何為矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)?

在過去的幾十年里，軟件定義的射頻測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)成為主流。如今，幾乎所有商業(yè)現(xiàn)成的(COTS)自動(dòng)化射頻測(cè)試系統(tǒng)都使用應(yīng)用軟件通過總線接口與儀器進(jìn)行通信。射頻應(yīng)用變得越來越為復(fù)雜，工程師們正面臨增強(qiáng)功能性且不增加測(cè)量次數(shù)與成本的兩難。盡管在測(cè)試測(cè)量算法、總線速度和CPU速度上的提高減少了測(cè)試次數(shù)，但仍需要進(jìn)一步改善以應(yīng)對(duì)不斷復(fù)雜化的射頻測(cè)試應(yīng)用。

在商用現(xiàn)成的射頻測(cè)試儀器中增加現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的使用，可以滿足對(duì)于速度和靈活性的需求。在高層中，F(xiàn)PGA是可編程的硅芯片，可以通過軟件開發(fā)環(huán)境的配置來實(shí)現(xiàn)自定義硬件功能。雖然在射頻儀器中使用FPGA是一個(gè)很好的創(chuàng)舉，但通常這些FPGA密閉且功能固定，只能用于特定的目的，允許自定制的范圍很小。這正體現(xiàn)了用戶可編程的FPGA相較于封閉、固定特性FPGA的顯著優(yōu)勢(shì)。借助于用戶可編程的FPGA，您可以自定制射頻儀器直至管腳，讓它能夠滿足您的特定應(yīng)用需求。

矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)是一類全新的儀器，它結(jié)合了矢量信號(hào)分析儀(VSA)、矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG)與基于FPGA的實(shí)時(shí)信號(hào)處理和控制。NI的全球首臺(tái)VST還擁有用戶可編程FPGA，它允許自定義算法直接用于儀器的硬件設(shè)計(jì)。這種軟件設(shè)計(jì)的方法讓VST擁有了軟件定義無線電(SDR)架構(gòu)的靈活性以及射頻儀器的高性能。圖1(下圖)展現(xiàn)了傳統(tǒng)射頻儀器和VST軟件設(shè)計(jì)方法之間的差異。

圖1. VST軟件設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法的對(duì)比。

NI VST: 基于LabVIEW FPGA和NI RIO構(gòu)架

NI LabVIEW FPGA模塊擴(kuò)展了LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，以便在NI可重配置I / O(RIO)硬件上應(yīng)用FPGA，NI VST便是其中之一。由于LabVIEW能夠清楚地表現(xiàn)并行架構(gòu)和數(shù)據(jù)流，非常適用于FPGA程序的編寫，所以用戶不論有沒有傳統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)都能高效運(yùn)用可重新配置硬件的功能。作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，LabVIEW能夠混合處理FPGA和微處理器(在PC環(huán)境中)上的數(shù)據(jù)，因而用戶無需擁有淵博的計(jì)算架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理知識(shí)即可實(shí)現(xiàn) ,這點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)代通信測(cè)試系統(tǒng)的裝配尤其重要。

NI VST軟件基于強(qiáng)大的LabVIEW FPGA與NI RIO架構(gòu)，并擁有眾多針對(duì)客戶應(yīng)用的初始功能，包括應(yīng)用IP、參考設(shè)計(jì)、范例和LabVIEW范例項(xiàng)目。這些初始功能包含了所有默認(rèn)的LabVIEW FPGA特性和預(yù)構(gòu)建的FPGA位文件，以幫助用戶快速上手。若沒有這些現(xiàn)成的功能，以及高效的LabVIEW、精心設(shè)計(jì)的應(yīng)用/固件架構(gòu)，VST軟件設(shè)計(jì)的特性將會(huì)是各類用戶不小的挑戰(zhàn)，因此正是這些特性將前所未有的高水平定制帶向了高端儀器。

改進(jìn)傳統(tǒng)射頻測(cè)試

NI VST不僅具備快速的測(cè)量速度和小巧的生產(chǎn)測(cè)試儀器組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)還擁有研發(fā)級(jí)箱型儀器的靈活性和高性能。VST因此可以用來測(cè)試各種標(biāo)準(zhǔn)，如802.11ac，5.8 GHz下其誤差矢量幅度(EVM)優(yōu)于-45 dB(0.5%)。此外，傳輸、接收、基帶I/ Q以及數(shù)字輸入輸出都擁有共同的用戶可編程FPGA，使得VST遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的箱型儀器。

數(shù)據(jù)壓縮就是一個(gè)典型的例子，截取、信道化、平均以及其它自定義算法允許FPGA執(zhí)行計(jì)算強(qiáng)度大的任務(wù)。通過減少必要的數(shù)據(jù)吞吐量和主機(jī)上的處理負(fù)載，可縮短測(cè)量時(shí)間且增加平均，給予用戶更大的測(cè)量信心。其它基于FPGA、用戶定義的算法的范例還包括自定制觸發(fā)、FFT發(fā)動(dòng)機(jī)、噪音校正、內(nèi)聯(lián)濾波、變時(shí)滯、功率級(jí)伺服等等。

