采用软件无线电架构加速无线设备开发和测试

随着现在无线电应用数量的增加—从相距数公里的两个朋友之间的视频交谈到PDA控制的库房环境和照明，无线标准的数量也在增加。每个行业都进入无线通信的应用领域，然而每个行业具有其自己的要求和规范，需要根据特定应用对标准和协议进行优化。这样一来，无线和通信标准的数量迅速增加，更别说更多的专用协议了。图1显示了各种标准的“拥堵”现象。在这些标准完全确定之前，它们就被集成到电路和系统设计中，这远早于测试设备供应商能提供相应的测试解决方案。另外一个证明这个问题的事实是，用户逐渐接受并对之依赖的很多新设备实际上采用了两个、三个或更多的标准用于数据或语音通信。例如，苹果公司新推出的iPhone集成了蓝牙、Wi-Fi和GSM/EDGE功能。工程师如何才能在短时间内满足标准的测试需求呢？

理解通信信号处理

为确定这个问题的答案，首先考虑通信系统背后的技术。带宽、功率、编码复杂度、冗余度、抗损害性能以及成本都是实现特定无线应用目标所要综合考虑的关键因素。例如，对于那些安装后需要工作若干年的传感器监测和控制来说，ZigBee非常理想。因此，ZigBee的重要设计选择需要使功耗和成本最低，而其它如带宽之类的参数就不太重要。而对于下一代的Wi-Fi来说则情况几乎相反，该标准要支持高达540Mb/s的数据速率。

图2显示了工程师会用来优化设计选择的典型通信系统的主要功能模块。关于通信系统的不同构建模块的更多信息，参阅下面关于“理解通信系统模块”的副栏。

图1：对数据不断增加的需求产生了无线和通信标准的“拥挤”。

图2：本图展示了典型的通信系统中的主要功能模块。

采用灵活的软件定义信号处理来实现多种标准和新标准

对于前面介绍的通信系统的最重要功能模块，一直以来都是采用数字信号处理器(DSP)芯片或ASIC来实现的，它们都需要数月的时间来设计、开发以及集成到一种通信解决方案中。但是，要在短的时间内实现多个标准，现在寻求的办法是要快而简单地实现这些标准。在通信测试中引入的一种与无线和通信技术同步发展的方法是通过软件。在测试仪器中引入软件定义的方法，工程师利用通用的RF仪器，通过编码和调制软件来产生调制波形和测试信号。这种用于测试的软件定义的无线电(SDR)方法完全是应用推动以及用户定义的。它允许工程师利用在研究和设计中使用的软件建模和仿真软件来进行测量和测试。

图3 ：运行在PXI系统上的通信软件，例如NI LabVIEW，提供了用于通信测试的灵活平台。

图4显示了采用美国国家仪器公司的LabVIEW图形代码的典型通信系统的早期功能框图。所包括的功能分别为发送端用于信源编码、信道编码、调制以及上变频，以及接收器端的下变频、解调、信道解码和信源解码。

图4 ：带控制器和外设扩展槽的典型PXI系统。

PXI—针对软件定义通信测试的理想平台

PXI是一种用于仪器的模块化硬件平台，它具有很多单元用于实现一个软件定义的通信测试方法。更重要的是，它是基于PC的。PXI仪器的功能是用软件进行定义的。因此，工程师可以使用单个PXI RF仪器，仅仅通过简单地改变运行在基于Windows的控制器上的软件，来测试多个通信标准。PXI控制器采用了最新的双内核处理器，能轻易地处理大多数的复杂通信算法。图4显示了带一个控制器和仪器卡的典型PXI系统。

在PXI硬件上用软件获得像DSP或ASIC上所能实现的同样好的信号处理性能的一个主要因素是，从控制器上连续产生(或采集)、刷新(分析)以及输出波形的能力。PXI基于PCI和PCI Express总线，能提供高达6GB/s的系统带宽和单台仪器2 GB/s的带宽。这种吞吐量加上双内核技术能实现长期的信号采集和波形发生。

可重新配置的硬件平台

通信中出现的另外一个新平台是基于现场可编程门阵列(FPGA)逻辑以及集成的模数转换器(ADC)以及数模转换器(DAC)。简单的基于PXI的系统与使用FPGA技术的系统之间的主要差异是信号处理的位置。在基于PXI的系统中，大多数的处理发生在主控制器上运行的软件程序上。与之相对的是，在基于FPGA的系统中，逻辑和处理模块以固件的形式下载到FPGA上。这实质上将FPGA转换成定制的通信处理器。

美国国家仪器公司的PCI-5640R双通道IF输入、双通道IF输出板采用了Xilinx的FPGA，是这种架构的一个很好的例子。PCI-5640R提供了PCI总线接口，并包括四个DMA通道，能在主CPU(PC)和Xilinx FPGA之间传递流。通过ADC/DAC实现数字上变频和数字下变频，将处理任务从Xilinx FPGA上卸载下来。

图5 ：美国国家仪器公司PCI-5640R框图。

NI PCI-5640R非常适合于各种通信链路的原型建立。通过使用NI LabVIEW软件来对板上FPGA进行编程，工程师可以采用多种编码和调制算法来测试已有的和新出现的通信标准。该模块还是用于软件无线电、通信系统设计和编码和调制方法概念的理想教学工具。

现在，基于FPGA的仪器(可以是某种形式的PXI仪器)和PXI系统之间的共同特性是，两种系统都是用软件进行定义。这意味着构建于两种架构上的通信系统都能针对新的通信协议进行适配。

软件定义通信测试的未来发展趋势

对支持多种通信标准的设备的需求以及新产品更快地推向市场的压力未来肯定会增加。软件定义的通信测试以及平台，包括PXI、现成的通用仪器或者某种新的基于FPGA的架构，形成了一种灵活方法，能够帮助测试工程师满足当前以及未来的这些要求。

延伸阅读

理解通信系统模块

在无线通信系统中存在几种主要的信号处理模块(见图2)，包括：

信源编码与解码

信源编码实质上是数据压缩；消息越小，传输时间越快，这转换为更有效地使用宝贵的信源和频谱。普通的信源编码算法，包括JPEG压缩、zip(LZ77与霍夫曼编码算法的组合)、MP3 (MPEG-1的一部份，针对声音和音乐压缩)，以及MPEG-2(用于视频)。

信道编码和解码

与信源编码不同，信道编码实际上会增加数据的位数，增加信息的大小。增加的或重新编排的数据位确保原始的消息能承受包括噪声和衰减在内的信道损害，从而能准确解码以获得原始的发送消息。

调制与解调

调制的严格定义是改变一个电磁波形或信号的一个或几个特性(幅度、频率以及/或相位)。使用调制来将低频信号产生的信息发送到工作在更高频率的信号。

上变频与下变频

使用上变频器和下变频器来将输入频率分别提高或降低。

作者:

Ron Harrison

射频与通信产品经理

E-Mail: ron.harrison@ni.com

美国国家仪器