软件定义无线电结构的测试仪器与RF测量的新热点

摘要： 本文论述软件定义无线电和基于软件定义无线电的RF测量仪器，对矢量信号发生器和矢量信号分析仪的电路结构作了详细介绍，基于软件定义无线电的仪器将成为RF测量的新热点。

关键词： 软件定义无线电；RF测量；矢量信号发生器；矢量信号分析器

软件定义无线电和虚拟仪器

在通信领域探索软件定义无线电(SDR)的基础上，美军从1992年开始起动SPEAKeasy计划，加上民用移动通信亦不失时机采用这种新技术，SDR已经成为通信领域的重要支柱。在测量仪器领域由于20世纪60年代中期有了GPIB通用仪器总线，为了编写测量应用程序，惠普(HP)公司和国家仪器(NI)公司分别开发成功VEE和LabVIEW图形编程工具。20世纪80年代插卡仪器和模块仪器取得进展，这些仪器都没有实物面板，虚拟面板应运而生。随着VXI模块仪器总线的诞生，测量仪器出现两个开放式总线标准，即以台式仪器为基础的IEEE488标准(GPIB)和以模块仪器为基础的IEEE1515标准(VXI)。为了发挥插卡仪器和模块仪器的潜在能力，在发展虚拟面板、即插即用驱动器、图形编程、视窗操作系统取得成果的经验上，NI公司在20世纪90年代初提出一套虚拟仪器的概念。

过去，测量仪器主要以硬件定义的台式仪器为主体和软件为辅，新型的基于通用硬件平台的软件定义的虚拟仪器，首先在比较简单的数据采集系统取得成功，后来在工业控制、自动化测试领域同样发挥作用。为了扩大虚拟仪器的影响，曾出现“软件就是仪器”的口号。显然，口号着重强调软件的作用，实际上不够全面，因为没有硬件的软件好比无本之木，只有硬件与软件紧密结合才能发挥虚拟仪器的巨大效能。1997年NI借助虚拟仪器的成功经验开发PXI模块仪器总线标准，并且生产从直流至RF的模块仪器。虚拟仪器的市场重点是通用的测量仪器模块和系统，它改变了测量仪器只有由供应商定义的硬件为主的台式仪器，使用户具有更大选择性的软件定义的模块仪器。

从发展轨迹来看，软件定义无线电和虚拟仪器都是在1990年前后信息、网络、移动通信、家用电子大发展过程中，充分发挥软件潜力所取得的成果。此时，互联网已显露头角，Sun公司在推广网络服务器时打出“软件就是网络”的口号。后来，随着软件的作用和贡献获得共识，这些强调软件的口号就很少旧事重提。然而，测量业界一直没有停滞不前，不断开拓硬件软件相结合的新途径。2000年后软件定义无线电原理在测量仪器上获得应用，开发成功基于软件定义无线电的仪器。代表性产品是吉时利(Keithley)公司在2006年推出的2910矢量信号发生器和2810矢量信号分析器，它们都是采用软件定义无线电结构的无线发射/接收测量仪器。

基于软件定义无线电的RF测量仪器

在讨论软件定义无线电仪器前，简单回顾一下SDR的定义和电路结构。SDR的定义是：采用软件或数字电路实现通信系统的无线信号的调制和解调。电路结构可归纳为图1所示的由发射机和接收机组成的SDR无线系统。从图中可见，整个系统只有三种基本部件，即RF前端、AD/DA转换器和基带处理器。RF前端包括天线、低噪声放大、功率放大，或者上、下变频器等RF模拟电路。AD/DA转换器执行模/数和数/模转换，是最关键的部件，在基带频率范围内要有足够的分辨率和取样率。基带处理器实现数字信号处理，包括调制、解调、滤波、变换等数字运算。

图1　软件定义无线电系统的结构

SDR与传统的无线收发系统相比，使用大量数字电路和信号处理替代超外差变频、中频放大、本振、滤波、检波放大等模拟电路，具有电路简化、功耗减小、灵活机动、快速变换、成本降低等优点。SDR收发系统在国防航天、移动通信、卫星接收等领域广泛应用。

基于SDR结构的RF测量仪器首先要满足军用通信、移动通信、卫星接收等设备的研发和生产的测量，具有高度灵活性，中等至高度复杂性，能够适应多品种小批量生产的需求，亦即一种测量仪器可满足多种应用。例如移动通信手机不断更新换代，新的通信标准陆续登场，载波频率提高，调制方式复杂化，应用内容日新月异。其次，测量时间最小化，以最短时间完成RF产品的特性测量，及时投放市场。典型RF产品的测量时间有四部分，包括测量仪器的设置、被测产品的响应、数据采集和数据处理。除被测产品响应时间之外，测量仪器起着主动作用，缩短总测量时间，降低测量成本，及时投放市场，贯穿新产品从设计至生产的全过程。基于SDR构的RF测量仪器比传统测量仪器能够提供更好的全面性能。

