SDR是如何顛覆射頻測試儀器的？

2017-08-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

現代射頻儀器已經從單純的測量設備發展成為重要的系統設計工具。這種發展得益于軟件無線電(SDR)引發的各種技術。軟件無線電所具有的靈活性正在掀起無線通信行業以及射頻測試儀器的變革。

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

WalterH.W.Tuttlebee在其發表的文章SoftwareDefined Radio:Origins,DriversandInternational Perspectives中寫到:軟件無線電最初的一些典型應用包括軍用無線電通信項目,比如20世紀90年代初的SPEAKeasy項目。在該項目的設計中,通過在軟件中開發許多調制和解調功能,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在商業系統的應用,如蜂窩基站。其中闡述越來越多應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””。

最能夠體現軟件無線電方法的優勢也許是現代基站。隨著無線標準從GSM演變到LTE,通過硬件來增加對新標準的支持變得日益困難。此外,基站是通過復雜且不斷更新換代的軟件來進行信號處理和閉環控制。例如,功率放大器(PA)線性化技術,如數字預失真(DPD),對基站的性能至關重要,并且隨著時間的推移不斷發展。因而,軟件無線電方法成為基站設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,軟件無線電架構正日益廣泛地應用于無線行業,射頻測試和測量設備正在經歷一個重大的轉折。21世紀初,新無線標準的問世要求儀器能夠提供更加豐富的測量功能,因而也要求架構更加靈活。由于這需要大量的射頻測量工程師才能實現,過去針對少數應用專門設計儀器的做法已經變得不切實際。因此,測試廠商開始探索軟件定義射頻測試設備的概念。

傳統掃頻調諧頻譜分析儀的發展是整個行業過渡到軟件定義儀器系統最典型的例子之一。在傳統的頻譜分析儀中,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的。然而,今天的現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采樣數據。因此,可能用于執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LTE信號或甚至無線記錄GPS信號。

如今,測試廠商已經進一步完善射頻儀器架構,以不斷趨近于軟件無線電架構。新一代射頻儀器的基本架構不僅結合了通用無線電,還結合了廣泛的PC和信號處理技術,如多核CPU和FPGA。今天,RF測試設備的軟件無線電化為傳統RF測試應用提供了顯著的優勢,同時也幫助工程師實現了以前無法用射頻儀器實現的應用。

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技術集成到RF儀器的最明顯優勢之一。摩爾定律預測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,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的頻譜測量現在只需5 ms即可完成。

除了CPU,現代射頻儀器也逐漸集成了現代軟件無線電的核心技術——FPGA。FPGA應用于射頻儀器已經有十多年,當今一個不斷發展的趨勢是讓儀器的FPGA實現用戶可編程。用戶可編程的FPGA將儀器的作用從單一功能設備擴展為無限靈活的閉環控制系統。

隨著當今支持FPGA的儀器的出現,工程師可以將FPGA的實時控制功能與對于時間要求極其嚴格的測試功能相結合。例如,在需要通過數字接口實現設備控制的測試應用中,支持FPGA的儀器可以同步執行數字設備控制與射頻測量。基于用戶可編程的FPGA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編程的復雜性為該技術的廣泛應用帶來重重障礙。

軟件無線電推動FPGA的應用

今天,RF儀器中類似于軟件無線電的架構元素已經模糊了傳統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用中。

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

然而現在,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的理想原型解決方案。基于PC的儀器不僅能滿足嵌入式系統的尺寸和成本要求,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RF儀器的廣泛應用的良好軟件體驗。所以,工程師開始使用射頻信號發生器和分析儀來設計雷達、信道仿真器、GPS記錄儀和DPD硬件等嵌入式系統。

使用軟件來充分定義和定制RF儀器行為的這一能力已經成為解決下一代測試挑戰的關鍵。因此,未來的RF儀器架構將越來越難與軟件無線電架構區分開來。

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