采用軟件無(wú)線(xiàn)電架構加速無(wú)線(xiàn)設備開(kāi)發(fā)和測試

隨著(zhù)現在無(wú)線(xiàn)電應用數量的增加―從相距數公里的兩個(gè)朋友之間的視頻交談到PDA控制的庫房環(huán)境和照明，無(wú)線(xiàn)標準的數量也在增加。每個(gè)行業(yè)都進(jìn)入無(wú)線(xiàn)通信的應用領(lǐng)域，然而每個(gè)行業(yè)具有其自己的要求和規范，需要根據特定應用對標準和協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。這樣一來(lái)，無(wú)線(xiàn)和通信標準的數量迅速增加，更別說(shuō)更多的專(zhuān)用協(xié)議了。圖1顯示了各種標準的“擁堵”現象。在這些標準完全確定之前，它們就被集成到電路和系統設計中，這遠早于測試設備供應商能提供相應的測試解決方案。另外一個(gè)證明這個(gè)問(wèn)題的事實(shí)是，用戶(hù)逐漸接受并對之依賴(lài)的很多新設備實(shí)際上采用了兩個(gè)、三個(gè)或更多的標準用于數據或語(yǔ)音通信。例如，蘋(píng)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(shí)間內滿(mǎn)足標準的測試需求呢？

理解通信信號處理

為確定這個(gè)問(wèn)題的答案，首先考慮通信系統背后的技術(shù)。帶寬、功率、編碼復雜度、冗余度、抗損害性能以及成本都是實(shí)現特定無(wú)線(xiàn)應用目標所要綜合考慮的關(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測和控制來(lái)說(shuō)，ZigBee非常理想。因此，ZigBee的重要設計選擇需要使功耗和成本最低，而其它如帶寬之類(lèi)的參數就不太重要。而對于下一代的Wi-Fi來(lái)說(shuō)則情況幾乎相反，該標準要支持高達540Mb/s的數據速率。

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

圖1：對數據不斷增加的需求產(chǎn)生了無(wú)線(xiàn)和通信標準的“擁擠”。

圖2：本圖展示了典型的通信系統中的主要功能模塊。

采用靈活的軟件定義信號處理來(lái)實(shí)現多種標準和新標準

對于前面介紹的通信系統的最重要功能模塊，一直以來(lái)都是采用數字信號處理器(DSP)芯片或ASIC來(lái)實(shí)現的，它們都需要數月的時(shí)間來(lái)設計、開(kāi)發(fā)以及集成到一種通信解決方案中。但是，要在短的時(shí)間內實(shí)現多個(gè)標準，現在尋求的辦法是要快而簡(jiǎn)單地實(shí)現這些標準。在通信測試中引入的一種與無(wú)線(xiàn)和通信技術(shù)同步發(fā)展的方法是通過(guò)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(guò)編碼和調制軟件來(lái)產(chǎn)生調制波形和測試信號。這種用于測試的軟件定義的無(wú)線(xiàn)電(SDR)方法完全是應用推動(dòng)以及用戶(hù)定義的。它允許工程師利用在研究和設計中使用的軟件建模和仿真軟件來(lái)進(jìn)行測量和測試。

圖3 ：運行在PXI系統上的通信軟件，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、調制以及上變頻，以及接收器端的下變頻、解調、信道解碼和信源解碼。

圖4 ：帶控制器和外設擴展槽的典型PXI系統。

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(shí)現一個(gè)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(jìn)行定義的。因此，工程師可以使用單個(gè)PXI RF儀器，僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單地改變運行在基于Windows的控制器上的軟件，來(lái)測試多個(gè)通信標準。PXI控制器采用了最新的雙內核處理器，能輕易地處理大多數的復雜通信算法。圖4顯示了帶一個(gè)控制器和儀器卡的典型PXI系統。

在PXI硬件上用軟件獲得像DSP或ASIC上所能實(shí)現的同樣好的信號處理性能的一個(gè)主要因素是，從控制器上連續產(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(xiàn)，能提供高達6GB/s的系統帶寬和單臺儀器2 GB/s的帶寬。這種吞吐量加上雙內核技術(shù)能實(shí)現長(cháng)期的信號采集和波形發(fā)生。

可重新配置的硬件平臺

通信中出現的另外一個(gè)新平臺是基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)邏輯以及集成的模數轉換器(ADC)以及數模轉換器(DAC)。簡(jiǎn)單的基于PXI的系統與使用FPGA技術(shù)的系統之間的主要差異是信號處理的位置。在基于PXI的系統中，大多數的處理發(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的系統中，邏輯和處理模塊以固件的形式下載到FPGA上。這實(shí)質(zhì)上將FPGA轉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，是這種架構的一個(gè)很好的例子。PCI-5640R提供了PCI總線(xiàn)接口，并包括四個(gè)DMA通道，能在主CPU(PC)和Xilinx FPGA之間傳遞流。通過(guò)ADC/DAC實(shí)現數字上變頻和數字下變頻，將處理任務(wù)從Xilinx FPGA上卸載下來(lái)。

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(guò)使用NI LabVIEW軟件來(lái)對板上FPGA進(jìn)行編程，工程師可以采用多種編碼和調制算法來(lái)測試已有的和新出現的通信標準。該模塊還是用于軟件無(wú)線(xiàn)電、通信系統設計和編碼和調制方法概念的理想教學(xué)工具。

現在，基于FPGA的儀器(可以是某種形式的PXI儀器)和PXI系統之間的共同特性是，兩種系統都是用軟件進(jìn)行定義。這意味著(zhù)構建于兩種架構上的通信系統都能針對新的通信協(xié)議進(jìn)行適配。

軟件定義通信測試的未來(lái)發(fā)展趨勢

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

延伸閱讀

理解通信系統模塊

在無(wú)線(xiàn)通信系統中存在幾種主要的信號處理模塊(見(jiàn)圖2)，包括：

信源編碼與解碼

信源編碼實(shí)質(zhì)上是數據壓縮；消息越小，傳輸時(shí)間越快，這轉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(lè )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(shí)際上會(huì )增加數據的位數，增加信息的大小。增加的或重新編排的數據位確保原始的消息能承受包括噪聲和衰減在內的信道損害，從而能準確解碼以獲得原始的發(fā)送消息。

調制與解調

調制的嚴格定義是改變一個(gè)電磁波形或信號的一個(gè)或幾個(gè)特性(幅度、頻率以及/或相位)。使用調制來(lái)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(lái)將輸入頻率分別提高或降低。