新一代基于軟件無線電結(jié)構(gòu)的RF儀器應(yīng)用

概述

美 國keithley公司采用前沿?cái)?shù)字與射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活的軟件無線電結(jié)構(gòu)(sdr)架構(gòu)，該架構(gòu)具有高性能、低成本特性。

sdr架構(gòu)

sdr定義為使用軟件進(jìn)行無線信號(hào)調(diào)制解調(diào)的無線通信系統(tǒng)，它允許寬范圍、多種信號(hào)的應(yīng)用與接收。其發(fā)射波形通過軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換與上變頻后，傳輸至rf前端后放大；其接收波形經(jīng)過放大和下變頻至if后，利用軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化和解調(diào)（如圖1所示）。相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(gòu)中，傳統(tǒng)意義上應(yīng)由模擬電路實(shí)現(xiàn)的下述功能轉(zhuǎn)為數(shù)字硬件執(zhí)行，包括：頻率發(fā)生與轉(zhuǎn)換、調(diào)制與解調(diào)、濾波、i/q檢測。此外，sdr還包含能改進(jìn)無線電性能的獨(dú)特的數(shù)字功能項(xiàng)，包括：能擴(kuò)展無線電的動(dòng)態(tài)量程與波形校準(zhǔn)，從而改善調(diào)制精度的內(nèi)插法與抽取法，通過消除已知的模擬失真特性，使調(diào)制信號(hào)接近理想信號(hào)的波形預(yù)校正等。

用于實(shí)現(xiàn)上述功能的裝置，包括：信號(hào)發(fā)生裝置，dac、adc及dds；信號(hào)調(diào)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(hào)調(diào)整，由系統(tǒng)開發(fā)與性價(jià)比看，軟件開發(fā)的效果遠(yuǎn)好于使用通用目的硬件。在通信工業(yè)的巨大推動(dòng)下，高性能的處理器件支持更多的通信標(biāo)準(zhǔn)，從而使sdr架構(gòu)具有更高的性價(jià)比。

sdr架構(gòu)的價(jià)值與意義

成本權(quán)衡

當(dāng)目標(biāo)客戶需要支持眾多的不同通信標(biāo)準(zhǔn)，則通過使用相同元件實(shí)現(xiàn)多功能的sdr架構(gòu)具有更高的性價(jià)比；而對(duì)于只使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)方面：其一，單一硬件能被設(shè)計(jì)用于適合不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，如多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩基站、軍事通訊。其二，sdr允許新功能的直接升級(jí)，如gsm到gprs、is95 到cdma2000基站。

上市時(shí)間

因?yàn)閟dr系統(tǒng)建立了信號(hào)調(diào)整能力的裝置，因此加速了上市時(shí)間。

model 2810/2910新一代rf儀器

model 2810矢量信號(hào)分析儀（如圖2左所示）與model 2910矢量信號(hào)發(fā)生器（如圖2右所示）是keithley公司生產(chǎn)的基于sdr架構(gòu)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(hào)分析儀與model 2910矢量信號(hào)發(fā)生器采用圖3所示的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中繁重的信號(hào)調(diào)整由ddc、duc與dsp完成，dsp選用具有最佳性價(jià)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(jìn)行上下轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器選用快速、大容量器件。輸入到adc的中頻信號(hào)頻率為100mhz到200mhz，由dsp完成i/q調(diào)制。dac在信號(hào)發(fā)生器的rf前端有兩個(gè)i/q調(diào)制輸出，在設(shè)計(jì)中，fpga主要用于發(fā)送信號(hào)并提供部分實(shí)時(shí)信號(hào)如觸發(fā)信號(hào)，而主處理器則用于實(shí)現(xiàn)用戶接口。

model 2810/2910軟件結(jié)構(gòu)包括三個(gè)基本層：用戶接口層、無線電應(yīng)用與硬件管理層。用戶 接口層：由主cpu運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)用戶與前面板或接口的交互；無線電應(yīng)用與硬件管理層由dsp編碼完成，dsp具有專署的內(nèi)部編程環(huán)境。在軟件中，通過編碼實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層的分割，編碼的分割有利于提高處理效率。

gsm應(yīng)用實(shí)例

圖5給出了gsm應(yīng)用實(shí)例，gsm信號(hào)產(chǎn)生和測量具體步驟如下：主cpu接受命令發(fā)起、產(chǎn)生gsm信號(hào)，命令源自gui或遠(yuǎn)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(nèi)容通過用戶接口產(chǎn)生或通過遠(yuǎn)程接口下載，一旦描述產(chǎn)生它將存儲(chǔ)為一個(gè)文件，這個(gè)文件信息包含了活動(dòng)的時(shí)隙和每個(gè)時(shí)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(yīng)用層獲取波形描述數(shù)據(jù)，產(chǎn)生i/q波形數(shù)據(jù)，并備份波形到dram中，同時(shí)dsp為波形數(shù)據(jù)設(shè)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(fù)責(zé)控制每個(gè)時(shí)間的發(fā)送。此時(shí)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(hào)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(yuǎn)控接口接收一個(gè)gsm測量命令，而后cpu發(fā)送測量命令至dsp，dsp設(shè)置數(shù)據(jù)路徑，采集測量數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)下變頻。此時(shí)，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(shí)間。

通過gsm應(yīng)用實(shí)例，不難發(fā)現(xiàn)使用sdr架構(gòu)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于：首先，它允許設(shè)計(jì)人員改變性價(jià)比去滿足客戶需求，即在較低的價(jià)格下保證性能水平或在同樣的價(jià)格下實(shí)現(xiàn)性能提升。其次，可極大改善測量時(shí)間，包括：裝置設(shè)置與響應(yīng)時(shí)間、儀器設(shè)置時(shí)間、信號(hào)采集時(shí)間及數(shù)據(jù)處理時(shí)間。在理想情況下，客戶的測量時(shí)間將只受dut而非測量儀器的限制。

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