采用軟件無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)加速無(wú)線(xiàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)和測(cè)試

時(shí)間：2008-05-31 22:22:00

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[導(dǎo)讀]隨著現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用數(shù)量的增加—從相距數(shù)公里的兩個(gè)朋友之間的視頻交談到PDA控制的庫(kù)房環(huán)境和照明，無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量也在增加。每個(gè)行業(yè)都進(jìn)入無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用領(lǐng)域，然而每個(gè)行業(yè)具有其自己的要求和規(guī)范，需要根據(jù)特定應(yīng)用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。

隨著現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用數(shù)量的增加—從相距數(shù)公里的兩個(gè)朋友之間的視頻交談到PDA控制的庫(kù)房環(huán)境和照明，無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量也在增加。每個(gè)行業(yè)都進(jìn)入無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用領(lǐng)域，然而每個(gè)行業(yè)具有其自己的要求和規(guī)范，需要根據(jù)特定應(yīng)用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。這樣一來(lái)，無(wú)線(xiàn)和通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量迅速增加，更別說(shuō)更多的專(zhuān)用協(xié)議了。圖1顯示了各種標(biāo)準(zhǔn)的“擁堵”現(xiàn)象。在這些標(biāo)準(zhǔn)完全確定之前，它們就被集成到電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這遠(yuǎn)早于測(cè)試設(shè)備供應(yīng)商能提供相應(yīng)的測(cè)試解決方案。另外一個(gè)證明這個(gè)問(wèn)題的事實(shí)是，用戶(hù)逐漸接受并對(duì)之依賴(lài)的很多新設(shè)備實(shí)際上采用了兩個(gè)、三個(gè)或更多的標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)據(jù)或語(yǔ)音通信。例如，蘋(píng)果公司新推出的iPhone集成了藍(lán)牙、Wi-Fi和GSM/EDGE功能。工程師如何才能在短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求呢？

理解通信信號(hào)處理

為確定這個(gè)問(wèn)題的答案，首先考慮通信系統(tǒng)背后的技術(shù)。帶寬、功率、編碼復(fù)雜度、冗余度、抗損害性能以及成本都是實(shí)現(xiàn)特定無(wú)線(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)所要綜合考慮的關(guān)鍵因素。例如，對(duì)于那些安裝后需要工作若干年的傳感器監(jiān)測(cè)和控制來(lái)說(shuō)，ZigBee非常理想。因此，ZigBee的重要設(shè)計(jì)選擇需要使功耗和成本最低，而其它如帶寬之類(lèi)的參數(shù)就不太重要。而對(duì)于下一代的Wi-Fi來(lái)說(shuō)則情況幾乎相反，該標(biāo)準(zhǔn)要支持高達(dá)540Mb/s的數(shù)據(jù)速率。

圖2顯示了工程師會(huì)用來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇的典型通信系統(tǒng)的主要功能模塊。關(guān)于通信系統(tǒng)的不同構(gòu)建模塊的更多信息，參閱下面關(guān)于“理解通信系統(tǒng)模塊”的副欄。

圖1：對(duì)數(shù)據(jù)不斷增加的需求產(chǎn)生了無(wú)線(xiàn)和通信標(biāo)準(zhǔn)的“擁擠”。

圖2：本圖展示了典型的通信系統(tǒng)中的主要功能模塊。

采用靈活的軟件定義信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于前面介紹的通信系統(tǒng)的最重要功能模塊，一直以來(lái)都是采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片或ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們都需要數(shù)月的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及集成到一種通信解決方案中。但是，要在短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在尋求的辦法是要快而簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)。在通信測(cè)試中引入的一種與無(wú)線(xiàn)和通信技術(shù)同步發(fā)展的方法是通過(guò)軟件。在測(cè)試儀器中引入軟件定義的方法，工程師利用通用的RF儀器，通過(guò)編碼和調(diào)制軟件來(lái)產(chǎn)生調(diào)制波形和測(cè)試信號(hào)。這種用于測(cè)試的軟件定義的無(wú)線(xiàn)電(SDR)方法完全是應(yīng)用推動(dòng)以及用戶(hù)定義的。它允許工程師利用在研究和設(shè)計(jì)中使用的軟件建模和仿真軟件來(lái)進(jìn)行測(cè)量和測(cè)試。

