通過軟件無線電的架構(gòu)加速無線技術(shù)的開發(fā)與測(cè)試

如今的無線通信領(lǐng)域可謂是“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”，層出不窮的無線通信標(biāo)準(zhǔn)令人眼花繚亂；同時(shí)，現(xiàn)代的電子產(chǎn)品往往又集成了多種不同的無線標(biāo)準(zhǔn)。這些都給射頻設(shè)計(jì)和測(cè)試的工程師帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，如何應(yīng)對(duì)無線標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的快速更新成為大家所共同關(guān)注的話題。

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本文的目的不是為了深入探討不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣，而是意在指出在市場(chǎng)上多種標(biāo)準(zhǔn)共存的情況下，工程師們?nèi)绾瓮ㄟ^一個(gè)統(tǒng)一的軟件無線電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，從而跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。?

日益發(fā)展的無線技術(shù)

從遠(yuǎn)程視頻會(huì)議，無線胎壓監(jiān)測(cè)到基于ZigBee或GSM方式的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，當(dāng)今無線技術(shù)的應(yīng)用正不斷滲透至各行各業(yè)，甚至成為了一種不可或 缺的功能。有的標(biāo)準(zhǔn)在還沒有相應(yīng)廠商提供測(cè)試解決方案之前就被集成到了電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中；還有很多的新興產(chǎn)品在一個(gè)設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩種、三種甚至多種 的標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)據(jù)和語音的通訊，就像蘋果公司最新推出的iPhone手機(jī)，它同時(shí)集成了藍(lán)牙、Wi-Fi和GSM/EDGE的功能，在方便了用戶的同時(shí)，也 給無線技術(shù)的開發(fā)和測(cè)試帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

同時(shí)，各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷涌入也同樣使人感到束手無策，每個(gè)公司和組織都在根據(jù)自己特定應(yīng)用的需求來制定和優(yōu)化不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，這就使得大 量的新標(biāo)準(zhǔn)如雨后春筍般出現(xiàn)，而每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的生命周期卻被大大的縮短。如果通過時(shí)間軸來顯示各種標(biāo)準(zhǔn)，許多標(biāo)準(zhǔn)的演化過程會(huì)變得十分清晰，而新標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)也 正以前所未有的速度進(jìn)行著。如下圖所示，在2000年之前，并存的標(biāo)準(zhǔn)只有四五種，并且生命力較長(zhǎng)，到今天，這種情況已被層出不窮的各種標(biāo)準(zhǔn)所顛覆。

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以下還列出了一些正在研發(fā)階段的新興的無線標(biāo)準(zhǔn)：

OFDM（正交頻分復(fù)用）——這一技術(shù)正逐漸得以普及而且正在許多新標(biāo)準(zhǔn)中得以實(shí)現(xiàn)。

4G 蜂窩技術(shù)

認(rèn)知無線電——作為802.22標(biāo)準(zhǔn)的一部分，這一技術(shù)可搜尋空頻譜，以便在出現(xiàn)沖突或者通信流時(shí)使用。然后通信流就被轉(zhuǎn)移至其他未使用的頻譜。

Ad Hoc和傳感器網(wǎng)絡(luò)

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）——在這些系統(tǒng)中，多個(gè)天線用來提高系統(tǒng)容量。

超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）——在第一代設(shè)備上（3.1至4.8GHz），每通道使用完整的528MHz并且以480Mbit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)。

以軟件為核心的無線測(cè)試平臺(tái)

在所有這些新標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)出現(xiàn)和共存的情形下，設(shè)備生產(chǎn)商、測(cè)試工程師和設(shè)計(jì)師面臨著許多挑戰(zhàn)。通常RF設(shè)備的購買周期是5至7年，但新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的 推出周期是每?jī)赡暌惠?，購買的RF設(shè)備將會(huì)很快過時(shí)。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，越來越多的公司正采用一種以軟件為核心的平臺(tái)，并配合模塊化硬件，從而來滿足不斷發(fā) 展的技術(shù)需求。像這樣以軟件為核心的平臺(tái)可以幫助用戶有能力在第一時(shí)間測(cè)試最新的標(biāo)準(zhǔn)，加快其產(chǎn)品或解決方案的上市時(shí)間；而且只要在軟件上進(jìn)行調(diào)整就可以 符合新的標(biāo)準(zhǔn)，具備極強(qiáng)的靈活性；而且對(duì)于工程師本人而言，可以在系統(tǒng)中加入自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，獲得技術(shù)上的主動(dòng)權(quán)，使這些技術(shù)不再只是握在標(biāo)準(zhǔn)廠商或 者機(jī)構(gòu)手中。

