案例研究：用于通信測試的軟件定義無(wú)線(xiàn)電架構

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(wú)線(xiàn)與通信產(chǎn)品繼續以史無(wú)前例的速率增長(cháng)，如圖1所示。同時(shí)，隨著(zhù)像Microsoft、Vodafone和Google等公司的努力，通過(guò)V CAST觀(guān)看足球錦標賽和從Google Earth獲取本地信息正在變得越來(lái)越普通。無(wú)線(xiàn)通信在許多國家已超過(guò)陸地通信并且當前的數據帶寬難以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通訊的需求，因此有效滿(mǎn)足這種需求成為移動(dòng)通信面臨的巨大挑戰。

圖1 對數據持續增長(cháng)的需求造成了一個(gè)無(wú)線(xiàn)與通信標準的“原木阻塞”。

除了要求具備多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)標準外，通訊業(yè)界還被持續存在的壓力所驅使，不得不力爭以最快的速度將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。這使得其研究和設計的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)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(lái)自獨立儀器制造商的預定義標準測試系統不復存在。這都歸因于先發(fā)布一個(gè)無(wú)線(xiàn)標準、然后在先驅用戶(hù)(lead users)中構建設備原型、最后再針對大規模商用需求開(kāi)發(fā)測試裝置這一傳統周期太耗費時(shí)間了。

需要兼容多個(gè)標準設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(guò)一個(gè)無(wú)線(xiàn)與通信標準的兩個(gè)主要原因。事實(shí)上，從NI公司“儀器研究”調查中所收集的數據表明，在設計和測試具有無(wú)線(xiàn)通信功能設備的工程師中，幾乎三分之二的人在使用不只一個(gè)標準，其百分比分布如下：

• 37%使用1個(gè)標準

• 30%使用2到3個(gè)標準

• 33%使用4個(gè)甚至更多的標準

從傳統做法看，您需要為每一個(gè)待測的通信標準準備一個(gè)獨立儀器。每個(gè)儀器有廠(chǎng)商定義的功能來(lái)對應某個(gè)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(gè)儀器的嵌入式處理器上，這意味著(zhù)這些算法不是用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)或可定制的。而為每個(gè)待測標準購買(mǎi)一個(gè)新的獨立儀器成本太高。這就促使工程師尋求靈活的、獨立于系統的解決方案。

二、靈活的、軟件定義的通信測試

要緊跟無(wú)線(xiàn)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造儀器，通過(guò)使用編碼和調制軟件，生成并測量來(lái)自于模塊化的、通用的RF儀器的信號。這種由軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)來(lái)進(jìn)行測試的方法，完全是驅動(dòng)應用和用戶(hù)定義的。您可以利用它作為測試測量的研究和設計的建模仿真軟件。美國國防部(DoD)已經(jīng)在支持這種SDR策略了。

“對于軍事來(lái)說(shuō)，SDR是一種變革性的技術(shù)，它支持開(kāi)發(fā)一個(gè)真正互操作的無(wú)線(xiàn)電族，使得在任何時(shí)候任何操作場(chǎng)所都能與盟軍進(jìn)行通信。”——Steven MacLaird上校，聯(lián)合系統項目主管、JTRS聯(lián)合項目的項目經(jīng)理(SDR論壇，2003年八月)。

一個(gè)典型的通信系統

通過(guò)逐步了解一個(gè)典型的通信系統的簡(jiǎn)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儀器相結合來(lái)創(chuàng )建一個(gè)支持多個(gè)標準的測試系統。圖3展示了一個(gè)典型通信系統的主要功能模塊。您可以在發(fā)送端使用這些用于信源編碼、信道編碼、調制和上變頻的模塊，在接收端完成這個(gè)過(guò)程的逆過(guò)程。一個(gè)真實(shí)世界的通信鏈路包含一個(gè)傳輸所需的物理通道如空氣(無(wú)線(xiàn))、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(lèi)似于數據壓縮，信息越小，傳輸速度越快，這意味著(zhù)要更有效地使用寶貴的資源和頻譜。通過(guò)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(lè )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(huì )在數據中添加比特，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(shí)現了正確編碼和數據傳輸平衡的同時(shí)還實(shí)現了信息量的最小化

