5G 的未來取決於軟體定義無線電
與之前的許多其他應用一樣，軟體定義無線電 (SDR) 在 5G 的發展中發揮著關鍵作用。事實上，如果沒有 SDR，5G 的承諾可能根本無法實現。
其以經濟實惠且高效的方式決定了接收器的設計和建構，包括大幅縮小尺寸、類比和數位整合、低功耗、使用單一平台覆蓋多個產品系列的能力，而且免更換任何硬體即可重新配置，即使開始服務後也能透過軟體進行重新配置。
SDR 究竟是如何實現這些目標的？讓我們深入了解細節。
在技術演進使 SDR 成為可能之前，超外差架構及其變體為接收器設計的主流。從它於 1918 年由調頻 (FM) 之父 Edwin Armstrong 發明以來，便一直持續至今。公正來說，也可以歸功於法國工程師 Lucien Lèvy；此爭議有待解決。
圖 1：常見超外差接收器
長話短說，「超外差」使用混頻將接收到的訊號轉換為具有與原始訊號相同特性，較低、固定的中頻 (IF) (圖 1)。請注意，其所有元件都是類比式的。
相比之下，SDR 由硬體、軟體和韌體組成，其功能透過軟體或韌體實作，處理則由現場可程式化閘陣列 (FPGA)、數位訊號處理器 (DSP)、通用處理器或專屬的應用專用 IC (ASIC) 執行。由於這些功能在數位域中執行，因此可以在本地或透過無線網路對現有無線電進行無線強化及加入功能，而無需新增或修改硬體。但這在傳統的接收器架構中實屬不可能。另一個好處是，硬體使用壽命更長，因為它可以透過軟體適應網路中的變化和強化，例如新增或修改的通訊協定。
SDR 可以做得非常小，因為它省去了接收器射頻前端 (RFFE) 中許多實際體積較大的類比元件。例如，其仰賴一種稱為直接射頻取樣的技術，其中輸入訊號透過類比轉數位轉換器 (ADC) 在非常靠近天線的地方從類比形式轉換為數位形式。如此將不需要混頻器和局部振盪器，只需留下低雜訊放大器 (LNA) 和帶通濾波器，還有 ADC (見下圖)。也就是說，當原始頻率太高，以至於 ADC 無法處理時，仍需要對其進行降頻。但即便如此，其還是可能比超外差裝置小得多。
由於所有數位元件都可以整合到一或兩個裝置中，因此用較低的成本便能打造出完整的接收器，且只有郵票般大小 (圖 2) – 儘管也是有更精細的設計，其尺寸更大且更昂貴。事實上，Amazon 有一款非常基本的產品，可以透過 USB 插入筆記型電腦，其長不到 1 平方英寸，售價 26 美元。
要設計收發器，訊號流向是相反的，數位化訊號發送到數位轉類比轉換器 (DAC)，經過放大和濾波，轉換為所需頻率，然後發送到天線進行傳輸。接收器/發送模組的尺寸會稍微增加，但仍可以保持得很小巧。5G 無線電所需要的條件遠遠超過 26 美元 SDR 的功能，但其概念相同。
圖 2：就基本形式來說，軟體定義的無線電接收器比超外差接收器要單純得多。
5G 挑戰任重道遠
這個描述只是粗淺形容狀況，SDR 要實現其預期效能，必須克服艱鉅無比的挑戰。5G 使情況愈加困難，因為其在 600 MHz 至 7 GHz 之間的頻段中涵蓋越來越多的頻率，而且還採用極其複雜的高階調變技術。即使尺寸很小，收發器 (或多個收發器) 仍要夠小才能放入智慧型手機、小型基地台或中繼器內，且功耗必須盡可能降低。
射頻的數位化與 5G 網路中的「虛擬化」完美契合，當中類比功能經由 SDN 和網路功能虛擬化 (NFV) 減少到絕對最低數。發生這種情況的原因與 SDR 相同：5G 的目標會隨著技術開發而不斷轉變，它將在未來幾年以各種方式產生變化。如果設計人員只能靠硬體來進行這些變更，那麼 5G 可能會過於昂貴或在技術上無法部署。
與之前的許多其他應用一樣，軟體定義無線電 (SDR) 在 5G 的發展中發揮著關鍵作用。事實上，如果沒有 SDR，5G 的承諾可能根本無法實現。
