案例研究：用于通信测试的软件定义无线电架构

一、RF与通信行业的发展趋势

蓝牙、WiMAX、cdma2000、ZigBee、GSM、EDGE和RFID——这些无线与通信产品继续以史无前例的速率增长，如图1所示。同时，随着像Microsoft、Vodafone和Google等公司的努力，通过V CAST观看足球锦标赛和从Google Earth获取本地信息正在变得越来越普通。无线通信在许多国家已超过陆地通信并且当前的数据带宽难以满足无线通讯的需求，因此有效满足这种需求成为移动通信面临的巨大挑战。

图1 对数据持续增长的需求造成了一个无线与通信标准的“原木阻塞”。

除了要求具备多点无线标准外，通讯业界还被持续存在的压力所驱使，不得不力争以最快的速度将新产品推向市场。这使得其研究和设计的发展已经超过了测试的发展。因此制造商在相关标准还未完成前就发布了ZigBee与802.11n导致来自独立仪器制造商的预定义标准测试系统不复存在。这都归因于先发布一个无线标准、然后在先驱用户(lead users)中构建设备原型、最后再针对大规模商用需求开发测试装置这一传统周期太耗费时间了。

需要兼容多个标准设备和必须在竞争对手之前发布新产品的压力，是许多工程师使用超过一个无线与通信标准的两个主要原因。事实上，从NI公司“仪器研究”调查中所收集的数据表明，在设计和测试具有无线通信功能设备的工程师中，几乎三分之二的人在使用不只一个标准，其百分比分布如下：
• 37%使用1个标准
• 30%使用2到3个标准
• 33%使用4个甚至更多的标准

从传统做法看，您需要为每一个待测的通信标准准备一个独立仪器。每个仪器有厂商定义的功能来对应某个特定的标准。这些特定的标准通信测量算法，以固件的形式运行在每个仪器的嵌入式处理器上，这意味着这些算法不是用户可访问或可定制的。而为每个待测标准购买一个新的独立仪器成本太高。这就促使工程师寻求灵活的、独立于系统的解决方案。

二、灵活的、软件定义的通信测试

要紧跟无线通信发展步伐的方法之一是利用软件。您可以采用一种软件定义的方式构造仪器，通过使用编码和调制软件，生成并测量来自于模块化的、通用的RF仪器的信号。这种由软件定义无线电（SDR）来进行测试的方法，完全是驱动应用和用户定义的。您可以利用它作为测试测量的研究和设计的建模仿真软件。美国国防部（DoD）已经在支持这种SDR策略了。

“对于军事来说，SDR是一种变革性的技术，它支持开发一个真正互操作的无线电族，使得在任何时候任何操作场所都能与盟军进行通信。”——Steven MacLaird上校，联合系统项目主管、JTRS联合项目的项目经理（SDR论坛，2003年八月）。

一个典型的通信系统

通过逐步了解一个典型的通信系统的简化功能模块框图，您可以看到如何将通信软件与模块化的通用RF仪器相结合来创建一个支持多个标准的测试系统。图3展示了一个典型通信系统的主要功能模块。您可以在发送端使用这些用于信源编码、信道编码、调制和上变频的模块，在接收端完成这个过程的逆过程。一个真实世界的通信链路包含一个传输所需的物理通道如空气（无线）、光纤和铜缆等。

信源编码与解码

信源编码的主要功能是以尽可能少的比特表示您的信息，以减少资源占用。信源编码类似于数据压缩，信息越小，传输速度越快，这意味着要更有效地使用宝贵的资源和频谱。通过信源编码，您可以用同样的带宽发送更多的信息。一些较常用的信源编码算法包括jpeg压缩、zip（LZ77和哈夫曼编码算法的一种组合）、MP3（部分MPEG-1用于声波和音乐压缩）和MPEG-2（用于DVD）。

信道编码与解码

与信源编码不同，信道编码会在数据中添加比特，从而增加了信息的容量。添加比特或重用比特以确保了原始信息能够更好地抵抗任何信道的损害，包括噪声和衰减，以便解码后能得到正确的原始信息。许多信道编码算法在实现了正确编码和数据传输平衡的同时还实现了信息量的最小化

