軟件控制的硬件正在改變業界技術格局，而無線電硬件也被毫不例外地卷進了這一快速發展進程中。軟件無線電(SDR)通過對無線電硬件抽象化來實現基于軟件的接口，已獲得了巨大吸引力。SDR用例已廣泛涵蓋了通信系統、國防、航空航天、測試測量、信號情報(SIGINT)和頻譜監測等眾多領域。
傳統意義上的無線電硬件是高度專業的，包括高密度集成的微波硬件和各種特殊應用的集成電路。而SDR則拋棄了這種模式，而是利用現場可編程門陣列(FPGA)和高度可重配置的硬件來創建通用的無線電平臺。在如圖1所示的實現方案中，SDR將無線電前端(RFE)和數字后端(DBE)分離開來。硬件和軟件的解耦，使得先進的數字信號處理(DSP)能以一種與平臺無關的方式與無線電硬件緊密結合起來。
圖1：軟件無線電基本架構。
大多數SDR中的RFE包含多個獨立且高度可重配置的發射(Tx)和接收(Rx)鏈路。簡單的SDR載頻在數GHz范圍內，帶寬為幾十MHz，而最先進的SDR通常涵蓋從接近直流到18GHz的載頻范圍(一些SDR甚至高達40GHz)，每個收發鏈路的帶寬可高達3GHz。SDR的Tx和Rx鏈路有許多配置可供選擇。入門級SDR通常是兩個收發鏈路共享本地振蕩器，而高性能SDR則可以有多達16個獨立的收發鏈路。
FPGA和DSP能力
與傳統的無線電系統不同，SDR集成了FPGA，可以實現高性能的可重配置DSP。像調制、解調、分組和預處理等DSP功能，可移至板載FPGA來提高效率。這是SDR相對于基于ASIC的傳統DSP架構的一個明顯優勢，因為這種架構可以很方便地植入新功能。
盡管FPGA可以提高DSP處理速度，但在主機系統和SDR之間，仍然有數據需要傳輸。在較簡單的SDR中，USB可用于此目的，但更寬帶寬SDR需要基于光纖的數據回傳，才能適應RFE帶寬。借助VITA49等標準化協議，數據可以很方便地傳送給主機系統，以便實施進一步處理和存儲。
由于通用型硬件驅動器(UHD)的普及，有很多種計算平臺可用來實現基于主機的DSP。UHD是一種開源的驅動器，已經成為SDR的一種事實性標準。UHD能夠與GNU Radio、GNU Octave和Simulink等工具無縫集成在一起。還可以將Python和C++與UHD結合在一起，輕松實現定制的SDR應用。UHD的開源性是非常有益的，因為它與供應商無關，所以能夠提供SDR平臺之間的可移植性，并有豐富的生態系統可供利用。
寬帶寬的SDR提供了很大的平臺靈活性，但寬帶寬需要在SDR和主機系統之間建立高速數據回傳。對于預處理和過濾任務，可以很方便地在采用FPGA架構的SDR上執行。但將數據轉移到外部系統實施進一步處理和存儲時，通常就需要一個精心設計的主機系統。無線電鏈路中的信號接收路徑通常始于天線輸入端，而終止于將數字化數據傳遞給FPGA的模數轉換器(ADC)。FPGA接著將數據發送給外部主機上的網絡接口卡(NIC)，發送路徑基本上與接收鏈路相反，只不過轉換器用的是數模轉換器(DAC)，而不再是ADC。
主機系統和信號路徑必須要仔細設計，確保各級都有充足的緩沖和處理能力。否則，將會發生接收鏈路緩沖區上溢和發送鏈路緩沖區下溢現象，進而造成數據丟失。緩沖問題不僅會造成數據丟失，而且還會導致嚴重的抖動，進一步損害數據完整性。因此必須精心設計收發信號鏈路，確保SDR的吞吐量要求能夠得到滿足。
頻譜監測、SIGINT和衛星
SDR的一個主要好處是其所提供的靈活性，因為可以迅速被集成到各種應用中，包括頻譜監測、雷達和無線通信。頻譜監測和SIGINT應用通常都有寬帶操作要求。擁有可重配置的多通道ADC和完全獨立接收鏈路的SDR，支持單個SDR在對寬帶寬進行監測的同時，以更好的噪聲特性對窄帶寬進行捕獲。
盡管獨立的收發鏈路將SDR定位為頻譜監測的最佳選項，但也是支持高性能雷達應用的絕佳選擇。相控陣列雷達系統需要精確的時鐘分發，以實現相位穩定和相干性。多通道SDR的高密度集成時鐘，可以支持新的雷達無線電硬件設計或現有硬件的升級。因此，高性能SDR可以減輕設計負擔，并降低給定系統的總成本。
近年來，低地球軌道(LEO)衛星在通信系統和科學進步方面獲得了長足的發展。這種發展為地面站即服務(GSaaS)開辟了一個市場，因為它將消除或減少衛星對專用地面站的需求。為了實現可行的商業擴展，用于GSaaS的SDR需要在范圍非常大的帶寬內捕獲數據，從而導致數據量爆增。這對大多數下游系統來說是有問題的，不過基于FPGA的信道器(圖2)完全可以勝任這類數據提取和處理。
圖2：基于FPGA的具有多個獨立通道的信道器。
SDR正在迅速改變無線電技術的發展歷程，許多民用和國防應用可以從SDR所特有的快速創建和更新硬件平臺特性中獲益。面對寬帶寬無線電的需求，高性能SDR是一種很自然的解決方案，因為它們具有寬帶寬無線電鏈路、板載FPGA和基于光纖的數據回傳功能。
通過將軟件的敏捷性植入硬件中，可以實現更快的迭代速度，從而更好更快地開發出新一代解決方案。
