《電子技術(shù)應(yīng)用》
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軟件無線電產(chǎn)品的軟件無線電檢測方法

2009-04-15
作者:邵暉

概? 覽:軟件無線電技術(shù)因為其靈活性被廣泛用于無線通信產(chǎn)品和射頻檢測儀器,。本文介紹了軟件無線電在射頻檢測儀器和射頻檢測方法上的應(yīng)用。如果按照軟件無線電原理,,將無線產(chǎn)品看作射頻前端+基帶電路+輔助電路的模塊構(gòu)架,,就可以用射頻參數(shù)檢測替代昂貴的通信功能檢測,從而提高生產(chǎn)者的市場競爭力,。

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引言

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??? 軟件定義的無線電技術(shù)是20世紀90年代初由美國人Joe Mitola首先提出的[1],。他提出軟件定義的無線電(簡稱軟件無線電)就是由軟件進行信道調(diào)制解調(diào)的無線電。這樣的數(shù)字通信系統(tǒng)的少數(shù)射頻參數(shù)由硬件射頻前端決定,,實際的通信協(xié)議主要由軟件定義,。也就是說系統(tǒng)可以根據(jù)實際信道條件和用戶需求選擇適當(dāng)?shù)木幋a和調(diào)制方式,實現(xiàn)自適應(yīng)通信的能力,。這個軟件定義無線電的理論為軍事通信帶來了接近無限的靈活性,,所以醍醐灌頂?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計師們一開始就得到了高強度的研發(fā)資金投入。隨著20世紀末高性能中頻器件逐步商品化,,主要是高速AD,、DA和中頻處理器件的商品化,無線通信終端產(chǎn)品設(shè)計者和測試測量儀器設(shè)計者逐步沐浴到了軟件無線電的甘霖,。由此催生成熟了軟件定義的射頻儀器和軟件定義的無線通信產(chǎn)品,。

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軟件無線電在手機和測量儀器中的應(yīng)用

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??? 在無線通信領(lǐng)域,手機和他們的檢測設(shè)備不約而同地采用了軟件定義無線電的技術(shù),。圖1和圖2分別是典型的檢測系統(tǒng)和手機的原理框圖,。軟件無線電給測試測量儀器和被測量的無線通信設(shè)備都帶來了靈活性,。對儀器而言,通過調(diào)用不同的軟件就可以檢測不同通信協(xié)議的被測件,。對通信設(shè)備而言,,通過下載不同的軟件就可以用不同的通信協(xié)議通信。其中軟件可以有不同的承載平臺,。軟件可以安裝在計算機硬盤或者閃盤上,,可以下載到DSP或者FPGA上。對于手機,,大多以后者形式運行,。對于儀器,大多采用微軟-英特計算機平臺,。

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圖 1軟件無線電檢測典型系統(tǒng)原理框圖

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圖 2手機電子典型結(jié)構(gòu)原理框圖

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??? 在儀器方面,,又分為封閉結(jié)構(gòu)和開放結(jié)構(gòu)兩種流派。封閉結(jié)構(gòu)儀器提供一定數(shù)量協(xié)議的完整的無線測試測量功能,。用戶通過調(diào)用程控指令,,如GPIB指令,就可以完成對被測件的各項測試,。儀器內(nèi)部構(gòu)架對使用者不公開,。協(xié)議擴展或測試功能擴展完全依賴儀器供應(yīng)商。這個流派以安捷倫(Agilent)和羅德施瓦茨(Rhode and Schwarz)為代表,,儀器有著名的8960和CMU200,。這類使傳統(tǒng)的儀器,在儀器供應(yīng)商內(nèi)部,,它們是軟件定義的,,對使用者,它們是預(yù)定義的,。開放結(jié)構(gòu)儀器建立在公開的標(biāo)準總線結(jié)構(gòu)上,,各個儀器模塊(也稱模塊化儀器)由公開的計算機函數(shù)控制。儀器供應(yīng)商,、第三方軟件開發(fā)商或者用戶自己開發(fā)的軟件通過調(diào)用這些函數(shù)組合配合數(shù)字信號處理和測試測量算法軟件,,實現(xiàn)對被測件的各項測試。協(xié)議和測試功能的擴展可以由任何具備能力的人開發(fā),。這個流派以美國國家儀器(National Instruments)為代表,,PXI儀器平臺就是它倡導(dǎo)的。

