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采用SDR设备的无线实验室帮助下一代无线工程师

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这项努力的一部分在南佛罗里达大学已经正在实现，在那里已经成立当前技术水平的无线通讯实验室以便学生了解基本的理论、软件仿真、硬件测试和建模、系统和组件的测试，以及软件和硬件的交互与联合仿真。该实验室已经建立，可以在各个层次用于支持无线课程，并可以作为用于本科生和研究生的研究资源。

图1给出了通用无线/微波课程以及所建议的实验室状况。该实验室在无线系统、无线网络、无线通讯电路/器件，以及数字信号处理课程之间建立起一个桥梁。该实验室课程是南佛罗里达大学(USF)电气工程系某些研究开发活动的成果。近几年已开发出各种实验装置，如用于正交频分复用(OFDM)、无线局域网(WLAN)以及超宽带(UWB)测量等，并得到了业界合作伙伴的支持，其中包括了霍尼韦尔、Conexant、安捷伦、Logus宽带解决方案公司、Anritsu公司以及定制生产和工程公司(Custom Manufacturing and Engineering)等。

实验装置集成了矢量信号发生器(VSG)、矢量信号分析仪(VSA)以及具有电脑辅助工程(CAE)工具的RF硬件，例如来自安捷伦公司的先进设计系统(ADS)套件工具和来自Math Works公司的Matlab软件。灵活的测试装置可以产生广泛的波形，不同激励条件下射频和基带电路的测量和建模，无线电信道影响和射频损伤的建模，以及收发器结构和基带算法的优化。

将这些用于研究的实验装置的模型集成到USF教育课程中，以此帮助学生在无线通讯领域进行提高。该模型被用于向学生揭示现实世界的无线通讯问题，并为他们做好准备参与竞争激烈的就业市场。它亦使学生将理论知识与实际动手实验结合在一起。

图2表示了该实验室将各种组件和设备结合一起。计算机软件和仿真、测试设备以及硬件这三个关键要素如图中不同行所示。最顶层的行显示了仿真能力，用来帮助学生获得理论知识是如何与真实世界关联的直观感觉。这些能力让学生建模和实现真实世界的无线通信系统，并帮助他们学习不同参数是如何影响系统性能的。

第二行表示了用于连接仿真和硬件的测试设备。设备包括VSG、VSA和频谱分析仪。最新的频谱分析仪，如安捷伦PSA系列(E4440A型)设备可以利用积分宽带数字化仪提供同相(I)和正交(Q)信号采样，该频谱分析仪还可以用来作为信号分析仪，在现代无线通信系统中研究宽带调制信号。

该VSG作为一种“波形回放系统”的形式。它可以产生定制波形以及用于通信测试的标准基带波形。可以通过VSG的内存建立和存储这些波形，或通过软件(如Matlab)在外部计算机产生这些波形，并下载到VSG的内存中来生成信号。鉴于从软件产生信号的VSG能力，可以将在第一行测量实验室的建模工具无缝集成在一起。例如，可以采用Matlab(或安捷伦公司的Signal Studio软件或ADS仿真器)来开发基带信号，然后下载至VSG中来创建物理信号。通用波形产生仪器也可以创建具有噪声及其他缺欠的信号，在存在噪声、干扰和其他信号缺陷的条件下评价接收器解调预期信号的能力。同样，在不同的通讯信道条件下，可以产生具有衰减和干扰的信号来检查接收器的性能。图3表示了简化的VSG模块图。

VSG产生的基带、中频(IF)或RF信号通过用于测试的设备(DUT)来研究不同通信器件的行为，如RF上变频器、滤波器、放大器和天线等。这种测试信号也可通过实时无线电信道来仿真无线信道。信号还可以通过多径信道仿真器；仿真器提供了可调多径信道模型。

该VSG的宽频带范围和宽调制带宽允许其涵盖用于无线通信的主要频带并产生用于高数据速率无线通信的波形。测试信号源的重要参数包括了幅度精度、水平(幅度)可重复性、相位噪声、宽带噪声、输出功率和频率精度。