调制与解调

调制是改变电磁波或信号一个或多个属性（幅度、频率和/或相位）的过程。您可以使用调制将低频信息以较高频率发送。或许你会问为何要以高频而不是以低频发送信号。以无线的方式传送一个基带音频信号（在20 Hz ~ 20 kHz范围内）需要天线、电源和诸多电子设备，由于波长与频率成反比，低频信号需要较大的设备和较高的发射功率，这样是不现实的。因此，如果以较高的频率传送同样的信号，对应波长将会变短，设备尺寸可以缩小发射功率也可以降低。这突出了调制的普遍性和重要性。通过调制，您可以将您的基带信号附加在更高频信号上。包含您需要传输的信息或消息的低频信号便是调制信号。高频信号则称为载波信号，因为它“负载”了基带信息。所得到的合成信号便称为调制的载波信号。

当您需要几个信号共享同一个信道，或者希望在不增加信号带宽的情况下传输更多的信号时，您也可以使用调制。由于更多的信号可以负载到同等的空间，您就可以得到更高带宽利用率。您可以根据应用和所需要传输的信息量选择特定的调制模式。除了标准调制模式外，通过软件方式实现调制与解调，可以开发出自定制模式，这十分适合于要求具备定制模式的特定应用（或）军事应用。

上变频与下变频

您可以使用一个上变频器与下变频器，分别将输入频率向上或向下变换。上变频和下变频的主要部件是一个称为混频器的设备。混频器将不同频率的两个信号“相加减”，以生成一个和信号和一个差信号。

图4描述了一个早期的典型通信系统的功能模块框图，这里使用了NI公司的LabVIEW图形化代码。发送端的函数用于信源编码、信道编码、调制和上变频等，接收端的函数则用于下变频、解调、信道解码和信源解码等。该软件特别适用于PXI系统，因为该系统提供了在通信信号的生成/上变频和下变频/采集等阶段都需要的模块化通用RF仪器。

三、PXI——一个理想的软件定义通信测试平台

PXI平台非常适合于软件定义的通信测试的原因有很多。最重要的是PXI平台是基于PC机的。PXI仪器的功能是通过软件定义的，因此，单个PXI RF仪器可以测试多个通信标准，所需的工作仅仅是改变运行于系统控制器的软件。PXI控制器采用最新的双核处理器可以方便地处理最复杂的通信算法。

随着通信标准的数据传输量持续增长，将通信测试平台构建于一个高数据传输量的总线之上非常重要。PXI基于PCI和快速PCI总线，提供高达6 GB/s的系统带宽和高达2 GB/s的单个仪器带宽。凭借这样的数据吞吐量，您可以使用PXI仪器长时间记录通信信号以供离线分析，回放已记录信号或仿真信号。

例如，通过升级控制器到更高性能的处理器，您可以提高一个PXI系统中的所有仪器性能，。这种升级并不适用于独立的仪器，因为独立仪器中的嵌入式处理器并不是用户可访问或可升级的。而且，由于PXI是一个多厂商支持的平台，一个系统的模块化组件可以来自于多个厂商，不会受限于单个厂商。再者所有的PXI产品都必须符合PXI的软硬件规范，从而保证了不同厂商产品间的互操作性。

大多数的系统在进行通信测试时，也要测试设备的其它功能，包括如数字万用表（DMM）、可编程的电源供应和开关等的仪器。PXI平台是通用的，并为大多数应用和测量提供所需仪器。现有超过1000个PXI模块可供选用，它们都来自于PXI系统联盟（PXISA）的68个成员。

四、总结：软件定义的通信系统提供了一个面向未来的平台

使用软件定义的通信测试系统的趋势将继续增长。相关组织已经接受并开始推动这样的发展走向由于它有助于结合标准的发展开发相应的测试系统。软件定义的测试为当前通信系统提供了解决方案，更重要的是，它为即将涌现的和未来的通信系统提供了一种测试模式和平台。

参考文献

[1] R. Harrison，一个适用于当前和未来通信系统的软件定义的平台，仪器简报，2006年，第一季。
[2] J. Kovacs，LabVIEW与PXI增强了通信设计与测试，仪器简报，2006年，第二季。
[3] Colonel S. MacLaird，软件定义的无线电亲近了大规模的军事使用，SDR论坛，2003年八月。

NI相关产品
软件：
• NI TestStand测试管理框架
• LabVIEW图形化编程环境
• Signal Express交互式测量软件
硬件：
• 模块化仪器（示波器、万用表、RF、开关和其它）
• 多功能数据采集
• PXI系统组件（机箱和控制器）
• 仪器控制（GPIB、USB和LAN）