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??? 目前,,開放式結(jié)構(gòu)的總線基本只有PXI和VXI可選,。由于這兩種總線不能夠支持許多無線通信協(xié)議要求的納秒級精度的應(yīng)答同步,又因為開發(fā)信令協(xié)議棧的技術(shù)難度,在開放式系統(tǒng)上只見到WiFi,、藍牙,、RFID等少數(shù)協(xié)議的信令測試系統(tǒng),至今沒有看到GSM,、CDMA等常見協(xié)議的模擬通話測試系統(tǒng)。對這點,,可以通過增強儀器中頻實時處理能力來提供條件,,也可以索性取消信令測試來解決問題。前者源自測試測量供應(yīng)商,,后者源自生產(chǎn)廠,。而今年來行業(yè)發(fā)展的趨勢,導(dǎo)致信令測試的減少或者取消成為生產(chǎn)測試的基本要求,。

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從通話測試到參數(shù)測試

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模擬通話的功能測試

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??? 首先回顧一下傳統(tǒng)的手機無線檢測,。傳統(tǒng)上我們使用一臺具有基站信令協(xié)議棧的射頻檢測儀器。這臺儀器和被測設(shè)備通過無線協(xié)議的空中接口建立模擬通話,,在模擬通話的同時檢測手機的性能,。通常我們稱這種儀器為綜測儀。這里的空中接口是通信協(xié)議中基站無線收發(fā)機和終端(如手機)無線收發(fā)機之間的一個界面,,實際使用的時候是通過空氣,,但檢測的時候也可以通過電纜聯(lián)接。這種使用綜測儀模擬通話的檢測方法利用標(biāo)準規(guī)定的協(xié)議指令,,使得射頻檢測和產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計無關(guān),,可以適應(yīng)特定協(xié)議下任何廠商設(shè)計和制造的移動終端。模擬通話的檢測方法壟斷了無線測試行業(yè),,直到最近幾年,,無線終端產(chǎn)品生產(chǎn)廠的利潤越來越難以支持這種測試方法帶來的生產(chǎn)成本。

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??? 測試測量儀器對生產(chǎn)成本的壓力來自儀器折舊分攤到每一臺被測件的成本,。其中儀器費用包括為了適應(yīng)不同被測件協(xié)議必須的儀器升級費用,。假設(shè)各種儀器都有接近的壽命,生產(chǎn)成本就可以分解為三個主要因素,,儀器價格,、測試速度和升級費用。價格低,、速度快,、升級費用低,生產(chǎn)成本就低,。

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??? 20世紀末,,生產(chǎn)成本的控制是通過儀器降價和測試流程并行化實現(xiàn)的。由于手機生產(chǎn)量飛速上升,數(shù)萬美元的儀器不再是一臺兩臺地購買,,而是幾十上百地采購,。所以綜測儀的設(shè)計和制造成本得以降低,導(dǎo)致實際售價顯著降低,。另一方面,,射頻檢測流程也由一臺儀器對一臺被測件升級為一臺儀器對2-4臺被測件,使得被測件啟動和非射頻檢測時間不占用綜測儀時間,。所以測試時間也得到減少,。

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??? 然而,最近3-5年無線通信協(xié)議飛速發(fā)展,。第三代(3G)通信已成現(xiàn)實,,第三代(4G)通信呼之欲出。同時單臺終端集成多個協(xié)議也成為發(fā)展趨勢,。一臺手機不僅僅要支持GSM,、EDGE、CDMA還要支持WiFi和藍牙,。支持第三代通信協(xié)議的手機還要兼容GSM和EDGE,。與此同時綜測儀的升級似乎到頭了,WiFi,、藍牙,、WiMax等無線通信的檢測需要另外購買無線檢測儀器。一瞬間無線生產(chǎn)設(shè)備在3-5年間需要多少投資成為了未知數(shù),。大規(guī)模的生產(chǎn)使不能建立在未知數(shù)上的,,所以各個無線生產(chǎn)廠開始尋找鎖定生產(chǎn)成本的良策。

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3 綜測儀檢測手機原理框圖

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射頻參數(shù)測試

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??? 控制無線產(chǎn)品生產(chǎn)檢測成本的方法就是用射頻參數(shù)測試替代信令通話測試,。從邏輯上講,,就是把射頻檢測和數(shù)字電路檢測分離。對于軟件無線電產(chǎn)品,,既然調(diào)制解調(diào)都是軟件完成的,,射頻檢測應(yīng)該只須要檢測產(chǎn)品射頻前端的參數(shù)就可以了,和協(xié)議信令沒有關(guān)系,。而數(shù)字電路可以由軟件校驗和數(shù)字端口讀寫實現(xiàn),。技術(shù)上射頻參數(shù)測試可以分為2類,射頻校準參數(shù)測試和射頻性能參數(shù)測試,。其中前者測量被測件的發(fā)射功率控制參數(shù),、接收靈敏度控制參數(shù)、頻響均衡參數(shù)等等和無線終端收發(fā)控制相關(guān)的參數(shù),。后者測量被測件的發(fā)射頻譜曲線,、邊帶響應(yīng),、交調(diào)失真、雜散頻譜輻射,、頻率準確度等等和射頻前端質(zhì)量相關(guān)的參數(shù),。實際上,射頻校準參數(shù)測試已經(jīng)在生產(chǎn)廠存在很多年了,,然而直到近幾年來性能參數(shù)測試可以替代通話測試才逐步成為業(yè)界共識,。

