軟件定義無(wú)線(xiàn)電結構的測試儀器與RF測量的新熱點(diǎn)

摘要： 本文論述軟件定義無(wú)線(xiàn)電和基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電的RF測量儀器，對矢量信號發(fā)生器和矢量信號分析儀的電路結構作了詳細介紹，基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電的儀器將成為RF測量的新熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 軟件定義無(wú)線(xiàn)電；RF測量；矢量信號發(fā)生器；矢量信號分析器

軟件定義無(wú)線(xiàn)電和虛擬儀器

在通信領(lǐng)域探索軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)的基礎上，美軍從1992年開(kāi)始起動(dòng)SPEAKeasy計劃，加上民用移動(dòng)通信亦不失時(shí)機采用這種新技術(shù)，SDR已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的重要支柱。在測量?jì)x器領(lǐng)域由于20世紀60年代中期有了GPIB通用儀器總線(xiàn)，為了編寫(xiě)測量應用程序，惠普(HP)公司和國家儀器(NI)公司分別開(kāi)發(fā)成功VEE和LabVIEW圖形編程工具。20世紀80年代插卡儀器和模塊儀器取得進(jìn)展，這些儀器都沒(méi)有實(shí)物面板，虛擬面板應運而生。隨著(zhù)VXI模塊儀器總線(xiàn)的誕生，測量?jì)x器出現兩個(gè)開(kāi)放式總線(xiàn)標準，即以臺式儀器為基礎的IEEE488標準(GPIB)和以模塊儀器為基礎的IEEE1515標準(VXI)。為了發(fā)揮插卡儀器和模塊儀器的潛在能力，在發(fā)展虛擬面板、即插即用驅動(dòng)器、圖形編程、視窗操作系統取得成果的經(jīng)驗上，NI公司在20世紀90年代初提出一套虛擬儀器的概念。

過(guò)去，測量?jì)x器主要以硬件定義的臺式儀器為主體和軟件為輔，新型的基于通用硬件平臺的軟件定義的虛擬儀器，首先在比較簡(jiǎn)單的數據采集系統取得成功，后來(lái)在工業(yè)控制、自動(dòng)化測試領(lǐng)域同樣發(fā)揮作用。為了擴大虛擬儀器的影響，曾出現“軟件就是儀器”的口號。顯然，口號著(zhù)重強調軟件的作用，實(shí)際上不夠全面，因為沒(méi)有硬件的軟件好比無(wú)本之木，只有硬件與軟件緊密結合才能發(fā)揮虛擬儀器的巨大效能。1997年NI借助虛擬儀器的成功經(jīng)驗開(kāi)發(fā)PXI模塊儀器總線(xiàn)標準，并且生產(chǎn)從直流至RF的模塊儀器。虛擬儀器的市場(chǎng)重點(diǎn)是通用的測量?jì)x器模塊和系統，它改變了測量?jì)x器只有由供應商定義的硬件為主的臺式儀器，使用戶(hù)具有更大選擇性的軟件定義的模塊儀器。

從發(fā)展軌跡來(lái)看，軟件定義無(wú)線(xiàn)電和虛擬儀器都是在1990年前后信息、網(wǎng)絡(luò )、移動(dòng)通信、家用電子大發(fā)展過(guò)程中，充分發(fā)揮軟件潛力所取得的成果。此時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)已顯露頭角，Sun公司在推廣網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器時(shí)打出“軟件就是網(wǎng)絡(luò )”的口號。后來(lái)，隨著(zhù)軟件的作用和貢獻獲得共識，這些強調軟件的口號就很少舊事重提。然而，測量業(yè)界一直沒(méi)有停滯不前，不斷開(kāi)拓硬件軟件相結合的新途徑。2000年后軟件定義無(wú)線(xiàn)電原理在測量?jì)x器上獲得應用，開(kāi)發(fā)成功基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電的儀器。代表性產(chǎn)品是吉時(shí)利(Keithley)公司在2006年推出的2910矢量信號發(fā)生器和2810矢量信號分析器，它們都是采用軟件定義無(wú)線(xiàn)電結構的無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收測量?jì)x器。

