案例研究：用于通信測(cè)試的軟件定義無線電架構(gòu)

一、RF與通信行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

藍(lán)牙、WiMAX、cdma2000、ZigBee、GSM、EDGE和RFID——這些無線與通信產(chǎn)品繼續(xù)以史無前例的速率增長，如圖1所示。同時(shí)，隨著像Microsoft、Vodafone和Google等公司的努力，通過V CAST觀看足球錦標(biāo)賽和從Google Earth獲取本地信息正在變得越來越普通。無線通信在許多國家已超過陸地通信并且當(dāng)前的數(shù)據(jù)帶寬難以滿足無線通訊的需求，因此有效滿足這種需求成為移動(dòng)通信面臨的巨大挑戰(zhàn)。

圖1 對(duì)數(shù)據(jù)持續(xù)增長的需求造成了一個(gè)無線與通信標(biāo)準(zhǔn)的“原木阻塞”。

除了要求具備多點(diǎn)無線標(biāo)準(zhǔn)外，通訊業(yè)界還被持續(xù)存在的壓力所驅(qū)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(shè)計(jì)的發(fā)展已經(jīng)超過了測(cè)試的發(fā)展。因此制造商在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未完成前就發(fā)布了ZigBee與802.11n導(dǎo)致來自獨(dú)立儀器制造商的預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)不復(fù)存在。這都?xì)w因于先發(fā)布一個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)、然后在先驅(qū)用戶(lead users)中構(gòu)建設(shè)備原型、最后再針對(duì)大規(guī)模商用需求開發(fā)測(cè)試裝置這一傳統(tǒng)周期太耗費(fèi)時(shí)間了。

需要兼容多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和必須在競(jìng)爭對(duì)手之前發(fā)布新產(chǎn)品的壓力，是許多工程師使用超過一個(gè)無線與通信標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)主要原因。事實(shí)上，從NI公司“儀器研究”調(diào)查中所收集的數(shù)據(jù)表明，在設(shè)計(jì)和測(cè)試具有無線通信功能設(shè)備的工程師中，幾乎三分之二的人在使用不只一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其百分比分布如下：

• 37%使用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

• 30%使用2到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

• 33%使用4個(gè)甚至更多的標(biāo)準(zhǔn)

從傳統(tǒng)做法看，您需要為每一個(gè)待測(cè)的通信標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備一個(gè)獨(dú)立儀器。每個(gè)儀器有廠商定義的功能來對(duì)應(yīng)某個(gè)特定的標(biāo)準(zhǔn)。這些特定的標(biāo)準(zhǔn)通信測(cè)量算法，以固件的形式運(yùn)行在每個(gè)儀器的嵌入式處理器上，這意味著這些算法不是用戶可訪問或可定制的。而為每個(gè)待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)購買一個(gè)新的獨(dú)立儀器成本太高。這就促使工程師尋求靈活的、獨(dú)立于系統(tǒng)的解決方案。

二、靈活的、軟件定義的通信測(cè)試

要緊跟無線通信發(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(gòu)造儀器，通過使用編碼和調(diào)制軟件，生成并測(cè)量來自于模塊化的、通用的RF儀器的信號(hào)。這種由軟件定義無線電(SDR)來進(jìn)行測(cè)試的方法，完全是驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和用戶定義的。您可以利用它作為測(cè)試測(cè)量的研究和設(shè)計(jì)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(duì)于軍事來說，SDR是一種變革性的技術(shù)，它支持開發(fā)一個(gè)真正互操作的無線電族，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(tǒng)項(xiàng)目主管、JTRS聯(lián)合項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理(SDR論壇，2003年八月)。

一個(gè)典型的通信系統(tǒng)

通過逐步了解一個(gè)典型的通信系統(tǒng)的簡化功能模塊框圖，您可以看到如何將通信軟件與模塊化的通用RF儀器相結(jié)合來創(chuàng)建一個(gè)支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)。圖3展示了一個(gè)典型通信系統(tǒng)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(diào)制和上變頻的模塊，在接收端完成這個(gè)過程的逆過程。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(無線)、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。信源編碼類似于數(shù)據(jù)壓縮，信息越小，傳輸速度越快，這意味著要更有效地使用寶貴的資源和頻譜。通過信源編碼，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(shù)據(jù)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(xiàn)了正確編碼和數(shù)據(jù)傳輸平衡的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了信息量的最小化