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??? 從測試方法來說,這是由功能檢測向性能參數(shù)檢測的過渡,,也是由黑箱測試向白箱測試的過渡,。從技術(shù)上講,是由設(shè)計結(jié)構(gòu)封閉向設(shè)計結(jié)構(gòu)部分開放的過渡,。從手機測試原理框圖來看,參數(shù)測試用數(shù)字通訊端口控制被測件,,命令被測件進入特定的測試模式,,從而被測件可以發(fā)射測試信號,或者接收測試信號并將收到的信號或信號參數(shù)通過通訊端口發(fā)回測試儀器,。圖 4是射頻參數(shù)測試的原理框圖,,可以對比圖 3,我們用數(shù)字端口控制手機(或其他無線通信設(shè)備)替代了空中接口控制,。其中數(shù)字端口往往是低電壓邏輯的串行通訊接口,。參考表 2,無線終端的設(shè)計者必須向測試系統(tǒng)研發(fā)工程師公開部分數(shù)字控制指令,,并且將一部分終端研發(fā)過程中的測試代碼整合為終端測試模式軟件,,使得生產(chǎn)檢測時可以下載到被測件上運行。

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??? 無線終端設(shè)計者對測試指令的開放使得射頻參數(shù)測試成為可能,,而軟件定義的射頻儀器突出的性能又對參數(shù)測試起到了推波助瀾的效果,。這些以PXI總線為代表平臺的模塊化儀器,有時也被稱作虛擬儀器或者合成儀器,。模塊化的PXI射頻儀器共享132M字節(jié)/秒的本地總線,,同時具備較強的觸發(fā)同步功能,所以某些項目的測試可以成倍加速,。過去校準手機是論幾十秒還是一二百秒,,現(xiàn)在采用新的校準信號模式,校準一個GSM通道的時間可以做到1秒以內(nèi),。

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4 手機射頻參數(shù)檢測原理框圖

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軟件無線電的無線測試系統(tǒng)示例

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??? 軟件無線電構(gòu)架的測試系統(tǒng)早在2003年就已應(yīng)用于我國SCDMA手機的生產(chǎn)檢測,,參見圖 5。典型的基于PXI的射頻檢測儀器配置見圖 6,。經(jīng)過多年發(fā)展,,目前在NI PXI平臺上,上海聚星已經(jīng)實現(xiàn)了GSM、EDGE,、CDMA,、WCDMA、TD-SCDMA,、WiFi,、BP機、GPS等多種射頻協(xié)議的檢測,。部分示例程序界面如圖 7和圖 8,。NI公司計劃2008年推出基于PXI和PXIe的新一代軟件無線電模塊化儀器,這些模塊將在PXI和PXIe總線平臺上提供更大的射頻頻率范圍,、更寬的實時帶寬和更強的實時信號處理能力,,相信它們是值得大家期待的通信檢測產(chǎn)品。

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5 基于PXI軟件無線電平臺的SCDMA生產(chǎn)檢測儀

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6 典型NI基于軟件無線電構(gòu)架的射頻檢測系統(tǒng)原理框圖

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7 聚星儀器無線測試工具包WiFi數(shù)據(jù)組幀界面

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8 聚星儀器無線測試工具包WiFi 54Mbps 64QAM OFDM解調(diào)示例界面

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結(jié)論

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??? 軟件無線電的理論由來已久,,基于軟件無線電構(gòu)架的無線終端和檢測儀器也已經(jīng)成為市場主流,。然而由于技術(shù)保密等原因,大多數(shù)生產(chǎn)檢測,,尤其是OEM生產(chǎn)廠的檢測,,依然沿用傳統(tǒng)的模擬實際通信信令的功能檢測。所幸在市場條件下,,基于軟件無線電構(gòu)架劃分界面的參數(shù)檢測依然孕育成型,。越來越多的儀器供應(yīng)商向用戶開放儀器基帶數(shù)據(jù),越來越多的第三方射頻測試測量軟件在市場上出現(xiàn),。這個無線終端測試從黑箱到灰箱測試的過渡,,除了給生產(chǎn)廠帶來經(jīng)濟利益之外,勢必也提升了無線生產(chǎn)的技術(shù)含量,。開放結(jié)構(gòu)的軟件無線電模塊化儀器在此間起到了關(guān)鍵作用,。

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