軟件定義無線電結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀器與RF測(cè)量的新熱點(diǎn)

摘要： 本文論述軟件定義無線電和基于軟件定義無線電的RF測(cè)量儀器，對(duì)矢量信號(hào)發(fā)生器和矢量信號(hào)分析儀的電路結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)介紹，基于軟件定義無線電的儀器將成為RF測(cè)量的新熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 軟件定義無線電；RF測(cè)量；矢量信號(hào)發(fā)生器；矢量信號(hào)分析器

軟件定義無線電和虛擬儀器

在通信領(lǐng)域探索軟件定義無線電(SDR)的基礎(chǔ)上，美軍從1992年開始起動(dòng)SPEAKeasy計(jì)劃，加上民用移動(dòng)通信亦不失時(shí)機(jī)采用這種新技術(shù)，SDR已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的重要支柱。在測(cè)量儀器領(lǐng)域由于20世紀(jì)60年代中期有了GPIB通用儀器總線，為了編寫測(cè)量應(yīng)用程序，惠普(HP)公司和國家儀器(NI)公司分別開發(fā)成功VEE和LabVIEW圖形編程工具。20世紀(jì)80年代插卡儀器和模塊儀器取得進(jìn)展，這些儀器都沒有實(shí)物面板，虛擬面板應(yīng)運(yùn)而生。隨著VXI模塊儀器總線的誕生，測(cè)量儀器出現(xiàn)兩個(gè)開放式總線標(biāo)準(zhǔn)，即以臺(tái)式儀器為基礎(chǔ)的IEEE488標(biāo)準(zhǔn)(GPIB)和以模塊儀器為基礎(chǔ)的IEEE1515標(biāo)準(zhǔn)(VXI)。為了發(fā)揮插卡儀器和模塊儀器的潛在能力，在發(fā)展虛擬面板、即插即用驅(qū)動(dòng)器、圖形編程、視窗操作系統(tǒng)取得成果的經(jīng)驗(yàn)上，NI公司在20世紀(jì)90年代初提出一套虛擬儀器的概念。

過去，測(cè)量儀器主要以硬件定義的臺(tái)式儀器為主體和軟件為輔，新型的基于通用硬件平臺(tái)的軟件定義的虛擬儀器，首先在比較簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得成功，后來在工業(yè)控制、自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域同樣發(fā)揮作用。為了擴(kuò)大虛擬儀器的影響，曾出現(xiàn)“軟件就是儀器”的口號(hào)。顯然，口號(hào)著重強(qiáng)調(diào)軟件的作用，實(shí)際上不夠全面，因?yàn)闆]有硬件的軟件好比無本之木，只有硬件與軟件緊密結(jié)合才能發(fā)揮虛擬儀器的巨大效能。1997年NI借助虛擬儀器的成功經(jīng)驗(yàn)開發(fā)PXI模塊儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，并且生產(chǎn)從直流至RF的模塊儀器。虛擬儀器的市場(chǎng)重點(diǎn)是通用的測(cè)量儀器模塊和系統(tǒng)，它改變了測(cè)量儀器只有由供應(yīng)商定義的硬件為主的臺(tái)式儀器，使用戶具有更大選擇性的軟件定義的模塊儀器。

從發(fā)展軌跡來看，軟件定義無線電和虛擬儀器都是在1990年前后信息、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、家用電子大發(fā)展過程中，充分發(fā)揮軟件潛力所取得的成果。此時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)已顯露頭角，Sun公司在推廣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器時(shí)打出“軟件就是網(wǎng)絡(luò)”的口號(hào)。后來，隨著軟件的作用和貢獻(xiàn)獲得共識(shí)，這些強(qiáng)調(diào)軟件的口號(hào)就很少舊事重提。然而，測(cè)量業(yè)界一直沒有停滯不前，不斷開拓硬件軟件相結(jié)合的新途徑。2000年后軟件定義無線電原理在測(cè)量儀器上獲得應(yīng)用，開發(fā)成功基于軟件定義無線電的儀器。代表性產(chǎn)品是吉時(shí)利(Keithley)公司在2006年推出的2910矢量信號(hào)發(fā)生器和2810矢量信號(hào)分析器，它們都是采用軟件定義無線電結(jié)構(gòu)的無線發(fā)射/接收測(cè)量儀器。

