軟件自定義測(cè)試平臺(tái), 用于當(dāng)前和未來的通信系統(tǒng)

基于軟件定義的現(xiàn)代通信系統(tǒng)包括藍(lán)牙、WiMAX、CDMA2000、ZigBee、GSM、EDGE、RFID，而這些無線通信標(biāo)準(zhǔn)正以前所未有的速度日漸成熟(圖1)。同時(shí)，由于Microsoft、Vodafone與Google等公司的聯(lián)合，通過V CAST欣賞熱門的足球比賽，應(yīng)用Google Earth取得區(qū)域定位信息也愈發(fā)普遍。隨著全球許多國(guó)家無線通信應(yīng)用的迅猛發(fā)展，為滿足用戶需求而增加數(shù)據(jù)帶寬已經(jīng)成為移動(dòng)通訊的最大挑戰(zhàn)。

圖1.無線網(wǎng)路與連通性的需求已經(jīng)造成無線與通訊標(biāo)準(zhǔn)的‘堵塞’

由于產(chǎn)品發(fā)布的激烈競(jìng)爭(zhēng)，研發(fā)設(shè)計(jì)的速度已經(jīng)超過了測(cè)試所能負(fù)荷的速度。在ZigBee與802.11n標(biāo)準(zhǔn)完善之前，制造商就向市場(chǎng)發(fā)布了基于此協(xié)議的設(shè)備。傳統(tǒng)儀器制造商預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)也已經(jīng)被取代。這起因于發(fā)布無線標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備的研發(fā)定型與開發(fā)用于量產(chǎn)的測(cè)試設(shè)備周期均過于冗長(zhǎng)?？紤]到設(shè)備需要同時(shí)適用于現(xiàn)行的不同標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試設(shè)備制造商面臨重要抉擇：或者開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備而延后上市時(shí)間；或者繼續(xù)投入大量成本研發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)。這促使工程師們尋找具備現(xiàn)行可行性和擴(kuò)展性的解決方案。

適應(yīng)性強(qiáng)的軟件定義測(cè)試儀

在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，為了緊跟射頻和無線領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展步伐，一般使用軟件方法滿足用戶的測(cè)試需求。例如，工程師們可以通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)最新的信道編碼、調(diào)制技術(shù)或算法的建模。邏輯上，也可以使用軟件定義的方法來實(shí)現(xiàn)儀器，即在通用的射頻模塊上使用編碼和調(diào)制軟件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的產(chǎn)生或測(cè)量。邏輯上，也可以使用軟件定義的方法來實(shí)現(xiàn)儀器，即在通用的射頻模塊上使用編碼和調(diào)制軟件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的產(chǎn)生或測(cè)量。此種由軟件定義無線電測(cè)試的方法將會(huì)完全以應(yīng)用為導(dǎo)向，由用戶的需求決定。美國(guó)國(guó)防部(DoD)是上述測(cè)試策略的主要倡導(dǎo)者。Joint Systems Program主管、JTRS Joint Program(SDR 論壇, 2003年 8月)經(jīng)理、陸軍上校Steven MacLaird表示：“在軍事上，SDR技術(shù)可促進(jìn)真實(shí)意義上無線電互通系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，確保在任何時(shí)間任何無線電收發(fā)臺(tái)都可聯(lián)絡(luò)到戰(zhàn)場(chǎng)上的友軍。”圖2是NI LabVIEW軟件演示的一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字通信鏈路。所包含的VI用于實(shí)現(xiàn)無線鏈路上發(fā)送端的信源編碼、信道編碼、調(diào)制和上變頻功能以及接收端的下變頻、解調(diào)、信道解碼和信源解碼功能。當(dāng)發(fā)起一個(gè)真實(shí)無線信號(hào)的傳送時(shí)，通信鏈路還應(yīng)包括硬件設(shè)備和物理信道。

圖2.通過使用NI LabVIEW提供的調(diào)制工具包，工程師可以在設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)后，模型化其代碼

案例研究：德州大學(xué)（The University of Texas）MIMO-OFDM系統(tǒng)的開發(fā)

MIMO-OFDM系統(tǒng)的開發(fā)為我們展示了一個(gè)軟件定義儀器的先進(jìn)應(yīng)用。新近涌現(xiàn)的無線和數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)包括4G移動(dòng)通信和802.11n Wi-Fi數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，主要用于增加用戶數(shù)目和終端、計(jì)算機(jī)各自的數(shù)據(jù)吞吐量。而此之后，最新的兩項(xiàng)新技術(shù)是多入多出（MIMO）和正交頻分復(fù)用（OFDM）。OFDM的優(yōu)點(diǎn)是高頻譜效率、低多徑干擾、并可以去除射頻干擾。MIMO則通過使用多徑信號(hào)傳輸增加了系統(tǒng)帶寬。德州大學(xué)Austin分校的無線網(wǎng)絡(luò)與通信組（WNCG）致力于研究并驗(yàn)證MIMO-OFDM系統(tǒng)的特性和優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)研究主要包含兩個(gè)構(gòu)成要素——系統(tǒng)軟件仿真和全部硬件集成。由三位WNGG成員在不到六周的時(shí)間內(nèi)完成。

