软件定义无线电(SDR)技术推动测试仪器的发展[图] - 全文

测试设备制造商始终面临的挑战是如何开发出能够满足用户最新产品测试需求的新型测试方案，他们通常采用设计专用硬件的方法来应对这一挑战。对于通信市场来说，由于新的通信标准发展迅速，常常需要新的信号源和测量功能，因而带来更大的挑战。为跟上标准的发展速度，测试仪器供应商必须找到能够缩短仪器开发时间的新方法，以使测试仪器能够满足新的测量需求。软件定义无线电(SDR)就是一种有用的技术。

SDR是一种利用软件来调制和解调无线电信号的无线通信系统。良好的经济性是SDR获得广泛使用的驱动力。相比传统的模拟设计，这类系统能够以更低的成本获得很高的灵活性。图1给出了一个SDR系统的实例。

图1：一个软件定义无线电系统示例图。

从严格意义上讲，数模(D/A)和模数(A/D)转换将会出现在载波频率上，且无需模拟上变频和模拟下变频。而目前的SDR应用通常至少包含一级模拟上变频和模拟下变频。显然，A/D和D/A转换器是SDR系统的重要组成元件。转换器的速度和分辨率将决定系统所需的模拟频率转换次数。转换器需要足够大的分辨率(比特)以充分生成或捕获调制数据，而更复杂的调制格式将要求转换器具有更高的分辨率。转换器的速度将对可生成或可采样的最大信号频率造成限制。转换器技术正不断发展，已可以同时实现较高的分辨率和频率。

数字信号处理是SDR系统的另一个关键因素，因为它可以实现多种原本由模拟电路实现的功能，包括频率转换、调制、解调和滤波。数字信号处理还支持诸如波形预失真和抽取等功能，因而可提供比模拟设计更好的性能。传输波形的预失真功能考虑到了模拟电路的非线性特征，并调节基带信号波形以对其进行补偿，从而能够产生更高质量的调制信号。

实现数字信号处理有三种最基本的方法。第一种方法是利用普通计算资源(例如PC机)以软件方式实现所有的信号处理;第二种是定义一个用来实现信号处理功能的逻辑电路，并用现场可编程门阵列(FPGA)来实现这个逻辑电路;第三种方法是利用专为实现数字信号处理所需功能而设计的可编程硬件，包括数字信号处理器(DSP)和数字上变频(DUC)以及数字下变频(DDC)器件等。

上述三种方法都能满足SDR的主要设计目标，即实现一个高度灵活的系统。然而，为达到SDR的成本控制目标，必须考虑系统的开发成本和单位成本。不同实现方案的成本各有不同，这在很大程度上取决于系统的实时带宽需求。带宽越大，所需的处理能力就越强，相应成本就越高。但是，对于中等性能需求而言，采用FPGA可能是成本最高的解决方案，而DSP系统则是最廉价的选择。

频率生成是所有通信系统的一个关键要素。直接数字合成(DDS)是一种利用D/A转换器生成具有极精确频率的正弦波的技术。该技术能以较低的成本实现快速频率切换。半导体工艺的进步也促进了DDS技术的快速发展。现在的DDS器件能够产生频率高达几百兆赫兹、频率分辨率达微赫兹的正弦波。

SDR技术越来越受到一些要求兼具经济和灵活性的应用的青睐，例如军用通信系统和多功能蜂窝基站。这类应用往往具有下列共同特征：

1. 要求中等到高度的灵活性;

2. 小到中等应用规模;

3. 中等到高度的复杂性。

测试仪器与采用SDR技术的其它应用具有很多共同的特点。测试仪器通常都非常复杂，因为以适当的余量测量尖端系统需要很高的性能。相比手机或基站等大批量应用的设备，测试仪器的数量介于小到中等之间。对于测试仪器而言，灵活性始终是一个重要特征，尤其是在通信领域。通信测试仪器的关键技术要求包括高调制解调带宽、大动态量程和高数据吞吐率。

近年来，数字通信系统(尤其是在调制格式领域)发展迅速。新标准的出现意味着诸如信号源之类的测试仪器必须能够产生新的调制波形，且信号分析仪必须能够解调和分析这些新波形。不同标准的关键性能参数往往不同，因此需要采用新的分析例程。

这些挑战要求测试仪器能够快速升级，并能够方便地增加新的调制标准。无论是从节约成本的角度，还是从缩短上市时间的角度来看，可升级性能显然都非常重要。通信系统与设备厂商无力承担等待开发下一代测试设备的时间损失。此外，通信标准还会在开发过程中频繁变化，这也需要修改信号产生与分析例程。

上述要求使得SDR技术成为测试仪器的理想选择。原来针对普通SDR应用的成本与性能折衷策略同样可用于测试仪器。第一代SDR测试仪器采用了软件处理或基于FPGA的方法。数字信号处理器件(例如DSP和DDC/DUC)的发展也提供了实现测试仪器所需的处理性能。这种方法为平衡测试仪器的成本和性能提供了最佳选择。

采用SDR技术的测试仪器为设备制造商及其用户带来了许多好处：首先是易于升级到新的通信标准。测试仪器的信号产生与分析功能主要是由写入数字信号处理器的例程来实现。当出现新标准时，可以很容易地编写新功能的DSP程序并通过固件升级的方式将其发布给现有仪器的用户。

其次是由于频率切换和信号分析速度更快而提高了吞吐量。高带宽A/D转换器和快速DSP器件能够十分高效地处理大型FFT。例如，在频距(span)较宽和分辨率带宽较低的条件下，基于DSP的分析仪可提供比传统频谱分析仪快几个数量级的测量速度。直接数字合成技术的频率切换速度比传统方案要快得多，快速的频率切换将可以提高信号发生器和信号分析仪的吞吐量。

最后一点优势是，测试仪器的上市时间更快。测试设备制造商可利用尖端的商用信号处理器件实现仪器级的性能，这极大地降低了开发测试仪器的工作量。此外，基本的数字设计可以在各种仪器之间复用，从而进一步降低了开发成本。例如，图2给出了吉时利公司2810矢量信号分析仪和2910矢量信号发生器中采用的数字架构。这两种仪器都采用了相同的数字处理设计。

图2：2810矢量信号分析仪和2910矢量信号发生器的数字架构。

通信标准很可能会不断发展。同时，通信系统和器件制造商所面临的测试成本压力将迫使测试设备厂商提供更具成本效益的仪器。SDR技术与高端信号处理器件的结合为测试设备制造商提供了可满足上述需求的强大工具。