軟件定義的無線電要求高級(jí)測(cè)試

射頻(RF)技術(shù)的研制對(duì)適應(yīng)性較以前提出了更高的要求：適應(yīng)擁擠的RF頻譜、適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)要求、適應(yīng)變化的器件規(guī)范。軟件定義的無線電(SDR)對(duì)這些特點(diǎn)體現(xiàn)得最為明顯，SDR使得軟件能夠動(dòng)態(tài)控制各種通信參數(shù)，如使用的頻段、調(diào)制類型、數(shù)據(jù)速率和跳頻方案。

與傳統(tǒng)RF收發(fā)機(jī)技術(shù)相比，SDR擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗峁┝烁叩撵`活性，它可以有效地重新配置器件，對(duì)變化的要求作出響應(yīng)。但是，軟件無線電引入了傳統(tǒng)無線設(shè)計(jì)中沒有的一系列新問題。其對(duì)物理層最明顯的影響之一是，強(qiáng)健的SDR設(shè)計(jì)中的硬件要求在廣泛的工作參數(shù)上實(shí)現(xiàn)全面的靈活性和高性能，以滿足軟件需求。現(xiàn)在許多領(lǐng)域都正在使用SDR，包括3G無線基站和用戶設(shè)備、軍事無線電(如美國(guó)軍隊(duì)中的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線服務(wù))、陸地移動(dòng)無線電(如美國(guó)的Project25和歐洲的ProjectMESA)及衛(wèi)星收發(fā)機(jī)。

當(dāng)然，這種靈活性和變量數(shù)量必須能夠適應(yīng)一致性設(shè)計(jì)要求，需要新的測(cè)試方法。除通過網(wǎng)絡(luò)控制工作頻率外，更加先進(jìn)的SDR可以動(dòng)態(tài)控制調(diào)制方案、跳頻模式、功率電平、濾波、編碼方案和數(shù)據(jù)速率。通過數(shù)字信號(hào)處理(DSP)動(dòng)態(tài)生成RF波形及數(shù)字電路和RF電路相集成(通常在同一IC上)，產(chǎn)生了傳統(tǒng)RF收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)中看不到的問題。

這種提高的復(fù)雜性不僅帶來了RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，也改變了RF測(cè)試的特點(diǎn)。必須使用超出傳統(tǒng)RF發(fā)射機(jī)一致性測(cè)試的測(cè)量功能，檢驗(yàn)SDR發(fā)射機(jī)的性能。僅僅通過一致性測(cè)試并不能保證器件正確工作，也不能為保證產(chǎn)品質(zhì)量提供經(jīng)濟(jì)的手段。SDR發(fā)射機(jī)必需滿足大量的系統(tǒng)要求，包括在以前的要求基礎(chǔ)上增加的新要求。更重要的是，這些發(fā)射機(jī)將利用固有的智能和靈活性，動(dòng)態(tài)適應(yīng)當(dāng)前條件和要求。這些復(fù)雜的軟件控制的變動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致毛刺、間歇性干擾、脈沖畸變、數(shù)字到RF耦合及軟件相關(guān)的相位誤差。

為真正解決這一系列新的瞬變現(xiàn)象和新問題，SDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須同時(shí)在時(shí)域和頻域中全面分析和檢定自己的系統(tǒng)。在系統(tǒng)參數(shù)隨著時(shí)間變化時(shí)，使用DPX可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)反常的信號(hào)事件和非線性器件行為，顯示實(shí)際RF信號(hào)表示。必需執(zhí)行選頻觸發(fā)，確定瞬變事件發(fā)生的時(shí)點(diǎn)。必須執(zhí)行多域時(shí)間相關(guān)分析，確定每個(gè)問題的具體成因。此外，把整個(gè)事件無縫捕獲到存儲(chǔ)器中對(duì)后續(xù)深入分析具有重要意義，因?yàn)楹茈y重建發(fā)生觸發(fā)的條件。這些檢驗(yàn)信號(hào)性能隨時(shí)間變化的高級(jí)調(diào)試方法與傳統(tǒng)靜態(tài)一致性測(cè)試相結(jié)合，對(duì)有效執(zhí)行SDR測(cè)試至關(guān)重要。
　　
收發(fā)機(jī)測(cè)試

以SDR收發(fā)機(jī)為例，發(fā)送組件可能包括功放器、濾波器、混頻器、DAC、頻率振蕩器和DSP電路。其它組件可能包括低噪聲放大器、混頻器、ADC、頻率振蕩器、DSP和控制電路。

