射頻儀器的軟件無線電化

現(xiàn)代射頻儀器已經(jīng)從單純的測量設(shè)備發(fā)展成為重要的系統(tǒng)設(shè)計工具。這種發(fā)展得益于軟件無線電(SDR)引發(fā)的各種技術(shù)。軟件無線電所具有的靈活性正在掀起無線通信行業(yè)以及射頻測試儀器的變革。

20世紀(jì)80年代末，??工程師們開始嘗試軟件無線電構(gòu)想。過去，無線電需要依賴于復(fù)雜模擬電路才能發(fā)送和接收射頻和微波信號以及實現(xiàn)對信息信號的編碼和解碼。軟件無線電的最初構(gòu)想是使用通用無線電來進(jìn)行信號發(fā)送和接收，同時在軟件中執(zhí)行多個物理層功能（如調(diào)制和解調(diào)）。

WalterH.W.Tuttlebee在其發(fā)表的文章SoftwareDefined Radio:Origins,DriversandInternational Perspectives中寫到：軟件無線電最初的一些典型應(yīng)用包括軍用無線電通信項目，比如20世紀(jì)90年代初的SPEAKeasy項目。在該項目的設(shè)計中，通過在軟件中開發(fā)許多調(diào)制和解調(diào)功能，無線電為各種無線接口之間提供了互操作性。

然而，到了90年代末，工程師們開始積極研究軟件無線電技術(shù)在商業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用，如蜂窩基站。其中闡述越來越多應(yīng)用的軟件無線電需求的一篇最有影響力的論文是Joseph Mitola III博士于1993年發(fā)表在IEEE Spectrum的Software Radios: Survey, Critical Evaluation and Future Directions。Mitola博士也由于其廣泛的研究而被稱為“軟件無線電之父””。

最能夠體現(xiàn)軟件無線電方法的優(yōu)勢也許是現(xiàn)代基站。隨著無線標(biāo)準(zhǔn)從GSM演變到LTE，通過硬件來增加對新標(biāo)準(zhǔn)的支持變得日益困難。此外，基站是通過復(fù)雜且不斷更新?lián)Q代的軟件來進(jìn)行信號處理和閉環(huán)控制。例如，功率放大器(PA)線性化技術(shù)，如數(shù)字預(yù)失真(DPD)，對基站的性能至關(guān)重要，并且隨著時間的推移不斷發(fā)展。因而，軟件無線電方法成為基站設(shè)計和維持長期支持性的理想選擇。

儀器的根本變革

與此同時，軟件無線電架構(gòu)正日益廣泛地應(yīng)用于無線行業(yè)，射頻測試和測量設(shè)備正在經(jīng)歷一個重大的轉(zhuǎn)折。21世紀(jì)初，新無線標(biāo)準(zhǔn)的問世要求儀器能夠提供更加豐富的測量功能，因而也要求架構(gòu)更加靈活。由于這需要大量的射頻測量工程師才能實現(xiàn)，過去針對少數(shù)應(yīng)用專門設(shè)計儀器的做法已經(jīng)變得不切實際。因此，測試廠商開始探索軟件定義射頻測試設(shè)備的概念。

傳統(tǒng)掃頻調(diào)諧頻譜分析儀的發(fā)展是整個行業(yè)過渡到軟件定義儀器系統(tǒng)最典型的例子之一。在傳統(tǒng)的頻譜分析儀中，分辨率帶寬濾波和功率檢測等功能是基于模擬組件來實現(xiàn)的。然而，今天的現(xiàn)代射頻信號分析儀通過集成通用射頻下變頻器（無線電）來生成數(shù)字化I / Q采樣。該儀器能夠使用頻譜計算等多種方法來處理I / Q采樣數(shù)據(jù)。因此，可能用于執(zhí)行光譜測量的同一信號分析儀還可以用于解碼RADAR脈沖、解調(diào)LTE信號或甚至無線記錄GPS信號。

