硬件和软件技术的组合。

下一个硬件技术驱动力之一是将模拟和数字技术结合在单片芯片上，以降低成本、尺寸、重量和功耗（SWaP）。对于基础设施，发展的驱动力可能是集成模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的FPGA。对于手机和传感器，则可能是应用处理器，也可以集成ADC和DAC。

然而，如果软件和工具的发展跟不上，硬件的革新将无法发挥作用。毕竟，这是软件无线电的整体。为了开发这些芯片，并在上面运行波形和应用软件，将需要更好的可用于模拟和数字领域进行设计和调试的系统级工具。随着软件无线电应用于越来越复杂的任务，它们的设计将采用更强大的FPGA来实现增强型DSP。因此，对可处理数据量和复杂性快速增长的FPGA工具的需求日益增长。

虽然通用处理器（GPP）过去已在软件无线电业界获得很好应用。但人们仍在继续努力使GPP满足5G和军事通信等领域的性能要求。图形化编程软件（LABVIEW）FPGA模块和射频片上网络（RFNoC）等软件工具提供了最新型的简化的用户体验，可实现更高的FPGA编程效率。

归根结底，集成融合将推动下一代软件无线电，关键是将模拟和数字技术集成到混合信号芯片中。但软件无线电基本上达到了一个临界点，增长的主要限制是软件而不是硬件。若没有能实现GPP和FPGA无缝编程的软件开发环境，下一代软件无线电的新硬件功能将无法被充分利用，开发将遇到阻滞。LabVIEW FPGA等工具能使非HDL（硬件描述语言）专家的无线工程师能够开发并快速重复精尖复杂的设计，为继续开启下一代软件无线电发展提供了最佳的条件。