ay: block;">隨著現在無線電應用數量的增加—從相距數公里的兩個朋友之間的視頻交談到PDA控制的庫房環境和照明,無線標準的數量也在增加。每個行業都進入無線通信的應用領域,然而每個行業具有其自己的要求和規范,需要根據特定應用對標準和協議進行優化。這樣一來,無線和通信標準的數量迅速增加,更別說更多的專用協議了。圖1顯示了各種標準的“擁堵”現象。在這些標準完全確定之前,它們就被集成到電路和系統設計中,這遠早于測試設備供應商能提供相應的測試解決方案。另外一個證明這個問題的事實是,用戶逐漸接受并對之依賴的很多新設備實際上采用了兩個、三個或更多的標準用于數據或語音通信。例如,蘋果公司新推出的iPhone集成了藍牙、Wi-Fi和GSM/EDGE功能。工程師如何才能在短時間內滿足標準的測試需求呢？

理解通信信號處理

為確定這個問題的答案,首先考慮通信系統背后的技術。帶寬、功率、編碼復雜度、冗余度、抗損害性能以及成本都是實現特定無線應用目標所要綜合考慮的關鍵因素。例如,對于那些安裝后需要工作若干年的傳感器監測和控制來說,ZigBee非常理想。因此,ZigBee的重要設計選擇需要使功耗和成本最低,而其它如帶寬之類的參數就不太重要。而對于下一代的Wi-Fi來說則情況幾乎相反,該標準要支持高達540Mb/s的數據速率。

圖2顯示了工程師會用來優化設計選擇的典型通信系統的主要功能模塊。關于通信系統的不同構建模塊的更多信息,參閱下面關于“理解通信系統模塊”的副欄。

圖1:對數據不斷增加的需求產生了無線和通信標準的“擁擠”。

圖2:本圖展示了典型的通信系統中的主要功能模塊。

采用靈活的軟件定義信號處理來實現多種標準和新標準

對于前面介紹的通信系統的最重要功能模塊,一直以來都是采用數字信號處理器(DSP)芯片或ASIC來實現的,它們都需要數月的時間來設計、開發以及集成到一種通信解決方案中。但是,要在短的時間內實現多個標準,現在尋求的辦法是要快而簡單地實現這些標準。在通信測試中引入的一種與無線和通信技術同步發展的方法是通過軟件。在測試儀器中引入軟件定義的方法,工程師利用通用的RF儀器,通過編碼和調制軟件來產生調制波形和測試信號。這種用于測試的軟件定義的無線電(SDR)方法完全是應用推動以及用戶定義的。它允許工程師利用在研究和設計中使用的軟件建模和仿真軟件來進行測量和測試。

圖3 :運行在PXI系統上的通信軟件,例如NI LabVIEW,提供了用于通信測試的靈活平臺。

圖4顯示了采用美國國家儀器公司的LabVIEW圖形代碼的典型通信系統的早期功能框圖。所包括的功能分別為發送端用于信源編碼、信道編碼、調制以及上變頻,以及接收器端的下變頻、解調、信道解碼和信源解碼。

圖4 :帶控制器和外設擴展槽的典型PXI系統。

PXI—針對軟件定義通信測試的理想平臺

PXI是一種用于儀器的模塊化硬件平臺,它具有很多單元用于實現一個軟件定義的通信測試方法。更重要的是,它是基于PC的。PXI儀器的功能是用軟件進行定義的。因此,工程師可以使用單個PXI RF儀器,僅僅通過簡單地改變運行在基于Windows的控制器上的軟件,來測試多個通信標準。PXI控制器采用了最新的雙內核處理器,能輕易地處理大多數的復雜通信算法。圖4顯示了帶一個控制器和儀器卡的典型PXI系統。

在PXI硬件上用軟件獲得像DSP或ASIC上所能實現的同樣好的信號處理性能的一個主要因素是,從控制器上連續產生(或采集)、刷新(分析)以及輸出波形的能力。PXI基于PCI和PCI Express總線,能提供高達6GB/s的系統帶寬和單臺儀器2 GB/s的帶寬。這種吞吐量加上雙內核技術能實現長期的信號采集和波形發生。

可重新配置的硬件平臺

通信中出現的另外一個新平臺是基于現場可編程門陣列(FPGA)邏輯以及集成的模數轉換器(ADC)以及數模轉換器(DAC)。簡單的基于PXI的系統與使用FPGA技術的系統之間的主要差異是信號處理的位置。在基于PXI的系統中,大多數的處理發生在主控制器上運行的軟件程序上。與之相對的是,在基于FPGA的系統中,邏輯和處理模塊以固件的形式下載到FPGA上。這實質上將FPGA轉換成定制的通信處理器。

美國國家儀器公司的PCI-5640R雙通道IF輸入、雙通道IF輸出板采用了Xilinx的FPGA,是這種架構的一個很好的例子。PCI-5640R提供了PCI總線接口,并包括四個DMA通道,能在主CPU(PC)和Xilinx FPGA之間傳遞流。通過ADC/DAC實現數字上變頻和數字下變頻,將處理任務從Xilinx FPGA上卸載下來。

圖5 :美國國家儀器公司PCI-5640R框圖。

NI PCI-5640R非常適合于各種通信鏈路的原型建立。通過使用NI LabVIEW軟件來對板上FPGA進行編程,工程師可以采用多種編碼和調制算法來測試已有的和新出現的通信標準。該模塊還是用于軟件無線電、通信系統設計和編碼和調制方法概念的理想教學工具。

現在,基于FPGA的儀器(可以是某種形式的PXI儀器)和PXI系統之間的共同特性是,兩種系統都是用軟件進行定義。這意味著構建于兩種架構上的通信系統都能針對新的通信協議進行適配。

軟件定義通信測試的未來發展趨勢

對支持多種通信標準的設備的需求以及新產品更快地推向市場的壓力未來肯定會增加。軟件定義的通信測試以及平臺,包括PXI、現成的通用儀器或者某種新的基于FPGA的架構,形成了一種靈活方法,能夠幫助測試工程師滿足當前以及未來的這些要求。

延伸閱讀

理解通信系統模塊

在無線通信系統中存在幾種主要的信號處理模塊(見圖2),包括:

信源編碼與解碼

信源編碼實質上是數據壓縮；消息越小,傳輸時間越快,這轉換為更有效地使用寶貴的信源和頻譜。普通的信源編碼算法,包括JPEG壓縮、zip(LZ77與霍夫曼編碼算法的組合)、MP3 (MPEG-1的一部份,針對聲音和音樂壓縮),以及MPEG-2(用于視頻)。

信道編碼和解碼

與信源編碼不同,信道編碼實際上會增加數據的位數,增加信息的大小。增加的或重新編排的數據位確保原始的消息能承受包括噪聲和衰減在內的信道損害,從而能準確解碼以獲得原始的發送消息。

調制與解調

調制的嚴格定義是改變一個電磁波形或信號的一個或幾個特性(幅度、頻率以及/或相位)。使用調制來將低頻信號產生的信息發送到工作在更高頻率的信號。

上變頻與下變頻

使用上變頻器和下變頻器來將輸入頻率分別提高或降低。

作者:

Ron Harrison

射頻與通信產品經理

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美國國家儀器