基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電的RF測量?jì)x器

在討論軟件定義無(wú)線(xiàn)電儀器前，簡(jiǎn)單回顧一下SDR的定義和電路結構。SDR的定義是：采用軟件或數字電路實(shí)現通信系統的無(wú)線(xiàn)信號的調制和解調。電路結構可歸納為圖1所示的由發(fā)射機和接收機組成的SDR無(wú)線(xiàn)系統。從圖中可見(jiàn)，整個(gè)系統只有三種基本部件，即RF前端、AD/DA轉換器和基帶處理器。RF前端包括天線(xiàn)、低噪聲放大、功率放大，或者上、下變頻器等RF模擬電路。AD/DA轉換器執行模/數和數/模轉換，是最關(guān)鍵的部件，在基帶頻率范圍內要有足夠的分辨率和取樣率?；鶐幚砥鲗?shí)現數字信號處理，包括調制、解調、濾波、變換等數字運算。

圖1　軟件定義無(wú)線(xiàn)電系統的結構

SDR與傳統的無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統相比，使用大量數字電路和信號處理替代超外差變頻、中頻放大、本振、濾波、檢波放大等模擬電路，具有電路簡(jiǎn)化、功耗減小、靈活機動(dòng)、快速變換、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。SDR收發(fā)系統在國防航天、移動(dòng)通信、衛星接收等領(lǐng)域廣泛應用。

基于SDR結構的RF測量?jì)x器首先要滿(mǎn)足軍用通信、移動(dòng)通信、衛星接收等設備的研發(fā)和生產(chǎn)的測量，具有高度靈活性，中等至高度復雜性，能夠適應多品種小批量生產(chǎn)的需求，亦即一種測量?jì)x器可滿(mǎn)足多種應用。例如移動(dòng)通信手機不斷更新?lián)Q代，新的通信標準陸續登場(chǎng)，載波頻率提高，調制方式復雜化，應用內容日新月異。其次，測量時(shí)間最小化，以最短時(shí)間完成RF產(chǎn)品的特性測量，及時(shí)投放市場(chǎng)。典型RF產(chǎn)品的測量時(shí)間有四部分，包括測量?jì)x器的設置、被測產(chǎn)品的響應、數據采集和數據處理。除被測產(chǎn)品響應時(shí)間之外，測量?jì)x器起著(zhù)主動(dòng)作用，縮短總測量時(shí)間，降低測量成本，及時(shí)投放市場(chǎng)，貫穿新產(chǎn)品從設計至生產(chǎn)的全過(guò)程?；赟DR構的RF測量?jì)x器比傳統測量?jì)x器能夠提供更好的全面性能。

Keithley公司的SDR結構的RF測量?jì)x器，矢量信號發(fā)生器VSG2910和矢量信號分析儀VSG2810的數字底板，如圖2所示。

圖2　軟件定義無(wú)線(xiàn)電結構的RF測量?jì)x器

基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電的測量?jì)x器電路結構

基于SDR結構的RF測量?jì)x器的核心部件是數字信號處理，首先它替代了傳統RF測量?jì)x器的好幾種模擬部件的功能，包括RF變頻、中頻放大、同相/正交(I/Q)檢波、帶通濾波、調制和解調。其次是完成數字運算、數字變換、數據存儲等功能。SDR結構的測量?jì)x器有三種數字信號處理方式可供使用，它們是通用處理器、可編程信號處理硬件和專(zhuān)用硬件。

*通用處理器方式：采用市售的Intel奔騰系列微處理器，與DRAM存儲器以及ADC和DAC組成最基本的硬件結構，由微處理器執行全部軟件。由于硬件簡(jiǎn)單，軟件編程的工作量相對增加，成本亦相應增加，因為編程費用超過(guò)硬件售價(jià)，設計人員需要在硬件和軟件之間作全面權衡。這種方式好處是測量?jì)x器很容易重新配置、升級方便、易于擴展。