通過軟件數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種無線技術(shù)

讓我們先來了解一下典型的通信系統(tǒng)所包含的主要功能模塊，這將幫助更好的理解整個(gè)設(shè)計(jì)和測(cè)試的流程。

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信源編碼和解碼

信源編碼主要用于數(shù)據(jù)的壓縮，以利于后續(xù)的傳輸。常見的信源編碼算法包括JPEG壓縮，zip（LZ77和哈夫曼編碼算法的結(jié)合），MP3和MPEG-2等。

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信道編碼和解碼

和信源編碼不同，信道編碼可以加入或改寫數(shù)據(jù)位，以便于減少信道傳輸中噪聲和衰減帶來的影響，解碼后獲得更好的原始傳輸信號(hào)。

調(diào)制和解調(diào)

調(diào)制的嚴(yán)格定義是將一個(gè)電磁波或信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)屬性（幅度，頻率，和/或相位）進(jìn)行改變的過程，主要分模擬解調(diào)和數(shù)字解調(diào)兩大類。使用調(diào)制的方式可以將原來的低頻信號(hào)在相對(duì)的高頻中進(jìn)行傳輸。

上變頻和下變頻

使用上變頻和下變頻的模塊可以改變輸入信號(hào)的頻率。

過去，上述流程中的一些重要功能模塊（如編碼和調(diào)制等）往往是通過將數(shù)字信號(hào)處理（DSP）集成到電路或ASICs上來實(shí)現(xiàn)的，而這樣的設(shè)計(jì)、開發(fā) 和集成到通訊系統(tǒng)的過程通常需要花費(fèi)數(shù)個(gè)月的時(shí)間，這樣一來，用戶很難跟上新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度。一個(gè)更快更簡(jiǎn)便，并能緊跟無線技術(shù)發(fā)展步伐的方法就是應(yīng)用軟 件無線電的技術(shù)。在軟件中完成編碼和調(diào)制的過程，并生成調(diào)制后的波形，再通過模塊化的儀器進(jìn)行上下變頻。這種以軟件為中心的測(cè)試方法完全是基于應(yīng)用，而且 是用戶自定義的，這能使工程師僅僅通過軟件的修改就能快速的滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，大大加速了設(shè)計(jì)和測(cè)試的時(shí)間，并掌握了技術(shù)上的主動(dòng)權(quán)。

下圖顯示了National Instruments的LabVIEW圖形化的語言和NI的PXI平臺(tái)，通過軟件無線電的方法再現(xiàn)了上述通訊系統(tǒng)的功能框圖。模塊化的硬件除了完成物理上的上下變頻過程外，其余的功能都是通過軟件來完成的。

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基于PXI和LabVIEW的軟件無線電測(cè)試平臺(tái)

一直倡導(dǎo)這種“以軟件為核心的測(cè)試測(cè)量構(gòu)架” 概念的是NI公司，自1986年推出其旗艦軟件LabVIEW之后，NI一直在幫助工程師通過這一革命性的圖形化編程語言，提高他們的工作效率。其 后，NI于1997年首推了基于PC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)PXI，再一次領(lǐng)導(dǎo)了業(yè)界趨勢(shì)。1998年，NI與其他測(cè)試測(cè)量企業(yè)共同組成了PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，迄 今為止該聯(lián)盟已經(jīng)擁有超過70家會(huì)員公司和1200余種PXI產(chǎn)品，其功能包括從電源、DMM到RF，使得用戶可以根據(jù)他們特定的測(cè)試需求進(jìn)行選擇和組 合。