Keithley公司的SDR结构的RF测量仪器，矢量信号发生器VSG2910和矢量信号分析仪VSG2810的数字底板，如图2所示。

图2　软件定义无线电结构的RF测量仪器

基于软件定义无线电的测量仪器电路结构

基于SDR结构的RF测量仪器的核心部件是数字信号处理，首先它替代了传统RF测量仪器的好几种模拟部件的功能，包括RF变频、中频放大、同相/正交(I/Q)检波、带通滤波、调制和解调。其次是完成数字运算、数字变换、数据存储等功能。SDR结构的测量仪器有三种数字信号处理方式可供使用，它们是通用处理器、可编程信号处理硬件和专用硬件。

*通用处理器方式：采用市售的Intel奔腾系列微处理器，与DRAM存储器以及ADC和DAC组成最基本的硬件结构，由微处理器执行全部软件。由于硬件简单，软件编程的工作量相对增加，成本亦相应增加，因为编程费用超过硬件售价，设计人员需要在硬件和软件之间作全面权衡。这种方式好处是测量仪器很容易重新配置、升级方便、易于扩展。

*专用硬件方式：根据测量仪器的特性制成专用集成电路(ASIC)或采用可程控芯片，如现场可编程门阵列(FPGA)。如果产品数量较大，则使用ASIC的成本最低。特别是近年的系统级封装(SiP)技术，几种不同功能的芯片可在同一个封装内互连构成系统。显然，ASIC制成后就不能修改和升级了。使用FPGA要比ASIC灵活得多，不过RF应用的FPGA成本是相当高的。

*可编程信号处理硬件方式：用具有特定功能的硬件芯片来完成数字信号处理，包括DSP处理器而不是通用微处理器，数字上、下变频器(DUC、DDC)设计成十进制和近实时的数字插值，ADC、DAC芯片完成模/数和数/模转换。在整体结构上还增加FPGA作为数字路由器，将外部、内部数据快速连接，而不是完成复杂的运算。这种方式的硬件能力有很大提高，软件编程的难度减小，较好地解决硬件软件的分配和成本效益问题。图2的SDR　RF数字仪器结构体现了这种方式的灵活性，它是Keithley公司的2910　RF矢量信号发生器和2810　RF矢量信号分析仪的核心。作为信号发生器时，RF前端没有信号输入，ADC断开，在软件定义下DDC/DUC构成的直接数字合成器信号，经双路DAC转换成I/Q　RF矢量信号；作为信号分析仪时，RF输入信号经前端信号调理和ADC转换后，在软件定义下由双路DAC解调获得基带的I/Q信号输出。

图2的SDR结构同时适用于信号发生和信号分析，例如，配置成为2910　RF矢量信号发生器时的电路结构如图3所示。发生器的载频由数字上变频器(DUC)产生，DUC内部的直接数字合成器(DDS)能够快速程控变换正弦波的频率，在分辨率为mHz时输出400MHz，再由DUC变换至2.5GHz的最高载波频率，频率变换在1ms内完成。调制信号由数字任意波形发生器(AWG)提供，具有100MHz的调制带宽。数字调制的载频由高速的双路数/模转换器(DAC)输出至功率放大器。整个模块由数字信号处理器(DSP)作主控机，现场可编程门阵列(FPGA)发挥快速开关的信号切换功能，提供比模拟开关快得多的切换时间。

图3　RF矢量信号发生器的电路框图

首先从RF信号发生方面来看，频率和幅度切换占RF系统总测量时间的主要部分，2910矢量信号发生器的额定时间是1.6ms，使用固态衰减器的输出幅度切换时间低至250ms。数字调制方式是数字通信测量的关键特性，2910矢量信号发生器中的任意波形发生器可存储200种不同的调制格式，切换不同调制格式的时间小于3ms。还有2810矢量信号分析仪的主要测量时间同样快速，宽带扫描和窄分辨率带宽是最苛刻的测量条件之一。例如交互调制测试和相邻通通功率比测试需要在低噪声和宽带下测量。由快速傅里叶变换(FFT)执行多样点运算。扫频范围1MHz和分辨率带宽100Hz和10Hz时，测量时间分别是40ms和4s，使用传统的频谱分析仪时，测量时间将要增加一、二个数量级。

作为矢量信号分析仪，总测量时间由三部分组成，即信号采集和处理、调谐被测设备至指定频率、完成多种频谱测试。2810矢量信号分析仪内置的高速DSP具有足够的数据处理能力，在信号采集时间100ms，对1MHz的测量带宽信号，可在200ms内完成一次测量。DDS的合成频率对被测装置进行新频率的调谐和设定可在小于1ms实现。多种频谱测试的内容最为复杂，有两类不同的测量，一类测量不需要精确定时，例如邻近通道功率测试，此时没有增加总的测量时间；另一类测量需要精确的触发定时，例如GSM等移动通信标准的频谱分量测试。以GSM频谱分量测试为例，它的每帧有8个时隙，每个时隙577ms。2810矢量信号分析仪的每次测量时间200ms，每次调谐时间1ms，因此GSM每帧可用2个时隙调谐接收机，用6个时隙对6台移动手机作并行测量，具有很高的测量效率，这是传统的模拟频谱分析仪无法达到的。可见2910/2810的结合在频率范围、电气特性、测量时间上具有优势，能够以高的性能价格比完成复杂的RF数字无线通信、移动通信、无线终端、RF芯片等的测量。

