軟件無線電實施方案的測試介紹

無線電大家一定不陌生，它其實就是無線電波，也就是在自由空間（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段的電磁波。新的無線技術(shù)的涌現(xiàn)迫使人們使用多標準多頻段無線電，因此軟件無線電（software defined radio- SDR）將在未來無線電結(jié)構(gòu)中起著一個關(guān)鍵的作用。SDR 只采用一個硬件前置端，但可以通過調(diào)用不同的軟件算法來改變它的工作頻率，所占據(jù)的帶寬以及所遵守的不同的無線標準。這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)有標準和頻段之間經(jīng)濟（inexpensive）高效的互操作性。

今天給大家介紹的內(nèi)容包括SDR 的主要部分，著重突出了幾種接收機和發(fā)射機可能的實施方法。這些結(jié)構(gòu)中有許多實際上是相當老的技術(shù)，由于數(shù)字信號處理器容量的巨大提高，這些技術(shù)已經(jīng)是切實可行的了。我們還介紹了這類器件的測量和表征方法。SDR 通常是同時工作在模擬和數(shù)字域中的，因此有必要采用混合域的設(shè)備來進行測量。

SDR 的概念首先體現(xiàn)在Mitola于1995 年所作的研究中。在這個研究工作中，他建議創(chuàng)造了一個完全由軟件來調(diào)節(jié)的無線電，使得無線電可以根據(jù)若干通信方案而自動進行調(diào)節(jié)。這個概念展示在圖1 中。

圖1、軟件無線電常見的實施方法。一個入射到天線端口的信號通過環(huán)行器按規(guī)定路線被送至低噪聲放大器（LNA），隨后進行數(shù)字化處理。采用數(shù)字信號處理器（DSP）可以完成若干種調(diào)制格式和介入模式的解調(diào)和編碼。而發(fā)射鏈路則采用相反的過程：基帶信號是在DSP 模塊中產(chǎn)生和向上變頻的，在通過環(huán)行器和天線之前，被轉(zhuǎn)化為模擬波形，進行放大及帶通濾波。

SDR 前置端由在大多數(shù)接收發(fā)射機中所使用的標準子系統(tǒng)組成：調(diào)制器和解調(diào)器，頻率轉(zhuǎn)換器，功率放大器（PA），以及低噪聲放大器（LNA）。然而，調(diào)制和編碼以及工作頻率則是由軟件來控制的。這樣的無線電一般都是依賴于數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)其靈活性的。SDR 可以根據(jù)傳輸?shù)臈l件進行自我調(diào)節(jié)， 從而將空氣界面中所存在的其它信號產(chǎn)生的干擾減到最小程度。這種系統(tǒng)的實施要求能夠用軟件從低頻到高頻進行頻譜掃描。這個概念已經(jīng)推動了許多研究者們對Mitola所提出的認知無線電（Cognitive radio-CR）這一構(gòu)想進行研究，其中，無線電通過優(yōu)化載波頻率，選擇調(diào)制方案和無線電標準進行自我調(diào)節(jié)來適應(yīng)所處的空氣界面條件，從而在給定的條件下將干擾減到最小并且保持通信的暢通。

CR 技術(shù)最有前途的應(yīng)用之一是通過使用機會性無線電（Opportunistic radio）來提高頻譜占有率，在這里，無線電將利用某個時刻未被其它無線電系統(tǒng)所占用的頻譜。為了能夠?qū)嵤┻@個理想的解決方案，無線電應(yīng)當能看到并且了解在特定時刻下完整的頻譜或通信狀態(tài)。

SDR 概念背后的動機不僅僅具有將前置端進行調(diào)適來同時工作在任何調(diào)制模式，信道帶寬或載波頻率下的高度靈活性，而且通過使用全數(shù)字系統(tǒng)還可能節(jié)省成本。

軟件無線電接收機的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我們對有可能用于SDR 接收機的若干個前置端結(jié)構(gòu)作了一個綜述。第一種結(jié)構(gòu) [ 圖2(a) ] 是眾所周知的超外差接收機，其中，由天線接收到的信號被兩個下變頻混頻器轉(zhuǎn)換到基帶，進行帶通濾波及放大?；鶐盘柋晦D(zhuǎn)化到可以進行處理的數(shù)字域內(nèi)。由于從射頻到中頻是第一個混頻過程，在混頻器前必須使用鏡像抑制濾波器。目前，這種結(jié)構(gòu)大多數(shù)用在較高的射頻頻段和毫米波頻段的設(shè)計中，例如點對點的無線鏈接。在這些應(yīng)用中，我們接下來將要討論的方案并不實用。實際上，超外差式接收機在用于SDR 時存在著許多實質(zhì)性的問題。一般來說，會涉及許多制造技術(shù)，這使得人們很難實現(xiàn)全部元件的在片集成。同樣，它們通常被設(shè)計用于一個特定的信道(在一個特定的無線標準中)。這便阻止了將接收頻段進行擴展以便用于具有不同調(diào)制格式和帶寬占據(jù)的信號之中。因此，超外差式結(jié)構(gòu)由于在多頻段接收時的擴展很復(fù)雜，因而，其在SDR 接收機中的應(yīng)用并不令人感興趣。

