新一代基于軟件無線電結構的RF儀器應用

概述

美 國keithley公司采用前沿數(shù)字與射頻技術實現(xiàn)了靈活的軟件無線電結構(sdr)架構，該架構具有高性能、低成本特性。

sdr架構

sdr定義為使用軟件進行無線信號調制解調的無線通信系統(tǒng)，它允許寬范圍、多種信號的應用與接收。其發(fā)射波形通過軟件轉化為數(shù)字信號，經數(shù)模轉換與上變頻后，傳輸至rf前端后放大；其接收波形經過放大和下變頻至if后，利用軟件對其進行數(shù)字化和解調（如圖1所示）。相對于傳統(tǒng)設計，sdr具有更高的靈活性與更低的成本。

sdr的基本原理是以軟件控制的數(shù)字電路替代模擬電路。在sdr架構中，傳統(tǒng)意義上應由模擬電路實現(xiàn)的下述功能轉為數(shù)字硬件執(zhí)行，包括：頻率發(fā)生與轉換、調制與解調、濾波、i/q檢測。此外，sdr還包含能改進無線電性能的獨特的數(shù)字功能項，包括：能擴展無線電的動態(tài)量程與波形校準，從而改善調制精度的內插法與抽取法，通過消除已知的模擬失真特性，使調制信號接近理想信號的波形預校正等。

用于實現(xiàn)上述功能的裝置，包括：信號發(fā)生裝置，dac、adc及dds；信號調制裝置，dsp、ddc/duc、fpga、asic及通用處理器（如pentiums或 powerpc）。

比較使用通用目的的硬件與全軟件信號調整，由系統(tǒng)開發(fā)與性價比看，軟件開發(fā)的效果遠好于使用通用目的硬件。在通信工業(yè)的巨大推動下，高性能的處理器件支持更多的通信標準，從而使sdr架構具有更高的性價比。

sdr架構的價值與意義

成本權衡

當目標客戶需要支持眾多的不同通信標準，則通過使用相同元件實現(xiàn)多功能的sdr架構具有更高的性價比；而對于只使用一個標準的應用，傳統(tǒng)設計則更具優(yōu)勢。

靈活性

就靈活性而言，sdr的優(yōu)勢顯而易見。具體表現(xiàn)在兩個方面：其一，單一硬件能被設計用于適合不同的通信標準，如多標準蜂窩基站、軍事通訊。其二，sdr允許新功能的直接升級，如gsm到gprs、is95 到cdma2000基站。

上市時間

因為sdr系統(tǒng)建立了信號調整能力的裝置，因此加速了上市時間。

model 2810/2910新一代rf儀器

model 2810矢量信號分析儀（如圖2左所示）與model 2910矢量信號發(fā)生器（如圖2右所示）是keithley公司生產的基于sdr架構的新一代rf儀器，它們采用了相同的控制與軟件前面板。

model 2810矢量信號分析儀與model 2910矢量信號發(fā)生器采用圖3所示的數(shù)字電路結構。設計中繁重的信號調整由ddc、duc與dsp完成，dsp選用具有最佳性價比的500mhz器件，ddc、duc是16位160mhz四通道器件，每通道可通過軟件編程進行上下轉換。動態(tài)存儲器選用快速、大容量器件。輸入到adc的中頻信號頻率為100mhz到200mhz，由dsp完成i/q調制。dac在信號發(fā)生器的rf前端有兩個i/q調制輸出，在設計中，fpga主要用于發(fā)送信號并提供部分實時信號如觸發(fā)信號，而主處理器則用于實現(xiàn)用戶接口。

model 2810/2910軟件結構包括三個基本層：用戶接口層、無線電應用與硬件管理層。用戶 接口層：由主cpu運行，主要負責用戶與前面板或接口的交互；無線電應用與硬件管理層由dsp編碼完成，dsp具有專署的內部編程環(huán)境。在軟件中，通過編碼實現(xiàn)兩個層的分割，編碼的分割有利于提高處理效率。

gsm應用實例

圖5給出了gsm應用實例，gsm信號產生和測量具體步驟如下：主cpu接受命令發(fā)起、產生gsm信號，命令源自gui或遠控接口命令。描述波形的數(shù)據(jù)包含在小的文本文件中，文件的內容通過用戶接口產生或通過遠程接口下載，一旦描述產生它將存儲為一個文件，這個文件信息包含了活動的時隙和每個時隙的數(shù)據(jù)。

而后數(shù)據(jù)文件傳送到dsp，dsp根據(jù)無線電應用層獲取波形描述數(shù)據(jù)，產生i/q波形數(shù)據(jù)，并備份波形到dram中，同時dsp為波形數(shù)據(jù)設置數(shù)據(jù)路徑：數(shù)據(jù)將從dram傳輸?shù)絛uc再至dac。在此過程中，fpga負責控制每個時間的發(fā)送。此時duc上變頻到50mhz，而后dac上變頻到400mhz。這些數(shù)據(jù)在射頻前端被信號濾波器整形，最后gsm輸出到射頻前端。

dsp接收部分：首先，主cpu在前面板或遠控接口接收一個gsm測量命令，而后cpu發(fā)送測量命令至dsp，dsp設置數(shù)據(jù)路徑，采集測量數(shù)據(jù)并實現(xiàn)下變頻。此時，數(shù)據(jù)從adc傳輸?shù)絛dc再至dram。最后由dsp完成gsm測量，包括相位誤差及頻譜等。其中所有測量均采用同一組數(shù)據(jù)完成，從而減少了測量時間。

通過gsm應用實例，不難發(fā)現(xiàn)使用sdr架構的兩個關鍵優(yōu)勢在于：首先，它允許設計人員改變性價比去滿足客戶需求，即在較低的價格下保證性能水平或在同樣的價格下實現(xiàn)性能提升。其次，可極大改善測量時間，包括：裝置設置與響應時間、儀器設置時間、信號采集時間及數(shù)據(jù)處理時間。在理想情況下，客戶的測量時間將只受dut而非測量儀器的限制。

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