*專(zhuān)用硬件方式：根據測量?jì)x器的特性制成專(zhuān)用集成電路(ASIC)或采用可程控芯片，如現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。如果產(chǎn)品數量較大，則使用ASIC的成本最低。特別是近年的系統級封裝(SiP)技術(shù)，幾種不同功能的芯片可在同一個(gè)封裝內互連構成系統。顯然，ASIC制成后就不能修改和升級了。使用FPGA要比ASIC靈活得多，不過(guò)RF應用的FPGA成本是相當高的。

*可編程信號處理硬件方式：用具有特定功能的硬件芯片來(lái)完成數字信號處理，包括DSP處理器而不是通用微處理器，數字上、下變頻器(DUC、DDC)設計成十進(jìn)制和近實(shí)時(shí)的數字插值，ADC、DAC芯片完成模/數和數/模轉換。在整體結構上還增加FPGA作為數字路由器，將外部、內部數據快速連接，而不是完成復雜的運算。這種方式的硬件能力有很大提高，軟件編程的難度減小，較好地解決硬件軟件的分配和成本效益問(wèn)題。圖2的SDR　RF數字儀器結構體現了這種方式的靈活性，它是Keithley公司的2910　RF矢量信號發(fā)生器和2810　RF矢量信號分析儀的核心。作為信號發(fā)生器時(shí)，RF前端沒(méi)有信號輸入，ADC斷開(kāi)，在軟件定義下DDC/DUC構成的直接數字合成器信號，經(jīng)雙路DAC轉換成I/Q　RF矢量信號；作為信號分析儀時(shí)，RF輸入信號經(jīng)前端信號調理和ADC轉換后，在軟件定義下由雙路DAC解調獲得基帶的I/Q信號輸出。

圖2的SDR結構同時(shí)適用于信號發(fā)生和信號分析，例如，配置成為2910　RF矢量信號發(fā)生器時(shí)的電路結構如圖3所示。發(fā)生器的載頻由數字上變頻器(DUC)產(chǎn)生，DUC內部的直接數字合成器(DDS)能夠快速程控變換正弦波的頻率，在分辨率為mHz時(shí)輸出400MHz，再由DUC變換至2.5GHz的最高載波頻率，頻率變換在1ms內完成。調制信號由數字任意波形發(fā)生器(AWG)提供，具有100MHz的調制帶寬。數字調制的載頻由高速的雙路數/模轉換器(DAC)輸出至功率放大器。整個(gè)模塊由數字信號處理器(DSP)作主控機，現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)發(fā)揮快速開(kāi)關(guān)的信號切換功能，提供比模擬開(kāi)關(guān)快得多的切換時(shí)間。

圖3　RF矢量信號發(fā)生器的電路框圖

首先從RF信號發(fā)生方面來(lái)看，頻率和幅度切換占RF系統總測量時(shí)間的主要部分，2910矢量信號發(fā)生器的額定時(shí)間是1.6ms，使用固態(tài)衰減器的輸出幅度切換時(shí)間低至250ms。數字調制方式是數字通信測量的關(guān)鍵特性，2910矢量信號發(fā)生器中的任意波形發(fā)生器可存儲200種不同的調制格式，切換不同調制格式的時(shí)間小于3ms。還有2810矢量信號分析儀的主要測量時(shí)間同樣快速，寬帶掃描和窄分辨率帶寬是最苛刻的測量條件之一。例如交互調制測試和相鄰通通功率比測試需要在低噪聲和寬帶下測量。由快速傅里葉變換(FFT)執行多樣點(diǎn)運算。掃頻范圍1MHz和分辨率帶寬100Hz和10Hz時(shí)，測量時(shí)間分別是40ms和4s，使用傳統的頻譜分析儀時(shí)，測量時(shí)間將要增加一、二個(gè)數量級。

