軟件定義無線電(SDR)技術推動測試儀器的發展

測試設備制造商始終面臨的挑戰是如何開發出能夠滿足用戶最新產品測試需求的新型測試方案，他們通常采用設計專用硬件的方法來應對這一挑戰。對于通信市場來說，由于新的通信標準發展迅速，常常需要新的信號源和測量功能，因而帶來更大的挑戰。為跟上標準的發展速度，測試儀器供應商必須找到能夠縮短儀器開發時間的新方法，以使測試儀器能夠滿足新的測量需求。軟件定義無線電(SDR)就是一種有用的技術。

SDR是一種利用軟件來調制和解調無線電信號的無線通信系統。良好的經濟性是SDR獲得廣泛使用的驅動力。相比傳統的模擬設計，這類系統能夠以更低的成本獲得很高的靈活性。圖1給出了一個SDR系統的實例。

圖1：一個軟件定義無線電系統示例圖。

從嚴格意義上講，數模(D/A)和模數(A/D)轉換將會出現在載波頻率上，且無需模擬上變頻和模擬下變頻。而目前的SDR應用通常至少包含一級模擬上變頻和模擬下變頻。顯然，A/D和D/A轉換器是SDR系統的重要組成元件。轉換器的速度和分辨率將決定系統所需的模擬頻率轉換次數。轉換器需要足夠大的分辨率(比特)以充分生成或捕獲調制數據，而更復雜的調制格式將要求轉換器具有更高的分辨率。轉換器的速度將對可生成或可采樣的最大信號頻率造成限制。轉換器技術正不斷發展，已可以同時實現較高的分辨率和頻率。

數字信號處理是SDR系統的另一個關鍵因素，因為它可以實現多種原本由模擬電路實現的功能，包括頻率轉換、調制、解調和濾波。數字信號處理還支持諸如波形預失真和抽取等功能，因而可提供比模擬設計更好的性能。傳輸波形的預失真功能考慮到了模擬電路的非線性特征，并調節基帶信號波形以對其進行補償，從而能夠產生更高質量的調制信號。

實現數字信號處理有三種最基本的方法。第一種方法是利用普通計算資源(例如PC機)以軟件方式實現所有的信號處理;第二種是定義一個用來實現信號處理功能的邏輯電路，并用現場可編程門陣列(FPGA)來實現這個邏輯電路;第三種方法是利用專為實現數字信號處理所需功能而設計的可編程硬件，包括數字信號處理器(DSP)和數字上變頻(DUC)以及數字下變頻(DDC)器件等。

上述三種方法都能滿足SDR的主要設計目標，即實現一個高度靈活的系統。然而，為達到SDR的成本控制目標，必須考慮系統的開發成本和單位成本。不同實現方案的成本各有不同，這在很大程度上取決于系統的實時帶寬需求。帶寬越大，所需的處理能力就越強，相應成本就越高。但是，對于中等性能需求而言，采用FPGA可能是成本最高的解決方案，而DSP系統則是最廉價的選擇。

頻率生成是所有通信系統的一個關鍵要素。直接數字合成(DDS)是一種利用D/A轉換器生成具有極精確頻率的正弦波的技術。該技術能以較低的成本實現快速頻率切換。半導體工藝的進步也促進了DDS技術的快速發展。現在的DDS器件能夠產生頻率高達幾百兆赫茲、頻率分辨率達微赫茲的正弦波。

SDR技術越來越受到一些要求兼具經濟和靈活性的應用的青睞，例如軍用通信系統和多功能蜂窩基站。這類應用往往具有下列共同特征：

1. 要求中等到高度的靈活性;

2. 小到中等應用規模;

3. 中等到高度的復雜性。

測試儀器與采用SDR技術的其它應用具有很多共同的特點。測試儀器通常都非常復雜，因為以適當的余量測量尖端系統需要很高的性能。相比手機或基站等大批量應用的設備，測試儀器的數量介于小到中等之間。對于測試儀器而言，靈活性始終是一個重要特征，尤其是在通信領域。通信測試儀器的關鍵技術要求包括高調制解調帶寬、大動態量程和高數據吞吐率。

近年來，數字通信系統(尤其是在調制格式領域)發展迅速。新標準的出現意味著諸如信號源之類的測試儀器必須能夠產生新的調制波形，且信號分析儀必須能夠解調和分析這些新波形。不同標準的關鍵性能參數往往不同，因此需要采用新的分析例程。

這些挑戰要求測試儀器能夠快速升級，并能夠方便地增加新的調制標準。無論是從節約成本的角度，還是從縮短上市時間的角度來看，可升級性能顯然都非常重要。通信系統與設備廠商無力承擔等待開發下一代測試設備的時間損失。此外，通信標準還會在開發過程中頻繁變化，這也需要修改信號產生與分析例程。

上述要求使得SDR技術成為測試儀器的理想選擇。原來針對普通SDR應用的成本與性能折衷策略同樣可用于測試儀器。第一代SDR測試儀器采用了軟件處理或基于FPGA的方法。數字信號處理器件(例如DSP和DDC/DUC)的發展也提供了實現測試儀器所需的處理性能。這種方法為平衡測試儀器的成本和性能提供了最佳選擇。

采用SDR技術的測試儀器為設備制造商及其用戶帶來了許多好處：首先是易于升級到新的通信標準。測試儀器的信號產生與分析功能主要是由寫入數字信號處理器的例程來實現。當出現新標準時，可以很容易地編寫新功能的DSP程序并通過固件升級的方式將其發布給現有儀器的用戶。

其次是由于頻率切換和信號分析速度更快而提高了吞吐量。高帶寬A/D轉換器和快速DSP器件能夠十分高效地處理大型FFT。例如，在頻距(span)較寬和分辨率帶寬較低的條件下，基于DSP的分析儀可提供比傳統頻譜分析儀快幾個數量級的測量速度。直接數字合成技術的頻率切換速度比傳統方案要快得多，快速的頻率切換將可以提高信號發生器和信號分析儀的吞吐量。

最后一點優勢是，測試儀器的上市時間更快。測試設備制造商可利用尖端的商用信號處理器件實現儀器級的性能，這極大地降低了開發測試儀器的工作量。此外，基本的數字設計可以在各種儀器之間復用，從而進一步降低了開發成本。例如，圖2給出了吉時利公司2810矢量信號分析儀和2910矢量信號發生器中采用的數字架構。這兩種儀器都采用了相同的數字處理設計。

圖2：2810矢量信號分析儀和2910矢量信號發生器的數字架構。

通信標準很可能會不斷發展。同時，通信系統和器件制造商所面臨的測試成本壓力將迫使測試設備廠商提供更具成本效益的儀器。SDR技術與高端信號處理器件的結合為測試設備制造商提供了可滿足上述需求的強大工具。