圖1是收發(fā)機(jī)簡(jiǎn)化的功能方框圖，其中沒有數(shù)字中間頻率(IF)或數(shù)字RF。注意，這個(gè)圖中的每個(gè)方框可以通過軟件控制。

檢驗(yàn)典型SDR收發(fā)機(jī)的性能要求采用綜合測(cè)試戰(zhàn)略，把沿著發(fā)送/接收鏈不同點(diǎn)上進(jìn)行的測(cè)量關(guān)聯(lián)起來。例如，可以通過卓越的實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀(RTSA)的頻率模板觸發(fā)(FMT)捕獲間歇性信號(hào)。RTSA可以使用頻率模板違規(guī)，然后觸發(fā)邏輯分析儀和示波器，允許用戶查看相關(guān)信號(hào)的數(shù)字特點(diǎn)和模擬特點(diǎn)。通過使用這種方法，設(shè)計(jì)人員可以確定邏輯電路或模擬控制電壓中是否發(fā)生與頻域違規(guī)相關(guān)的某個(gè)事件。除通過高級(jí)觸發(fā)彌補(bǔ)數(shù)字/RF鴻溝外，頂級(jí)RTSA可以在相關(guān)的時(shí)域、頻域和調(diào)制域中分析和顯示信號(hào)。
　　
超越固態(tài)一致性測(cè)試

SDR測(cè)試本身包括傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)測(cè)試。無線電每種不同的可能配置都必須符合傳統(tǒng)規(guī)范，如占用帶寬、通道功率和鄰道功率。對(duì)采用時(shí)分雙工或時(shí)分復(fù)用的系統(tǒng)，存在著定時(shí)要求，如上升時(shí)間和下降時(shí)間。對(duì)跳頻系統(tǒng)，可能同時(shí)有與跳頻PLL系統(tǒng)有關(guān)的頻域和時(shí)域指標(biāo)。與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)不同，SDR器件必須在更加廣泛的工作模式下通過這些測(cè)試，這提高了一致性測(cè)試的復(fù)雜性。

調(diào)制質(zhì)量測(cè)量也是一致性測(cè)試的重要組成部分。對(duì)數(shù)字調(diào)制的信號(hào)，其通常包括誤差矢量幅度(EVM)或相關(guān)功率(RHO)測(cè)量。此外，支持模擬模式的SDR設(shè)計(jì)必須通過一致性測(cè)試。調(diào)制質(zhì)量既是一致性測(cè)量指標(biāo)，也是系統(tǒng)性能問題。EVM差會(huì)降低數(shù)據(jù)速率、語音傳輸清晰度和發(fā)送范圍。EVM指標(biāo)還可以洞察潛在的發(fā)射機(jī)問題?；谶@些原因，EVM是調(diào)試SDR時(shí)首先要考慮的指標(biāo)之一。
遺憾的是，單純的一致性測(cè)試并不足以保證SDR正常工作。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活性，每個(gè)SDR器件必須隨時(shí)間變化來改變重要的工作參數(shù)，以跟上網(wǎng)絡(luò)需求。當(dāng)然，所有這些變化都由軟件控制的收發(fā)機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)。因此，幫助捕獲可能的RF毛刺、瞬變和其它異常事件的工具至關(guān)重要。確定哪個(gè)組件導(dǎo)致了問題也是一個(gè)重大任務(wù)，要求采用全面的調(diào)試戰(zhàn)略。為使器件和網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，必需考慮新的測(cè)試方法，幫助檢定和分析SDRRF鏈路怎樣隨時(shí)間變化。

領(lǐng)先的RTSA為SDR調(diào)試提供了強(qiáng)大的功能。首先，必需發(fā)現(xiàn)物理層中存在的問題。這些瞬變事件發(fā)生得可能非?？欤谄潆S時(shí)間變化時(shí)，當(dāng)前的RTSA使得設(shè)計(jì)人員能夠在頻域中觀察到這些事件。在使用RTSA發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)行為之后，用戶可以在時(shí)間相關(guān)的多個(gè)域中觸發(fā)、捕獲和分析相關(guān)信號(hào)。這種超越純粹一致性測(cè)試的能力對(duì)檢定和調(diào)試動(dòng)態(tài)信號(hào)必不可少。
　　
跳頻和發(fā)射機(jī)測(cè)試

許多系統(tǒng)中都使用跳頻，包括軟件定義的系統(tǒng)，以避免檢測(cè)、擁堵和干擾，改善擁有多路徑和衰落的環(huán)境中的性能。跳頻在廣泛的頻率上擴(kuò)展信息。這提高了系統(tǒng)的強(qiáng)健性，因?yàn)轭l率相關(guān)誤差(如干擾或衰落)只會(huì)導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。通過增加前向糾錯(cuò)編碼、隔行掃描及混合ARQ重傳等技術(shù)，可以有效恢復(fù)在跳擁堵過程中丟失的數(shù)據(jù)。