其以經濟實惠且高效的方式決定了接收器的設計和建構，包括大幅縮小尺寸、類比和數位整合、低功耗、使用單一平台覆蓋多個產品系列的能力，而且免更換任何硬體即可重新配置，即使開始服務後也能透過軟體進行重新配置。
SDR 究竟是如何實現這些目標的？讓我們深入了解細節。
在技術演進使 SDR 成為可能之前，超外差架構及其變體為接收器設計的主流。從它於 1918 年由調頻 (FM) 之父 Edwin Armstrong 發明以來，便一直持續至今。公正來說，也可以歸功於法國工程師 Lucien Lèvy；此爭議有待解決。
圖 1：常見超外差接收器
長話短說，「超外差」使用混頻將接收到的訊號轉換為具有與原始訊號相同特性，較低、固定的中頻 (IF) (圖 1)。請注意，其所有元件都是類比式的。
相比之下，SDR 由硬體、軟體和韌體組成，其功能透過軟體或韌體實作，處理則由現場可程式化閘陣列 (FPGA)、數位訊號處理器 (DSP)、通用處理器或專屬的應用專用 IC (ASIC) 執行。由於這些功能在數位域中執行，因此可以在本地或透過無線網路對現有無線電進行無線強化及加入功能，而無需新增或修改硬體。但這在傳統的接收器架構中實屬不可能。另一個好處是，硬體使用壽命更長，因為它可以透過軟體適應網路中的變化和強化，例如新增或修改的通訊協定。
SDR 可以做得非常小，因為它省去了接收器射頻前端 (RFFE) 中許多實際體積較大的類比元件。例如，其仰賴一種稱為直接射頻取樣的技術，其中輸入訊號透過類比轉數位轉換器 (ADC) 在非常靠近天線的地方從類比形式轉換為數位形式。如此將不需要混頻器和局部振盪器，只需留下低雜訊放大器 (LNA) 和帶通濾波器，還有 ADC (見下圖)。也就是說，當原始頻率太高，以至於 ADC 無法處理時，仍需要對其進行降頻。但即便如此，其還是可能比超外差裝置小得多。
由於所有數位元件都可以整合到一或兩個裝置中，因此用較低的成本便能打造出完整的接收器，且只有郵票般大小 (圖 2) – 儘管也是有更精細的設計，其尺寸更大且更昂貴。事實上，Amazon 有一款非常基本的產品，可以透過 USB 插入筆記型電腦，其長不到 1 平方英寸，售價 26 美元。
要設計收發器，訊號流向是相反的，數位化訊號發送到數位轉類比轉換器 (DAC)，經過放大和濾波，轉換為所需頻率，然後發送到天線進行傳輸。接收器/發送模組的尺寸會稍微增加，但仍可以保持得很小巧。5G 無線電所需要的條件遠遠超過 26 美元 SDR 的功能，但其概念相同。
圖 2：就基本形式來說，軟體定義的無線電接收器比超外差接收器要單純得多。
將 SDR 架構擴展到毫米波頻率
5G 無線電設計人員面臨的另一個挑戰是擴展 SDR 架構以用於毫米波頻率，因為此頻譜區域已納入 5G 標準之下。其巨大的可用頻寬是必要的，以提供較難在低頻率下實現的極高資料傳輸速率。為這些頻率設計 SDR 或收發器並非易事，因為需要使用直到最近才獲得重用的半導體技術，更需克服其他挑戰。
然而，由於毫米波長非常小，因此可以將接收器或收發器與具有數百個元件的相陣列天線整合在一起，形成一個非常小尺寸的完整通訊套件。這已經有至少一家供應商以及 5G 網路設備製造商的研究機構做到了。
剩下的就是以覆蓋全國 5G 覆蓋範圍所需的大量小型基地台相符的成本，大量交付這些產品，畢竟毫米波訊號的範圍極短。十年前，人們認為這些技術都只是空想，而 5G 的一些更深入的功能可能要等到 2030 年 6G 問世後才能實現。但曾經認為是空想的許多技術，現在已成為現實。
在未來數年，SDR 將成為幾乎所有類型系統 (包括本文中的所有系統) 的首選接收器架構，而 ADC 將是推動其成功的最重要因素之一。
隨著 ADC 的採樣率和瞬時頻寬不斷提高，以更高的頻率直接採樣或許可行。為確保這些裝置沒有雜散輻射的問題，將需要高動態範圍接收器 (HDRR) 等技術深入到毫米波區域。