PXI作為一種堅(jiān)固的、基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)，它結(jié)合了PCI/PCI Express的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，增加了專門的定時(shí)和同步總線；其高達(dá)6GB/s 的背板總線帶寬能夠保證上下變頻后的中頻信號(hào)能夠被實(shí)時(shí)并持續(xù)的數(shù)字化到PC進(jìn)行處理；PXI的控制器采用了最先進(jìn)的雙核處理器并運(yùn)行Windows的操 作系統(tǒng)，能夠應(yīng)付任何復(fù)雜的通訊算法。這些都使PXI成為無線測(cè)試?yán)硐氲母咝阅?、低成本的運(yùn)載平臺(tái)。

基于軟件的模塊化測(cè)試平臺(tái)少不了一個(gè)靈活的軟件平臺(tái)。LabVIEW就是一個(gè)專門為工程師設(shè)計(jì)的圖形化編程語言。除了和PXI硬件的無縫連接外，它 還集成了多達(dá)600種信號(hào)處理和分析的算法，以及調(diào)制解調(diào)、頻譜分析等各種工具包，針對(duì)射頻的應(yīng)用，能夠完成功率譜、峰值功率和頻率、帶內(nèi)功率、鄰頻功率 等一系列的測(cè)量。在LabVIEW開放的軟件環(huán)境中，用戶還可以實(shí)現(xiàn)帶有自主產(chǎn)權(quán)的射頻算法，以滿足日益發(fā)展的無線通信標(biāo)準(zhǔn)的需求。（見下圖）

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現(xiàn)在，LabVIEW、PXI和模塊化儀器已經(jīng)成為工程師和科學(xué)家們開發(fā)和測(cè)試最新技術(shù)（包括無線標(biāo)準(zhǔn)）的必備工具。在以下兩個(gè)案例中，我們將看到 德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員使用這一技術(shù)，如何在短短6周時(shí)間內(nèi)開發(fā)一個(gè)基于4G的系統(tǒng)；以及一家本地公司開發(fā)業(yè)界首個(gè)測(cè)試1C2G RFID系統(tǒng)的成功方案。

用戶解決方案

用戶解決方案1：對(duì)MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)

這是一個(gè)極具代表性的實(shí)例，用來說明利用這個(gè)平臺(tái)如何快速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和開發(fā)。OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)。它 選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，利用多個(gè)子載波并行傳輸。OFDM技術(shù)能夠克服CDMA在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信號(hào)間干擾增大的問題，并且有頻譜效 率高、硬件實(shí)施簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此OFDM被視為是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。MIMO（多輸入多輸出）利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜 資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

MIMO-OFDM結(jié)合了MIMO和OFDM的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)提升無線通信系統(tǒng)的速度、范圍和可靠性，現(xiàn)在已經(jīng)被寫入WLAN802.11n以及 WiMAX802.16標(biāo)準(zhǔn)之中。被業(yè)界廣泛關(guān)注的第4代移動(dòng)通信的研究還處于初期階段，其基本功能、核心技術(shù)還處于構(gòu)想階段，MIMO-OFDM也是構(gòu) 建4G系統(tǒng)的熱門方案之一。

德州大學(xué)奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發(fā)了MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)，在UT無線網(wǎng)絡(luò)和通信實(shí)驗(yàn)室Robert Heath教授的指導(dǎo)下，三名學(xué)生在6個(gè)星期內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)4G系統(tǒng)的原型。

該實(shí)驗(yàn)室之所以選擇基于軟件的模塊化測(cè)試平臺(tái)，是因?yàn)橥ㄟ^現(xiàn)成可用的NI RF矢量信號(hào)發(fā)生器、RF矢量信號(hào)分析儀、LabVIEW軟件和調(diào)制解調(diào)工具包，研究人員們已經(jīng)站在一個(gè)很高的起點(diǎn)之上了，因此他們就可以專注于核心部分 的開發(fā)。在完成設(shè)計(jì)工序的時(shí)候，需要為MIMO無線通信系統(tǒng)構(gòu)建原型，并且要為理論研究提供實(shí)際的驗(yàn)證。傳統(tǒng)的方式是要用到昂貴的專用硬件，這樣一來編程 很費(fèi)時(shí)間，在研究室里也很難去維護(hù)。用了集成的NI軟件和RF產(chǎn)品，德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員就可以快速的創(chuàng)建一個(gè)無線通信系統(tǒng)，包括調(diào)制、同步和均 衡等各種要素。