另一種方法是如圖2(b)所示的零中頻接收機，這是一個簡化版超外差結(jié)構(gòu)。與前一種結(jié)構(gòu)一樣，整個接收機的射頻頻段由帶通濾波器來選擇，并且由低噪聲放大器加以放大。隨后與混頻器直接向下變頻到直流，并且由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)化到數(shù)字域。與外差結(jié)構(gòu)相比，這種方法明顯地減少了模擬元件的數(shù)量，并且其允許使用的濾波器沒有像鏡像抑制濾波器要求得那么嚴格。因此，這種結(jié)構(gòu)可以有高的集成度。然而，由于元件的性能要求，有些元件很難設(shè)計出來。同樣，將信號直接轉(zhuǎn)換到直流會產(chǎn)生一些問題，如直流偏移（offset）。還有其它一些問題是與直流附近的二階交調(diào)產(chǎn)物相關(guān)的，并且，因為混頻器的輸出是基帶信號，很容易遭到混頻器大的閃爍噪聲的破壞。它的優(yōu)勢使其成為近來無線電接收機中最常使用的結(jié)構(gòu)。

圖2、（a）一個超外差接收機結(jié)構(gòu)，其中射頻信號被接收，濾波，放大，向下變頻到中頻頻率，然后再次濾波和放大。然后，信號由正交解調(diào)器轉(zhuǎn)換到基帶，在每個路徑（I 和Q）進行濾波，放大，隨后轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。（b）一個零中頻結(jié)構(gòu)，其中射頻信號被濾波，放大，由正交解調(diào)器直接轉(zhuǎn)換到基帶。隨后，信號被濾波，放大以及進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。（c）一個帶通采樣接收機，在這個結(jié)構(gòu)中，信號被濾波，放大，由采樣-和-保持電路進行采樣，而采樣-和-保持電路通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一部分。信號被向下混頻到第一個奈奎斯特區(qū)，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并在數(shù)字域進行處理。ADC：模數(shù)轉(zhuǎn)化器，BPF：帶通濾波器，F(xiàn)IR：有限脈沖響應(yīng)濾波器，I：同相分量，LNA：低噪聲放大器，LO：本振源，LPF：低通濾波器，Q：正交分量；VGA：可變增益放大器。

與零中頻結(jié)構(gòu)類似的是低中頻接收機[14]，在這個接收機中，射頻信號被向下變頻到非零的較低的或中等的中頻信號，而不是直接變頻到直流。在這種情況下，一個射頻帶通濾波器被用于入射信號，隨后將信號進行放大。這個信號通過一個性能比較強健的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，從而可以使用DSP 來進行數(shù)字濾波以選通信道并消除正交解調(diào)器中同相正交（I/Q）失衡的問題。這個結(jié)構(gòu)仍然允許有較高的集成度，沒有零中頻結(jié)構(gòu)所存在問題的困擾，這是因為所需要的信號不在直流附近。然而，在這個結(jié)構(gòu)中，鏡像頻率問題又再次被引入，并且由于需要較高的轉(zhuǎn)換速率，從而提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗。

最后，以前所介紹方法的替代方案是帶通采樣接收機，見圖2(c)。在這個結(jié)構(gòu)中，接收到的信號由射頻帶通濾波器進行濾波，這個濾波器可以是調(diào)諧濾波器或一個濾波器組。這個信號經(jīng)過寬帶低噪聲放大器進行放大。由一個高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對信號進行采樣，并將其轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，然后進行數(shù)字處理。這種結(jié)構(gòu)是基于這樣一個事實基礎(chǔ)之上的，即無需進行任何向下變頻便可以將模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的采樣電路和保持電路從直流 到輸入的模擬信號帶寬之間的能量折疊進入第一個奈奎斯特區(qū)[0，fs/2]。這個結(jié)構(gòu)利用了采樣和保持電路的一些優(yōu)點。