如今，測試廠商已經(jīng)進(jìn)一步完善射頻儀器架構(gòu)，以不斷趨近于軟件無線電架構(gòu)。新一代射頻儀器的基本架構(gòu)不僅結(jié)合了通用無線電，還結(jié)合了廣泛的PC和信號處理技術(shù)，如多核CPU和FPGA。今天，RF測試設(shè)備的軟件無線電化為傳統(tǒng)RF測試應(yīng)用提供了顯著的優(yōu)勢，同時也幫助工程師實現(xiàn)了以前無法用射頻儀器實現(xiàn)的應(yīng)用。

摩爾定律對射頻測試的影響

儀器信號處理性能的不斷提高是將PC技術(shù)集成到RF儀器的最明顯優(yōu)勢之一。摩爾定律預(yù)測CPU的處理能力將不斷提高，這意味著儀器的處理性能也會不斷提高。因此，由于CPU廠商不斷更新處理器技術(shù)，基于PC的儀器的測量速度也不斷加快。例如，十年前需要50 ms的頻譜測量現(xiàn)在只需5 ms即可完成。

除了CPU，現(xiàn)代射頻儀器也逐漸集成了現(xiàn)代軟件無線電的核心技術(shù)——FPGA。FPGA應(yīng)用于射頻儀器已經(jīng)有十多年，當(dāng)今一個不斷發(fā)展的趨勢是讓儀器的FPGA實現(xiàn)用戶可編程。用戶可編程的FPGA將儀器的作用從單一功能設(shè)備擴展為無限靈活的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

隨著當(dāng)今支持FPGA的儀器的出現(xiàn)，工程師可以將FPGA的實時控制功能與對于時間要求極其嚴(yán)格的測試功能相結(jié)合。例如，在需要通過數(shù)字接口實現(xiàn)設(shè)備控制的測試應(yīng)用中，支持FPGA的儀器可以同步執(zhí)行數(shù)字設(shè)備控制與射頻測量?；谟脩艨删幊痰腇PGA提供的新測試方法，工程師們的測試時間提高了100倍。

支持FPGA的工具也推動了FPGA編程的巨大創(chuàng)新。盡管一些工程師多年來一直使用VHDL等硬件描述語言，但FPGA編程的復(fù)雜性為該技術(shù)的廣泛應(yīng)用帶來重重障礙。

軟件無線電推動FPGA的應(yīng)用

今天，RF儀器中類似于軟件無線電的架構(gòu)元素已經(jīng)模糊了傳統(tǒng)儀器和嵌入式平臺之間的界限。定義儀器的特性，如用戶可編程的FPGA，使得RF儀器日趨廣泛地用于嵌入式應(yīng)用中。

二十年前，將價值上百萬美元的RF信號發(fā)生器和射頻信號分析儀組裝在一起來開發(fā)雷達(dá)系統(tǒng)的原型似乎令人難以想象。這種系統(tǒng)不僅成本高昂、規(guī)模巨大，而且復(fù)雜的編程體驗也令工程師望而生畏，不愿使用無線通信設(shè)備之類的儀器。

然而現(xiàn)在，PXI等體積更小巧、功能更強大的基于PC的儀器平臺成為了電子嵌入式系統(tǒng)的理想原型解決方案?；赑C的儀器不僅能滿足嵌入式系統(tǒng)的尺寸和成本要求，同時也為工程師提供了一種可以重新配置RF儀器，從而實現(xiàn)RF儀器的廣泛應(yīng)用的良好軟件體驗。所以，工程師開始使用射頻信號發(fā)生器和分析儀來設(shè)計雷達(dá)、信道仿真器、GPS記錄儀和DPD硬件等嵌入式系統(tǒng)。

使用軟件來充分定義和定制RF儀器行為的這一能力已經(jīng)成為解決下一代測試挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。因此，未來的RF儀器架構(gòu)將越來越難與軟件無線電架構(gòu)區(qū)分開來。