軟件無線電產(chǎn)品的軟件無線電檢測方法

1. 引言

軟件定義的無線電技術(shù)是20世紀(jì)90年代初由美國人Joe Mitola首先提出的[1]。他提出軟件定義的無線電(簡稱軟件無線電)就是由軟件進(jìn)行信道調(diào)制解調(diào)的無線電。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)軟件定義無線電的理論為軍事通信帶來了接近無限的靈活性，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，無線通信終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和測試測量儀器設(shè)計(jì)者逐步沐浴到了軟件無線電的甘霖。由此催生成熟了軟件定義的射頻儀器和軟件定義的無線通信產(chǎn)品。

2. 軟件無線電在手機(jī)和測量儀器中的應(yīng)用

在無線通信領(lǐng)域，手機(jī)和他們的檢測設(shè)備不約而同地采用了軟件定義無線電的技術(shù)。圖1和圖2分別是典型的檢測系統(tǒng)和手機(jī)的原理框圖。軟件無線電給測試測量儀器和被測量的無線通信設(shè)備都帶來了靈活性。對儀器而言，通過調(diào)用不同的軟件就可以檢測不同通信協(xié)議的被測件。對通信設(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。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。對于手機(jī)，大多以后者形式運(yùn)行。對于儀器，大多采用微軟-英特計(jì)算機(jī)平臺。

圖 1軟件無線電檢測典型系統(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)議的完整的無線測試測量功能。用戶通過調(diào)用程控指令，如GPIB指令，就可以完成對被測件的各項(xiàng)測試。儀器內(nèi)部構(gòu)架對使用者不公開。協(xié)議擴(kuò)展或測試功能擴(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)字信號處理和測試測量算法軟件，實(shí)現(xiàn)對被測件的各項(xiàng)測試。協(xié)議和測試功能的擴(kuò)展可以由任何具備能力的人開發(fā)。這個(gè)流派以美國國家儀器(National Instruments)為代表，PXI儀器平臺就是它倡導(dǎo)的。

表 1封閉和開放結(jié)構(gòu)通信檢測儀器對比

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線通信協(xié)議要求的納秒級精度的應(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)議的信令測試系統(tǒng)，至今沒有看到GSM、CDMA等常見協(xié)議的模擬通話測試系統(tǒng)。對這點(diǎn)，可以通過增強(qiáng)儀器中頻實(shí)時(shí)處理能力來提供條件，也可以索性取消信令測試來解決問題。前者源自測試測量供應(yīng)商，后者源自生產(chǎn)廠。而今年來行業(yè)發(fā)展的趨勢，導(dǎo)致信令測試的減少或者取消成為生產(chǎn)測試的基本要求。

3. 從通話測試到參數(shù)測試

模擬通話的功能測試

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

測試測量儀器對生產(chǎn)成本的壓力來自儀器折舊分?jǐn)偟矫恳慌_被測件的成本。其中儀器費(fèi)用包括為了適應(yīng)不同被測件協(xié)議必須的儀器升級費(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、測試速度和升級費(fèi)用。價(jià)格低、速度快、升級費(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)萬美元的儀器不再是一臺兩臺地購買，而是幾十上百地采購。所以綜測儀的設(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，射頻檢測流程也由一臺儀器對一臺被測件升級為一臺儀器對2-4臺被測件，使得被測件啟動和非射頻檢測時(shí)間不占用綜測儀時(shí)間。所以測試時(shí)間也得到減少。

然而，最近3-5年無線通信協(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)單臺終端集成多個(gè)協(xié)議也成為發(fā)展趨勢。一臺手機(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)綜測儀的升級似乎到頭了，WiFi、藍(lán)牙、WiMax等無線通信的檢測需要另外購買無線檢測儀器。一瞬間無線生產(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)無線生產(chǎn)廠開始尋找鎖定生產(chǎn)成本的良策。

圖 3 綜測儀檢測手機(jī)原理框圖

射頻參數(shù)測試

控制無線產(chǎn)品生產(chǎn)檢測成本的方法就是用射頻參數(shù)測試替代信令通話測試。從邏輯上講，就是把射頻檢測和數(shù)字電路檢測分離。對于軟件無線電產(chǎn)品，既然調(diào)制解調(diào)都是軟件完成的，射頻檢測應(yīng)該只須要檢測產(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)測試可以分為2類，射頻校準(zhǔn)參數(shù)測試和射頻性能參數(shù)測試。其中前者測量被測件的發(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)等等和無線終端收發(fā)控制相關(guān)的參數(shù)。后者測量被測件的發(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)測試已經(jīng)在生產(chǎn)廠存在很多年了，然而直到近幾年來性能參數(shù)測試可以替代通話測試才逐步成為業(yè)界共識。

從測試方法來說，這是由功能檢測向性能參數(shù)檢測的過渡，也是由黑箱測試向白箱測試的過渡。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)測試原理框圖來看，參數(shù)測試用數(shù)字通訊端口控制被測件，命令被測件進(jìn)入特定的測試模式，從而被測件可以發(fā)射測試信號，或者接收測試信號并將收到的信號或信號參數(shù)通過通訊端口發(fā)回測試儀器。圖 4是射頻參數(shù)測試的原理框圖，可以對比圖 3，我們用數(shù)字端口控制手機(jī)(或其他無線通信設(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，無線終端的設(shè)計(jì)者必須向測試系統(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)過程中的測試代碼整合為終端測試模式軟件，使得生產(chǎn)檢測時(shí)可以下載到被測件上運(yùn)行。

無線終端設(shè)計(jì)者對測試指令的開放使得射頻參數(shù)測試成為可能，而軟件定義的射頻儀器突出的性能又對參數(shù)測試起到了推波助瀾的效果。這些以PXI總線為代表平臺的模塊化儀器，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)檢測原理框圖

表 2 功能檢測和參數(shù)檢測的對比

表 4 被測件接收性能參數(shù)測量信號和分析

4. 軟件無線電的無線測試系統(tǒng)示例

軟件無線電構(gòu)架的測試系統(tǒng)早在2003年就已應(yīng)用于我國SCDMA手機(jī)的生產(chǎn)檢測，參見圖 5。典型的基于PXI的射頻檢測儀器配置見圖 6。經(jīng)過多年發(fā)展，目前在NI PXI平臺上，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。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的新一代軟件無線電模塊化儀器，這些模塊將在PXI和PXIe總線平臺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)信號處理能力，相信它們是值得大家期待的通信檢測產(chǎn)品。

圖 5 基于PXI軟件無線電平臺的SCDMA生產(chǎn)檢測儀

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

圖 7 聚星儀器無線測試工具包WiFi數(shù)據(jù)組幀界面

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

5. 結(jié)論

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