在這種情況下，射頻帶通信號濾波器起著一個重要的作用，因為它必須將所期望頻段的奈奎斯特區(qū)以外所有的信號能量（基本上是噪聲）降低，否則，它們會與信號相混疊。如果不進行濾波，在所要求的奈奎斯特區(qū)外的信號能量（噪聲）將與所期望的信號一起被折回進入第一個奈奎斯特區(qū)，從而產(chǎn)生信噪比的劣化。這可由下式給出

其中，S 代表著所期望信號的功率，Ni和N0 分別是在頻段內(nèi)和頻段外的噪聲，n 是混疊奈奎斯特區(qū)的數(shù)量。

這種方法的好處是所需的采樣頻率和隨后的處理速度是與信號帶寬而不是與載波頻率成正比的。這便減少了元件的數(shù)量。

然而，還存在一些關(guān)鍵性的要求。例如，采樣和保持電路（通常在模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)）的模擬輸入信號的帶寬必須要將射頻載波頻率包含在內(nèi)，考慮到現(xiàn)代模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率，這便會成為一個很嚴重的問題。時鐘抖動也同樣是一個問題。還有，要求進行射頻帶通濾波以避免信號的交疊。

其它建議用于SDR 接收機的結(jié)構(gòu)包括采用基于離散時間模擬信號處理的射頻信號直接采樣技術(shù)來接收信號，這些方法依然處于極不成熟的階段，但由于它們在實施可重構(gòu)接收機時具有的潛在的效率，人們還是應(yīng)當對此進行深入研究的。

軟件無線電實施方案的測試

SDR 系統(tǒng)的實驗和測試。這個討論的關(guān)鍵是混合域測試技術(shù)的概念，因為SDR 系統(tǒng)總是有一個處于模擬域的輸入，而另一個則是數(shù)字邏輯域。在SDR 概念中，主要思想是將模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器盡可能地推向靠近天線的地方，如圖1所示。因此，會有較少的信號存在于模擬域，數(shù)字信號測試的重要程度在傳統(tǒng)射頻系統(tǒng)表征中是無法體現(xiàn)的。

硬件

儀表工業(yè)已經(jīng)開發(fā)了適用于SDR表征的各種儀器，例如可以同時工作在模擬域和數(shù)字域的混合信號示波器。這樣便可以使得模擬信號和數(shù)字信號在同一臺儀器上實現(xiàn)時間的同步。然而，混合信號示波器僅僅能提供非同步采樣功能。這意味著，和傳統(tǒng)采樣示波器一樣，混合信號示波器是使用其內(nèi)置時鐘來對數(shù)據(jù)進行采樣的。正如在文獻[38] 和[39]中所討論的， 當對SDR 器件（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進行測試時，傳輸函數(shù)相位和幅值的精準估測要求在輸入，輸出和時鐘信號之間進行相關(guān)采樣。如果這些信號是通過非同步方式進行采樣的話，那么就會產(chǎn)生足以完全劣化來自于SDR 的任何幅值和相位信息的頻譜泄漏。頻譜泄漏的出現(xiàn)是由于在進行必要的傅立葉變換時（DFT 或FFT），兩個信號不是共享同一個時域網(wǎng)格，因此，它們彼此之間是互不相關(guān)的。

混合信號示波器可能存在的其它問題包括，比如說，為了獲取行為模型所需的必要的內(nèi)存空間。因為這些儀器通常會采用很高的采樣率，需要大量的點來獲得常用的具有低/中等符號率的調(diào)制信號。因此，這種類型的儀器無法全面表征一個完整的SDR 前置端。

儀表工業(yè)還提出了其它一些將若干儀器聯(lián)合起來的方法，包括邏輯分析儀，示波器，矢量信號分析儀或?qū)崟r信號分析儀[40]-[42]。為了對一個SDR 發(fā)射機結(jié)構(gòu)進行測試，這些儀器可以按照類似于圖3 中的配置進行構(gòu)建來使用。通過使用參考信號，觸發(fā)信號，和標記（markers），人們可以在數(shù)字域和模擬域以及時域和頻域之間進行同步測量。采用這些系統(tǒng)所進行的典型測試，可以用來評估SDR 中發(fā)射鏈路和接收鏈路，這些測試包括信號鏈中的誤差向量幅度（EVM）以及鄰道功率比（ACPR）。

