ot;display: block;">談起SDR在儀器中的應(yīng)用,有必要先瀏覽一下如今通信技術(shù)的演進和標準。似乎人們剛剛熟悉雙網(wǎng)雙待,多模終端(包括GPS)已經(jīng)面市,還有GPRS,EDGE,緊接著就是HSPA,就說即將啟動的3G,就有WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000同臺競技,還有WiMAX采用的OFDM以及已被定為2010年時間框架的LTE；這還僅僅只是標準或系統(tǒng),如果要考慮到不同標準的調(diào)制技術(shù),情況變得就更復雜了。GSM用的是GMSK、CDMA所用的是QPSK,EDGE采用 8-PSK 的高階調(diào)制,HSDPA、HSUPA和16-QAM,而OFDM和LTE采用的則是64QAM,還有每個標準都由其特定的頻帶和相應(yīng)的帶寬。也就是說,眼下市面上所見的就需要支持6個不同頻帶以及各式各樣的調(diào)制技術(shù)。這給測試
測量儀器帶來的是什么樣的挑戰(zhàn),不言而喻!應(yīng)該說,SDR在測試儀器中的應(yīng)用就是在這種復雜的背景下應(yīng)運而生的!
眾所周知,SDR源自于美國軍方的應(yīng)用。基于其獨特的優(yōu)點,很多年前就開始被多數(shù)業(yè)內(nèi)專家看好,當時堪稱為無線領(lǐng)域的革命。但是,隨著時間的推移,人們發(fā)現(xiàn)SDR并沒有占據(jù)其應(yīng)有的地位。歸其原因,恐怕主要是實現(xiàn)難度太大,各行各業(yè)應(yīng)用又極為不同,僅說通信技術(shù)領(lǐng)域,就有各種不同的標準,千變?nèi)f化的架構(gòu),從而使業(yè)界無法對SDR的定義達成共識。那么,儀器廠商是如何定義其射頻或通信測試儀器中的無線電,哪種定義會被廣泛采納而成為業(yè)界SDR應(yīng)用的標尺呢？
粗略地講,在通信領(lǐng)域,SDR的概念定義有點雷同。那就是在射頻前端的輸出開始,進入SDR的范疇。首先是高帶寬、高線性度的RF前端,然后將其輸出直接送入高速ADC,再用高速DSP或FPGA在軟件中實現(xiàn)所有的信號處理(如圖1所示)。但在具體的細節(jié)方面卻有很大不同。針對SDR,國際電信聯(lián)盟曾經(jīng)做過一個粗略的概念定義,那就是:一種能夠通過軟件,和/或能夠完成同樣功能的技術(shù),對包括RF的運行參數(shù),但不限于頻率范圍、調(diào)制類型或輸出功率進行設(shè)置或修改的無線電系統(tǒng)。那么針對于電信行業(yè)的實際需求,國際電信聯(lián)盟還將SDR分為從0級到4級的5個不同級別。其中,0級為初級,4級則為理想的終極。所定義的終極SDR沒有外置天線、沒有工作頻率或帶寬的限制。它直接傳送數(shù)字基帶輸出信號,在幾毫秒的時間內(nèi)進行空中接口間的檢測和轉(zhuǎn)換。但就目前的SDR的實際實現(xiàn)來說,距離其理想目標還相去甚遠。
目前在RF測試和通信測試儀器中,不少測試儀器廠商都采用了SDR技術(shù)。有的廠商甚至一開口就聲稱自己采用了SDR技術(shù),也有廠商聲稱自己的SDR是全球最小的SDR平臺,似乎將SDR本身當成了一個噱頭和賣點。但實際上,單單談SDR恐怕是沒有實際工程意義的。關(guān)鍵要看SDR的實質(zhì)內(nèi)容,或者說具體的“定義”如何。不同的定義架構(gòu),其實施難度和產(chǎn)生的效果有天壤之別。
那么各公司的SDR是如何定義的呢？帶著這個問題,我采訪了一些公司。Keithley公司的RF通信部市場營銷總監(jiān)Mark Elo介紹道:“表面上,Keithley測試儀器的SDR定義的架構(gòu)和傳統(tǒng)的定義并沒有什么明顯區(qū)別,但差別在于定義的實質(zhì)內(nèi)容。其核心是,處理的頻率范圍可以高達6GHz,而實時分析帶寬則定義到40MHz?！薄斑@是迄今為止業(yè)界SDR最豐富的定義”,他接著說。根據(jù)這個定義不難想象,它已經(jīng)囊括了目前包括GSM、CDMA、Bluetooth、MIMO、3G以及被列為4G的WiMAX等新技術(shù)中各種不同的通信架構(gòu)?！叭欢?我們瞄準的并不止這些,我們更關(guān)注未來的通信技術(shù)的長期演進技術(shù),即LTE?？梢哉f,我們的定義能夠滿足目前所有無線通信技術(shù),而且我堅信,該定義能夠滿足未來10年的應(yīng)用需求”,他不無自信地說。Keithley公司定義的SDR所能覆蓋的技術(shù)以及各標準的帶寬分別如圖2和圖3所示。
圖1:SDR的傳統(tǒng)定義架構(gòu)。
與Keithley的定義相比,NI公司的SDR的定義則似乎更傳統(tǒng)和保守一些。 該公司的分析儀或接收機系列,即NI-PXI-566x系列,所定義的的頻率范圍為,實時帶寬為20MHz,內(nèi)存為32-64MB。而信號源或發(fā)射機系列的定義為:,實時帶寬為22MHz,內(nèi)存為32-256MB。NI公司的SDR定義的射頻架構(gòu)如圖4所示。
