軟件無線電產品的軟件無線電檢測方法

1. 引言

軟件定義的無線電技術是20世紀90年代初由美國人Joe Mitola首先提出的[1]。他提出軟件定義的無線電(簡稱軟件無線電)就是由軟件進行信道調制解調的無線電。這樣的數字通信系統(tǒng)的少數射頻參數由硬件射頻前端決定，實際的通信協(xié)議主要由軟件定義。也就是說系統(tǒng)可以根據實際信道條件和用戶需求選擇適當的編碼和調制方式，實現自適應通信的能力。這個軟件定義無線電的理論為軍事通信帶來了接近無限的靈活性，所以醍醐灌頂的通信系統(tǒng)設計師們一開始就得到了高強度的研發(fā)資金投入。隨著20世紀末高性能中頻器件逐步商品化，主要是高速AD、DA和中頻處理器件的商品化，無線通信終端產品設計者和測試測量儀器設計者逐步沐浴到了軟件無線電的甘霖。由此催生成熟了軟件定義的射頻儀器和軟件定義的無線通信產品。

2. 軟件無線電在手機和測量儀器中的應用

在無線通信領域，手機和他們的檢測設備不約而同地采用了軟件定義無線電的技術。圖1和圖2分別是典型的檢測系統(tǒng)和手機的原理框圖。軟件無線電給測試測量儀器和被測量的無線通信設備都帶來了靈活性。對儀器而言，通過調用不同的軟件就可以檢測不同通信協(xié)議的被測件。對通信設備而言，通過下載不同的軟件就可以用不同的通信協(xié)議通信。其中軟件可以有不同的承載平臺。軟件可以安裝在計算機硬盤或者閃盤上，可以下載到DSP或者FPGA上。對于手機，大多以后者形式運行。對于儀器，大多采用微軟-英特計算機平臺。

圖 1軟件無線電檢測典型系統(tǒng)原理框圖

圖 2手機電子典型結構原理框圖

在儀器方面，又分為封閉結構和開放結構兩種流派。封閉結構儀器提供一定數量協(xié)議的完整的無線測試測量功能。用戶通過調用程控指令，如GPIB指令，就可以完成對被測件的各項測試。儀器內部構架對使用者不公開。協(xié)議擴展或測試功能擴展完全依賴儀器供應商。這個流派以安捷倫(Agilent)和羅德施瓦茨(Rhode and Schwarz)為代表，儀器有著名的8960和CMU200。這類使傳統(tǒng)的儀器，在儀器供應商內部，它們是軟件定義的，對使用者，它們是預定義的。開放結構儀器建立在公開的標準總線結構上，各個儀器模塊(也稱模塊化儀器)由公開的計算機函數控制。儀器供應商、第三方軟件開發(fā)商或者用戶自己開發(fā)的軟件通過調用這些函數組合配合數字信號處理和測試測量算法軟件，實現對被測件的各項測試。協(xié)議和測試功能的擴展可以由任何具備能力的人開發(fā)。這個流派以美國國家儀器(National Instruments)為代表，PXI儀器平臺就是它倡導的。

表 1封閉和開放結構通信檢測儀器對比

目前，開放式結構的總線基本只有PXI和VXI可選。由于這兩種總線不能夠支持許多無線通信協(xié)議要求的納秒級精度的應答同步，又因為開發(fā)信令協(xié)議棧的技術難度，在開放式系統(tǒng)上只見到WiFi、藍牙、RFID等少數協(xié)議的信令測試系統(tǒng)，至今沒有看到GSM、CDMA等常見協(xié)議的模擬通話測試系統(tǒng)。對這點，可以通過增強儀器中頻實時處理能力來提供條件，也可以索性取消信令測試來解決問題。前者源自測試測量供應商，后者源自生產廠。而今年來行業(yè)發(fā)展的趨勢，導致信令測試的減少或者取消成為生產測試的基本要求。

3. 從通話測試到參數測試

模擬通話的功能測試

首先回顧一下傳統(tǒng)的手機無線檢測。傳統(tǒng)上我們使用一臺具有基站信令協(xié)議棧的射頻檢測儀器。這臺儀器和被測設備通過無線協(xié)議的空中接口建立模擬通話，在模擬通話的同時檢測手機的性能。通常我們稱這種儀器為綜測儀。這里的空中接口是通信協(xié)議中基站無線收發(fā)機和終端(如手機)無線收發(fā)機之間的一個界面，實際使用的時候是通過空氣，但檢測的時候也可以通過電纜聯接。這種使用綜測儀模擬通話的檢測方法利用標準規(guī)定的協(xié)議指令，使得射頻檢測和產品內部設計無關，可以適應特定協(xié)議下任何廠商設計和制造的移動終端。模擬通話的檢測方法壟斷了無線測試行業(yè)，直到最近幾年，無線終端產品生產廠的利潤越來越難以支持這種測試方法帶來的生產成本。

測試測量儀器對生產成本的壓力來自儀器折舊分攤到每一臺被測件的成本。其中儀器費用包括為了適應不同被測件協(xié)議必須的儀器升級費用。假設各種儀器都有接近的壽命，生產成本就可以分解為三個主要因素，儀器價格、測試速度和升級費用。價格低、速度快、升級費用低，生產成本就低。

20世紀末，生產成本的控制是通過儀器降價和測試流程并行化實現的。由于手機生產量飛速上升，數萬美元的儀器不再是一臺兩臺地購買，而是幾十上百地采購。所以綜測儀的設計和制造成本得以降低，導致實際售價顯著降低。另一方面，射頻檢測流程也由一臺儀器對一臺被測件升級為一臺儀器對2-4臺被測件，使得被測件啟動和非射頻檢測時間不占用綜測儀時間。所以測試時間也得到減少。