基于軟件定義無線電的RF測(cè)量儀器

在討論軟件定義無線電儀器前，簡單回顧一下SDR的定義和電路結(jié)構(gòu)。SDR的定義是：采用軟件或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的無線信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。電路結(jié)構(gòu)可歸納為圖1所示的由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成的SDR無線系統(tǒng)。從圖中可見，整個(gè)系統(tǒng)只有三種基本部件，即RF前端、AD/DA轉(zhuǎn)換器和基帶處理器。RF前端包括天線、低噪聲放大、功率放大，或者上、下變頻器等RF模擬電路。AD/DA轉(zhuǎn)換器執(zhí)行模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換，是最關(guān)鍵的部件，在基帶頻率范圍內(nèi)要有足夠的分辨率和取樣率?；鶐幚砥鲗?shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理，包括調(diào)制、解調(diào)、濾波、變換等數(shù)字運(yùn)算。

圖1　軟件定義無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

SDR與傳統(tǒng)的無線收發(fā)系統(tǒng)相比，使用大量數(shù)字電路和信號(hào)處理替代超外差變頻、中頻放大、本振、濾波、檢波放大等模擬電路，具有電路簡化、功耗減小、靈活機(jī)動(dòng)、快速變換、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。SDR收發(fā)系統(tǒng)在國防航天、移動(dòng)通信、衛(wèi)星接收等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

基于SDR結(jié)構(gòu)的RF測(cè)量儀器首先要滿足軍用通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星接收等設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)的測(cè)量，具有高度靈活性，中等至高度復(fù)雜性，能夠適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)的需求，亦即一種測(cè)量儀器可滿足多種應(yīng)用。例如移動(dòng)通信手機(jī)不斷更新?lián)Q代，新的通信標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)登場(chǎng)，載波頻率提高，調(diào)制方式復(fù)雜化，應(yīng)用內(nèi)容日新月異。其次，測(cè)量時(shí)間最小化，以最短時(shí)間完成RF產(chǎn)品的特性測(cè)量，及時(shí)投放市場(chǎng)。典型RF產(chǎn)品的測(cè)量時(shí)間有四部分，包括測(cè)量儀器的設(shè)置、被測(cè)產(chǎn)品的響應(yīng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。除被測(cè)產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間之外，測(cè)量儀器起著主動(dòng)作用，縮短總測(cè)量時(shí)間，降低測(cè)量成本，及時(shí)投放市場(chǎng)，貫穿新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的全過程。基于SDR構(gòu)的RF測(cè)量儀器比傳統(tǒng)測(cè)量儀器能夠提供更好的全面性能。

Keithley公司的SDR結(jié)構(gòu)的RF測(cè)量儀器，矢量信號(hào)發(fā)生器VSG2910和矢量信號(hào)分析儀VSG2810的數(shù)字底板，如圖2所示。

圖2　軟件定義無線電結(jié)構(gòu)的RF測(cè)量儀器

基于軟件定義無線電的測(cè)量儀器電路結(jié)構(gòu)

基于SDR結(jié)構(gòu)的RF測(cè)量儀器的核心部件是數(shù)字信號(hào)處理，首先它替代了傳統(tǒng)RF測(cè)量儀器的好幾種模擬部件的功能，包括RF變頻、中頻放大、同相/正交(I/Q)檢波、帶通濾波、調(diào)制和解調(diào)。其次是完成數(shù)字運(yùn)算、數(shù)字變換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。SDR結(jié)構(gòu)的測(cè)量儀器有三種數(shù)字信號(hào)處理方式可供使用，它們是通用處理器、可編程信號(hào)處理硬件和專用硬件。

*通用處理器方式：采用市售的Intel奔騰系列微處理器，與DRAM存儲(chǔ)器以及ADC和DAC組成最基本的硬件結(jié)構(gòu)，由微處理器執(zhí)行全部軟件。由于硬件簡單，軟件編程的工作量相對(duì)增加，成本亦相應(yīng)增加，因?yàn)榫幊藤M(fèi)用超過硬件售價(jià)，設(shè)計(jì)人員需要在硬件和軟件之間作全面權(quán)衡。這種方式好處是測(cè)量儀器很容易重新配置、升級(jí)方便、易于擴(kuò)展。

*專用硬件方式：根據(jù)測(cè)量儀器的特性制成專用集成電路(ASIC)或采用可程控芯片，如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。如果產(chǎn)品數(shù)量較大，則使用ASIC的成本最低。特別是近年的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)，幾種不同功能的芯片可在同一個(gè)封裝內(nèi)互連構(gòu)成系統(tǒng)。顯然，ASIC制成后就不能修改和升級(jí)了。使用FPGA要比ASIC靈活得多，不過RF應(yīng)用的FPGA成本是相當(dāng)高的。

