軟件無(wú)線電產(chǎn)品的軟件無(wú)線電檢測(cè)方法

1. 引言

軟件定義的無(wú)線電技術(shù)是20世紀(jì)90年代初由美國(guó)人Joe Mitola首先提出的[1]。他提出軟件定義的無(wú)線電(簡(jiǎn)稱軟件無(wú)線電)就是由軟件進(jìn)行信道調(diào)制解調(diào)的無(wú)線電。這樣的數(shù)字通信系統(tǒng)的少數(shù)射頻參數(shù)由硬件射頻前端決定，實(shí)際的通信協(xié)議主要由軟件定義。也就是說系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際信道條件和用戶需求選擇適當(dāng)?shù)木幋a和調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)通信的能力。這個(gè)軟件定義無(wú)線電的理論為軍事通信帶來(lái)了接近無(wú)限的靈活性，所以醍醐灌頂?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)師們一開始就得到了高強(qiáng)度的研發(fā)資金投入。隨著20世紀(jì)末高性能中頻器件逐步商品化，主要是高速AD、DA和中頻處理器件的商品化，無(wú)線通信終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和測(cè)試測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)者逐步沐浴到了軟件無(wú)線電的甘霖。由此催生成熟了軟件定義的射頻儀器和軟件定義的無(wú)線通信產(chǎn)品。

2. 軟件無(wú)線電在手機(jī)和測(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用

在無(wú)線通信領(lǐng)域，手機(jī)和他們的檢測(cè)設(shè)備不約而同地采用了軟件定義無(wú)線電的技術(shù)。圖1和圖2分別是典型的檢測(cè)系統(tǒng)和手機(jī)的原理框圖。軟件無(wú)線電給測(cè)試測(cè)量?jī)x器和被測(cè)量的無(wú)線通信設(shè)備都帶來(lái)了靈活性。對(duì)儀器而言，通過調(diào)用不同的軟件就可以檢測(cè)不同通信協(xié)議的被測(cè)件。對(duì)通信設(shè)備而言，通過下載不同的軟件就可以用不同的通信協(xié)議通信。其中軟件可以有不同的承載平臺(tái)。軟件可以安裝在計(jì)算機(jī)硬盤或者閃盤上，可以下載到DSP或者FPGA上。對(duì)于手機(jī)，大多以后者形式運(yùn)行。對(duì)于儀器，大多采用微軟-英特計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

圖 1軟件無(wú)線電檢測(cè)典型系統(tǒng)原理框圖

圖 2手機(jī)電子典型結(jié)構(gòu)原理框圖

在儀器方面，又分為封閉結(jié)構(gòu)和開放結(jié)構(gòu)兩種流派。封閉結(jié)構(gòu)儀器提供一定數(shù)量協(xié)議的完整的無(wú)線測(cè)試測(cè)量功能。用戶通過調(diào)用程控指令，如GPIB指令，就可以完成對(duì)被測(cè)件的各項(xiàng)測(cè)試。儀器內(nèi)部構(gòu)架對(duì)使用者不公開。協(xié)議擴(kuò)展或測(cè)試功能擴(kuò)展完全依賴儀器供應(yīng)商。這個(gè)流派以安捷倫(Agilent)和羅德施瓦茨(Rhode and Schwarz)為代表，儀器有著名的8960和CMU200。這類使傳統(tǒng)的儀器，在儀器供應(yīng)商內(nèi)部，它們是軟件定義的，對(duì)使用者，它們是預(yù)定義的。開放結(jié)構(gòu)儀器建立在公開的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)上，各個(gè)儀器模塊(也稱模塊化儀器)由公開的計(jì)算機(jī)函數(shù)控制。儀器供應(yīng)商、第三方軟件開發(fā)商或者用戶自己開發(fā)的軟件通過調(diào)用這些函數(shù)組合配合數(shù)字信號(hào)處理和測(cè)試測(cè)量算法軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)件的各項(xiàng)測(cè)試。協(xié)議和測(cè)試功能的擴(kuò)展可以由任何具備能力的人開發(fā)。這個(gè)流派以美國(guó)國(guó)家儀器(National Instruments)為代表，PXI儀器平臺(tái)就是它倡導(dǎo)的。

