基于軟件無線電架構(gòu)加速無線開發(fā)測試

如今的無線通信領(lǐng)域可謂是“百花齊放，百家爭鳴”，層出不窮的無線通信標(biāo)準(zhǔn)令人眼花繚亂；同時(shí)，現(xiàn)代的電子產(chǎn)品往往又集成了多種不同的無線標(biāo)準(zhǔn)。這些都給射頻設(shè)計(jì)和測試的工程師帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，如何應(yīng)對。

日益發(fā)展的無線技術(shù)

從遠(yuǎn)程視頻會議，無線胎壓監(jiān)測到基于ZigBee或GSM方式的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，當(dāng)今無線技術(shù)的應(yīng)用正不斷滲透至各行各業(yè)，甚至成為了一種不可或缺的功能。有的標(biāo)準(zhǔn)在還沒有相應(yīng)廠商提供測試解決方案之前就被集成到了電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中；還有很多的新興產(chǎn)品在一個(gè)設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩種、三種甚至多種的標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)據(jù)和語音的通訊，就像蘋果公司最新推出的iPhone手機(jī)，它同時(shí)集成了藍(lán)牙、Wi-Fi和GSM/EDGE的功能，在方便了用戶的同時(shí)，也給無線技術(shù)的開發(fā)和測試帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

同時(shí)，各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷涌入也同樣使人感到束手無策，每個(gè)公司和組織都在根據(jù)自己特定應(yīng)用的需求來制定和優(yōu)化不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，這就使得大量的新標(biāo)準(zhǔn)如雨后春筍般出現(xiàn)，而每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的生命周期卻被大大的縮短。如果通過時(shí)間軸來顯示各種標(biāo)準(zhǔn)，許多標(biāo)準(zhǔn)的演化過程會變得十分清晰，而新標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)也正以前所未有的速度進(jìn)行著。如下圖所示，在2000年之前，并存的標(biāo)準(zhǔn)只有四五種，并且生命力較長，到今天，這種情況已被層出不窮的各種標(biāo)準(zhǔn)所顛覆。

以下還列出了一些正在研發(fā)階段的新興的無線標(biāo)準(zhǔn)：

OFDM（正交頻分復(fù)用）——這一技術(shù)正逐漸得以普及而且正在許多新標(biāo)準(zhǔn)中得以實(shí)現(xiàn)。

4G 蜂窩技術(shù)

認(rèn)知無線電——作為802.22標(biāo)準(zhǔn)的一部分，這一技術(shù)可搜尋空頻譜，以便在出現(xiàn)沖突或者通信流時(shí)使用。然后通信流就被轉(zhuǎn)移至其他未使用的頻譜。

Ad Hoc和傳感器網(wǎng)絡(luò)

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）——在這些系統(tǒng)中，多個(gè)天線用來提高系統(tǒng)容量。

超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）——在第一代設(shè)備上（3.1至4.8GHz），每通道使用完整的528MHz并且以480Mbit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。

以軟件為核心的無線測試平臺

在所有這些新標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)出現(xiàn)和共存的情形下，設(shè)備生產(chǎn)商、測試工程師和設(shè)計(jì)師面臨著許多挑戰(zhàn)。通常RF設(shè)備的購買周期是5至7年，但新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的推出周期是每兩年一輪，購買的RF設(shè)備將會很快過時(shí)。面對這樣的挑戰(zhàn)，越來越多的公司正采用一種以軟件為核心的平臺，并配合模塊化硬件，從而來滿足不斷發(fā)展的技術(shù)需求。像這樣以軟件為核心的平臺可以幫助用戶有能力在第一時(shí)間測試最新的標(biāo)準(zhǔn)，加快其產(chǎn)品或解決方案的上市時(shí)間；而且只要在軟件上進(jìn)行調(diào)整就可以符合新的標(biāo)準(zhǔn)，具備極強(qiáng)的靈活性；而且對于工程師本人而言，可以在系統(tǒng)中加入自己的知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，獲得技術(shù)上的主動權(quán)，使這些技術(shù)不再只是握在標(biāo)準(zhǔn)廠商或者機(jī)構(gòu)手中。

