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。

基于軟件的模塊化測試平臺少不了一個(gè)靈活的軟件平臺。LabVIEW就是一個(gè)專門為工程師設(shè)計(jì)的圖形化編程語言。除了和PXI硬件的無縫連接外，它還集成了多達(dá)600種信號處理和分析的算法，以及調(diào)制解調(diào)、頻譜分析等各種工具包，針對射頻的應(yīng)用，能夠完成功率譜、峰值功率和頻率、帶內(nèi)功率、鄰頻功率等一系列的測量。在LabVIEW開放的軟件環(huán)境中，用戶還可以實(shí)現(xiàn)帶有自主產(chǎn)權(quán)的射頻算法，以滿足日益發(fā)展的無線通信標(biāo)準(zhǔn)的需求。（見下圖）

現(xiàn)在，LabVIEW、PXI和模塊化儀器已經(jīng)成為工程師和科學(xué)家們開發(fā)和測試最新技術(shù)（包括無線標(biāo)準(zhǔn)）的必備工具。在以下兩個(gè)案例中，我們將看到德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員使用這一技術(shù)，如何在短短6周時(shí)間內(nèi)開發(fā)一個(gè)基于4G的系統(tǒng)；以及一家本地公司開發(fā)業(yè)界首個(gè)測試1C2G RFID系統(tǒng)的成功方案。

用戶解決方案

用戶解決方案1：對MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)

這是一個(gè)極具代表性的實(shí)例，用來說明利用這個(gè)平臺如何快速地對系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和開發(fā)。OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)。它選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，利用多個(gè)子載波并行傳輸。OFDM技術(shù)能夠克服CDMA在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信號間干擾增大的問題，并且有頻譜效率高、硬件實(shí)施簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此OFDM被視為是第四代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。MIMO（多輸入多輸出）利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

MIMO-OFDM結(jié)合了MIMO和OFDM的優(yōu)勢，可同時(shí)提升無線通信系統(tǒng)的速度、范圍和可靠性，現(xiàn)在已經(jīng)被寫入WLAN802.11n以及WiMAX802.16標(biāo)準(zhǔn)之中。被業(yè)界廣泛關(guān)注的第4代移動通信的研究還處于初期階段，其基本功能、核心技術(shù)還處于構(gòu)想階段，MIMO-OFDM也是構(gòu)建4G系統(tǒng)的熱門方案之一。

德州大學(xué)奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發(fā)了MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)，在UT無線網(wǎng)絡(luò)和通信實(shí)驗(yàn)室Robert Heath教授的指導(dǎo)下，三名學(xué)生在6個(gè)星期內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)4G系統(tǒng)的原型。

該實(shí)驗(yàn)室之所以選擇基于軟件的模塊化測試平臺，是因?yàn)橥ㄟ^現(xiàn)成可用的NI RF矢量信號發(fā)生器、RF矢量信號分析儀、LabVIEW軟件和調(diào)制解調(diào)工具包，研究人員們已經(jīng)站在一個(gè)很高的起點(diǎn)之上了，因此他們就可以專注于核心部分的開發(fā)。在完成設(shè)計(jì)工序的時(shí)候，需要為MIMO無線通信系統(tǒng)構(gòu)建原型，并且要為理論研究提供實(shí)際的驗(yàn)證。傳統(tǒng)的方式是要用到昂貴的專用硬件，這樣一來編程很費(fèi)時(shí)間，在研究室里也很難去維護(hù)。用了集成的NI軟件和RF產(chǎn)品，德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員就可以快速的創(chuàng)建一個(gè)無線通信系統(tǒng)，包括調(diào)制、同步和均衡等各種要素。

德州大學(xué)奧斯汀分校使用這種集成了LabVIEW軟件和PXI硬件的技術(shù)成功獲得了4G解決方案，現(xiàn)在加州大學(xué)伯克利分校的相關(guān)人員也在使用相同的設(shè)備進(jìn)行類似的研究。

用戶解決方案2：C1G2 RFID標(biāo)簽測試方案

1類、2代(C1G2)的RFID標(biāo)準(zhǔn)是國際RFID標(biāo)準(zhǔn)組織EPCglobal新近的標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了運(yùn)行在超高頻(UHF)，即860～960MHz頻率范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽和閱讀器之間的通信協(xié)議。C1G2提供了一種速度更快、更安全、全球承認(rèn)并且部署起來費(fèi)用更低廉的規(guī)范。至今，歐洲和北美已經(jīng)接受了這種標(biāo)準(zhǔn)。

C1G2將美國的標(biāo)簽閱讀速度提高到大約每秒1500次，歐洲為每秒600次，如果使用目前的技術(shù)，標(biāo)簽閱讀速度為100～300次。使用C1G2時(shí)，寫入速度是目前產(chǎn)品的兩倍。這種算法以及擴(kuò)頻技術(shù)的采用，使閱讀器在可接受距離和不同頻率上有選擇地與不同標(biāo)簽通信。此外，標(biāo)準(zhǔn)解決了閱讀器間的干擾問題，在開放空間，UHF的讀取距離可達(dá)10到20英尺。在保護(hù)標(biāo)簽信息和用戶隱私方面，C1G2包括口令保護(hù)讀訪問和永久鎖定內(nèi)存內(nèi)容的功能，并將口令的長度由8位增加到了32位。C1G2采用的是復(fù)雜的防沖突算法，它能大大提高閱讀器在讀取區(qū)域中一次讀取大量標(biāo)簽的能力。比如我們在大型超市購物結(jié)帳時(shí)，需要把商品一件件拿出來在讀取條碼信息，在繁忙的時(shí)段往往造成收銀處的擁擠。如果采用C1G2技術(shù)，只要把推車推過感應(yīng)區(qū)域，就可以完成推車內(nèi)所有商品信息的讀取，這個(gè)過程可能只需要難以置信的一秒鐘！

C1G2標(biāo)準(zhǔn)RFID帶來了眾多的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也給生產(chǎn)廠商在標(biāo)準(zhǔn)化測試時(shí)出了難題。由于標(biāo)準(zhǔn)較新且協(xié)議復(fù)雜，對測試設(shè)備的性能要求很高，特別是RF的實(shí)時(shí)應(yīng)答能力，對于生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商來說，這無疑是推延產(chǎn)品問世的一大障礙。當(dāng)各大公司尚未在市場上推出測試解決方案的時(shí)候，中國的一家工程類公司——上海聚星儀器，開發(fā)出了全球首個(gè)支持C1G2標(biāo)準(zhǔn)全部指令的測試設(shè)備。

此測試方案基于NI 射頻模塊化儀器硬件，其中中頻處理的硬件為內(nèi)嵌強(qiáng)大運(yùn)算能力的FPGA的軟件無線電平臺NI RF RIO（Reconfigurable I/O），軟件基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)，每次RFID標(biāo)簽的應(yīng)答通信時(shí)間可在400-500微秒內(nèi)完成。目前，此測試方案正在接收RFID標(biāo)準(zhǔn)化組織的驗(yàn)證。

總結(jié)

綜上所述，面對著市場上出現(xiàn)越來越多的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以軟件為核心的測試平臺采用高性能的模塊化硬件和靈活的軟件平臺，為工程師們提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺來進(jìn)行這些標(biāo)準(zhǔn)的測試，并且可以輕松地滿足不斷變化的市場需求。一方面使技術(shù)革新者可以不再受制于測試廠商的限制，另一方面也幫助那些規(guī)模較小、但是實(shí)力不俗的公司在這個(gè)快速發(fā)展的市場上具有較高的競爭力，成為市場的先行者。