表 1封閉和開放結(jié)構(gòu)通信檢測(cè)儀器對(duì)比

目前，開放式結(jié)構(gòu)的總線基本只有PXI和VXI可選。由于這兩種總線不能夠支持許多無(wú)線通信協(xié)議要求的納秒級(jí)精度的應(yīng)答同步，又因?yàn)殚_發(fā)信令協(xié)議棧的技術(shù)難度，在開放式系統(tǒng)上只見到WiFi、藍(lán)牙、RFID等少數(shù)協(xié)議的信令測(cè)試系統(tǒng)，至今沒有看到GSM、CDMA等常見協(xié)議的模擬通話測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)這點(diǎn)，可以通過增強(qiáng)儀器中頻實(shí)時(shí)處理能力來(lái)提供條件，也可以索性取消信令測(cè)試來(lái)解決問題。前者源自測(cè)試測(cè)量供應(yīng)商，后者源自生產(chǎn)廠。而今年來(lái)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，導(dǎo)致信令測(cè)試的減少或者取消成為生產(chǎn)測(cè)試的基本要求。

3. 從通話測(cè)試到參數(shù)測(cè)試

模擬通話的功能測(cè)試

首先回顧一下傳統(tǒng)的手機(jī)無(wú)線檢測(cè)。傳統(tǒng)上我們使用一臺(tái)具有基站信令協(xié)議棧的射頻檢測(cè)儀器。這臺(tái)儀器和被測(cè)設(shè)備通過無(wú)線協(xié)議的空中接口建立模擬通話，在模擬通話的同時(shí)檢測(cè)手機(jī)的性能。通常我們稱這種儀器為綜測(cè)儀。這里的空中接口是通信協(xié)議中基站無(wú)線收發(fā)機(jī)和終端(如手機(jī))無(wú)線收發(fā)機(jī)之間的一個(gè)界面，實(shí)際使用的時(shí)候是通過空氣，但檢測(cè)的時(shí)候也可以通過電纜聯(lián)接。這種使用綜測(cè)儀模擬通話的檢測(cè)方法利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的協(xié)議指令，使得射頻檢測(cè)和產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，可以適應(yīng)特定協(xié)議下任何廠商設(shè)計(jì)和制造的移動(dòng)終端。模擬通話的檢測(cè)方法壟斷了無(wú)線測(cè)試行業(yè)，直到最近幾年，無(wú)線終端產(chǎn)品生產(chǎn)廠的利潤(rùn)越來(lái)越難以支持這種測(cè)試方法帶來(lái)的生產(chǎn)成本。

測(cè)試測(cè)量?jī)x器對(duì)生產(chǎn)成本的壓力來(lái)自儀器折舊分?jǐn)偟矫恳慌_(tái)被測(cè)件的成本。其中儀器費(fèi)用包括為了適應(yīng)不同被測(cè)件協(xié)議必須的儀器升級(jí)費(fèi)用。假設(shè)各種儀器都有接近的壽命，生產(chǎn)成本就可以分解為三個(gè)主要因素，儀器價(jià)格、測(cè)試速度和升級(jí)費(fèi)用。價(jià)格低、速度快、升級(jí)費(fèi)用低，生產(chǎn)成本就低。

20世紀(jì)末，生產(chǎn)成本的控制是通過儀器降價(jià)和測(cè)試流程并行化實(shí)現(xiàn)的。由于手機(jī)生產(chǎn)量飛速上升，數(shù)萬(wàn)美元的儀器不再是一臺(tái)兩臺(tái)地購(gòu)買，而是幾十上百地采購(gòu)。所以綜測(cè)儀的設(shè)計(jì)和制造成本得以降低，導(dǎo)致實(shí)際售價(jià)顯著降低。另一方面，射頻檢測(cè)流程也由一臺(tái)儀器對(duì)一臺(tái)被測(cè)件升級(jí)為一臺(tái)儀器對(duì)2-4臺(tái)被測(cè)件，使得被測(cè)件啟動(dòng)和非射頻檢測(cè)時(shí)間不占用綜測(cè)儀時(shí)間。所以測(cè)試時(shí)間也得到減少。