圖3 ：運(yùn)行在PXI系統(tǒng)上的通信軟件，例如NI LabVIEW，提供了用于通信測(cè)試的靈活平臺(tái)。

圖4顯示了采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW圖形代碼的典型通信系統(tǒng)的早期功能框圖。所包括的功能分別為發(fā)送端用于信源編碼、信道編碼、調(diào)制以及上變頻，以及接收器端的下變頻、解調(diào)、信道解碼和信源解碼。

圖4 ：帶控制器和外設(shè)擴(kuò)展槽的典型PXI系統(tǒng)。

PXI—針對(duì)軟件定義通信測(cè)試的理想平臺(tái)

PXI是一種用于儀器的模塊化硬件平臺(tái)，它具有很多單元用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件定義的通信測(cè)試方法。更重要的是，它是基于PC的。PXI儀器的功能是用軟件進(jìn)行定義的。因此，工程師可以使用單個(gè)PXI RF儀器，僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單地改變運(yùn)行在基于Windows的控制器上的軟件，來(lái)測(cè)試多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)。PXI控制器采用了最新的雙內(nèi)核處理器，能輕易地處理大多數(shù)的復(fù)雜通信算法。圖4顯示了帶一個(gè)控制器和儀器卡的典型PXI系統(tǒng)。

在PXI硬件上用軟件獲得像DSP或ASIC上所能實(shí)現(xiàn)的同樣好的信號(hào)處理性能的一個(gè)主要因素是，從控制器上連續(xù)產(chǎn)生(或采集)、刷新(分析)以及輸出波形的能力。PXI基于PCI和PCI Express總線(xiàn)，能提供高達(dá)6GB/s的系統(tǒng)帶寬和單臺(tái)儀器2 GB/s的帶寬。這種吞吐量加上雙內(nèi)核技術(shù)能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的信號(hào)采集和波形發(fā)生。

可重新配置的硬件平臺(tái)

通信中出現(xiàn)的另外一個(gè)新平臺(tái)是基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)邏輯以及集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。簡(jiǎn)單的基于PXI的系統(tǒng)與使用FPGA技術(shù)的系統(tǒng)之間的主要差異是信號(hào)處理的位置。在基于PXI的系統(tǒng)中，大多數(shù)的處理發(fā)生在主控制器上運(yùn)行的軟件程序上。與之相對(duì)的是，在基于FPGA的系統(tǒng)中，邏輯和處理模塊以固件的形式下載到FPGA上。這實(shí)質(zhì)上將FPGA轉(zhuǎn)換成定制的通信處理器。

美國(guó)國(guó)家儀器公司的PCI-5640R雙通道IF輸入、雙通道IF輸出板采用了Xilinx的FPGA，是這種架構(gòu)的一個(gè)很好的例子。PCI-5640R提供了PCI總線(xiàn)接口，并包括四個(gè)DMA通道，能在主CPU(PC)和Xilinx FPGA之間傳遞流。通過(guò)ADC/DAC實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻和數(shù)字下變頻，將處理任務(wù)從Xilinx FPGA上卸載下來(lái)。

圖5 ：美國(guó)國(guó)家儀器公司PCI-5640R框圖。

NI PCI-5640R非常適合于各種通信鏈路的原型建立。通過(guò)使用NI LabVIEW軟件來(lái)對(duì)板上FPGA進(jìn)行編程，工程師可以采用多種編碼和調(diào)制算法來(lái)測(cè)試已有的和新出現(xiàn)的通信標(biāo)準(zhǔn)。該模塊還是用于軟件無(wú)線(xiàn)電、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編碼和調(diào)制方法概念的理想教學(xué)工具。

現(xiàn)在，基于FPGA的儀器(可以是某種形式的PXI儀器)和PXI系統(tǒng)之間的共同特性是，兩種系統(tǒng)都是用軟件進(jìn)行定義。這意味著構(gòu)建于兩種架構(gòu)上的通信系統(tǒng)都能針對(duì)新的通信協(xié)議進(jìn)行適配。

軟件定義通信測(cè)試的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的需求以及新產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)的壓力未來(lái)肯定會(huì)增加。軟件定義的通信測(cè)試以及平臺(tái)，包括PXI、現(xiàn)成的通用儀器或者某種新的基于FPGA的架構(gòu)，形成了一種靈活方法，能夠幫助測(cè)試工程師滿(mǎn)足當(dāng)前以及未來(lái)的這些要求。