調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制是改變電磁波或信號(hào)一個(gè)或多個(gè)屬性(幅度、頻率和/或相位)的過程。您可以使用調(diào)制將低頻信息以較高頻率發(fā)送。或許你會(huì)問為何要以高頻而不是以低頻發(fā)送信號(hào)。以無線的方式傳送一個(gè)基帶音頻信號(hào)(在20 Hz ~ 20 kHz范圍內(nèi))需要天線、電源和諸多電子設(shè)備，由于波長與頻率成反比，低頻信號(hào)需要較大的設(shè)備和較高的發(fā)射功率，這樣是不現(xiàn)實(shí)的。因此，如果以較高的頻率傳送同樣的信號(hào)，對(duì)應(yīng)波長將會(huì)變短，設(shè)備尺寸可以縮小發(fā)射功率也可以降低。這突出了調(diào)制的普遍性和重要性。通過調(diào)制，您可以將您的基帶信號(hào)附加在更高頻信號(hào)上。包含您需要傳輸?shù)男畔⒒蛳⒌牡皖l信號(hào)便是調(diào)制信號(hào)。高頻信號(hào)則稱為載波信號(hào)，因?yàn)樗?ldquo;負(fù)載”了基帶信息。所得到的合成信號(hào)便稱為調(diào)制的載波信號(hào)。

當(dāng)您需要幾個(gè)信號(hào)共享同一個(gè)信道，或者希望在不增加信號(hào)帶寬的情況下傳輸更多的信號(hào)時(shí)，您也可以使用調(diào)制。由于更多的信號(hào)可以負(fù)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(jù)應(yīng)用和所需要傳輸?shù)男畔⒘窟x擇特定的調(diào)制模式。除了標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制模式外，通過軟件方式實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，可以開發(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(yīng)用(或)軍事應(yīng)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)稱為混頻器的設(shè)備。混頻器將不同頻率的兩個(gè)信號(hào)“相加減”，以生成一個(gè)和信號(hào)和一個(gè)差信號(hào)。

圖4描述了一個(gè)早期的典型通信系統(tǒng)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(shù)用于信源編碼、信道編碼、調(diào)制和上變頻等，接收端的函數(shù)則用于下變頻、解調(diào)、信道解碼和信源解碼等。該軟件特別適用于PXI系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)提供了在通信信號(hào)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(cè)試平臺(tái)

PXI平臺(tái)非常適合于軟件定義的通信測(cè)試的原因有很多。最重要的是PXI平臺(tái)是基于PC機(jī)的。PXI儀器的功能是通過軟件定義的，因此，單個(gè)PXI RF儀器可以測(cè)試多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，所需的工作僅僅是改變運(yùn)行于系統(tǒng)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(fù)雜的通信算法。

隨著通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸量持續(xù)增長，將通信測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建于一個(gè)高數(shù)據(jù)傳輸量的總線之上非常重要。PXI基于PCI和快速PCI總線，提供高達(dá)6 GB/s的系統(tǒng)帶寬和高達(dá)2 GB/s的單個(gè)儀器帶寬。憑借這樣的數(shù)據(jù)吞吐量，您可以使用PXI儀器長時(shí)間記錄通信信號(hào)以供離線分析，回放已記錄信號(hào)或仿真信號(hào)。

例如，通過升級(jí)控制器到更高性能的處理器，您可以提高一個(gè)PXI系統(tǒng)中的所有儀器性能，。這種升級(jí)并不適用于獨(dú)立的儀器，因?yàn)楠?dú)立儀器中的嵌入式處理器并不是用戶可訪問或可升級(jí)的。而且，由于PXI是一個(gè)多廠商支持的平臺(tái)，一個(gè)系統(tǒng)的模塊化組件可以來自于多個(gè)廠商，不會(huì)受限于單個(gè)廠商。再者所有的PXI產(chǎn)品都必須符合PXI的軟硬件規(guī)范，從而保證了不同廠商產(chǎn)品間的互操作性。

大多數(shù)的系統(tǒng)在進(jìn)行通信測(cè)試時(shí)，也要測(cè)試設(shè)備的其它功能，包括如數(shù)字萬用表(DMM)、可編程的電源供應(yīng)和開關(guān)等的儀器。PXI平臺(tái)是通用的，并為大多數(shù)應(yīng)用和測(cè)量提供所需儀器?，F(xiàn)有超過1000個(gè)PXI模塊可供選用，它們都來自于PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA)的68個(gè)成員。

四、總結(jié)：軟件定義的通信系統(tǒng)提供了一個(gè)面向未來的平臺(tái)

使用軟件定義的通信測(cè)試系統(tǒng)的趨勢(shì)將繼續(xù)增長。相關(guān)組織已經(jīng)接受并開始推動(dòng)這樣的發(fā)展走向由于它有助于結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展開發(fā)相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。軟件定義的測(cè)試為當(dāng)前通信系統(tǒng)提供了解決方案，更重要的是，它為即將涌現(xiàn)的和未來的通信系統(tǒng)提供了一種測(cè)試模式和平臺(tái)。