軟件定義無(wú)線電(SDR)技術(shù)推動(dòng)測(cè)試儀器的發(fā)展

測(cè)試設(shè)備制造商始終面臨的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)出能夠滿足用戶最新產(chǎn)品測(cè)試需求的新型測(cè)試方案，他們通常采用設(shè)計(jì)專用硬件的方法來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。對(duì)于通信市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于新的通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅速，常常需要新的信號(hào)源和測(cè)量功能，因而帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。為跟上標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度，測(cè)試儀器供應(yīng)商必須找到能夠縮短儀器開發(fā)時(shí)間的新方法，以使測(cè)試儀器能夠滿足新的測(cè)量需求。軟件定義無(wú)線電(SDR)就是一種有用的技術(shù)。

SDR是一種利用軟件來(lái)調(diào)制和解調(diào)無(wú)線電信號(hào)的無(wú)線通信系統(tǒng)。良好的經(jīng)濟(jì)性是SDR獲得廣泛使用的驅(qū)動(dòng)力。相比傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)，這類系統(tǒng)能夠以更低的成本獲得很高的靈活性。圖1給出了一個(gè)SDR系統(tǒng)的實(shí)例。

圖1：一個(gè)軟件定義無(wú)線電系統(tǒng)示例圖。

從嚴(yán)格意義上講，數(shù)模(D/A)和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換將會(huì)出現(xiàn)在載波頻率上，且無(wú)需模擬上變頻和模擬下變頻。而目前的SDR應(yīng)用通常至少包含一級(jí)模擬上變頻和模擬下變頻。顯然，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是SDR系統(tǒng)的重要組成元件。轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率將決定系統(tǒng)所需的模擬頻率轉(zhuǎn)換次數(shù)。轉(zhuǎn)換器需要足夠大的分辨率(比特)以充分生成或捕獲調(diào)制數(shù)據(jù)，而更復(fù)雜的調(diào)制格式將要求轉(zhuǎn)換器具有更高的分辨率。轉(zhuǎn)換器的速度將對(duì)可生成或可采樣的最大信號(hào)頻率造成限制。轉(zhuǎn)換器技術(shù)正不斷發(fā)展，已可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的分辨率和頻率。

數(shù)字信號(hào)處理是SDR系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)多種原本由模擬電路實(shí)現(xiàn)的功能，包括頻率轉(zhuǎn)換、調(diào)制、解調(diào)和濾波。數(shù)字信號(hào)處理還支持諸如波形預(yù)失真和抽取等功能，因而可提供比模擬設(shè)計(jì)更好的性能。傳輸波形的預(yù)失真功能考慮到了模擬電路的非線性特征，并調(diào)節(jié)基帶信號(hào)波形以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而能夠產(chǎn)生更高質(zhì)量的調(diào)制信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理有三種最基本的方法。第一種方法是利用普通計(jì)算資源(例如PC機(jī))以軟件方式實(shí)現(xiàn)所有的信號(hào)處理;第二種是定義一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的邏輯電路，并用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯電路;第三種方法是利用專為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理所需功能而設(shè)計(jì)的可編程硬件，包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和數(shù)字上變頻(DUC)以及數(shù)字下變頻(DDC)器件等。

上述三種方法都能滿足SDR的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)高度靈活的系統(tǒng)。然而，為達(dá)到SDR的成本控制目標(biāo)，必須考慮系統(tǒng)的開發(fā)成本和單位成本。不同實(shí)現(xiàn)方案的成本各有不同，這在很大程度上取決于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)帶寬需求。帶寬越大，所需的處理能力就越強(qiáng)，相應(yīng)成本就越高。但是，對(duì)于中等性能需求而言，采用FPGA可能是成本最高的解決方案，而DSP系統(tǒng)則是最廉價(jià)的選擇。

頻率生成是所有通信系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要素。直接數(shù)字合成(DDS)是一種利用D/A轉(zhuǎn)換器生成具有極精確頻率的正弦波的技術(shù)。該技術(shù)能以較低的成本實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步也促進(jìn)了DDS技術(shù)的快速發(fā)展?，F(xiàn)在的DDS器件能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)幾百兆赫茲、頻率分辨率達(dá)微赫茲的正弦波。

SDR技術(shù)越來(lái)越受到一些要求兼具經(jīng)濟(jì)和靈活性的應(yīng)用的青睞，例如軍用通信系統(tǒng)和多功能蜂窩基站。這類應(yīng)用往往具有下列共同特征：

1. 要求中等到高度的靈活性;

2. 小到中等應(yīng)用規(guī)模;

