基于SDR架構(gòu)的前沿?cái)?shù)字設(shè)備發(fā)展簡(jiǎn)述

美國(guó)Keithley公司采用前沿?cái)?shù)字與射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)（SDR）架構(gòu)，該架構(gòu)具有高性能、低成本特性。

SDR架構(gòu)

SDR定義為使用軟件進(jìn)行無(wú)線信號(hào)調(diào)制解調(diào)的無(wú)線通信系統(tǒng)，它允許寬范圍、多種信號(hào)的應(yīng)用與接收。其發(fā)射波形通過(guò)軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換與上變頻后，傳輸至RF前端后放大；其接收波形經(jīng)過(guò)放大和下變頻至IF后，利用軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化和解調(diào)（如圖1所示）。相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，SDR具有更高的靈活性與更低的成本。

SDR信號(hào)處理需求

SDR的基本原理是以軟件控制的數(shù)字電路替代模擬電路。在SDR架構(gòu)中，傳統(tǒng)意義上應(yīng)由模擬電路實(shí)現(xiàn)的下述功能轉(zhuǎn)為數(shù)字硬件執(zhí)行，包括：頻率發(fā)生與轉(zhuǎn)換、調(diào)制與解調(diào)、濾波、I/Q檢測(cè)。此外，SDR還包含能改進(jìn)無(wú)線電性能的獨(dú)特的數(shù)字功能項(xiàng)，包括：能擴(kuò)展無(wú)線電的動(dòng)態(tài)量程與波形校準(zhǔn)，從而改善調(diào)制精度的內(nèi)插法與抽取法，通過(guò)消除已知的模擬失真特性，使調(diào)制信號(hào)接近理想信號(hào)的波形預(yù)校正等。

用于實(shí)現(xiàn)上述功能的裝置，包括：信號(hào)發(fā)生裝置，DAC、ADC及DDS；信號(hào)調(diào)制裝置，DSP、DDC/DUC、FPGA、ASIC及通用處理器（如pentiums或 powerPC）。

比較使用通用目的的硬件與全軟件信號(hào)調(diào)整，由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與性價(jià)比看，軟件開(kāi)發(fā)的效果遠(yuǎn)好于使用通用目的硬件。在通信工業(yè)的巨大推動(dòng)下，高性能的處理器件支持更多的通信標(biāo)準(zhǔn)，從而使SDR架構(gòu)具有更高的性價(jià)比。

SDR架構(gòu)的價(jià)值與意義

成本權(quán)衡

當(dāng)目標(biāo)客戶需要支持眾多的不同通信標(biāo)準(zhǔn)，則通過(guò)使用相同元件實(shí)現(xiàn)多功能的SDR架構(gòu)具有更高的性價(jià)比；而對(duì)于只使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)則更具優(yōu)勢(shì)。

靈活性

就靈活性而言，SDR的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，單一硬件能被設(shè)計(jì)用于適合不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，如多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩基站、軍事通訊。其二，SDR允許新功能的直接升級(jí)，如GSM到GPRS、IS95 到cdma2000基站。

上市時(shí)間

因?yàn)镾DR系統(tǒng)建立了信號(hào)調(diào)整能力的裝置，因此加速了上市時(shí)間。

Model 2810/2910新一代RF儀器

Model 2810矢量信號(hào)分析儀（如圖2左所示）與Model 2910矢量信號(hào)發(fā)生器（如圖2右所示）是Keithley公司生產(chǎn)的基于SDR架構(gòu)的新一代RF儀器，它們采用了相同的控制與軟件前面板。

Model 2810/2910數(shù)字電路結(jié)構(gòu)