圖3、用于測試軟件無線電發(fā)射機的設(shè)備，其中若干個儀器被結(jié)合在一起使用。一個邏輯分析儀在數(shù)字信號處理器（DSP）的輸出端采集數(shù)字邏輯比特，在數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）和低通濾波器（LPF）的信號重建之后，采用一臺示波器對模擬信號進行分析，一臺頻譜分析儀或矢量信號分析儀在正交調(diào)制器后或在信號放大之后獲取模擬射頻信號。

在文獻[39]中，作者討論了信號配時（signal timing ）和同步化的要求，并且提出了一些解決方案，例如，在實驗激勵裝置中嵌入一個觸發(fā)信號。一些重要問題仍然有待解決，如混合信號儀器的校準過程?；旌闲盘杻x器中的模擬信道應(yīng)當能夠理想地測量輸入端口的反射系數(shù)。應(yīng)當用定向耦合器來對入射到被測元件的射頻信號提供一個基于波信號的阻抗失配校準表征。有了這些信息，就有可能將模擬輸入和數(shù)字輸出聯(lián)系起來，從而找到SDR 系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，或者，甚至可以找到系統(tǒng)的完整的行為模型。人們有可能采用現(xiàn)成的元件和算法，來構(gòu)建這樣一個儀器。然而，現(xiàn)在市面上還不存在一個完整的測試裝置。

通過這種混合信號測試設(shè)備，人們就有可能測量原先用于模擬前置端的品質(zhì)因數(shù)，以及原先用于數(shù)字通信信號的品質(zhì)因數(shù)。

概率密度函數(shù)

在 概率論中， 概率密度函數(shù)（probability density function-PDF）是表示一個隨機變量X 的值小于x的概率的函數(shù)。通常，PDF 是在經(jīng)過了大量測量的基礎(chǔ)上確定的，它決定了x 所有可能取值的可能性，這是一個具有單位面積的非負函數(shù)

其中a 和b 代表的是要確定的X 的概率區(qū)間。

互補累計分布函數(shù)

互補累計分布函數(shù)（complementary cumulative distribution function- CCDF）曲線是與PDF 密切相關(guān)的， 因為， 它是通過CCDF=1-PDF 得到的。CDF 是可以直接從PDF 統(tǒng)計中得到的累計分布函數(shù)

一條CCDF 曲線展示出一個信號處于高于某個功率水平以上的時間。它通常是由超出平均功率以上的功率的分貝值來表示的。

峰均功率比

峰均功率比（peak to average power ration-PAPR）是給定信號的最大峰值功率與平均功率之比，是無線通信中最令人感興趣的測量指標。對于PAPR 對通信系統(tǒng)影響的評估主要是通過對CCDF 曲線的分析得到的，我們可以在CCDF 曲線中定義一個特定的百分比來獲得PAPR 的值

其中NT 是總采樣數(shù)（時間間隔），它被用來確定PAPR 的值。

鄰道功率比

鄰道功率比 （adjacent channel power ratio- ACPR ） 是測量一個無線系統(tǒng)在相鄰信道所產(chǎn)生的相對于主信道的失真量。它通常被定義為相鄰頻率信道（偏置信道）的平均功率與發(fā)射頻率信道的平均功率之比

其中F1 和F2 代表頻譜區(qū)間，S(W)是基頻信號，U1 和U2是上鄰信道的頻譜區(qū)間。

正如在無線標準中所定義的，有兩種測量ACPR 的方法，一種是考慮整個基頻信號和整個相鄰信道的比值。第二種方法（由于比較容易測量因而使用更為廣泛）是找到在整個主頻段或在載波中心頻率附近較小的帶寬內(nèi)的功率與同樣較小帶寬的相鄰的信道內(nèi)功率的比值。

誤碼率

誤碼率（bit error ratio -BER）是所接收到的信息中錯誤的位數(shù)與所傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)位數(shù)的比值。BER 通常是用百分比來表示的，其中0%代表在接收機未檢測到錯誤的比特

這個測量可以在數(shù)字域中由測試工程師所實施的軟件函數(shù)來進行，但還需要使用眾所周知的BER 測試器，測試器向發(fā)射機輸入一個已知的數(shù)據(jù)串，并且將它與來自接收機輸出端的數(shù)據(jù)進行比較。

誤差向量幅值

誤差向量幅值（error vector magnitude-EVM）是用來測試調(diào)制與解調(diào)準確度，以及信道受損程度的參數(shù)。它可以用來量化數(shù)字無線電發(fā)射機或接收機的性能。由發(fā)射機發(fā)射的信號或由接收機接收到的信號在硬件和軟件的實施過程中都會受到所有不同缺陷的影響，會使得K 調(diào)制信號星座點Zc(k)偏離它們的理想位置，S(k)。在日常使用中，EVM 是測量這些點偏離它們的理想位置究竟有多遠，其中，對于N 個傳輸符號，我們可以得到

