软件定义的无线电要求高级测试

2015-07-31 11:54:33来源: eefocus


射频(RF)技术的研制对适应性较以前提出了更高的要求:适应拥挤的RF频谱、适应变化的网络要求、适应变化的器件规范。软件定义无线电(SDR)对这些特点体现得最为明显,SDR使得软件能够动态控制各种通信参数,如使用的频段、调制类型、数据速率和跳频方案。

与传统RF收发机技术相比,SDR拥有独特的优势,因为它提供了更高的灵活性,它可以有效地重新配置器件,对变化的要求作出响应。但是,软件无线电引入了传统无线设计中没有的一系列新问题。其对物理层最明显的影响之一是,强健的SDR设计中的硬件要求在广泛的工作参数上实现全面的灵活性和高性能,以满足软件需求。现在许多领域都正在使用SDR,包括3G无线基站和用户设备、军事无线电(如美国军队中的联合战术无线服务)、陆地移动无线电(如美国的Project 25和欧洲的Project MESA)及卫星收发机。

当然,这种灵活性和变量数量必须能够适应一致性设计要求,需要新的测试方法。除通过网络控制工作频率外,更加先进的SDR可以动态控制调制方案、跳频模式、功率电平、滤波、编码方案和数据速率。通过数字信号处理(DSP)动态生成RF波形及数字电路和RF电路相集成(通常在同一IC上),产生了传统RF收发机设计中看不到的问题。

这种提高的复杂性不仅带来了RF设计挑战,也改变了RF测试的特点。必须使用超出传统RF发射机一致性测试的测量功能,检验SDR发射机的性能。仅仅通过一致性测试并不能保证器件正确工作,也不能为保证产品质量提供经济的手段。SDR发射机必需满足大量的系统要求,包括在以前的要求基础上增加的新要求。更重要的是,这些发射机将利用固有的智能和灵活性,动态适应当前条件和要求。这些复杂的软件控制的变动通常会导致毛刺、间歇性干扰、脉冲畸变、数字到RF耦合及软件相关的相位误差。

为真正解决这一系列新的瞬变现象和新问题,SDR系统设计人员必须同时在时域和频域中全面分析和检定自己的系统。在系统参数随着时间变化时,使用DPX可以随时发现反常的信号事件和非线性器件行为,显示实际RF信号表示。必需执行选频触发,确定瞬变事件发生的时点。必须执行多域时间相关分析,确定每个问题的具体成因。此外,把整个事件无缝捕获到存储器中对后续深入分析具有重要意义,因为很难重建发生触发的条件。这些检验信号性能随时间变化的高级调试方法与传统静态一致性测试相结合,对有效执行SDR测试至关重要。
  
收发机测试

以SDR收发机为例,发送组件可能包括功放器、滤波器、混频器、DAC、频率振荡器和DSP电路。其它组件可能包括低噪声放大器、混频器、ADC、频率振荡器、DSP和控制电路。

图1是收发机简化的功能方框图,其中没有数字中间频率(IF)或数字RF。注意,这个图中的每个方框可以通过软件控制。

检验典型SDR收发机的性能要求采用综合测试战略,把沿着发送/接收链不同点上进行的测量关联起来。例如,可以通过卓越的实时信号分析仪(RTSA)的频率模板触发(FMT)捕获间歇性信号。RTSA可以使用频率模板违规,然后触发逻辑分析仪示波器,允许用户查看相关信号的数字特点和模拟特点。通过使用这种方法,设计人员可以确定逻辑电路或模拟控制电压中是否发生与频域违规相关的某个事件。除通过高级触发弥补数字/RF鸿沟外,顶级RTSA可以在相关的时域、频域和调制域中分析和显示信号。
  
超越固态一致性测试

SDR测试本身包括传统发射机测试。无线电每种不同的可能配置都必须符合传统规范,如占用带宽、通道功率和邻道功率。对采用时分双工或时分复用的系统,存在着定时要求,如上升时间和下降时间。对跳频系统,可能同时有与跳频PLL系统有关的频域和时域指标。与传统发射机不同,SDR器件必须在更加广泛的工作模式下通过这些测试,这提高了一致性测试的复杂性。 