然而，最近3-5年無(wú)線通信協(xié)議飛速發(fā)展。第三代(3G)通信已成現(xiàn)實(shí)，第三代(4G)通信呼之欲出。同時(shí)單臺(tái)終端集成多個(gè)協(xié)議也成為發(fā)展趨勢(shì)。一臺(tái)手機(jī)不僅僅要支持GSM、EDGE、CDMA還要支持WiFi和藍(lán)牙。支持第三代通信協(xié)議的手機(jī)還要兼容GSM和EDGE。與此同時(shí)綜測(cè)儀的升級(jí)似乎到頭了，WiFi、藍(lán)牙、WiMax等無(wú)線通信的檢測(cè)需要另外購(gòu)買無(wú)線檢測(cè)儀器。一瞬間無(wú)線生產(chǎn)設(shè)備在3-5年間需要多少投資成為了未知數(shù)。大規(guī)模的生產(chǎn)使不能建立在未知數(shù)上的，所以各個(gè)無(wú)線生產(chǎn)廠開始尋找鎖定生產(chǎn)成本的良策。

圖 3 綜測(cè)儀檢測(cè)手機(jī)原理框圖

射頻參數(shù)測(cè)試

控制無(wú)線產(chǎn)品生產(chǎn)檢測(cè)成本的方法就是用射頻參數(shù)測(cè)試替代信令通話測(cè)試。從邏輯上講，就是把射頻檢測(cè)和數(shù)字電路檢測(cè)分離。對(duì)于軟件無(wú)線電產(chǎn)品，既然調(diào)制解調(diào)都是軟件完成的，射頻檢測(cè)應(yīng)該只須要檢測(cè)產(chǎn)品射頻前端的參數(shù)就可以了，和協(xié)議信令沒有關(guān)系。而數(shù)字電路可以由軟件校驗(yàn)和數(shù)字端口讀寫實(shí)現(xiàn)。技術(shù)上射頻參數(shù)測(cè)試可以分為2類，射頻校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)試和射頻性能參數(shù)測(cè)試。其中前者測(cè)量被測(cè)件的發(fā)射功率控制參數(shù)、接收靈敏度控制參數(shù)、頻響均衡參數(shù)等等和無(wú)線終端收發(fā)控制相關(guān)的參數(shù)。后者測(cè)量被測(cè)件的發(fā)射頻譜曲線、邊帶響應(yīng)、交調(diào)失真、雜散頻譜輻射、頻率準(zhǔn)確度等等和射頻前端質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)。實(shí)際上，射頻校準(zhǔn)參數(shù)測(cè)試已經(jīng)在生產(chǎn)廠存在很多年了，然而直到近幾年來(lái)性能參數(shù)測(cè)試可以替代通話測(cè)試才逐步成為業(yè)界共識(shí)。

從測(cè)試方法來(lái)說，這是由功能檢測(cè)向性能參數(shù)檢測(cè)的過渡，也是由黑箱測(cè)試向白箱測(cè)試的過渡。從技術(shù)上講，是由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)封閉向設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部分開放的過渡。從手機(jī)測(cè)試原理框圖來(lái)看，參數(shù)測(cè)試用數(shù)字通訊端口控制被測(cè)件，命令被測(cè)件進(jìn)入特定的測(cè)試模式，從而被測(cè)件可以發(fā)射測(cè)試信號(hào)，或者接收測(cè)試信號(hào)并將收到的信號(hào)或信號(hào)參數(shù)通過通訊端口發(fā)回測(cè)試儀器。圖 4是射頻參數(shù)測(cè)試的原理框圖，可以對(duì)比圖 3，我們用數(shù)字端口控制手機(jī)(或其他無(wú)線通信設(shè)備)替代了空中接口控制。其中數(shù)字端口往往是低電壓邏輯的串行通訊接口。參考表 2，無(wú)線終端的設(shè)計(jì)者必須向測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)工程師公開部分?jǐn)?shù)字控制指令，并且將一部分終端研發(fā)過程中的測(cè)試代碼整合為終端測(cè)試模式軟件，使得生產(chǎn)檢測(cè)時(shí)可以下載到被測(cè)件上運(yùn)行。