測試實例

為了說明SDR 接收機的測試，我們使用的混合域測量裝置（類似于圖3 所示的結(jié)構(gòu)），如圖4所示。一個用來模擬所發(fā)射的數(shù)字調(diào)制射頻信號的任意波形發(fā)生器和一臺接收機是用方框圖中的元件來仿真的。

圖4、在實驗中采用儀器所實施的SDR 前置端的測試構(gòu)建。被測器件（DUT）是由任意一個波形發(fā)生器來激勵的，示波器被用來對被測器件的模擬輸入信號進行采樣。一個邏輯分析儀被用來在被測器件的數(shù)字輸出端進行采樣。采用參考信號和觸發(fā)信號來實現(xiàn)輸入和輸出測量的同步。這些設(shè)備是由使用通用接口總線（GPIB）連接的計算機來控制的。

這個被測器件是用帶寬為3MHz，采用64QAM（3/4）調(diào)制的處于頻分雙工模式的單用戶WiMAX 信號來激勵的。

圖5 是采用邏輯分析儀在SDR 接收機的輸出端口所測得的結(jié)果。這個圖顯示出在激勵頻段上進行了平均的總功率以及由于非線性失真而在上鄰信道中所產(chǎn)生的功率。這個圖展示了混合模式對SDR 進行測試的本質(zhì)：模擬輸出的品質(zhì)因數(shù)ACPR 已經(jīng)通過數(shù)字輸出信號和模擬輸入信號而得到了重建。

圖5、在WiMAX 信號激勵下，SDR 前置端輸出端口的測量結(jié)果。在給定的輸入功率下，我們也已經(jīng)用EVM 對被測器件的性能進行了評估。我們根據(jù)增益和相位延遲對所接收到的數(shù)字化的WiMAX 信號進行解調(diào)和糾錯，從而得到了如圖6 所示的星座圖。在這個特定的測試中，所得到的EVM 大約是5.05%。

圖6、對采用64-QAM 調(diào)制的WiMAX 信號的輸入和輸出結(jié)果進行比較的星座圖。

正是由于我們使用了一個可以同時對模擬波形和數(shù)字波行表征的混合模式的儀器，這才有可能得到SDR 元件的特性。

總結(jié)和結(jié)論

在這篇文章中，我們對可用于SDR 前置端的接收機和發(fā)射機進行了一個綜述。我們討論了各自的優(yōu)點與缺點。正如我們所看到的，一個多頻段多模式接收機良好的設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)當可以最佳地分享現(xiàn)有的硬件資源，并且使用可調(diào)諧和可以進行軟件編程的器件。并不是每一個接收機結(jié)構(gòu)都具有這種特性的。從這個意義上講，按照我們的觀點，當SDR 接收機前置端更加成熟的時候，它將會是基于零/低中頻結(jié)構(gòu)或帶通采樣設(shè)計基礎(chǔ)之上的。

對于發(fā)射機來說，EER 技術(shù)和其修正版本是SDR應(yīng)用中很有前途的選擇，因為它們的效率很大程度上與PAPR 無關(guān)。因此，它們可以很容易地應(yīng)用到多標準和多頻段操作中。這種SDR 和CR 發(fā)射機結(jié)構(gòu)不僅需要高效放大器，而且還需要寬帶放大器。SDR 領(lǐng)域在信號傳輸方面正在從模擬向數(shù)字方向轉(zhuǎn)移，因此，對提高射頻放大器開關(guān)速度的要求變得更為明顯，更加嚴格，從而在未來將會引領(lǐng)到S 類發(fā)射機。

關(guān)于表征SDR 系統(tǒng)所采用的測試設(shè)備，我們說明了為什么混合域設(shè)備對于SDR 的表征是非常必要的。我們還描述了為什么還要進行一些改進來開發(fā)可以快速地，自動地表征前置端并進行失配校正的同步儀器。這樣的設(shè)備應(yīng)當可以很理想地提供一些信息，如不同調(diào)制類型的EVM 和不同技術(shù)的鄰道功率比，并且能夠?qū)Χ鄻藴识囝l段無線電結(jié)構(gòu)進行測試。隨著SDR 技術(shù)的日臻成熟，我們期待著會在市面上看到這些類型的儀器。

編輯：黃飛

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