軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)推動(dòng)測試儀器的發(fā)展

測試設備制造商始終面臨的挑戰是如何開(kāi)發(fā)出能夠滿(mǎn)足用戶(hù)最新產(chǎn)品測試需求的新型測試方案，他們通常采用設計專(zhuān)用硬件的方法來(lái)應對這一挑戰。對于通信市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于新的通信標準發(fā)展迅速，常常需要新的信號源和測量功能，因而帶來(lái)更大的挑戰。為跟上標準的發(fā)展速度，測試儀器供應商必須找到能夠縮短儀器開(kāi)發(fā)時(shí)間的新方法，以使測試儀器能夠滿(mǎn)足新的測量需求。軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)就是一種有用的技術(shù)。

SDR是一種利用軟件來(lái)調制和解調無(wú)線(xiàn)電信號的無(wú)線(xiàn)通信系統。良好的經(jīng)濟性是SDR獲得廣泛使用的驅動(dòng)力。相比傳統的模擬設計，這類(lèi)系統能夠以更低的成本獲得很高的靈活性。圖1給出了一個(gè)SDR系統的實(shí)例。

圖1：一個(gè)軟件定義無(wú)線(xiàn)電系統示例圖。

從嚴格意義上講，數模(D/A)和模數(A/D)轉換將會(huì )出現在載波頻率上，且無(wú)需模擬上變頻和模擬下變頻。而目前的SDR應用通常至少包含一級模擬上變頻和模擬下變頻。顯然，A/D和D/A轉換器是SDR系統的重要組成元件。轉換器的速度和分辨率將決定系統所需的模擬頻率轉換次數。轉換器需要足夠大的分辨率(比特)以充分生成或捕獲調制數據，而更復雜的調制格式將要求轉換器具有更高的分辨率。轉換器的速度將對可生成或可采樣的最大信號頻率造成限制。轉換器技術(shù)正不斷發(fā)展，已可以同時(shí)實(shí)現較高的分辨率和頻率。

數字信號處理是SDR系統的另一個(gè)關(guān)鍵因素，因為它可以實(shí)現多種原本由模擬電路實(shí)現的功能，包括頻率轉換、調制、解調和濾波。數字信號處理還支持諸如波形預失真和抽取等功能，因而可提供比模擬設計更好的性能。傳輸波形的預失真功能考慮到了模擬電路的非線(xiàn)性特征，并調節基帶信號波形以對其進(jìn)行補償，從而能夠產(chǎn)生更高質(zhì)量的調制信號。

實(shí)現數字信號處理有三種最基本的方法。第一種方法是利用普通計算資源(例如PC機)以軟件方式實(shí)現所有的信號處理;第二種是定義一個(gè)用來(lái)實(shí)現信號處理功能的邏輯電路，并用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現這個(gè)邏輯電路;第三種方法是利用專(zhuān)為實(shí)現數字信號處理所需功能而設計的可編程硬件，包括數字信號處理器(DSP)和數字上變頻(DUC)以及數字下變頻(DDC)器件等。

上述三種方法都能滿(mǎn)足SDR的主要設計目標，即實(shí)現一個(gè)高度靈活的系統。然而，為達到SDR的成本控制目標，必須考慮系統的開(kāi)發(fā)成本和單位成本。不同實(shí)現方案的成本各有不同，這在很大程度上取決于系統的實(shí)時(shí)帶寬需求。帶寬越大，所需的處理能力就越強，相應成本就越高。但是，對于中等性能需求而言，采用FPGA可能是成本最高的解決方案，而DSP系統則是最廉價(jià)的選擇。

頻率生成是所有通信系統的一個(gè)關(guān)鍵要素。直接數字合成(DDS)是一種利用D/A轉換器生成具有極精確頻率的正弦波的技術(shù)。該技術(shù)能以較低的成本實(shí)現快速頻率切換。半導體工藝的進(jìn)步也促進(jìn)了DDS技術(shù)的快速發(fā)展?，F在的DDS器件能夠產(chǎn)生頻率高達幾百兆赫茲、頻率分辨率達微赫茲的正弦波。