然而，最近3-5年無線通信協(xié)議飛速發(fā)展。第三代(3G)通信已成現實，第三代(4G)通信呼之欲出。同時單臺終端集成多個協(xié)議也成為發(fā)展趨勢。一臺手機不僅僅要支持GSM、EDGE、CDMA還要支持WiFi和藍牙。支持第三代通信協(xié)議的手機還要兼容GSM和EDGE。與此同時綜測儀的升級似乎到頭了，WiFi、藍牙、WiMax等無線通信的檢測需要另外購買無線檢測儀器。一瞬間無線生產設備在3-5年間需要多少投資成為了未知數。大規(guī)模的生產使不能建立在未知數上的，所以各個無線生產廠開始尋找鎖定生產成本的良策。

圖 3 綜測儀檢測手機原理框圖

射頻參數測試

控制無線產品生產檢測成本的方法就是用射頻參數測試替代信令通話測試。從邏輯上講，就是把射頻檢測和數字電路檢測分離。對于軟件無線電產品，既然調制解調都是軟件完成的，射頻檢測應該只須要檢測產品射頻前端的參數就可以了，和協(xié)議信令沒有關系。而數字電路可以由軟件校驗和數字端口讀寫實現。技術上射頻參數測試可以分為2類，射頻校準參數測試和射頻性能參數測試。其中前者測量被測件的發(fā)射功率控制參數、接收靈敏度控制參數、頻響均衡參數等等和無線終端收發(fā)控制相關的參數。后者測量被測件的發(fā)射頻譜曲線、邊帶響應、交調失真、雜散頻譜輻射、頻率準確度等等和射頻前端質量相關的參數。實際上，射頻校準參數測試已經在生產廠存在很多年了，然而直到近幾年來性能參數測試可以替代通話測試才逐步成為業(yè)界共識。

從測試方法來說，這是由功能檢測向性能參數檢測的過渡，也是由黑箱測試向白箱測試的過渡。從技術上講，是由設計結構封閉向設計結構部分開放的過渡。從手機測試原理框圖來看，參數測試用數字通訊端口控制被測件，命令被測件進入特定的測試模式，從而被測件可以發(fā)射測試信號，或者接收測試信號并將收到的信號或信號參數通過通訊端口發(fā)回測試儀器。圖 4是射頻參數測試的原理框圖，可以對比圖 3，我們用數字端口控制手機(或其他無線通信設備)替代了空中接口控制。其中數字端口往往是低電壓邏輯的串行通訊接口。參考表 2，無線終端的設計者必須向測試系統(tǒng)研發(fā)工程師公開部分數字控制指令，并且將一部分終端研發(fā)過程中的測試代碼整合為終端測試模式軟件，使得生產檢測時可以下載到被測件上運行。

無線終端設計者對測試指令的開放使得射頻參數測試成為可能，而軟件定義的射頻儀器突出的性能又對參數測試起到了推波助瀾的效果。這些以PXI總線為代表平臺的模塊化儀器，有時也被稱作虛擬儀器或者合成儀器。模塊化的PXI射頻儀器共享132M字節(jié)/秒的本地總線，同時具備較強的觸發(fā)同步功能，所以某些項目的測試可以成倍加速。過去校準手機是論幾十秒還是一二百秒，現在采用新的校準信號模式，校準一個GSM通道的時間可以做到1秒以內。

圖 4 手機射頻參數檢測原理框圖

表 2 功能檢測和參數檢測的對比

表 4 被測件接收性能參數測量信號和分析

4. 軟件無線電的無線測試系統(tǒng)示例

軟件無線電構架的測試系統(tǒng)早在2003年就已應用于我國SCDMA手機的生產檢測，參見圖 5。典型的基于PXI的射頻檢測儀器配置見圖 6。經過多年發(fā)展，目前在NI PXI平臺上，上海聚星已經實現了GSM、EDGE、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、WiFi、BP機、GPS等多種射頻協(xié)議的檢測。部分示例程序界面如圖 7和圖 8。NI公司計劃2008年推出基于PXI和PXIe的新一代軟件無線電模塊化儀器，這些模塊將在PXI和PXIe總線平臺上提供更大的射頻頻率范圍、更寬的實時帶寬和更強的實時信號處理能力，相信它們是值得大家期待的通信檢測產品。

圖 5 基于PXI軟件無線電平臺的SCDMA生產檢測儀

圖 6 典型NI基于軟件無線電構架的射頻檢測系統(tǒng)原理框圖

圖 7 聚星儀器無線測試工具包WiFi數據組幀界面

圖 8 聚星儀器無線測試工具包WiFi 54Mbps 64QAM OFDM解調示例界面

5. 結論

軟件無線電的理論由來已久，基于軟件無線電構架的無線終端和檢測儀器也已經成為市場主流。然而由于技術保密等原因，大多數生產檢測，尤其是OEM生產廠的檢測，依然沿用傳統(tǒng)的模擬實際通信信令的功能檢測。所幸在市場條件下，基于軟件無線電構架劃分界面的參數檢測依然孕育成型。越來越多的儀器供應商向用戶開放儀器基帶數據，越來越多的第三方射頻測試測量軟件在市場上出現。這個無線終端測試從黑箱到灰箱測試的過渡，除了給生產廠帶來經濟利益之外，勢必也提升了無線生產的技術含量。開放結構的軟件無線電模塊化儀器在此間起到了關鍵作用。