*可編程信號(hào)處理硬件方式：用具有特定功能的硬件芯片來完成數(shù)字信號(hào)處理，包括DSP處理器而不是通用微處理器，數(shù)字上、下變頻器(DUC、DDC)設(shè)計(jì)成十進(jìn)制和近實(shí)時(shí)的數(shù)字插值，ADC、DAC芯片完成模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。在整體結(jié)構(gòu)上還增加FPGA作為數(shù)字路由器，將外部、內(nèi)部數(shù)據(jù)快速連接，而不是完成復(fù)雜的運(yùn)算。這種方式的硬件能力有很大提高，軟件編程的難度減小，較好地解決硬件軟件的分配和成本效益問題。圖2的SDR　RF數(shù)字儀器結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了這種方式的靈活性，它是Keithley公司的2910　RF矢量信號(hào)發(fā)生器和2810　RF矢量信號(hào)分析儀的核心。作為信號(hào)發(fā)生器時(shí)，RF前端沒有信號(hào)輸入，ADC斷開，在軟件定義下DDC/DUC構(gòu)成的直接數(shù)字合成器信號(hào)，經(jīng)雙路DAC轉(zhuǎn)換成I/Q　RF矢量信號(hào)；作為信號(hào)分析儀時(shí)，RF輸入信號(hào)經(jīng)前端信號(hào)調(diào)理和ADC轉(zhuǎn)換后，在軟件定義下由雙路DAC解調(diào)獲得基帶的I/Q信號(hào)輸出。

圖2的SDR結(jié)構(gòu)同時(shí)適用于信號(hào)發(fā)生和信號(hào)分析，例如，配置成為2910　RF矢量信號(hào)發(fā)生器時(shí)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。發(fā)生器的載頻由數(shù)字上變頻器(DUC)產(chǎn)生，DUC內(nèi)部的直接數(shù)字合成器(DDS)能夠快速程控變換正弦波的頻率，在分辨率為mHz時(shí)輸出400MHz，再由DUC變換至2.5GHz的最高載波頻率，頻率變換在1ms內(nèi)完成。調(diào)制信號(hào)由數(shù)字任意波形發(fā)生器(AWG)提供，具有100MHz的調(diào)制帶寬。數(shù)字調(diào)制的載頻由高速的雙路數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出至功率放大器。整個(gè)模塊由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作主控機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)發(fā)揮快速開關(guān)的信號(hào)切換功能，提供比模擬開關(guān)快得多的切換時(shí)間。

圖3　RF矢量信號(hào)發(fā)生器的電路框圖

首先從RF信號(hào)發(fā)生方面來看，頻率和幅度切換占RF系統(tǒng)總測(cè)量時(shí)間的主要部分，2910矢量信號(hào)發(fā)生器的額定時(shí)間是1.6ms，使用固態(tài)衰減器的輸出幅度切換時(shí)間低至250ms。數(shù)字調(diào)制方式是數(shù)字通信測(cè)量的關(guān)鍵特性，2910矢量信號(hào)發(fā)生器中的任意波形發(fā)生器可存儲(chǔ)200種不同的調(diào)制格式，切換不同調(diào)制格式的時(shí)間小于3ms。還有2810矢量信號(hào)分析儀的主要測(cè)量時(shí)間同樣快速，寬帶掃描和窄分辨率帶寬是最苛刻的測(cè)量條件之一。例如交互調(diào)制測(cè)試和相鄰?fù)ㄍüβ时?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/測(cè)試">測(cè)試需要在低噪聲和寬帶下測(cè)量。由快速傅里葉變換(FFT)執(zhí)行多樣點(diǎn)運(yùn)算。掃頻范圍1MHz和分辨率帶寬100Hz和10Hz時(shí)，測(cè)量時(shí)間分別是40ms和4s，使用傳統(tǒng)的頻譜分析儀時(shí)，測(cè)量時(shí)間將要增加一、二個(gè)數(shù)量級(jí)。

