采用軟件無線電架構(gòu)加速無線設(shè)備開發(fā)和測試

隨著現(xiàn)在無線電應(yīng)用數(shù)量的增加―從相距數(shù)公里的兩個朋友之間的視頻交談到PDA控制的庫房環(huán)境和照明，無線標(biāo)準的數(shù)量也在增加。每個行業(yè)都進入無線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，然而每個行業(yè)具有其自己的要求和規(guī)范，需要根據(jù)特定應(yīng)用對標(biāo)準和協(xié)議進行優(yōu)化。這樣一來，無線和通信標(biāo)準的數(shù)量迅速增加，更別說更多的專用協(xié)議了。圖1顯示了各種標(biāo)準的“擁堵”現(xiàn)象。在這些標(biāo)準完全確定之前，它們就被集成到電路和系統(tǒng)設(shè)計中，這遠早于測試設(shè)備供應(yīng)商能提供相應(yīng)的測試解決方案。另外一個證明這個問題的事實是，用戶逐漸接受并對之依賴的很多新設(shè)備實際上采用了兩個、三個或更多的標(biāo)準用于數(shù)據(jù)或語音通信。例如，蘋果公司新推出的iPhone集成了藍牙、Wi-Fi和GSM/EDGE功能。工程師如何才能在短時間內(nèi)滿足標(biāo)準的測試需求呢？

理解通信信號處理

為確定這個問題的答案，首先考慮通信系統(tǒng)背后的技術(shù)。帶寬、功率、編碼復(fù)雜度、冗余度、抗損害性能以及成本都是實現(xiàn)特定無線應(yīng)用目標(biāo)所要綜合考慮的關(guān)鍵因素。例如，對于那些安裝后需要工作若干年的傳感器監(jiān)測和控制來說，ZigBee非常理想。因此，ZigBee的重要設(shè)計選擇需要使功耗和成本最低，而其它如帶寬之類的參數(shù)就不太重要。而對于下一代的Wi-Fi來說則情況幾乎相反，該標(biāo)準要支持高達540Mb/s的數(shù)據(jù)速率。

圖2顯示了工程師會用來優(yōu)化設(shè)計選擇的典型通信系統(tǒng)的主要功能模塊。關(guān)于通信系統(tǒng)的不同構(gòu)建模塊的更多信息，參閱下面關(guān)于“理解通信系統(tǒng)模塊”的副欄。

圖1：對數(shù)據(jù)不斷增加的需求產(chǎn)生了無線和通信標(biāo)準的“擁擠”。

圖2：本圖展示了典型的通信系統(tǒng)中的主要功能模塊。

采用靈活的軟件定義信號處理來實現(xiàn)多種標(biāo)準和新標(biāo)準

對于前面介紹的通信系統(tǒng)的最重要功能模塊，一直以來都是采用數(shù)字信號處理器(DSP)芯片或ASIC來實現(xiàn)的，它們都需要數(shù)月的時間來設(shè)計、開發(fā)以及集成到一種通信解決方案中。但是，要在短的時間內(nèi)實現(xiàn)多個標(biāo)準，現(xiàn)在尋求的辦法是要快而簡單地實現(xiàn)這些標(biāo)準。在通信測試中引入的一種與無線和通信技術(shù)同步發(fā)展的方法是通過軟件。在測試儀器中引入軟件定義的方法，工程師利用通用的RF儀器，通過編碼和調(diào)制軟件來產(chǎn)生調(diào)制波形和測試信號。這種用于測試的軟件定義的無線電(SDR)方法完全是應(yīng)用推動以及用戶定義的。它允許工程師利用在研究和設(shè)計中使用的軟件建模和仿真軟件來進行測量和測試。

圖3 ：運行在PXI系統(tǒng)上的通信軟件，例如NI LabVIEW，提供了用于通信測試的靈活平臺。

圖4顯示了采用美國國家儀器公司的LabVIEW圖形代碼的典型通信系統(tǒng)的早期功能框圖。所包括的功能分別為發(fā)送端用于信源編碼、信道編碼、調(diào)制以及上變頻，以及接收器端的下變頻、解調(diào)、信道解碼和信源解碼。

圖4 ：帶控制器和外設(shè)擴展槽的典型PXI系統(tǒng)。

PXI―針對軟件定義通信測試的理想平臺

PXI是一種用于儀器的模塊化硬件平臺，它具有很多單元用于實現(xiàn)一個軟件定義的通信測試方法。更重要的是，它是基于PC的。PXI儀器的功能是用軟件進行定義的。因此，工程師可以使用單個PXI RF儀器，僅僅通過簡單地改變運行在基于Windows的控制器上的軟件，來測試多個通信標(biāo)準。PXI控制器采用了最新的雙內(nèi)核處理器，能輕易地處理大多數(shù)的復(fù)雜通信算法。圖4顯示了帶一個控制器和儀器卡的典型PXI系統(tǒng)。