作為矢量信號分析儀，總測量時(shí)間由三部分組成，即信號采集和處理、調諧被測設備至指定頻率、完成多種頻譜測試。2810矢量信號分析儀內置的高速DSP具有足夠的數據處理能力，在信號采集時(shí)間100ms，對1MHz的測量帶寬信號，可在200ms內完成一次測量。DDS的合成頻率對被測裝置進(jìn)行新頻率的調諧和設定可在小于1ms實(shí)現。多種頻譜測試的內容最為復雜，有兩類(lèi)不同的測量，一類(lèi)測量不需要精確定時(shí)，例如鄰近通道功率測試，此時(shí)沒(méi)有增加總的測量時(shí)間；另一類(lèi)測量需要精確的觸發(fā)定時(shí)，例如GSM等移動(dòng)通信標準的頻譜分量測試。以GSM頻譜分量測試為例，它的每幀有8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙577ms。2810矢量信號分析儀的每次測量時(shí)間200ms，每次調諧時(shí)間1ms，因此GSM每幀可用2個(gè)時(shí)隙調諧接收機，用6個(gè)時(shí)隙對6臺移動(dòng)手機作并行測量，具有很高的測量效率，這是傳統的模擬頻譜分析儀無(wú)法達到的?？梢?jiàn)2910/2810的結合在頻率范圍、電氣特性、測量時(shí)間上具有優(yōu)勢，能夠以高的性能價(jià)格比完成復雜的RF數字無(wú)線(xiàn)通信、移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)終端、RF芯片等的測量。

關(guān)鍵器件和開(kāi)發(fā)工具

SDR結構測量?jì)x器所用的器件，如DSP、ADC、DAC、FPGA、上、下變頻器等主要芯片，實(shí)際上與SDR產(chǎn)品所用的相同，完全可從市場(chǎng)上購得，無(wú)需采用專(zhuān)用芯片。

*DSP芯片供應商有德州儀器(TI)和飛思卡爾等公司的多種系列產(chǎn)品，時(shí)鐘頻率500~1000MHz。
*ADC、DAC芯片供應商有模擬器件(ADI)、美信集成(Maxim)、TI、國家半導體(NS)等供應商的多種系列產(chǎn)品，ADC在取樣率10GS/下分辨率10位，DAC在取樣率500MS/S下分辨率20位。
*FPGA芯片主要供應商是賽靈思(Xilinx)，它的Virtex系列的可編程門(mén)數達到500萬(wàn)門(mén)以上，還有Altera公司的Stratix系列。
*上、下變頻器芯片供應商有ADI、飛思卡爾、NS等供應商，頻率上限超過(guò)2GHz。
SDR結構測量?jì)x器的最方便的開(kāi)發(fā)手段是硬件軟件相結合的開(kāi)發(fā)平臺，TI公司的緊湊軟件無(wú)線(xiàn)電開(kāi)發(fā)平臺(SFFSDR)可提供全面的解決方案，它的硬件信號鏈包括從天線(xiàn)至基帶，軟件包括完整的開(kāi)發(fā)工具。設計者使用這套開(kāi)發(fā)工具，容易獲得單協(xié)議或多協(xié)議的無(wú)線(xiàn)波形和測試程序，以及仿真和驗證工具。設計的原型機完全符合JTAG規范和軟件通信結構(SCA)協(xié)議。其他特點(diǎn)還有：
*TI、Xilinx和第三方合作開(kāi)發(fā)的平臺，主要合作公司都是JTAG計劃的供應商。
*采用高集成度的片上系統DSP芯片和高性能FPGA芯片，支持電路板級的SDR開(kāi)發(fā)。
*數字模塊結構可對不同的CPU、DSP、FPGA，不同的基帶、IF、RF選擇最適用的模塊。
*開(kāi)發(fā)平臺有三種不同的配置，即入門(mén)的評估級、專(zhuān)業(yè)的開(kāi)發(fā)級和專(zhuān)用的JTAG級。
*開(kāi)發(fā)級平臺的硬件有數字處理、數據變換、RF模塊，軟件工具有TI代碼編寫(xiě)器、Xilinx集成軟件環(huán)境、Green Hills實(shí)時(shí)操作系統，還有板級支持開(kāi)發(fā)工具。
*專(zhuān)用級平臺是在開(kāi)發(fā)級平臺上增加JTAG模擬器和JTAG軟件通信結和SCA組成，目標是軍用SDR產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