通過軟件數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種無線技術(shù)

讓我們先來了解一下典型的通信系統(tǒng)所包含的主要功能模塊，這將幫助更好的理解整個(gè)設(shè)計(jì)和測試的流程。

信源編碼和解碼

信源編碼主要用于數(shù)據(jù)的壓縮，以利于后續(xù)的傳輸。常見的信源編碼算法包括JPEG壓縮，zip（LZ77和哈夫曼編碼算法的結(jié)合），MP3和MPEG-2等。

信道編碼和解碼

和信源編碼不同，信道編碼可以加入或改寫數(shù)據(jù)位，以便于減少信道傳輸中噪聲和衰減帶來的影響，解碼后獲得更好的原始傳輸信號。

調(diào)制和解調(diào)

調(diào)制的嚴(yán)格定義是將一個(gè)電磁波或信號的一個(gè)或多個(gè)屬性（幅度，頻率，和/或相位）進(jìn)行改變的過程，主要分模擬解調(diào)和數(shù)字解調(diào)兩大類。使用調(diào)制的方式可以將原來的低頻信號在相對的高頻中進(jìn)行傳輸。

上變頻和下變頻

使用上變頻和下變頻的模塊可以改變輸入信號的頻率。

過去，上述流程中的一些重要功能模塊（如編碼和調(diào)制等）往往是通過將數(shù)字信號處理（DSP）集成到電路或ASICs上來實(shí)現(xiàn)的，而這樣的設(shè)計(jì)、開發(fā)和集成到通訊系統(tǒng)的過程通常需要花費(fèi)數(shù)個(gè)月的時(shí)間，這樣一來，用戶很難跟上新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度。一個(gè)更快更簡便，并能緊跟無線技術(shù)發(fā)展步伐的方法就是應(yīng)用軟件無線電的技術(shù)。在軟件中完成編碼和調(diào)制的過程，并生成調(diào)制后的波形，再通過模塊化的儀器進(jìn)行上下變頻。這種以軟件為中心的測試方法完全是基于應(yīng)用，而且是用戶自定義的，這能使工程師僅僅通過軟件的修改就能快速的滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，大大加速了設(shè)計(jì)和測試的時(shí)間，并掌握了技術(shù)上的主動權(quán)。

下圖顯示了National Instruments的LabVIEW圖形化的語言和NI的PXI平臺，通過軟件無線電的方法再現(xiàn)了上述通訊系統(tǒng)的功能框圖。模塊化的硬件除了完成物理上的上下變頻過程外，其余的功能都是通過軟件來完成的。

基于PXI和LabVIEW的軟件無線電測試平臺

一直倡導(dǎo)這種“以軟件為核心的測試測量構(gòu)架” 概念的是NI公司，自1986年推出其旗艦軟件LabVIEW之后，NI一直在幫助工程師通過這一革命性的圖形化編程語言，提高他們的工作效率。其后，NI于1997年首推了基于PC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試平臺PXI，再一次領(lǐng)導(dǎo)了業(yè)界趨勢。1998年，NI與其他測試測量企業(yè)共同組成了PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，迄今為止該聯(lián)盟已經(jīng)擁有超過70家會員公司和1200余種PXI產(chǎn)品，其功能包括從電源、DMM到RF，使得用戶可以根據(jù)他們特定的測試需求進(jìn)行選擇和組合。

PXI作為一種堅(jiān)固的、基于PC的測量和自動化平臺，它結(jié)合了PCI/PCI Express的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，增加了專門的定時(shí)和同步總線；其高達(dá)6GB/s的背板總線帶寬能夠保證上下變頻后的中頻信號能夠被實(shí)時(shí)并持續(xù)的數(shù)字化到PC進(jìn)行處理；PXI的控制器采用了最先進(jìn)的雙核處理器并運(yùn)行Windows的操作系統(tǒng)，能夠應(yīng)付任何復(fù)雜的通訊算法。這些都使PXI成為無線測試?yán)硐氲母咝阅?、低成本的運(yùn)載平臺。