無(wú)線終端設(shè)計(jì)者對(duì)測(cè)試指令的開放使得射頻參數(shù)測(cè)試成為可能，而軟件定義的射頻儀器突出的性能又對(duì)參數(shù)測(cè)試起到了推波助瀾的效果。這些以PXI總線為代表平臺(tái)的模塊化儀器，有時(shí)也被稱作虛擬儀器或者合成儀器。模塊化的PXI射頻儀器共享132M字節(jié)/秒的本地總線，同時(shí)具備較強(qiáng)的觸發(fā)同步功能，所以某些項(xiàng)目的測(cè)試可以成倍加速。過去校準(zhǔn)手機(jī)是論幾十秒還是一二百秒，現(xiàn)在采用新的校準(zhǔn)信號(hào)模式，校準(zhǔn)一個(gè)GSM通道的時(shí)間可以做到1秒以內(nèi)。

圖 4 手機(jī)射頻參數(shù)檢測(cè)原理框圖

表 2 功能檢測(cè)和參數(shù)檢測(cè)的對(duì)比

表 4 被測(cè)件接收性能參數(shù)測(cè)量信號(hào)和分析

4. 軟件無(wú)線電的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)示例

軟件無(wú)線電構(gòu)架的測(cè)試系統(tǒng)早在2003年就已應(yīng)用于我國(guó)SCDMA手機(jī)的生產(chǎn)檢測(cè)，參見圖 5。典型的基于PXI的射頻檢測(cè)儀器配置見圖 6。經(jīng)過多年發(fā)展，目前在NI PXI平臺(tái)上，上海聚星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了GSM、EDGE、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、WiFi、BP機(jī)、GPS等多種射頻協(xié)議的檢測(cè)。部分示例程序界面如圖 7和圖 8。NI公司計(jì)劃2008年推出基于PXI和PXIe的新一代軟件無(wú)線電模塊化儀器，這些模塊將在PXI和PXIe總線平臺(tái)上提供更大的射頻頻率范圍、更寬的實(shí)時(shí)帶寬和更強(qiáng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力，相信它們是值得大家期待的通信檢測(cè)產(chǎn)品。

圖 5 基于PXI軟件無(wú)線電平臺(tái)的SCDMA生產(chǎn)檢測(cè)儀

圖 6 典型NI基于軟件無(wú)線電構(gòu)架的射頻檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

圖 7 聚星儀器無(wú)線測(cè)試工具包WiFi數(shù)據(jù)組幀界面

圖 8 聚星儀器無(wú)線測(cè)試工具包WiFi 54Mbps 64QAM OFDM解調(diào)示例界面

5. 結(jié)論

軟件無(wú)線電的理論由來(lái)已久，基于軟件無(wú)線電構(gòu)架的無(wú)線終端和檢測(cè)儀器也已經(jīng)成為市場(chǎng)主流。然而由于技術(shù)保密等原因，大多數(shù)生產(chǎn)檢測(cè)，尤其是OEM生產(chǎn)廠的檢測(cè)，依然沿用傳統(tǒng)的模擬實(shí)際通信信令的功能檢測(cè)。所幸在市場(chǎng)條件下，基于軟件無(wú)線電構(gòu)架劃分界面的參數(shù)檢測(cè)依然孕育成型。越來(lái)越多的儀器供應(yīng)商向用戶開放儀器基帶數(shù)據(jù)，越來(lái)越多的第三方射頻測(cè)試測(cè)量軟件在市場(chǎng)上出現(xiàn)。這個(gè)無(wú)線終端測(cè)試從黑箱到灰箱測(cè)試的過渡，除了給生產(chǎn)廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益之外，勢(shì)必也提升了無(wú)線生產(chǎn)的技術(shù)含量。開放結(jié)構(gòu)的軟件無(wú)線電模塊化儀器在此間起到了關(guān)鍵作用。