Model 2810矢量信號(hào)分析儀與Model 2910矢量信號(hào)發(fā)生器采用圖3所示的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中繁重的信號(hào)調(diào)整由DDC、DUC與DSP完成，DSP選用具有最佳性價(jià)比的500MHz器件，DDC、DUC是16位160MHz四通道器件，每通道可通過(guò)軟件編程進(jìn)行上下轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器選用快速、大容量器件。輸入到ADC的中頻信號(hào)頻率為100MHz到200MHz，由DSP完成I/Q調(diào)制。DAC在信號(hào)發(fā)生器的RF前端有兩個(gè)I/Q調(diào)制輸出，在設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主要用于發(fā)送信號(hào)并提供部分實(shí)時(shí)信號(hào)如觸發(fā)信號(hào)，而主處理器則用于實(shí)現(xiàn)用戶接口。

Model 2810/2910軟件結(jié)構(gòu)

Model 2810/2910軟件結(jié)構(gòu)包括三個(gè)基本層：用戶接口層、無(wú)線電應(yīng)用與硬件管理層。用戶接口層：由主CPU運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)用戶與前面板或接口的交互；無(wú)線電應(yīng)用與硬件管理層由DSP編碼完成，DSP具有專署的內(nèi)部編程環(huán)境。在軟件中，通過(guò)編碼實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層的分割，編碼的分割有利于提高處理效率。

GSM應(yīng)用實(shí)例

圖5給出了GSM應(yīng)用實(shí)例，GSM信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量具體步驟如下：主CPU接受命令發(fā)起、產(chǎn)生GSM信號(hào)，命令源自GUI或遠(yuǎn)控接口命令。描述波形的數(shù)據(jù)包含在小的文本文件中，文件的內(nèi)容通過(guò)用戶接口產(chǎn)生或通過(guò)遠(yuǎn)程接口下載，一旦描述產(chǎn)生它將存儲(chǔ)為一個(gè)文件，這個(gè)文件信息包含了活動(dòng)的時(shí)隙和每個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)。

而后數(shù)據(jù)文件傳送到DSP，DSP根據(jù)無(wú)線電應(yīng)用層獲取波形描述數(shù)據(jù)，產(chǎn)生I/Q波形數(shù)據(jù)，并備份波形到DRAM中，同時(shí)DSP為波形數(shù)據(jù)設(shè)置數(shù)據(jù)路徑：數(shù)據(jù)將從DRAM傳輸?shù)紻UC再至DAC。在此過(guò)程中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制每個(gè)時(shí)間的發(fā)送。此時(shí)DUC上變頻到50MHz，而后DAC上變頻到400MHz。這些數(shù)據(jù)在射頻前端被信號(hào)濾波器整形，最后GSM輸出到射頻前端。

DSP接收部分：首先，主CPU在前面板或遠(yuǎn)控接口接收一個(gè)GSM測(cè)量命令，而后CPU發(fā)送測(cè)量命令至DSP，DSP設(shè)置數(shù)據(jù)路徑，采集測(cè)量數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)下變頻。此時(shí)，數(shù)據(jù)從ADC傳輸?shù)紻DC再至DRAM。最后由DSP完成GSM測(cè)量，包括相位誤差及頻譜等。其中所有測(cè)量均采用同一組數(shù)據(jù)完成，從而減少了測(cè)量時(shí)間。

通過(guò)GSM應(yīng)用實(shí)例，不難發(fā)現(xiàn)使用SDR架構(gòu)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：首先，它允許設(shè)計(jì)人員改變性價(jià)比去滿足客戶需求，即在較低的價(jià)格下保證性能水平或在同樣的價(jià)格下實(shí)現(xiàn)性能提升。其次，可極大改善測(cè)量時(shí)間，包括：裝置設(shè)置與響應(yīng)時(shí)間、儀器設(shè)置時(shí)間、信號(hào)采集時(shí)間及數(shù)據(jù)處理時(shí)間。在理想情況下，客戶的測(cè)量時(shí)間將只受DUT而非測(cè)量?jī)x器的限制。

SDR架構(gòu)具有高性能、低成本特性。隨著工業(yè)的進(jìn)步，基于該架構(gòu)的前沿?cái)?shù)字設(shè)備將不斷的發(fā)展，而Keithley靈活的架構(gòu)將給新的應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。