作為矢量信號(hào)分析儀，總測(cè)量時(shí)間由三部分組成，即信號(hào)采集和處理、調(diào)諧被測(cè)設(shè)備至指定頻率、完成多種頻譜測(cè)試。2810矢量信號(hào)分析儀內(nèi)置的高速DSP具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力，在信號(hào)采集時(shí)間100ms，對(duì)1MHz的測(cè)量帶寬信號(hào)，可在200ms內(nèi)完成一次測(cè)量。DDS的合成頻率對(duì)被測(cè)裝置進(jìn)行新頻率的調(diào)諧和設(shè)定可在小于1ms實(shí)現(xiàn)。多種頻譜測(cè)試的內(nèi)容最為復(fù)雜，有兩類不同的測(cè)量，一類測(cè)量不需要精確定時(shí)，例如鄰近通道功率測(cè)試，此時(shí)沒有增加總的測(cè)量時(shí)間；另一類測(cè)量需要精確的觸發(fā)定時(shí)，例如GSM等移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的頻譜分量測(cè)試。以GSM頻譜分量測(cè)試為例，它的每幀有8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙577ms。2810矢量信號(hào)分析儀的每次測(cè)量時(shí)間200ms，每次調(diào)諧時(shí)間1ms，因此GSM每幀可用2個(gè)時(shí)隙調(diào)諧接收機(jī)，用6個(gè)時(shí)隙對(duì)6臺(tái)移動(dòng)手機(jī)作并行測(cè)量，具有很高的測(cè)量效率，這是傳統(tǒng)的模擬頻譜分析儀無法達(dá)到的?？梢?910/2810的結(jié)合在頻率范圍、電氣特性、測(cè)量時(shí)間上具有優(yōu)勢(shì)，能夠以高的性能價(jià)格比完成復(fù)雜的RF數(shù)字無線通信、移動(dòng)通信、無線終端、RF芯片等的測(cè)量。

關(guān)鍵器件和開發(fā)工具

SDR結(jié)構(gòu)測(cè)量儀器所用的器件，如DSP、ADC、DAC、FPGA、上、下變頻器等主要芯片，實(shí)際上與SDR產(chǎn)品所用的相同，完全可從市場(chǎng)上購得，無需采用專用芯片。

*DSP芯片供應(yīng)商有德州儀器(TI)和飛思卡爾等公司的多種系列產(chǎn)品，時(shí)鐘頻率500~1000MHz。
*ADC、DAC芯片供應(yīng)商有模擬器件(ADI)、美信集成(Maxim)、TI、國家半導(dǎo)體(NS)等供應(yīng)商的多種系列產(chǎn)品，ADC在取樣率10GS/下分辨率10位，DAC在取樣率500MS/S下分辨率20位。
*FPGA芯片主要供應(yīng)商是賽靈思(Xilinx)，它的Virtex系列的可編程門數(shù)達(dá)到500萬門以上，還有Altera公司的Stratix系列。
*上、下變頻器芯片供應(yīng)商有ADI、飛思卡爾、NS等供應(yīng)商，頻率上限超過2GHz。
SDR結(jié)構(gòu)測(cè)量儀器的最方便的開發(fā)手段是硬件軟件相結(jié)合的開發(fā)平臺(tái)，TI公司的緊湊軟件無線電開發(fā)平臺(tái)(SFFSDR)可提供全面的解決方案，它的硬件信號(hào)鏈包括從天線至基帶，軟件包括完整的開發(fā)工具。設(shè)計(jì)者使用這套開發(fā)工具，容易獲得單協(xié)議或多協(xié)議的無線波形和測(cè)試程序，以及仿真和驗(yàn)證工具。設(shè)計(jì)的原型機(jī)完全符合JTAG規(guī)范和軟件通信結(jié)構(gòu)(SCA)協(xié)議。其他特點(diǎn)還有：
*TI、Xilinx和第三方合作開發(fā)的平臺(tái)，主要合作公司都是JTAG計(jì)劃的供應(yīng)商。
*采用高集成度的片上系統(tǒng)DSP芯片和高性能FPGA芯片，支持電路板級(jí)的SDR開發(fā)。
*數(shù)字模塊結(jié)構(gòu)可對(duì)不同的CPU、DSP、FPGA，不同的基帶、IF、RF選擇最適用的模塊。
*開發(fā)平臺(tái)有三種不同的配置，即入門的評(píng)估級(jí)、專業(yè)的開發(fā)級(jí)和專用的JTAG級(jí)。
*開發(fā)級(jí)平臺(tái)的硬件有數(shù)字處理、數(shù)據(jù)變換、RF模塊，軟件工具有TI代碼編寫器、Xilinx集成軟件環(huán)境、Green Hills實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還有板級(jí)支持開發(fā)工具。
*專用級(jí)平臺(tái)是在開發(fā)級(jí)平臺(tái)上增加JTAG模擬器和JTAG軟件通信結(jié)和SCA組成，目標(biāo)是軍用SDR產(chǎn)品的開發(fā)。