軟件設(shè)計(jì)儀器，如VST，還可以縮小設(shè)計(jì)和測(cè)試之間的差異，讓測(cè)試工程師可在設(shè)計(jì)完成之前集成或驗(yàn)證設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，同時(shí)允許設(shè)計(jì)工程師使用儀器級(jí)硬件，將他們的算法原型化并在設(shè)計(jì)早期流程中評(píng)估設(shè)計(jì)。

范例： 基于FPGA的DUT控制和測(cè)試序列

除了射頻接收器和發(fā)送器的基帶I/Q數(shù)據(jù)，PXI VST還具有高速數(shù)字I / O，可直接連接到用戶可編程的FPGA。這使用戶能夠執(zhí)行自定制數(shù)字協(xié)議，控制待測(cè)設(shè)備(DUT)，大幅減少測(cè)試次數(shù)。查看圖2中的范例。 除此之外，測(cè)試序列可在FPGA上執(zhí)行，允許DUT通過實(shí)時(shí)測(cè)試改變狀態(tài)和序列。

圖 2. VST靈活的數(shù)字I / O功能可以控制射頻收發(fā)器的狀態(tài)。

范例： 功率放大器測(cè)試的功率級(jí)伺服

功率放大器(PA)重要的一點(diǎn)是包含預(yù)期輸出功率，甚至超出其線性工作模式。為了準(zhǔn)確地校準(zhǔn)PA，其采用了功率級(jí)的伺服反饋循環(huán)來確定最終的增益。 功率級(jí)伺服通過分析儀捕捉當(dāng)前的電流輸出功率，并控制發(fā)電機(jī)的功率級(jí)別，直至獲得所需的功率，這是一個(gè)相當(dāng)耗時(shí)的過程。 簡(jiǎn)單來說，它使用比例控制循環(huán)，在功率級(jí)別上來回?cái)[動(dòng)，直至輸出功率級(jí)和所需的匯合。 VST適用于功率級(jí)伺服，因?yàn)檫M(jìn)程可直接在用戶可編程FPGA上實(shí)現(xiàn)，從而更快地達(dá)到所需的輸出功率值(見圖3)。

圖3. 在PA測(cè)試中，功率級(jí)伺服上使用VST可更快地達(dá)到所需的輸出功率值。

其它射頻應(yīng)用

VST不僅僅是快速靈活的矢量信號(hào)分析儀以及矢量信號(hào)發(fā)生器。 VST的射頻接收器、射頻發(fā)送器，以及用戶可編程的FPGA使其能夠超越傳統(tǒng)的VSA/ VSG模式。 例如，VST可由用戶完全重新構(gòu)建，來執(zhí)行其它復(fù)雜的射頻應(yīng)用處理，例如將新的射頻協(xié)議原型化，實(shí)現(xiàn)軟件定義的無線電，以及信道間的仿真。

范例： MIMO射頻信號(hào)的無線電通道仿真器

近年來，多輸入多輸出(MIMO)射頻技術(shù)進(jìn)步顯著，尤其是在移動(dòng)電話和無線標(biāo)準(zhǔn)方面。除此之外，射頻調(diào)制方法日趨復(fù)雜，射頻帶寬不斷增加，射頻頻譜正變得越來越為擁擠。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在靜態(tài)的環(huán)境中測(cè)試無線設(shè)備相當(dāng)重要，但了解這些設(shè)備在動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)世界中的行為也同等重要。

無線信道仿真器是一種可在真實(shí)世界中測(cè)試無線通信的工具。衰退模式可用來仿真空氣的干擾、反射、移動(dòng)的用戶以及其它阻礙物理無線環(huán)境中的射頻信號(hào)的自然現(xiàn)象。在FPGA上對(duì)這些數(shù)學(xué)衰退模式編程，VST可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無線通道仿真器。下面的圖4為L(zhǎng)abVIEW環(huán)境下的兩臺(tái)VST實(shí)現(xiàn)2x2 MIMO無線通道仿真器。衰退模式的設(shè)置顯示在屏幕的左側(cè)和中心。通過頻譜分析儀捕捉衰退模式發(fā)出的射頻輸出信號(hào)，并顯示在右邊。這些頻譜圖清楚顯示了因衰退模式產(chǎn)生的頻譜零點(diǎn)。

圖4. 范例LabVIEW前面板上顯示了使用兩臺(tái)VST實(shí)現(xiàn)MIMO信道仿真的效果。

軟件設(shè)計(jì)儀器的多種可能性

VST的誕生引領(lǐng)了一類新的儀器，它們并非供應(yīng)商提前設(shè)定好的儀器，而是經(jīng)過軟件設(shè)計(jì)，完全針對(duì)用戶的自身需求進(jìn)行應(yīng)用。 隨著射頻DUT變得更加復(fù)雜，對(duì)于上市時(shí)間的要求越來越高，儀器的功能水平又掌握在了射頻設(shè)計(jì)師和測(cè)試工程師的手中。 本文中的范例只不過是VST眾多功能中極小的一部分。 想要知道“什么是矢量信號(hào)收發(fā)儀?”，您先必須回答：“你需要解決何種測(cè)量和控制問題?” 精確的射頻發(fā)送器、射頻接收器以及數(shù)字I / O可靈活連接至用戶可編程的FPGA，VST因而能夠從容應(yīng)對(duì)各方面的挑戰(zhàn)。