调制质量测量也是一致性测试的重要组成部分。对数字调制的信号,其通常包括误差矢量幅度(EVM)或相关功率(RHO)测量。此外,支持模拟模式的SDR设计必须通过一致性测试。调制质量既是一致性测量指标,也是系统性能问题。EVM差会降低数据速率、语音传输清晰度和发送范围。EVM指标还可以洞察潜在的发射机问题。基于这些原因,EVM是调试SDR时首先要考虑的指标之一。
遗憾的是,单纯的一致性测试并不足以保证SDR正常工作。为实现网络灵活性,每个SDR器件必须随时间变化来改变重要的工作参数,以跟上网络需求。当然,所有这些变化都由软件控制的收发机硬件实现。因此,帮助捕获可能的RF毛刺、瞬变和其它异常事件的工具至关重要。确定哪个组件导致了问题也是一个重大任务,要求采用全面的调试战略。为使器件和网络正常运行,必需考虑新的测试方法,帮助检定和分析SDR RF链路怎样随时间变化。

领先的RTSA为SDR调试提供了强大的功能。首先,必需发现物理层中存在的问题。这些瞬变事件发生得可能非常快,在其随时间变化时,当前的RTSA使得设计人员能够在频域中观察到这些事件。在使用RTSA发现异常信号行为之后,用户可以在时间相关的多个域中触发、捕获和分析相关信号。这种超越纯粹一致性测试的能力对检定和调试动态信号必不可少。
  
跳频和发射机测试

许多系统中都使用跳频,包括软件定义的系统,以避免检测、拥堵和干扰,改善拥有多路径和衰落的环境中的性能。跳频在广泛的频率上扩展信息。这提高了系统的强健性,因为频率相关误差(如干扰或衰落)只会导致部分数据丢失。通过增加前向纠错编码、隔行扫描及混合ARQ重传等技术,可以有效恢复在跳拥堵过程中丢失的数据。

除常见的跳定时、频率稳定时间和幅度稳定时间测量外,还可以使用多种其它测量,使用RTSA调试跳频无线电。跳频涉及频域、时域和调制域交互。能够以相关的方式显示这3个域在调试SDR器件中提供了宝贵的工具。

图2是蓝牙器件跳频的数字荧光显示画面。传统上一直用于高级示波器的DPX数字荧光显示技术已经应用到RF领域中,部分RTSA现在已经采用了这种技术。DPX第一次允许用户查看“生动的RF”信号,为查看RF信号行为提供了无可比拟的能力。

在图3中,显示了一个蓝牙信号。RTSA的频谱图(右下方)显示了频率行为随时间变化情况。可以看出,在这些跳周围有很高的频谱能量。在这种情况下,在发生跳频时,发射机可能会干扰相邻器件。捕获跳频使用的仪器必需有足够宽的实时带宽,以捕获大部分跳序列带宽及其周围发生的频率散射。

尽管蓝牙不一定使用软件无线电实现,但它可以很好地说明在试图实现跳频系统时面临的挑战。对大多数跳频系统来说,能够测量每个跳频十分重要。例如,蓝牙规范要求79个跳频中的每个跳频(1 MHz通道间隔)位于特定值的75 KHz范围内。这保证不同制造商的器件之间正确互操作。对这一测量,用来测量跳序列的仪器必须涵盖整个跳频范围。在2.4 GHz ISM频段中,顶级RTSA的110 MHz实时带宽足以涵盖整个83 MHz频段,同时还会检查带外干扰。

在图4所示的另一个实例中,使用RSA调试发生不频繁的、难以检测的信号。这可能是频率切换瞬变导致的,频率切换瞬变还可能会导致更大的相位瞬变。它可能是由于PLL电路在对某个频率变化时控制不当引起的。一旦使用DPX识别了毛刺或瞬变,部分RTSA的FMT可以可靠地捕获信号进行深入分析。如图4中所示,用户可以定义频率模板,可以绘制频率模板,最好地捕获信号。在蓝牙跳频实例中,用户可以定义模板,触发某个跳频,而不是触发功率变化。数字荧光显示技术演示了信号跳到约比感兴趣的信号高3 MHz的频率上。频率模板任意定义为这个信号周围的包络,一旦信号进入频率模板区域,仪器会触发。通过使用拥有高性能带宽的RTSA,可以分析跳序列,在每个跳频上执行频率稳定时间测量(部分RTSA在110 MHz实时带宽时的定时分辨率为6ns),支持最低60ns的稳定时间。

SDR是RF收发机的一种新兴实现方案,对RF硬件提出了额外的要求。为处理软件无线电研发中出现的复杂性,可以全面使用RTSA,测试多种工作模式随时间变化的要求。这些独特的仪器具有数字荧光显示、频率模板触发和时间相关多域分析功能,在设计和检定SDR器件时提供了完美的调试工具。

关键字:软件定义  无线电  高级测试

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0731/article_12541.html
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