RF測(cè)量的新熱點(diǎn)

近年美國國防部及北約集團(tuán)制訂聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線系統(tǒng)(JTRS)計(jì)劃，投入10億美元經(jīng)費(fèi)開發(fā)軟件定義無線電。計(jì)劃目標(biāo)是用SDR替換傳統(tǒng)的硬件定義無線電，覆蓋頻率范圍2MHz至2GHz以上，通過無線網(wǎng)絡(luò)使無線電設(shè)備作軟件升級(jí)和加密。硬件采用靈活、可重配置、可互操作的模塊組成，軟件使用開放源碼的軟件通信結(jié)構(gòu)(SCA)SDR將廣泛應(yīng)用到各種手持、單兵、車載和載平臺(tái)無線通信設(shè)備。在美國國防部的推動(dòng)下，歐洲和日本的國防部門亦開展類似JTRS的軟件定義無線電計(jì)劃。

在國防軍事應(yīng)用取得成果的基礎(chǔ)上，SDR亦進(jìn)入軍轉(zhuǎn)民階段，首先在移動(dòng)通信手機(jī)采用SDR結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)多種通信標(biāo)準(zhǔn)和快速更新?lián)Q代的市場(chǎng)需求。其次由于RF頻譜日益擁擠，各種更加智能的頻譜使用方法成為緊迫問題，跳頻、擴(kuò)頻、超寬帶、WiFi等無線通信都引用了SDR概念。由此帶來SDR系統(tǒng)的測(cè)量需求，早期的SDR設(shè)備的開發(fā)是使用傳統(tǒng)的RF信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀，顯然它們不適用作為產(chǎn)品線的測(cè)量。2000年后推出RF的數(shù)字化任意波形發(fā)生器和實(shí)時(shí)頻譜分析儀，例如泰克公司的AWG5000系列任意波形發(fā)生器和RSA6000A系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀為SDR設(shè)備的測(cè)量帶來方便，而采用SDR結(jié)構(gòu)的矢量信號(hào)發(fā)生器和矢量信號(hào)分析儀的推出，將使SDR設(shè)備的測(cè)量環(huán)境更為完善。

由于移動(dòng)通信發(fā)展勢(shì)頭興旺，數(shù)以十億計(jì)的手機(jī)在聯(lián)網(wǎng)使用，2006年生產(chǎn)和銷售的手機(jī)數(shù)量達(dá)8.5億部。手機(jī)的功能和用途越來越多，新標(biāo)準(zhǔn)不斷推出，大廠商每一、兩月即有新型號(hào)上市，而且價(jià)格下降，普及率越來越高，降低測(cè)量成本是當(dāng)急之務(wù)。從原理上，基于SDR結(jié)構(gòu)的測(cè)量儀器用來測(cè)試SDR收發(fā)設(shè)備是最有效的方法，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)構(gòu)相同，兼容程度高，能夠具備比傳統(tǒng)RF測(cè)量儀器更快速變換測(cè)量參數(shù)，更短測(cè)量時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

近年SDR結(jié)構(gòu)通信測(cè)量儀器的成功推出，由于它的成本降低和效益增加，成為RF測(cè)量儀器的新熱點(diǎn)，受到儀器供應(yīng)商和用戶的歡迎。可以期待，SDR結(jié)構(gòu)測(cè)量儀器將擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，不僅限于通信的RF頻段，其它頻段的臺(tái)式測(cè)量儀器將有SDR結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代產(chǎn)品，促進(jìn)測(cè)量儀器市場(chǎng)更加繁榮。加上美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃處(DARPA)制訂和部署新一代測(cè)試計(jì)劃(NxTest)，以合成儀器(SI)為基礎(chǔ)使各軍種兵種的測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。合成儀器的核心就是軟件定義的模塊化測(cè)量系統(tǒng)，與軟件定義無線電結(jié)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)相似，在合成儀器尚未部署前，SDR結(jié)構(gòu)的測(cè)量儀器將承擔(dān)更多的RF無線設(shè)備的測(cè)量任務(wù)，成為RF測(cè)量的新熱點(diǎn)。