SDR技術(shù)越來(lái)越受到一些要求兼具經(jīng)濟和靈活性的應用的青睞，例如軍用通信系統和多功能蜂窩基站。這類(lèi)應用往往具有下列共同特征：

1. 要求中等到高度的靈活性;

2. 小到中等應用規模;

3. 中等到高度的復雜性。

測試儀器與采用SDR技術(shù)的其它應用具有很多共同的特點(diǎn)。測試儀器通常都非常復雜，因為以適當的余量測量尖端系統需要很高的性能。相比手機或基站等大批量應用的設備，測試儀器的數量介于小到中等之間。對于測試儀器而言，靈活性始終是一個(gè)重要特征，尤其是在通信領(lǐng)域。通信測試儀器的關(guān)鍵技術(shù)要求包括高調制解調帶寬、大動(dòng)態(tài)量程和高數據吞吐率。

近年來(lái)，數字通信系統(尤其是在調制格式領(lǐng)域)發(fā)展迅速。新標準的出現意味著(zhù)諸如信號源之類(lèi)的測試儀器必須能夠產(chǎn)生新的調制波形，且信號分析儀必須能夠解調和分析這些新波形。不同標準的關(guān)鍵性能參數往往不同，因此需要采用新的分析例程。

這些挑戰要求測試儀器能夠快速升級，并能夠方便地增加新的調制標準。無(wú)論是從節約成本的角度，還是從縮短上市時(shí)間的角度來(lái)看，可升級性能顯然都非常重要。通信系統與設備廠(chǎng)商無(wú)力承擔等待開(kāi)發(fā)下一代測試設備的時(shí)間損失。此外，通信標準還會(huì )在開(kāi)發(fā)過(guò)程中頻繁變化，這也需要修改信號產(chǎn)生與分析例程。

上述要求使得SDR技術(shù)成為測試儀器的理想選擇。原來(lái)針對普通SDR應用的成本與性能折衷策略同樣可用于測試儀器。第一代SDR測試儀器采用了軟件處理或基于FPGA的方法。數字信號處理器件(例如DSP和DDC/DUC)的發(fā)展也提供了實(shí)現測試儀器所需的處理性能。這種方法為平衡測試儀器的成本和性能提供了最佳選擇。

采用SDR技術(shù)的測試儀器為設備制造商及其用戶(hù)帶來(lái)了許多好處：首先是易于升級到新的通信標準。測試儀器的信號產(chǎn)生與分析功能主要是由寫(xiě)入數字信號處理器的例程來(lái)實(shí)現。當出現新標準時(shí)，可以很容易地編寫(xiě)新功能的DSP程序并通過(guò)固件升級的方式將其發(fā)布給現有儀器的用戶(hù)。

其次是由于頻率切換和信號分析速度更快而提高了吞吐量。高帶寬A/D轉換器和快速DSP器件能夠十分高效地處理大型FFT。例如，在頻距(span)較寬和分辨率帶寬較低的條件下，基于DSP的分析儀可提供比傳統頻譜分析儀快幾個(gè)數量級的測量速度。直接數字合成技術(shù)的頻率切換速度比傳統方案要快得多，快速的頻率切換將可以提高信號發(fā)生器和信號分析儀的吞吐量。

最后一點(diǎn)優(yōu)勢是，測試儀器的上市時(shí)間更快。測試設備制造商可利用尖端的商用信號處理器件實(shí)現儀器級的性能，這極大地降低了開(kāi)發(fā)測試儀器的工作量。此外，基本的數字設計可以在各種儀器之間復用，從而進(jìn)一步降低了開(kāi)發(fā)成本。例如，圖2給出了吉時(shí)利公司2810矢量信號分析儀和2910矢量信號發(fā)生器中采用的數字架構。這兩種儀器都采用了相同的數字處理設計。

圖2：2810矢量信號分析儀和2910矢量信號發(fā)生器的數字架構。

通信標準很可能會(huì )不斷發(fā)展。同時(shí)，通信系統和器件制造商所面臨的測試成本壓力將迫使測試設備廠(chǎng)商提供更具成本效益的儀器。SDR技術(shù)與高端信號處理器件的結合為測試設備制造商提供了可滿(mǎn)足上述需求的強大工具。