RF測量的新熱點(diǎn)

近年美國國防部及北約集團制訂聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)系統(JTRS)計劃，投入10億美元經(jīng)費開(kāi)發(fā)軟件定義無(wú)線(xiàn)電。計劃目標是用SDR替換傳統的硬件定義無(wú)線(xiàn)電，覆蓋頻率范圍2MHz至2GHz以上，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )使無(wú)線(xiàn)電設備作軟件升級和加密。硬件采用靈活、可重配置、可互操作的模塊組成，軟件使用開(kāi)放源碼的軟件通信結構(SCA)SDR將廣泛應用到各種手持、單兵、車(chē)載和載平臺無(wú)線(xiàn)通信設備。在美國國防部的推動(dòng)下，歐洲和日本的國防部門(mén)亦開(kāi)展類(lèi)似JTRS的軟件定義無(wú)線(xiàn)電計劃。

在國防軍事應用取得成果的基礎上，SDR亦進(jìn)入軍轉民階段，首先在移動(dòng)通信手機采用SDR結構，以適應多種通信標準和快速更新?lián)Q代的市場(chǎng)需求。其次由于RF頻譜日益擁擠，各種更加智能的頻譜使用方法成為緊迫問(wèn)題，跳頻、擴頻、超寬帶、WiFi等無(wú)線(xiàn)通信都引用了SDR概念。由此帶來(lái)SDR系統的測量需求，早期的SDR設備的開(kāi)發(fā)是使用傳統的RF信號發(fā)生器和頻譜分析儀，顯然它們不適用作為產(chǎn)品線(xiàn)的測量。2000年后推出RF的數字化任意波形發(fā)生器和實(shí)時(shí)頻譜分析儀，例如泰克公司的AWG5000系列任意波形發(fā)生器和RSA6000A系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀為SDR設備的測量帶來(lái)方便，而采用SDR結構的矢量信號發(fā)生器和矢量信號分析儀的推出，將使SDR設備的測量環(huán)境更為完善。

由于移動(dòng)通信發(fā)展勢頭興旺，數以十億計的手機在聯(lián)網(wǎng)使用，2006年生產(chǎn)和銷(xiāo)售的手機數量達8.5億部。手機的功能和用途越來(lái)越多，新標準不斷推出，大廠(chǎng)商每一、兩月即有新型號上市，而且價(jià)格下降，普及率越來(lái)越高，降低測量成本是當急之務(wù)。從原理上，基于SDR結構的測量?jì)x器用來(lái)測試SDR收發(fā)設備是最有效的方法，因為它們結構相同，兼容程度高，能夠具備比傳統RF測量?jì)x器更快速變換測量參數，更短測量時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)更好的經(jīng)濟效益。

近年SDR結構通信測量?jì)x器的成功推出，由于它的成本降低和效益增加，成為RF測量?jì)x器的新熱點(diǎn)，受到儀器供應商和用戶(hù)的歡迎?？梢云诖?，SDR結構測量?jì)x器將擴大應用領(lǐng)域，不僅限于通信的RF頻段，其它頻段的臺式測量?jì)x器將有SDR結構的升級換代產(chǎn)品，促進(jìn)測量?jì)x器市場(chǎng)更加繁榮。加上美國國防部高級研究計劃處(DARPA)制訂和部署新一代測試計劃(NxTest)，以合成儀器(SI)為基礎使各軍種兵種的測量系統標準化。合成儀器的核心就是軟件定義的模塊化測量系統，與軟件定義無(wú)線(xiàn)電結構的測量系統相似，在合成儀器尚未部署前，SDR結構的測量?jì)x器將承擔更多的RF無(wú)線(xiàn)設備的測量任務(wù)，成為RF測量的新熱點(diǎn)。