案例研究：用于通信測試的軟件定義無線電架構(gòu)

一、RF與通信行業(yè)的發(fā)展趨勢

藍牙、WiMAX、cdma2000、ZigBee、GSM、EDGE和RFID——這些無線與通信產(chǎn)品繼續(xù)以史無前例的速率增長，如圖1所示。同時，隨著像Microsoft、Vodafone和Google等公司的努力，通過V CAST觀看足球錦標賽和從Google Earth獲取本地信息正在變得越來越普通。無線通信在許多國家已超過陸地通信并且當前的數(shù)據(jù)帶寬難以滿足無線通訊的需求，因此有效滿足這種需求成為移動通信面臨的巨大挑戰(zhàn)。

圖1 對數(shù)據(jù)持續(xù)增長的需求造成了一個無線與通信標準的“原木阻塞”。

除了要求具備多點無線標準外，通訊業(yè)界還被持續(xù)存在的壓力所驅(qū)使，不得不力爭以最快的速度將新產(chǎn)品推向市場。這使得其研究和設(shè)計的發(fā)展已經(jīng)超過了測試的發(fā)展。因此制造商在相關(guān)標準還未完成前就發(fā)布了ZigBee與802.11n導致來自獨立儀器制造商的預(yù)定義標準測試系統(tǒng)不復存在。這都歸因于先發(fā)布一個無線標準、然后在先驅(qū)用戶(lead users)中構(gòu)建設(shè)備原型、最后再針對大規(guī)模商用需求開發(fā)測試裝置這一傳統(tǒng)周期太耗費時間了。

需要兼容多個標準設(shè)備和必須在競爭對手之前發(fā)布新產(chǎn)品的壓力，是許多工程師使用超過一個無線與通信標準的兩個主要原因。事實上，從NI公司“儀器研究”調(diào)查中所收集的數(shù)據(jù)表明，在設(shè)計和測試具有無線通信功能設(shè)備的工程師中，幾乎三分之二的人在使用不只一個標準，其百分比分布如下：

• 37%使用1個標準

• 30%使用2到3個標準

• 33%使用4個甚至更多的標準

從傳統(tǒng)做法看，您需要為每一個待測的通信標準準備一個獨立儀器。每個儀器有廠商定義的功能來對應(yīng)某個特定的標準。這些特定的標準通信測量算法，以固件的形式運行在每個儀器的嵌入式處理器上，這意味著這些算法不是用戶可訪問或可定制的。而為每個待測標準購買一個新的獨立儀器成本太高。這就促使工程師尋求靈活的、獨立于系統(tǒng)的解決方案。

二、靈活的、軟件定義的通信測試

要緊跟無線通信發(fā)展步伐的方法之一是利用軟件。您可以采用一種軟件定義的方式構(gòu)造儀器，通過使用編碼和調(diào)制軟件，生成并測量來自于模塊化的、通用的RF儀器的信號。這種由軟件定義無線電(SDR)來進行測試的方法，完全是驅(qū)動應(yīng)用和用戶定義的。您可以利用它作為測試測量的研究和設(shè)計的建模仿真軟件。美國國防部(DoD)已經(jīng)在支持這種SDR策略了。

“對于軍事來說，SDR是一種變革性的技術(shù)，它支持開發(fā)一個真正互操作的無線電族，使得在任何時候任何操作場所都能與盟軍進行通信。”——Steven MacLaird上校，聯(lián)合系統(tǒng)項目主管、JTRS聯(lián)合項目的項目經(jīng)理(SDR論壇，2003年八月)。

一個典型的通信系統(tǒng)

通過逐步了解一個典型的通信系統(tǒng)的簡化功能模塊框圖，您可以看到如何將通信軟件與模塊化的通用RF儀器相結(jié)合來創(chuàng)建一個支持多個標準的測試系統(tǒng)。圖3展示了一個典型通信系統(tǒng)的主要功能模塊。您可以在發(fā)送端使用這些用于信源編碼、信道編碼、調(diào)制和上變頻的模塊，在接收端完成這個過程的逆過程。一個真實世界的通信鏈路包含一個傳輸所需的物理通道如空氣(無線)、光纖和銅纜等。

信源編碼與解碼

信源編碼的主要功能是以盡可能少的比特表示您的信息，以減少資源占用。信源編碼類似于數(shù)據(jù)壓縮，信息越小，傳輸速度越快，這意味著要更有效地使用寶貴的資源和頻譜。通過信源編碼，您可以用同樣的帶寬發(fā)送更多的信息。一些較常用的信源編碼算法包括jpeg壓縮、zip(LZ77和哈夫曼編碼算法的一種組合)、MP3(部分MPEG-1用于聲波和音樂壓縮)和MPEG-2(用于DVD)。

信道編碼與解碼

與信源編碼不同，信道編碼會在數(shù)據(jù)中添加比特，從而增加了信息的容量。添加比特或重用比特以確保了原始信息能夠更好地抵抗任何信道的損害，包括噪聲和衰減，以便解碼后能得到正確的原始信息。許多信道編碼算法在實現(xiàn)了正確編碼和數(shù)據(jù)傳輸平衡的同時還實現(xiàn)了信息量的最小化

