新一代基于软件无线电结构的RF仪器应用

概述
        美国Keithley公司采用前沿数字与射频技术实现了灵活的软件无线电结构(SDR)架构，该架构具有高性能、低成本特性。

SDR架构

        SDR定义为使用软件进行无线信号调制解调的无线通信系统，它允许宽范围、多种信号的应用与接收。其发射波形通过软件转化为数字信号，经数模转换与上变频后，传输至RF前端后放大；其接收波形经过放大和下变频至IF后，利用软件对其进行数字化和解调（如图1所示）。相对于传统设计，SDR具有更高的灵活性与更低的成本。

                  
SDR信号处理需求
       SDR的基本原理是以软件控制的数字电路替代模拟电路。在SDR架构中，传统意义上应由模拟电路实现的下述功能转为数字硬件执行，包括：频率发生与转换、调制与解调、滤波、I/Q检测。此外，SDR还包含能改进无线电性能的独特的数字功能项，包括：能扩展无线电的动态量程与波形校准，从而改善调制精度的内插法与抽取法，通过消除已知的模拟失真特性，使调制信号接近理想信号的波形预校正等。

       用于实现上述功能的装置，包括：信号发生装置，DAC、ADC及DDS；信号调制装置，DSP、DDC/DUC、FPGA、ASIC及通用处理器（如pentiums或 powerPC）。

       比较使用通用目的的硬件与全软件信号调整，由系统开发与性价比看，软件开发的效果远好于使用通用目的硬件。在通信工业的巨大推动下，高性能的处理器件支持更多的通信标准，从而使SDR架构具有更高的性价比。

SDR架构的价值与意义

成本权衡

      当目标客户需要支持众多的不同通信标准，则通过使用相同元件实现多功能的SDR架构具有更高的性价比；而对于只使用一个标准的应用，传统设计则更具优势。

灵活性

      就灵活性而言，SDR的优势显而易见。具体表现在两个方面：其一，单一硬件能被设计用于适合不同的通信标准，如多标准蜂窝基站、军事通讯。其二，SDR允许新功能的直接升级，如GSM到GPRS、IS95 到cdma2000基站。

上市时间

      因为SDR系统建立了信号调整能力的装置，因此加速了上市时间。

      Model 2810/2910新一代RF仪器

      Model 2810矢量信号分析仪（如图2左所示）与Model 2910矢量信号发生器（如图2右所示）是Keithley公司生产的基于SDR架构的新一代RF仪器，它们采用了相同的控制与软件前面板。

                       
       
       Model 2810/2910数字电路结构

       Model 2810矢量信号分析仪与Model 2910矢量信号发生器采用图3所示的数字电路结构。设计中繁重的信号调整由DDC、DUC与DSP完成，DSP选用具有最佳性价比的500MHz器件，DDC、DUC是16位160MHz四通道器件，每通道可通过软件编程进行上下转换。动态存储器选用快速、大容量器件。输入到ADC的中频信号频率为100MHz到200MHz，由DSP完成I/Q调制。DAC在信号发生器的RF前端有两个I/Q调制输出，在设计中，FPGA主要用于发送信号并提供部分实时信号如触发信号，而主处理器则用于实现用户接口。

                         
      Model 2810/2910软件结构

      Model 2810/2910软件结构包括三个基本层：用户接口层、无线电应用与硬件管理层。用户 接口层：由主CPU运行，主要负责用户与前面板或接口的交互；无线电应用与硬件管理层由DSP编码完成，DSP具有专署的内部编程环境。在软件中，通过编码实现两个层的分割，编码的分割有利于提高处理效率。

GSM应用实例

      图5给出了GSM应用实例，GSM信号产生和测量具体步骤如下：主CPU接受命令发起、产生GSM信号，命令源自GUI或远控接口命令。描述波形的数据包含在小的文本文件中，文件的内容通过用户接口产生或通过远程接口下载，一旦描述产生它将存储为一个文件，这个文件信息包含了活动的时隙和每个时隙的数据。

      而后数据文件传送到DSP，DSP根据无线电应用层获取波形描述数据，产生I/Q波形数据，并备份波形到DRAM中，同时DSP为波形数据设置数据路径：数据将从DRAM传输到DUC再至DAC。在此过程中，FPGA负责控制每个时间的发送。此时DUC上变频到50MHz，而后DAC上变频到400MHz。这些数据在射频前端被信号滤波器整形，最后GSM输出到射频前端。

      DSP接收部分：首先，主CPU在前面板或远控接口接收一个GSM测量命令，而后CPU发送测量命令至DSP，DSP设置数据路径，采集测量数据并实现下变频。此时，数据从ADC传输到DDC再至DRAM。最后由DSP完成GSM测量，包括相位误差及频谱等。其中所有测量均采用同一组数据完成，从而减少了测量时间。

      通过GSM应用实例，不难发现使用SDR架构的两个关键优势在于：首先，它允许设计人员改变性价比去满足客户需求，即在较低的价格下保证性能水平或在同样的价格下实现性能提升。其次，可极大改善测量时间，包括：装置设置与响应时间、仪器设置时间、信号采集时间及数据处理时间。在理想情况下，客户的测量时间将只受DUT而非测量仪器的限制。

                           
                     
      SDR架构具有高性能、低成本特性。随着工业的进步，基于该架构的前沿数字设备将不断的发展，而Keithley灵活的架构将给新的应用领域带来更高的经济效益。