5G的未来取决于软件定义的无线电（SDR）
正如它在之前的许多其他应用中一样，软件定义的无线电（SDR）在5G的发展中发挥了重要作用。事实上，如果没有SDR，5G的承诺可能根本无法实现。
它满足了定义接收器设计和建造的经济、高效方法的所有条件，包括大幅减小尺寸、模拟和数字集成、低功耗、使用单一平台覆盖多条产品线的能力，以及即使在投入使用后通过软件进行重新配置——无需更换任何硬件。
那么，SDR是如何实现这一切的呢？让我们深入探讨一下细节。
在技术进步使SDR成为可能之前，超外差结构及其变化是接收器设计的主流。自从1918年频率调制（FM）之父埃德温-阿姆斯特朗（Edwin Armstrong）提出这一构想以来，情况就是如此。平心而论，也可说它归功于法国工程师Lucien Lèvy；关于这个个辩论仍在继续。
图1：经典的超外差接收器
长话短说，"超外差接收机 "利用频率混合将接收到的信号转换为较低的、固定的、具有与原信号相同特性的中间频率（IF）（图1）。请注意，它的所有组件都是模拟的。
相比之下，SDR由硬件、软件和固件组成，功能通过软件或固件实现，处理由现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）、通用处理器或专用集成电路（ASIC）完成。由于这些功能是在数字领域执行的，因此可以在本地或空中对现有的无线电进行无线增强和功能，而不需要新的或修改的硬件。这在传统的接收器架构中是不可能的。另一个好处是，硬件的使用寿命更长，因为它可以通过软件适应网络的变化和增强，如新的或修改的协议。
SDR可以做得非常小，因为它消除了接收器射频前端（RFFE）中许多物理上的大型模拟元件。例如，它依赖于一种称为“射频直采”的技术，在这种技术中，输入信号通过一个模数转换器（ADC）在靠近天线的地方从模拟形式转换为数字形式。这消除了对混频器和本地振荡器的需要，只留下一个低噪声放大器（LNA）和带通滤波器，以及ADC（见下图）。也就是说，当原始频率太高，ADC无法处理时，仍有必要对其进行降频转换。但即使如此，它也可能会比其超外差对应物小得多。
由于所有的数字组件都可以集成到一两个设备中，因此可以用较低的成本打造一个邮票大小的完整接收器（图2）--尽管更精细的设计更大、更昂贵。事实上，亚马逊销售着一款非常基本的此类产品，通过USB插入笔记本电脑，大小不到一平方英寸，价格为26美元。
为了创建一个收发器，信号流是相反的，数字化的信号被发送到数模转换器（DAC），放大和过滤，转换为所需的频率，并发送到天线上进行传输。接收器/发射模块的尺寸将有一定程度的增长，但仍然可以非常小。5G无线电需要比26美元的SDR能提供的多得多，但概念并无不同。
图2：就其基本形式而言，软件定义的无线电接收器比其对应“超外差”产品要简单得多。
5G带来了非同小可的挑战
这种描述是基本的，没有考虑到SDR实现其预期性能所必须克服的艰巨挑战。5G正在使这一问题变得更加困难，因为它涵盖了大约从600MHz到7GHz之间的越来越多的频率。它还采用了极其复杂的高阶调制技术。即使尺寸较小，收发器仍然必须足够小，以适应智能手机、小型蜂窝或中继器的体积限制，并尽可能地减少功耗。
射频的数字化与5G网络中的 "虚拟化 "完全吻合，通过SDN和网络功能虚拟化（NFV），模拟功能被减少到绝对最低限度。发生这种情况的原因与SDR相同：5G是一个技术上的移动目标，在未来几年内会有很多变化。如果设计者不得不仅仅依靠硬件来实现这些变化，那么5G有可能会过于昂贵或在技术上无法部署。
将SDR架构扩展至毫米波频率
5G无线电设计者面临的另一个挑战是将SDR架构扩展至毫米波频率级别，因为这一区域的频谱已被纳入5G标准。它巨大的可用带宽将是提供极高的数据速率所必需的，而这在较低的频率下是不容易实现的。为这些频率设计一个SDR或收发器并非易事，因为它需要使用直到最近还没有被充分利用的半导体技术，以及其他挑战。
然而，由于毫米波长特别小，它使得接收器或收发器有可能与具有数百个单元的相控阵天线集成，在非常小的空间内实现形成完整通信包，。至少有一家供应商以及5G网络设备制造商的研究机构已经实现了这一点。
为让5G覆盖全国，剩下需要的就是让这些产品以合适的成本实现大量交付，因为毫米波信号的范围非常短。十年前，这一切可能被认为是幻想，5G的一些更深奥的功能可能要等到2030年左右的6G才能实现。毫无疑问，它们会到来，就像许多其他曾经被认为是幻想的技术现在已经成为现实。
在未来几年中，SDR将成为几乎所有类型系统的首选接收器架构，包括本文中的所有系统，而ADC将是其成功的最重要驱动因素之一。
随着ADC的采样率和瞬时带宽的不断提高，将有可能在更高的频率下直接采样。为了确保这些设备没有杂散干扰，类似高动态范围接收器（HDRR）技术之类的工艺，早已要求深入到毫米波范围。