在PXI硬件上用軟件獲得像DSP或ASIC上所能實現(xiàn)的同樣好的信號處理性能的一個主要因素是，從控制器上連續(xù)產(chǎn)生(或采集)、刷新(分析)以及輸出波形的能力。PXI基于PCI和PCI Express總線，能提供高達6GB/s的系統(tǒng)帶寬和單臺儀器2 GB/s的帶寬。這種吞吐量加上雙內(nèi)核技術(shù)能實現(xiàn)長期的信號采集和波形發(fā)生。

可重新配置的硬件平臺

通信中出現(xiàn)的另外一個新平臺是基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)邏輯以及集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。簡單的基于PXI的系統(tǒng)與使用FPGA技術(shù)的系統(tǒng)之間的主要差異是信號處理的位置。在基于PXI的系統(tǒng)中，大多數(shù)的處理發(fā)生在主控制器上運行的軟件程序上。與之相對的是，在基于FPGA的系統(tǒng)中，邏輯和處理模塊以固件的形式下載到FPGA上。這實質(zhì)上將FPGA轉(zhuǎn)換成定制的通信處理器。

美國國家儀器公司的PCI-5640R雙通道IF輸入、雙通道IF輸出板采用了Xilinx的FPGA，是這種架構(gòu)的一個很好的例子。PCI-5640R提供了PCI總線接口，并包括四個DMA通道，能在主CPU(PC)和Xilinx FPGA之間傳遞流。通過ADC/DAC實現(xiàn)數(shù)字上變頻和數(shù)字下變頻，將處理任務(wù)從Xilinx FPGA上卸載下來。

圖5 ：美國國家儀器公司PCI-5640R框圖。

NI PCI-5640R非常適合于各種通信鏈路的原型建立。通過使用NI LabVIEW軟件來對板上FPGA進行編程，工程師可以采用多種編碼和調(diào)制算法來測試已有的和新出現(xiàn)的通信標(biāo)準。該模塊還是用于軟件無線電、通信系統(tǒng)設(shè)計和編碼和調(diào)制方法概念的理想教學(xué)工具。

現(xiàn)在，基于FPGA的儀器(可以是某種形式的PXI儀器)和PXI系統(tǒng)之間的共同特性是，兩種系統(tǒng)都是用軟件進行定義。這意味著構(gòu)建于兩種架構(gòu)上的通信系統(tǒng)都能針對新的通信協(xié)議進行適配。

軟件定義通信測試的未來發(fā)展趨勢

對支持多種通信標(biāo)準的設(shè)備的需求以及新產(chǎn)品更快地推向市場的壓力未來肯定會增加。軟件定義的通信測試以及平臺，包括PXI、現(xiàn)成的通用儀器或者某種新的基于FPGA的架構(gòu)，形成了一種靈活方法，能夠幫助測試工程師滿足當(dāng)前以及未來的這些要求。

延伸閱讀

理解通信系統(tǒng)模塊

在無線通信系統(tǒng)中存在幾種主要的信號處理模塊(見圖2)，包括：

信源編碼與解碼

信源編碼實質(zhì)上是數(shù)據(jù)壓縮；消息越小，傳輸時間越快，這轉(zhuǎn)換為更有效地使用寶貴的信源和頻譜。普通的信源編碼算法，包括JPEG壓縮、zip(LZ77與霍夫曼編碼算法的組合)、MP3 (MPEG-1的一部份，針對聲音和音樂壓縮)，以及MPEG-2(用于視頻)。

信道編碼和解碼

與信源編碼不同，信道編碼實際上會增加數(shù)據(jù)的位數(shù)，增加信息的大小。增加的或重新編排的數(shù)據(jù)位確保原始的消息能承受包括噪聲和衰減在內(nèi)的信道損害，從而能準確解碼以獲得原始的發(fā)送消息。

調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制的嚴格定義是改變一個電磁波形或信號的一個或幾個特性(幅度、頻率以及/或相位)。使用調(diào)制來將低頻信號產(chǎn)生的信息發(fā)送到工作在更高頻率的信號。

上變頻與下變頻

使用上變頻器和下變頻器來將輸入頻率分別提高或降低。