德州大學(xué)奧斯汀分校使用這種集成了LabVIEW軟件和PXI硬件的技術(shù)成功獲得了4G解決方案，現(xiàn)在加州大學(xué)伯克利分校的相關(guān)人員也在使用相同的設(shè)備進(jìn)行類似的研究。

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用戶解決方案2：C1G2 RFID標(biāo)簽測(cè)試方案

1類、2代(C1G2)的RFID標(biāo)準(zhǔn)是國際RFID標(biāo)準(zhǔn)組織EPCglobal新近的標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了運(yùn)行在超高頻(UHF)，即 860～960MHz頻率范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽和閱讀器之間的通信協(xié)議。C1G2提供了一種速度更快、更安全、全球承認(rèn)并且部署起來費(fèi)用更低廉的規(guī)范。至 今，歐洲和北美已經(jīng)接受了這種標(biāo)準(zhǔn)。

C1G2將美國的標(biāo)簽閱讀速度提高到大約每秒1500次，歐洲為每秒600次，如果使用目前的技術(shù)，標(biāo)簽閱讀速度為100～300次。使用C1G2 時(shí)，寫入速度是目前產(chǎn)品的兩倍。這種算法以及擴(kuò)頻技術(shù)的采用，使閱讀器在可接受距離和不同頻率上有選擇地與不同標(biāo)簽通信。此外，標(biāo)準(zhǔn)解決了閱讀器間的干擾 問題，在開放空間，UHF的讀取距離可達(dá)10到20英尺。在保護(hù)標(biāo)簽信息和用戶隱私方面，C1G2包括口令保護(hù)讀訪問和永久鎖定內(nèi)存內(nèi)容的功能，并將口令 的長(zhǎng)度由8位增加到了32位。C1G2采用的是復(fù)雜的防沖突算法，它能大大提高閱讀器在讀取區(qū)域中一次讀取大量標(biāo)簽的能力。比如我們?cè)诖笮统匈徫锝Y(jié)帳 時(shí)，需要把商品一件件拿出來在讀取條碼信息，在繁忙的時(shí)段往往造成收銀處的擁擠。如果采用C1G2技術(shù)，只要把推車推過感應(yīng)區(qū)域，就可以完成推車內(nèi)所有商 品信息的讀取，這個(gè)過程可能只需要難以置信的一秒鐘！

C1G2標(biāo)準(zhǔn)RFID帶來了眾多的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也給生產(chǎn)廠商在標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試時(shí)出了難題。由于標(biāo)準(zhǔn)較新且協(xié)議復(fù)雜，對(duì)測(cè)試設(shè)備的性能要求很高，特別是 RF的實(shí)時(shí)應(yīng)答能力，對(duì)于生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商來說，這無疑是推延產(chǎn)品問世的一大障礙。當(dāng)各大公司尚未在市場(chǎng)上推出測(cè)試解決方案的時(shí)候，中國 的一家工程類公司——上海聚星儀器，開發(fā)出了全球首個(gè)支持C1G2標(biāo)準(zhǔn)全部指令的測(cè)試設(shè)備。

此測(cè)試方案基于NI 射頻模塊化儀器硬件，其中中頻處理的硬件為內(nèi)嵌強(qiáng)大運(yùn)算能力的FPGA的軟件無線電平臺(tái)NI RF RIO（Reconfigurable I/O），軟件基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)，每次RFID標(biāo)簽的應(yīng)答通信時(shí)間可在400-500微秒內(nèi)完成。目前，此測(cè)試方案正在接收RFID 標(biāo)準(zhǔn)化組織的驗(yàn)證。

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總結(jié)

綜上所述，面對(duì)著市場(chǎng)上出現(xiàn)越來越多的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以軟件為核心的測(cè)試平臺(tái)采用高性能的模塊化硬件和靈活的軟件平臺(tái)，為工程師們提供一個(gè)統(tǒng)一的平 臺(tái)來進(jìn)行這些標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，并且可以輕松地滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。一方面使技術(shù)革新者可以不再受制于測(cè)試廠商的限制，另一方面也幫助那些規(guī)模較小、但是實(shí) 力不俗的公司在這個(gè)快速發(fā)展的市場(chǎng)上具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力，成為市場(chǎng)的先行者。

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