灵活的硬件如何帮助射频应用的无线更新？

摘要：软件定义的设计方法能够为制造商提供了更大的控制，尤其是在需要提交整体解决方案的情况。

“Over The Air”这个词语，通常缩写为OTA，现在又通常加上“update（更新）”这个词，意味着可以通过无线通信来远程改变某些设备的运行方式。OTA已经在物联网市场被广泛采用，特别是与网关通过无线连接，或者在某些情况下，直接连接到互联网的小型端点。OTA能够为制造商提供了一种设备在出厂后很长时间内修改设备运行的方法。有时是为了添加高级功能，但通常是一种在软件或软件补丁中提供缺陷修复，通过硬件更新来弥补缺陷，从而增强其功能或安全性。

缺陷存在于主要基于软件的系统中，因为软件本身就是缺陷。人们普遍认为，没有一个软件可以认为是完全无缺陷的，而所有系统中的代码行数都呈上升趋势。物联网的安全特性要求使OTA不仅变得不再是简单流行，而是几乎必不可少的另一个原因。能够使用OTA更新来回顾性地修复物联网端点中的安全问题现在被认为是其一个重要特性。

越来越多的情况是，在许多设备中使用的无线通信系统现在也基于软件。这就提出了这样一个问题：一个主要由软件定义的系统是否可以使用OTA技术进行更新。为了回答这个问题，有必要看看软件是如何在射频系统中使用的。

射频技术的发展

从广义上讲，任何射频都包括射频前端和基带。前端在本质上基本由模拟技术构成，包括功率放大器、混频器和滤波器，基带处理则执行访问或编码锁定在无线电信号中的信息所需的功能。在过去三十年左右的时间里，基带已经在逐渐从使用专用硬件向使用可编程解决方案转变，这就产生了“软件定义无线电（SDR）”一词，但实际上这意味着一个软件定义的基带。IEEE已经为目前在SDR领域使用的术语赋予了全新定义，其中区分了软件定义和软件控制的区别，前者通常应用于基带功能，后者更适用于射频硬件的控制方式。具体来说，SDR是指物理层，即ISO开放系统互连（OSI）7层模型的最底层，协议的功能是负责在接收和解调后直接处理基带信号。

随着所涉及的协议变得更加复杂，而且可能更重要的是，这些协议也在不断地变化（这使我们想到OTA更新的好处），将SDR应用到基带的能力也有所提高。不久前，基带的性能要求其所有功能都要通过专用硬件实现，通常是以ASIC的形式出现的硬件。随着时间的推移，更多的功能进入了数字领域，同时数字技术发展也导致性能提高。数字信号处理器（DSP）的出现与这些发展趋势相吻合，DSP很快成为一些基带功能的天然诞生地。这可以看作是SDR的初步采用。

遵循摩尔定律的集成电路从SDR的早期就开始得到快速发展，SDR在早期仍然需要决定区分专用硬件中执行的功能和可以卸载到更灵活DSP平台的功能。这一发展过程中的一个关键技术是FPGA，它能够在专用硬件和完全由软件定义的平台之间提供一个中间层。较新的FPGA集成了更大量的硬件模块，以提供在门阵列中无法实现的性能。虽然这些模块现在趋向于特定应用，但它们在本质上仍然主要是通用功能，这对于确保FPGA能够应对更大数量的应用领域非常必要，使FPGA的应用不仅仅局限于无线通信。图1显示了一个数字/模拟射频系统示例，其中采用了基于DSP或FPGA技术的SDR方法。

 图1：采用DSP和/或FPGA技术实现的SDR典型射频系统。

用于实现FPGA设计的IP高度专业化，并通过少数器件制造商持有的大量专利得到严格保护。近几年来，有几家初创公司曾经试图打入FPGA市场，但这些公司基本上都没有成功。但显而易见的是，采用FPGA构建一个提供软件定义配置的硬件平台具有显著优势。通过将这一理念应用于射频基带，CML Microcircuits已经开发出多种平台，它们都具有ASIC或ASSP中常见的满足特定应用必需的所有性能和配置，同时保持了软件定义方法所带来的灵活性。该平台便是FirmASIC®系列。

软件定义基带

CML将其专有的FirmASIC®平台用于一系列ASSP，能够提供前所未有的客户配置和基带定制水平。而且除此之外，通过保持对基带功能的完全控制，CML还开发了一系列软件控制的射频ASSP，所有这些能够共同创建一个固有的可配置射频解决方案，从而能够支持重大的OTA更新。

为了实现这些目标，CML通过专有技术设计，能够以单一器件提供ASIC、ASSP、FPGA和DSP解决方案的优势。图2显示了一个基于FirmASIC ®典型设备的功能框图。自1999年发布以来，这些平台已被用于开发范围广泛的标准和定制产品，这些产品已经出货到全球客户。CML利用这项技术开发了许多自己的标准产品，在半定制或全定制的小、中和大批量解决方案中都具有很大潜力。

图2：FirmASIC®平台所具备的功能。

在进行初始开发之后，FirmASIC®固有的特性允许其在整个设计、现场试验和早期部署阶段，甚至在批量生产开始后很长时间内更改功能。这种方法很适合于将SDR应用于广泛的无线、有线语音和数据通信应用。使用Functional Image™数据文件可以进行配置，这与在加电时由FPGA加载的配置文件非常类似。FirmASIC®平台能够提供RAM和ROM格式，这意味着Functional Image可以是固定的（ROM），或可更新的（RAM）。由于所有的修改都是由CML完成，客户工程团队无需学习或掌握通常ASIC或FPGA要求的HDL设计周期，也不需要精通DSP编程。图3显示了实现SDR的主要技术比较及其各自的优势。

图3：各种SDR解决方案的功能比较列表。

TRANSLATION of the words in the table

Small/medium project：小/中型项目

Large project：大项目

Small project：小项目

Fast time to market：快速产品上市

Field upgradable：现场可升级

Embedded Analogue functionality：嵌入的模拟功能

Low overall solution cost：低总体解决方案成本

High NRE：高一次性工程成本

Long development：长开发周期

Long regression testing：长回归测试

Only for high qty：仅适于大批量

若采用FirmASIC®设计方法，在使用CML解决方案后，图1中的典型系统框图能够以更少的组件实现，同时具有更高的灵活性，如图4所示。

图４：采用FirmASIC®平台实现的SDR典型射频系统。

结论

无线更新是现代数字通信系统的一部分。典型的SDR方法能够提供基带的灵活性，但同时也带来了设计的复杂性。CML Microcircuits 开发的FirmASIC®技术平台能够在基带上提供SDR的优势，并增强了射频前端的软件控制能力，所有这些为原始设备制造商提供了一种更灵活的RF设计方法，其中包括具备无线更新SDR的所有优势，同时又显著降低了设计复杂性