調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制是改變電磁波或信號一個或多個屬性(幅度、頻率和/或相位)的過程。您可以使用調(diào)制將低頻信息以較高頻率發(fā)送?；蛟S你會問為何要以高頻而不是以低頻發(fā)送信號。以無線的方式傳送一個基帶音頻信號(在20 Hz ~ 20 kHz范圍內(nèi))需要天線、電源和諸多電子設(shè)備，由于波長與頻率成反比，低頻信號需要較大的設(shè)備和較高的發(fā)射功率，這樣是不現(xiàn)實的。因此，如果以較高的頻率傳送同樣的信號，對應(yīng)波長將會變短，設(shè)備尺寸可以縮小發(fā)射功率也可以降低。這突出了調(diào)制的普遍性和重要性。通過調(diào)制，您可以將您的基帶信號附加在更高頻信號上。包含您需要傳輸?shù)男畔⒒蛳⒌牡皖l信號便是調(diào)制信號。高頻信號則稱為載波信號，因為它“負載”了基帶信息。所得到的合成信號便稱為調(diào)制的載波信號。

當您需要幾個信號共享同一個信道，或者希望在不增加信號帶寬的情況下傳輸更多的信號時，您也可以使用調(diào)制。由于更多的信號可以負載到同等的空間，您就可以得到更高帶寬利用率。您可以根據(jù)應(yīng)用和所需要傳輸?shù)男畔⒘窟x擇特定的調(diào)制模式。除了標準調(diào)制模式外，通過軟件方式實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，可以開發(fā)出自定制模式，這十分適合于要求具備定制模式的特定應(yīng)用(或)軍事應(yīng)用。

上變頻與下變頻

您可以使用一個上變頻器與下變頻器，分別將輸入頻率向上或向下變換。上變頻和下變頻的主要部件是一個稱為混頻器的設(shè)備?；祛l器將不同頻率的兩個信號“相加減”，以生成一個和信號和一個差信號。

圖4描述了一個早期的典型通信系統(tǒng)的功能模塊框圖，這里使用了NI公司的LabVIEW圖形化代碼。發(fā)送端的函數(shù)用于信源編碼、信道編碼、調(diào)制和上變頻等，接收端的函數(shù)則用于下變頻、解調(diào)、信道解碼和信源解碼等。該軟件特別適用于PXI系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)提供了在通信信號的生成/上變頻和下變頻/采集等階段都需要的模塊化通用RF儀器。

三、PXI——一個理想的軟件定義通信測試平臺

PXI平臺非常適合于軟件定義的通信測試的原因有很多。最重要的是PXI平臺是基于PC機的。PXI儀器的功能是通過軟件定義的，因此，單個PXI RF儀器可以測試多個通信標準，所需的工作僅僅是改變運行于系統(tǒng)控制器的軟件。PXI控制器采用最新的雙核處理器可以方便地處理最復雜的通信算法。

隨著通信標準的數(shù)據(jù)傳輸量持續(xù)增長，將通信測試平臺構(gòu)建于一個高數(shù)據(jù)傳輸量的總線之上非常重要。PXI基于PCI和快速PCI總線，提供高達6 GB/s的系統(tǒng)帶寬和高達2 GB/s的單個儀器帶寬。憑借這樣的數(shù)據(jù)吞吐量，您可以使用PXI儀器長時間記錄通信信號以供離線分析，回放已記錄信號或仿真信號。

例如，通過升級控制器到更高性能的處理器，您可以提高一個PXI系統(tǒng)中的所有儀器性能，。這種升級并不適用于獨立的儀器，因為獨立儀器中的嵌入式處理器并不是用戶可訪問或可升級的。而且，由于PXI是一個多廠商支持的平臺，一個系統(tǒng)的模塊化組件可以來自于多個廠商，不會受限于單個廠商。再者所有的PXI產(chǎn)品都必須符合PXI的軟硬件規(guī)范，從而保證了不同廠商產(chǎn)品間的互操作性。

大多數(shù)的系統(tǒng)在進行通信測試時，也要測試設(shè)備的其它功能，包括如數(shù)字萬用表(DMM)、可編程的電源供應(yīng)和開關(guān)等的儀器。PXI平臺是通用的，并為大多數(shù)應(yīng)用和測量提供所需儀器?，F(xiàn)有超過1000個PXI模塊可供選用，它們都來自于PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA)的68個成員。

四、總結(jié)：軟件定義的通信系統(tǒng)提供了一個面向未來的平臺

使用軟件定義的通信測試系統(tǒng)的趨勢將繼續(xù)增長。相關(guān)組織已經(jīng)接受并開始推動這樣的發(fā)展走向由于它有助于結(jié)合標準的發(fā)展開發(fā)相應(yīng)的測試系統(tǒng)。軟件定義的測試為當前通信系統(tǒng)提供了解決方案，更重要的是，它為即將涌現(xiàn)的和未來的通信系統(tǒng)提供了一種測試模式和平臺。