針對上述兩家公司的SDR定義架構(gòu)的差別,如何看待呢？NI公司的PXI聯(lián)盟營銷經(jīng)理Richard McDonell認為:SDR很難統(tǒng)一。他說:“SDR的定義是否統(tǒng)一以及定義的帶寬是多少并不十分重要,關(guān)鍵是看SDR的定義是否與儀器的應(yīng)用目標最佳匹配。”另外他還補充道:“NI公司定義的通信和射頻處理架構(gòu)已經(jīng)滿足當今通信領(lǐng)域的各種應(yīng)用?！?/p>
針對SDR的定義問題,反觀傳統(tǒng)的儀器大廠商,雖然也有不少SDR的應(yīng)用,但似乎并未將SDR真正納入重視的范疇。比如安捷倫,仍然是憑借傳統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢,側(cè)重于全面的覆蓋和門類齊全的通用儀器繼續(xù)馳騁于通信市場,而R&S則憑借各種通信標準的廣泛參與來搶先占領(lǐng)通信領(lǐng)域的測試測量市場。然而SDR卻為規(guī)模尚不太大的測試儀器提供商開辟了捷徑,藉此來擴大在射頻和通信測試領(lǐng)域里的市場份額。
圖2:無線技術(shù)的長期演進示意圖。
有些用戶表示,SDR只是作為廠商的設(shè)計手段,而用戶可能更加關(guān)注該技術(shù)能為用戶或應(yīng)用帶來什么實質(zhì)利益。針對這樣的疑慮,Mark Elo認為,SDR可以為用戶帶來很多實實在在的利益。表現(xiàn)在幾個方面:首先,通過簡單的軟件編程可以實現(xiàn)便捷的升級,而不必為每一種新體制配備一套新的測試儀器,從而節(jié)省測試測量設(shè)備投資；其次是,由于所定義的無線電具有高帶寬A/D轉(zhuǎn)換器,加入了快速DSP器件,能夠高效地處理大規(guī)模FFT,實現(xiàn)更快的頻率切換和信號分析速度,從而可以提高產(chǎn)能。另外,通過無線電的定義,使測試儀器的上市時間更快,降低了測試儀器的開發(fā)成本,這將轉(zhuǎn)化為節(jié)約用戶的測試成本。
當然,似乎更多的客戶對Keithley的SDR定義給予了一定的厚望。其中,來自康佳集團的一位資深射頻研發(fā)經(jīng)理認為,Keithley公司通信測試解決方案的SDR定義具有相當?shù)那罢靶?。如此寬的FFT實時處理帶寬,應(yīng)該具有很寬的覆蓋面。另外,該解決方案具有GPIB、LAN、USB等齊全的接口,再加上配備了自動測試軟件,實際上使得該測試儀器成為一套比較易用的ATE。
圖3:常用無線技術(shù)的帶寬分布。'
但是,SDR的定義都受什么限制？會不會有更寬帶寬和更高頻率的定義呢？分析SDR的架構(gòu)后會不難發(fā)現(xiàn),SDR有幾個關(guān)鍵。首先就是ADC和DAC的限制。為了減少前端變頻損耗,要求ADC和DAC有足夠的工作帶寬或足夠高的轉(zhuǎn)換速度,或者說足夠高的采樣率。也許,根據(jù)常規(guī)理論采樣率來說,目前有許多ADC/DAC都能勝任Keithley所定義的無線電工作。但實際上并非如此。因為必須考慮要實現(xiàn)較好的測試效果,測試儀器應(yīng)比被測單元水平高一個數(shù)量級。故對于40MHz的帶寬來說,通常要求ADC/DAC的帶寬達到幾百兆。故目前的ADC/DAC常常難以滿足,而不得不采取一些折衷,即適度犧牲信噪比來提高采樣速率。但是通常犧牲信噪比的代價也是比較大的。從而不難看出,目前40MHz的帶寬定義已經(jīng)是近乎極限了。
圖4:NI公司SDR定義的射頻處理架構(gòu)。
其次,處理架構(gòu)也是限制無線電發(fā)展的一個重要因素。通常的處理采用的都是FPGA+MCU的解決方案。其中,FPGA負責處理變換后的數(shù)字中頻的底層數(shù)字比特流,而由MCU負責處理功能分析,比特流分析,顯示和其他各種處理,當然還有各種控制功能。但當帶寬增加到40MHz時,微處理器已經(jīng)無法承擔如此重的負荷了。Mark Elo介紹說,為了解決這一困難,Keithley對無線電處理架構(gòu)實施了徹底變革?！拔覀冊贔PGA和MCU之間加入了一層專用的DSP。FPGA的功能沒有變化,多增加的DSP負責處理所有的分析功能和比特流分析。而使得MCU可以解放出來專門處理控制、顯示和其他處理,”他說,“這一全新的處理架構(gòu),在Keithley的矢量信號發(fā)生器(2910)和帶有頻譜分析功能的矢量信號分析儀(2810)中得到了完美體現(xiàn)。通過這樣的變革,使得Keithley的無線電提升了一個層次。”
另一方面,從頻譜資源來分析,考慮到無線頻譜資源的稀缺性,近期不太可能給出帶寬更寬的頻譜,況且根據(jù)剛剛在日內(nèi)瓦結(jié)束的國際4G頻譜規(guī)劃會議和先前中國的4G頻譜規(guī)劃計劃,未來的4G技術(shù)對頻譜的規(guī)劃都已經(jīng)顯山露水了。根據(jù)這些規(guī)劃,上述SDR定義都有可能涵蓋4G的應(yīng)用。所以,綜合以上各個方面,看來近期內(nèi),Keithley公司的SDR定義應(yīng)該有可能成為業(yè)界在未來幾年里的參考標尺。關(guān)于這一點,Mark Elo非常自信。
王健