3. 中等到高度的復(fù)雜性。

測(cè)試儀器與采用SDR技術(shù)的其它應(yīng)用具有很多共同的特點(diǎn)。測(cè)試儀器通常都非常復(fù)雜，因?yàn)橐赃m當(dāng)?shù)挠嗔繙y(cè)量尖端系統(tǒng)需要很高的性能。相比手機(jī)或基站等大批量應(yīng)用的設(shè)備，測(cè)試儀器的數(shù)量介于小到中等之間。對(duì)于測(cè)試儀器而言，靈活性始終是一個(gè)重要特征，尤其是在通信領(lǐng)域。通信測(cè)試儀器的關(guān)鍵技術(shù)要求包括高調(diào)制解調(diào)帶寬、大動(dòng)態(tài)量程和高數(shù)據(jù)吞吐率。

近年來(lái)，數(shù)字通信系統(tǒng)(尤其是在調(diào)制格式領(lǐng)域)發(fā)展迅速。新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)意味著諸如信號(hào)源之類的測(cè)試儀器必須能夠產(chǎn)生新的調(diào)制波形，且信號(hào)分析儀必須能夠解調(diào)和分析這些新波形。不同標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵性能參數(shù)往往不同，因此需要采用新的分析例程。

這些挑戰(zhàn)要求測(cè)試儀器能夠快速升級(jí)，并能夠方便地增加新的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是從節(jié)約成本的角度，還是從縮短上市時(shí)間的角度來(lái)看，可升級(jí)性能顯然都非常重要。通信系統(tǒng)與設(shè)備廠商無(wú)力承擔(dān)等待開發(fā)下一代測(cè)試設(shè)備的時(shí)間損失。此外，通信標(biāo)準(zhǔn)還會(huì)在開發(fā)過(guò)程中頻繁變化，這也需要修改信號(hào)產(chǎn)生與分析例程。

上述要求使得SDR技術(shù)成為測(cè)試儀器的理想選擇。原來(lái)針對(duì)普通SDR應(yīng)用的成本與性能折衷策略同樣可用于測(cè)試儀器。第一代SDR測(cè)試儀器采用了軟件處理或基于FPGA的方法。數(shù)字信號(hào)處理器件(例如DSP和DDC/DUC)的發(fā)展也提供了實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器所需的處理性能。這種方法為平衡測(cè)試儀器的成本和性能提供了最佳選擇。

采用SDR技術(shù)的測(cè)試儀器為設(shè)備制造商及其用戶帶來(lái)了許多好處：首先是易于升級(jí)到新的通信標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試儀器的信號(hào)產(chǎn)生與分析功能主要是由寫入數(shù)字信號(hào)處理器的例程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以很容易地編寫新功能的DSP程序并通過(guò)固件升級(jí)的方式將其發(fā)布給現(xiàn)有儀器的用戶。

其次是由于頻率切換和信號(hào)分析速度更快而提高了吞吐量。高帶寬A/D轉(zhuǎn)換器和快速DSP器件能夠十分高效地處理大型FFT。例如，在頻距(span)較寬和分辨率帶寬較低的條件下，基于DSP的分析儀可提供比傳統(tǒng)頻譜分析儀快幾個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量速度。直接數(shù)字合成技術(shù)的頻率切換速度比傳統(tǒng)方案要快得多，快速的頻率切換將可以提高信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀的吞吐量。

最后一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)是，測(cè)試儀器的上市時(shí)間更快。測(cè)試設(shè)備制造商可利用尖端的商用信號(hào)處理器件實(shí)現(xiàn)儀器級(jí)的性能，這極大地降低了開發(fā)測(cè)試儀器的工作量。此外，基本的數(shù)字設(shè)計(jì)可以在各種儀器之間復(fù)用，從而進(jìn)一步降低了開發(fā)成本。例如，圖2給出了吉時(shí)利公司2810矢量信號(hào)分析儀和2910矢量信號(hào)發(fā)生器中采用的數(shù)字架構(gòu)。這兩種儀器都采用了相同的數(shù)字處理設(shè)計(jì)。

圖2：2810矢量信號(hào)分析儀和2910矢量信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字架構(gòu)。

通信標(biāo)準(zhǔn)很可能會(huì)不斷發(fā)展。同時(shí)，通信系統(tǒng)和器件制造商所面臨的測(cè)試成本壓力將迫使測(cè)試設(shè)備廠商提供更具成本效益的儀器。SDR技術(shù)與高端信號(hào)處理器件的結(jié)合為測(cè)試設(shè)備制造商提供了可滿足上述需求的強(qiáng)大工具。