关键器件和开发工具

SDR结构测量仪器所用的器件，如DSP、ADC、DAC、FPGA、上、下变频器等主要芯片，实际上与SDR产品所用的相同，完全可从市场上购得，无需采用专用芯片。

*DSP芯片供应商有德州仪器(TI)和飞思卡尔等公司的多种系列产品，时钟频率500~1000MHz。
*ADC、DAC芯片供应商有模拟器件(ADI)、美信集成(Maxim)、TI、国家半导体(NS)等供应商的多种系列产品，ADC在取样率10GS/下分辨率10位，DAC在取样率500MS/S下分辨率20位。
*FPGA芯片主要供应商是赛灵思(Xilinx)，它的Virtex系列的可编程门数达到500万门以上，还有Altera公司的Stratix系列。
*上、下变频器芯片供应商有ADI、飞思卡尔、NS等供应商，频率上限超过2GHz。
SDR结构测量仪器的最方便的开发手段是硬件软件相结合的开发平台，TI公司的紧凑软件无线电开发平台(SFFSDR)可提供全面的解决方案，它的硬件信号链包括从天线至基带，软件包括完整的开发工具。设计者使用这套开发工具，容易获得单协议或多协议的无线波形和测试程序，以及仿真和验证工具。设计的原型机完全符合JTAG规范和软件通信结构(SCA)协议。其他特点还有：
*TI、Xilinx和第三方合作开发的平台，主要合作公司都是JTAG计划的供应商。
*采用高集成度的片上系统DSP芯片和高性能FPGA芯片，支持电路板级的SDR开发。
*数字模块结构可对不同的CPU、DSP、FPGA，不同的基带、IF、RF选择最适用的模块。
*开发平台有三种不同的配置，即入门的评估级、专业的开发级和专用的JTAG级。
*开发级平台的硬件有数字处理、数据变换、RF模块，软件工具有TI代码编写器、Xilinx集成软件环境、Green Hills实时操作系统，还有板级支持开发工具。
*专用级平台是在开发级平台上增加JTAG模拟器和JTAG软件通信结和SCA组成，目标是军用SDR产品的开发。

RF测量的新热点

近年美国国防部及北约集团制订联合战术无线系统(JTRS)计划，投入10亿美元经费开发软件定义无线电。计划目标是用SDR替换传统的硬件定义无线电，覆盖频率范围2MHz至2GHz以上，通过无线网络使无线电设备作软件升级和加密。硬件采用灵活、可重配置、可互操作的模块组成，软件使用开放源码的软件通信结构(SCA)SDR将广泛应用到各种手持、单兵、车载和载平台无线通信设备。在美国国防部的推动下，欧洲和日本的国防部门亦开展类似JTRS的软件定义无线电计划。

在国防军事应用取得成果的基础上，SDR亦进入军转民阶段，首先在移动通信手机采用SDR结构，以适应多种通信标准和快速更新换代的市场需求。其次由于RF频谱日益拥挤，各种更加智能的频谱使用方法成为紧迫问题，跳频、扩频、超宽带、WiFi等无线通信都引用了SDR概念。由此带来SDR系统的测量需求，早期的SDR设备的开发是使用传统的RF信号发生器和频谱分析仪，显然它们不适用作为产品线的测量。2000年后推出RF的数字化任意波形发生器和实时频谱分析仪，例如泰克公司的AWG5000系列任意波形发生器和RSA6000A系列实时频谱分析仪为SDR设备的测量带来方便，而采用SDR结构的矢量信号发生器和矢量信号分析仪的推出，将使SDR设备的测量环境更为完善。

由于移动通信发展势头兴旺，数以十亿计的手机在联网使用，2006年生产和销售的手机数量达8.5亿部。手机的功能和用途越来越多，新标准不断推出，大厂商每一、两月即有新型号上市，而且价格下降，普及率越来越高，降低测量成本是当急之务。从原理上，基于SDR结构的测量仪器用来测试SDR收发设备是最有效的方法，因为它们结构相同，兼容程度高，能够具备比传统RF测量仪器更快速变换测量参数，更短测量时间的优点，带来更好的经济效益。

近年SDR结构通信测量仪器的成功推出，由于它的成本降低和效益增加，成为RF测量仪器的新热点，受到仪器供应商和用户的欢迎。可以期待，SDR结构测量仪器将扩大应用领域，不仅限于通信的RF频段，其它频段的台式测量仪器将有SDR结构的升级换代产品，促进测量仪器市场更加繁荣。加上美国国防部高级研究计划处(DARPA)制订和部署新一代测试计划(NxTest)，以合成仪器(SI)为基础使各军种兵种的测量系统标准化。合成仪器的核心就是软件定义的模块化测量系统，与软件定义无线电结构的测量系统相似，在合成仪器尚未部署前，SDR结构的测量仪器将承担更多的RF无线设备的测量任务，成为RF测量的新热点。