SDR 簡介
... 2021-03-07 About 6 min
# SDR 簡介
軟體無線電 (Software Defined Radio, SDR) 主要是將無輸傳輸中，除了發送和接收的天線端，必須使用射頻的類比電路之外，其餘的功能模組全部使用軟體來加以實現的一種技術。因為要使用軟體來進行處理，因此信號必須先轉換成數位的形式。對於原本就是數位形式的訊號，例如由電腦所發送的訊息，本來就是數位的形式，我們可以直接進行處理；但如果原本是類比的訊號，例如人講話的聲音，那麼我們必須先將此類比訊號轉換成數位的訊號，然後才能交由軟體來進行處理。經由軟體處理完之後，最後仍然必須轉換成類比訊號，透由發送端的天線發送出電磁波，所送出的電磁波可以看成是屬於類比的訊號，不過裡面所藏的卻是數位的訊息。另一方面，接收端的天線收到電磁波之後，先將其轉換成數位的形式，之後一樣交由一連串的軟體來進行解碼，最後解出其中所蘊藏的訊息。這個類比轉數位，以及數位轉類比的過程，也是目前大部份通訊系統所慣用的方式。
為了對這一連串的訊號處理有所認識，以下先介紹一些常見的專有名詞。
# 什麼是類比訊號
以電壓為例，連續的電壓變化就是類比的訊號。例如，我們可以將聲音透由振動的量測轉換成電壓的訊號，由於音量的變化是連續的，透過一些電路所轉換出來的電壓，基本上也是連續的，這種連續的訊號值，在時間上是連續的，在訊號的大小上面也是連續的，稱為類比訊號。
# 什麼是數位訊號
數位訊號基本上可以看成是由一連串 0 和 1 的位元所構成的訊號，這種訊號可以很容易地透過軟體來加以儲存和處理。舉例來說，我們常聽到的 MP3 音樂檔，內容就是由一連串的 0 和 1 的位元所構成，因此是屬於一種數位訊號。這種訊號值，在時間和訊號的大小上面，都是離散可數的，以 MP3 的格式檔為例，我們可以設定聲音每秒的取樣值個數，以及每個取樣值是由多少位元構成。
# 如何將類比訊號轉成數位訊號
由類比訊號轉成數位訊號，基本上會經過兩個主要的步驟，第一個步驟是取樣，第二個步驟是量化。有些人覺得量化之後，還要經過訊號表示方法的編碼過程，不過基本上這已經算是在數位化之後的處理範疇了。從類比訊號轉成數位訊號稱為 Analog-to-Digital Converter (ADC)；反過來，從數位訊號轉成類比訊號，稱為 Digital-to-Analog Converter (DAC)。而執行 ADC 及 DAC 的單元，我們常將其稱為編碼/解碼器，英文叫 Coder/Decoder，簡稱為 Codec。
# 什麼是取樣？
以錄音為例，聲波的強度變化是隨著時間而改變的，因此在時間軸上，可以看成是連續的，也就是說，聲波的強度是時間的函式，可以寫成 。取樣的意思，就是在時間上，只保留特定時間點的值，一般來說，我們大都是做等間隔的取樣。例如取樣的間隔時間為 ，那麼我們就只保留 在 時間點的值。訊號將會由 變成 ，或者也可以寫成 。這樣的訊號就是取樣後的訊號，在時間軸上變成是離散可數的；然而在振幅上，理論上還是連續的，這樣的訊號我們也稱其為離散訊號 (discrete signal)。
# 什麼是量化？
經過取樣之後的離散訊號，在時間上已經是離散的了，然而其振幅仍然是連續的，例如振幅的值可能是從 到 這樣的值，它的變化空間還是連續的，其小數位數也可能是無限多個，實際上還是無法精準地儲存在電腦裡面。為了方便儲存在電腦或相關的數位設備，必須把值的可能性設定在一個可數的離散值的集合裡面，這也就是量化的概念。以聲音的大小為例，我們可以把聲音的振幅大小分成 65536 個水平，這樣就可以使用 16 個位元來加以儲存 ()，這也就是量化的概念。平常我們講一個人的體重的時候，通常都只講到整數，例如實際量測到的體重可能是 56.2312 公斤，但我們都只講 56 公斤，這也是一種量化。量化之後的訊號值跟實際的訊號值會有一些差異，可以把它看成是一種量化所產生的誤差。
# 無線傳輸
基本上通訊的目的，簡單說，就是把訊息從一個地方傳送到另一個地方。而為了達成這樣的目的所設計的系統，就稱為通訊系統。目前常用的通訊系統，可以分為有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸，例如透過 USB 連接線進行數據傳輸，或者家裡電話的語音傳輸，都是屬於有線傳輸。至於無線傳輸，常見的如藍牙、WiFi 的數據傳輸，都是無線傳輸。無線傳輸，通常必須將數據資料轉換成類比的電磁波訊號，然後透過天線來進行發送和接收。如下圖所示：
目前的通訊系統，除了發送和接收端的模組，必須處理類比訊號之外，其餘的通訊模組，大都是採用數位化的處理方式。換句話說，在發送端，我們會把處理過的數位訊息，利用 DAC 轉成類比訊號，然後透過天線傳送出去。而接收端，則先利用天線把類比訊號接收下來，然後透過 ADC 轉成數位訊號，再使用數位訊號處理的方式把傳送的訊息還原回來。