除常見的跳定時(shí)、頻率穩(wěn)定時(shí)間和幅度穩(wěn)定時(shí)間測(cè)量外，還可以使用多種其它測(cè)量，使用RTSA調(diào)試跳頻無線電。跳頻涉及頻域、時(shí)域和調(diào)制域交互。能夠以相關(guān)的方式顯示這3個(gè)域在調(diào)試SDR器件中提供了寶貴的工具。

圖2是藍(lán)牙器件跳頻的數(shù)字熒光顯示畫面。傳統(tǒng)上一直用于高級(jí)示波器的DPX數(shù)字熒光顯示技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到RF領(lǐng)域中，部分RTSA現(xiàn)在已經(jīng)采用了這種技術(shù)。DPX第一次允許用戶查看“生動(dòng)的RF”信號(hào)，為查看RF信號(hào)行為提供了無可比擬的能力。

在圖3中，顯示了一個(gè)藍(lán)牙信號(hào)。RTSA的頻譜圖(右下方)顯示了頻率行為隨時(shí)間變化情況?？梢钥闯?，在這些跳周圍有很高的頻譜能量。在這種情況下，在發(fā)生跳頻時(shí)，發(fā)射機(jī)可能會(huì)干擾相鄰器件。捕獲跳頻使用的儀器必需有足夠?qū)挼膶?shí)時(shí)帶寬，以捕獲大部分跳序列帶寬及其周圍發(fā)生的頻率散射。

盡管藍(lán)牙不一定使用軟件無線電實(shí)現(xiàn)，但它可以很好地說明在試圖實(shí)現(xiàn)跳頻系統(tǒng)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。對(duì)大多數(shù)跳頻系統(tǒng)來說，能夠測(cè)量每個(gè)跳頻十分重要。例如，藍(lán)牙規(guī)范要求79個(gè)跳頻中的每個(gè)跳頻(1MHz通道間隔)位于特定值的75KHz范圍內(nèi)。這保證不同制造商的器件之間正確互操作。對(duì)這一測(cè)量，用來測(cè)量跳序列的儀器必須涵蓋整個(gè)跳頻范圍。在2.4GHzISM頻段中，頂級(jí)RTSA的110MHz實(shí)時(shí)帶寬足以涵蓋整個(gè)83MHz頻段，同時(shí)還會(huì)檢查帶外干擾。

在圖4所示的另一個(gè)實(shí)例中，使用RSA調(diào)試發(fā)生不頻繁的、難以檢測(cè)的信號(hào)。這可能是頻率切換瞬變導(dǎo)致的，頻率切換瞬變還可能會(huì)導(dǎo)致更大的相位瞬變。它可能是由于PLL電路在對(duì)某個(gè)頻率變化時(shí)控制不當(dāng)引起的。一旦使用DPX識(shí)別了毛刺或瞬變，部分RTSA的FMT可以可靠地捕獲信號(hào)進(jìn)行深入分析。如圖4中所示，用戶可以定義頻率模板，可以繪制頻率模板，最好地捕獲信號(hào)。在藍(lán)牙跳頻實(shí)例中，用戶可以定義模板，觸發(fā)某個(gè)跳頻，而不是觸發(fā)功率變化。數(shù)字熒光顯示技術(shù)演示了信號(hào)跳到約比感興趣的信號(hào)高3MHz的頻率上。頻率模板任意定義為這個(gè)信號(hào)周圍的包絡(luò)，一旦信號(hào)進(jìn)入頻率模板區(qū)域，儀器會(huì)觸發(fā)。通過使用擁有高性能帶寬的RTSA，可以分析跳序列，在每個(gè)跳頻上執(zhí)行頻率穩(wěn)定時(shí)間測(cè)量(部分RTSA在110MHz實(shí)時(shí)帶寬時(shí)的定時(shí)分辨率為6ns)，支持最低60ns的穩(wěn)定時(shí)間。

SDR是RF收發(fā)機(jī)的一種新興實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)RF硬件提出了額外的要求。為處理軟件無線電研發(fā)中出現(xiàn)的復(fù)雜性，可以全面使用RTSA，測(cè)試多種工作模式隨時(shí)間變化的要求。這些獨(dú)特的儀器具有數(shù)字熒光顯示、頻率模板觸發(fā)和時(shí)間相關(guān)多域分析功能，在設(shè)計(jì)和檢定SDR器件時(shí)提供了完美的調(diào)試工具。