調制與解調

調制是改變電磁波或信號一個(gè)或多個(gè)屬性(幅度、頻率和/或相位)的過(guò)程。您可以使用調制將低頻信息以較高頻率發(fā)送?；蛟S你會(huì )問(wèn)為何要以高頻而不是以低頻發(fā)送信號。以無(wú)線(xiàn)的方式傳送一個(gè)基帶音頻信號(在20 Hz ~ 20 kHz范圍內)需要天線(xiàn)、電源和諸多電子設備，由于波長(cháng)與頻率成反比，低頻信號需要較大的設備和較高的發(fā)射功率，這樣是不現實(shí)的。因此，如果以較高的頻率傳送同樣的信號，對應波長(cháng)將會(huì )變短，設備尺寸可以縮小發(fā)射功率也可以降低。這突出了調制的普遍性和重要性。通過(guò)調制，您可以將您的基帶信號附加在更高頻信號上。包含您需要傳輸的信息或消息的低頻信號便是調制信號。高頻信號則稱(chēng)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(chēng)為調制的載波信號。

當您需要幾個(gè)信號共享同一個(gè)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(shí)，您也可以使用調制。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。您可以根據應用和所需要傳輸的信息量選擇特定的調制模式。除了標準調制模式外，通過(guò)軟件方式實(shí)現調制與解調，可以開(kāi)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用(或)軍事應用。

上變頻與下變頻

您可以使用一個(gè)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(gè)稱(chēng)為混頻器的設備?；祛l器將不同頻率的兩個(gè)信號“相加減”，以生成一個(gè)和信號和一個(gè)差信號。

圖4描述了一個(gè)早期的典型通信系統的功能模塊框圖，這里使用了NI公司的LabVIEW圖形化代碼。發(fā)送端的函數用于信源編碼、信道編碼、調制和上變頻等，接收端的函數則用于下變頻、解調、信道解碼和信源解碼等。該軟件特別適用于PXI系統，因為該系統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(gè)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(guò)軟件定義的，因此，單個(gè)PXI RF儀器可以測試多個(gè)通信標準，所需的工作僅僅是改變運行于系統控制器的軟件。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(zhù)通信標準的數據傳輸量持續增長(cháng)，將通信測試平臺構建于一個(gè)高數據傳輸量的總線(xiàn)之上非常重要。PXI基于PCI和快速PCI總線(xiàn)，提供高達6 GB/s的系統帶寬和高達2 GB/s的單個(gè)儀器帶寬。憑借這樣的數據吞吐量，您可以使用PXI儀器長(cháng)時(shí)間記錄通信信號以供離線(xiàn)分析，回放已記錄信號或仿真信號。

例如，通過(guò)升級控制器到更高性能的處理器，您可以提高一個(gè)PXI系統中的所有儀器性能，。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(hù)可訪(fǎng)問(wèn)或可升級的。而且，由于PXI是一個(gè)多廠(chǎng)商支持的平臺，一個(gè)系統的模塊化組件可以來(lái)自于多個(gè)廠(chǎng)商，不會(huì )受限于單個(gè)廠(chǎng)商。再者所有的PXI產(chǎn)品都必須符合PXI的軟硬件規范，從而保證了不同廠(chǎng)商產(chǎn)品間的互操作性。

大多數的系統在進(jìn)行通信測試時(shí)，也要測試設備的其它功能，包括如數字萬(wàn)用表(DMM)、可編程的電源供應和開(kāi)關(guān)等的儀器。PXI平臺是通用的，并為大多數應用和測量提供所需儀器?，F有超過(guò)1000個(gè)PXI模塊可供選用，它們都來(lái)自于PXI系統聯(lián)盟(PXISA)的68個(gè)成員。

四、總結：軟件定義的通信系統提供了一個(gè)面向未來(lái)的平臺

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