由DUT经天线或通过电缆直接连接，可以收到来自VSG的测试信号连同来自另一个信号发生器的干扰源。也可产生干扰模型作为基带信号的一部分用于VSG建模。接收到的信号通过接收器硬件并由VSA进行数字化，它可以解调广泛的标准信号格式。VSA还可以捕获任意数字I/Q采样并采用测试实验室中第一行所示的软件组件对其进行处理。利用基带接收器算法、Matlab、ADS或其他仿真软件工具可以对接收到的数据进行处理。这种在VSA和仿真工具之间的交互，为研究和分析当前以及新兴的以研究和教学为目的的无线系统提供了一个良好的机制。

图4给出了一个VSA的简化示意图。设备的输入信号可以是RF、IF或基带信号。一般来说，对信号分析仪进行评估的参数包括分析或解调带宽，它是该仪器可以分析的最高瞬时带宽；动态范围；I/Q存储器，它决定了可以储存多少信号采样，而且关键是宽带系统的测量；剩余误差向量幅度(EVM)和测量速度(用于增加测试通量) 。

在模型的基础上提出了通信测量实验室，可以用一个学期按部就班的对收发器组件进行研究。试验平台的建立让学生们来研究不同层次收发器电路的发送和接收信号。学生们还可以改变噪音、干扰以及其他受损的信号源，来了解其对器件、子系统以及整个系统性能的影响。

除了这些实验，学生或学生社团还可以指定项目，这有助于他们利用实验平台发现新的思想。实验包括了功率放大器非线性的建模和测试；实现信道探测测量来了解多径和衰减的影响；对I/Q缺陷进行建模(如I/Q不平衡和I/Q失调)，并研究这些缺陷对系统性能的影响；采用各种数字调制/解调格式来考查性能的折衷，例如功率与频谱效率；实现频谱、瞬态和空间信号测量，以此了解无线通讯信号的多维特性；了解用于无线通信测试的不同类型表示格式的测量(例如眼图和星座图、频谱罩以及ACPR测量)；研究不同类型的滤波器及其对系统级性能的影响；并简单地理解重要测量仪器的基本操作以及与这些设备有关的SDR并认识无线电的概念。

例如，将由学生在USF无线通信测量实验室来进行实验，所进行的测试将有助于学生们更好地理解功率放大器的非线性以及这种非线性行为是如何影响无线系统性能的。功率放大器非线性的理论细节在文献中比比皆是。具体而言，这项实验是基于利用通过Matlab开发的宽带正交频分-复用(OFDM)波形。这一波形生成代码有几个输入变量，如滤波器的类型、调制以及快速傅立叶变换(FFT)的大小，这可以由学生进行调整。对这项实验，基带软件连同VSG将被用于生成发送信号，该信号将通过DUT(功率放大器)。

在实验中，学生们通过同轴电缆将功率放大器的输出端口连接到VSA的输入。VSA利用其可调谐射频前端对放大器的输出信号进行下变频，并将该信号数字化后提供给I/Q采样。向学生们提供定制的基带数字信号处理(DSP)算法来处理I/Q信号，并以各种不同格式来显示结果。学生们还可以利用安捷伦VSA软件来分析捕获的信号。

学生将有机会改变所发送的波形参数(包括输入功率)，并了解不同输入条件下放大器的行为如何。他们将能在屏幕上看到时域信号及相应的功率谱密度，并评估信号等频谱的增长。此外，学生们将能够检查所发送信号的峰值与均值功率比(峰值因数)和其他一些所传送和接收信号的统计资料，如互补累积分布函数(CCDF) 。

图5表示了学生们在实验结束时有望产生的图形之一，这可以让他们观察到由于功率放大器的非线性所得到的频谱再生。随着输入功率的增加，削峰增加，从而导致更多的频谱再生。图6显示了作为这一实验一部分的，学生们应产生的另一幅图，以此表示该放大器的饱和：超过了一定水平后，幅度增益如何随输入功率的增加而减少。在系统级，学生们可以研究放大器非线性对系统的误码率(BER)性能影响的星座图。图7表示了描述功率放大器非线性对系统级影响的星座图。