射频仪器的软件无线电化

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现代射频仪器已经从单纯的测量设备发展成为重要的系统设计工具。这种发展得益于软件无线电(SDR)引发
的各种技术。 软件无线电所具有的灵活性正在掀起无线通信行业以及射频测试仪器的变革。

 

20世纪80年代末,​​工程师们开始尝试软件无线电构想。过去,无线电需要依赖于复杂模拟电路才能发送和接收射频和微波信号以及实现对信息信号的编码和解码。软件无线电的最初构想是使用通用无线电来进行信号发送和接收,同时在软件中执行多个物理层功能(如调制和解调)。

 

Walter H.W. Tuttlebee 在其发表的文章Software Defined Radio: Origins, Drivers and InternationalPerspectives中写到:软件无线电最初的一些典型应用包括军用无线电通信项目,比如20世纪90年代初的SPEAKeasy项目。在该项目的设计中,通过在软件中开发许多调制和解调功能,无线电为各种无线接口之间提供了互操作性。

 

然而,到了90年代末,工程师们开始积极研究软件无线电技术在商业系统的应用,如蜂窝基站。其中阐述越来越多应用的软件无线电需求的一篇最有影响力的论文是Joseph Mitola III博士于1993年发表在IEEE Spectrum的Software Radios: Survey,Critical Evaluation and Future Directions。Mitola博士也由于其广泛的研究而被称为“软件无线电之父””。

 

最能够体现软件无线电方法的优势也许是现代基站。随着无线标准从GSM演变到LTE,通过硬件来增加对新标准的支持变得日益困难。此外,基站是通过复杂且不断更新换代的软件来进行信号处理和闭环控制。例如,功率放大器(PA)线性化技术,如数字预失真(DPD),对基站的性能至关重要,并且随着时间的推移不断发展。因而,软件无线电方法成为基站设计和维持长期支持性的理想选择。

 

仪器的根本变革

与此同时, 软件无线电架构正日益广泛地应用于无线行业,射频测试和测量设备正在经历一个重大的转折。21世纪初,新无线标准的问世要求仪器能够提供更加丰富的测量功能,因而也要求架构更加灵活。由于这需要大量的射频测量工程师才能实现,过去针对少数应用专门设计仪器的做法已经变得不切实际。因此,测试厂商开始探索软件定义射频测试设备的概念。

 

传统扫频调谐频谱分析仪的发展是整个行业过渡到软件定义仪器系统最典型的例子之一。在传统的频谱分析仪中,分辨率带宽滤波和功率检测等功能是基于模拟组件来实现的。然而,今天的现代射频信号分析仪通过集成通用射频下变频器(无线电)来生成数字化I / Q采样。该仪器能够使用频谱计算等多种方法来处理I / Q采样数据。因此,可能用于执行光谱测量的同一信号分析仪还可以用于解码RADAR脉冲、解调LTE信号或甚至无线记录GPS信号。

 

如今,测试厂商已经进一步完善射频仪器架构,以不断趋近于软件无线电架构。新一代射频仪器的基本架构不仅结合了通用无线电,还结合了广泛的PC和信号处理技术,如多核CPU和FPGA。今天,RF测试设备的软件无线电化为传统RF测试应用提供了显著的优势,同时也帮助工程师实现了以前无法用射频仪器实现的应用。

 

摩尔定律对射频测试的影响

仪器信号处理性能的不断提高是将PC技术集成到RF仪器的最明显优势之一。摩尔定律预测CPU的处理能力将不断提高,这意味着仪器的处理性能也会不断提高。因此,由于CPU厂商不断更新处理器技术,基于PC的仪器的测量速度也不断加快。例如,十年前需要50 ms的频谱测量现在只需5 ms即可完成。

 

除了CPU,现代射频仪器也逐渐集成了现代软件无线电的核心技术——FPGA。FPGA应用于射频仪器已经有十多年,当今一个不断发展的趋势是让仪器的FPGA实现用户可编程。用户可编程的FPGA将仪器的作用从单一功能设备扩展为无限灵活的闭环控制系统。

 

随着当今支持FPGA的仪器的出现,工程师可以将FPGA的实时控制功能与对于时间要求极其严格的测试功能相结合。例如,在需要通过数字接口实现设备控制的测试应用中,支持FPGA的仪器可以同步执行数字设备控制与射频测量。基于用户可编程的FPGA提供的新测试方法,工程师们的测试时间提高了100倍。

 

支持FPGA的工具也推动了FPGA编程的巨大创新。尽管一些工程师多年来一直使用VHDL等硬件描述语言,但FPGA编程的复杂性为该技术的广泛应用带来重重障碍。

 

软件无线电推动FPGA的应用

今天,RF仪器中类似于软件无线电的架构元素已经模糊了传统仪器和嵌入式平台之间的界限。定义仪器的特性,如用户可编程的FPGA,使得RF仪器日趋广泛地用于嵌入式应用中。

 

二十年前,将价值上百万美元的RF信号发生器和射频信号分析仪组装在一起来开发雷达系统的原型似乎令人难以想象。这种系统不仅成本高昂、规模巨大,而且复杂的编程体验也令工程师望而生畏,不愿使用无线通信设备之类的仪器。

 

然而现在,PXI等体积更小巧、功能更强大的基于PC的仪器平台成为了电子嵌入式系统的理想原型解决方案。基于PC的仪器不仅能满足嵌入式系统的尺寸和成本要求,同时也为工程师提供了一种可以重新配置RF仪器,从而实现RF仪器的广泛应用的良好软件体验。所以,工程师开始使用射频信号发生器和分析仪来设计雷达、信道仿真器、GPS记录仪和DPD硬件等嵌入式系统。

 

使用软件来充分定义和定制RF仪器行为的这一能力已经成为解决下一代测试挑战的关键。因此,未来的RF仪器架构将越来越难与软件无线电架构区分开来。

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