研究小組采用NI LabVIEW作為模擬工具，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW提供了數(shù)據(jù)模擬與分析函數(shù)(即VI)。LabVIEW環(huán)境也提供了NI頻譜量測(cè)工具包與NI調(diào)制工具包，這兩個(gè)擴(kuò)展工具包特別針對(duì)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模擬與分析所設(shè)計(jì)。。通過這些工具，研究小組可直接控制系統(tǒng)參數(shù)，包含信道編碼、功率與傳輸速率；亦可新增衰落 (Fading)與多徑干擾，以決定系統(tǒng)的抗干擾強(qiáng)度與響應(yīng)。研究小組亦使用該系統(tǒng)來模擬傳輸即時(shí)數(shù)據(jù)與信息，以檢視調(diào)整物理層參數(shù)與信道特性的影響；這些工作只有用軟件定義的系統(tǒng)才可進(jìn)行。此外，WNCG小組可藉由調(diào)整天線數(shù)量、處理天線收到數(shù)據(jù)的算法，來進(jìn)一步驗(yàn)證影響數(shù)據(jù)吞吐量的因素。在此環(huán)境中，WNCG成員可通過模擬，有效評(píng)估新一代MIMO-OFDM數(shù)據(jù)通訊的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。圖3表示W(wǎng)NCG研究MIMO-OFDM期間所使用的界面之一。

圖3.德州大學(xué)WNCG小組使用NI LabVIEW的MIMO-OFDM界面，以比較傳輸圖像與接收?qǐng)D像。

為完整應(yīng)用調(diào)整模擬軟件

小組接著重用軟件模擬代碼，以開發(fā)硬件架構(gòu)的MIMO-OFDM無線收發(fā)系統(tǒng)。他們使用NI模塊化儀器開發(fā)系統(tǒng)，包含可產(chǎn)生基頻 (Baseband)與中頻(IF)的任意波形產(chǎn)生器模塊，以及一個(gè)可建立MIMO-OFDM系統(tǒng)上行鏈路(Uplink)的RF上變頻模組。同樣地，WNCG成員針對(duì)無線收發(fā)器的下行鏈路(Downlink)，使用數(shù)字化儀與RF下變頻模組。接著在PXI機(jī)箱內(nèi)安裝模組與嵌入式控制器，以用于高傳輸率與即時(shí)的測(cè)量處理。圖4即為該系統(tǒng)，包含NI PXI-5660 RF向量信號(hào)分析儀與PXI-5670 RF向量信號(hào)發(fā)生器。

圖4.此為包含2組天線的MIMO-OFDM收發(fā)系統(tǒng)框圖

當(dāng)建立完成，WNCG成員即可通過硬件架構(gòu)的收發(fā)系統(tǒng)，驗(yàn)證研究假設(shè)與模擬結(jié)果。由于先前以軟件模擬并設(shè)計(jì)MIMO-OFDM收發(fā)系統(tǒng)，WNCG成員體驗(yàn)了在不到6個(gè)星期的時(shí)間中，通過軟件定義的硬體，高效地將模擬無線連接轉(zhuǎn)換為實(shí)際無線連結(jié)的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)軟件定義儀器的收發(fā)器挑戰(zhàn)，在于必須匯整所需的波形，以實(shí)現(xiàn)正確的調(diào)制。 LabVIEW的NI調(diào)制工具包(Modulation Toolkit)具有許多必備的基礎(chǔ)區(qū)塊(Building block)，修正帶有訊息的載波信號(hào)，以達(dá)到正確的調(diào)制解調(diào)。工具包亦提供了一般通道編碼、均值化(Equalization)，與測(cè)量函數(shù)，使得建立和分析波形變得更為簡(jiǎn)單。。一旦建立波形–設(shè)定采樣率、帶寬、頻率，與其他硬件參數(shù)–就可下載波形以完成波形產(chǎn)生。

軟件定義的通訊系統(tǒng)將為未來設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證平臺(tái)

軟件定義的通訊測(cè)試系統(tǒng)將持續(xù)成長(zhǎng)。由于此系統(tǒng)將可整合標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)方式，協(xié)助開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)，因此這種變化趨勢(shì)受到許多組織和機(jī)構(gòu)的歡迎。軟件定義的測(cè)試，將為目前通訊系統(tǒng)提供解決方案，但更重要的一點(diǎn)，將提供加快未來通訊系統(tǒng)的范例與平臺(tái)。