新一代基于软件无线电结构的RF仪器应用

2011-02-09 22:24:58来源: EEFOCUS

概述

    美国Keithley公司采用前沿数字与射频技术实现了灵活的软件无线电结构(SDR)架构,该架构具有高性能、低成本特性。

SDR架构

    SDR定义为使用软件进行无线信号调制解调的无线通信系统,它允许宽范围、多种信号的应用与接收。其发射波形通过软件转化为数字信号,经数模转换与上变频后,传输至RF前端后放大;其接收波形经过放大和下变频至IF后,利用软件对其进行数字化和解调(如图1所示)。相对于传统设计,SDR具有更高的灵活性与更低的成本。

                  
SDR信号处理需求

    SDR的基本原理是以软件控制的数字电路替代模拟电路。在SDR架构中,传统意义上应由模拟电路实现的下述功能转为数字硬件执行,包括:频率发生与转换、调制与解调、滤波、I/Q检测。此外,SDR还包含能改进无线电性能的独特的数字功能项,包括:能扩展无线电的动态量程与波形校准,从而改善调制精度的内插法与抽取法,通过消除已知的模拟失真特性,使调制信号接近理想信号的波形预校正等。

    用于实现上述功能的装置,包括:信号发生装置,DAC、ADC及DDS;信号调制装置,DSP、DDC/DUC、FPGA、ASIC及通用处理器(如pentiums或 powerPC)。

    比较使用通用目的的硬件与全软件信号调整,由系统开发与性价比看,软件开发的效果远好于使用通用目的硬件。在通信工业的巨大推动下,高性能的处理器件支持更多的通信标准,从而使SDR架构具有更高的性价比。

SDR架构的价值与意义

成本权衡

    当目标客户需要支持众多的不同通信标准,则通过使用相同元件实现多功能的SDR架构具有更高的性价比;而对于只使用一个标准的应用,传统设计则更具优势。

灵活性

    就灵活性而言,SDR的优势显而易见。具体表现在两个方面:其一,单一硬件能被设计用于适合不同的通信标准,如多标准蜂窝基站、军事通讯。其二,SDR允许新功能的直接升级,如GSM到GPRS、IS95 到cdma2000基站。

上市时间

    因为SDR系统建立了信号调整能力的装置,因此加速了上市时间。

    Model 2810/2910新一代RF仪器

    Model 2810矢量信号分析仪(如图2左所示)与Model 2910矢量信号发生器(如图2右所示)是Keithley公司生产的基于SDR架构的新一代RF仪器,它们采用了相同的控制与软件前面板。

                       
       
    Model 2810/2910数字电路结构

    Model 2810矢量信号分析仪与Model 2910矢量信号发生器采用图3所示的数字电路结构。设计中繁重的信号调整由DDC、DUC与DSP完成,DSP选用具有最佳性价比的500MHz器件,DDC、DUC是16位160MHz四通道器件,每通道可通过软件编程进行上下转换。动态存储器选用快速、大容量器件。输入到ADC的中频信号频率为100MHz到200MHz,由DSP完成I/Q调制。DAC在信号发生器的RF前端有两个I/Q调制输出,在设计中,FPGA主要用于发送信号并提供部分实时信号如触发信号,而主处理器则用于实现用户接口。

                         
    Model 2810/2910软件结构

    Model 2810/2910软件结构包括三个基本层:用户接口层、无线电应用与硬件管理层。用户接口层:由主CPU运行,主要负责用户与前面板或接口的交互;无线电应用与硬件管理层由DSP编码完成,DSP具有专署的内部编程环境。在软件中,通过编码实现两个层的分割,编码的分割有利于提高处理效率。

GSM应用实例

    图5给出了GSM应用实例,GSM信号产生和测量具体步骤如下:主CPU接受命令发起、产生GSM信号,命令源自GUI或远控接口命令。描述波形的数据包含在小的文本文件中,文件的内容通过用户接口产生或通过远程接口下载,一旦描述产生它将存储为一个文件,这个文件信息包含了活动的时隙和每个时隙的数据。

    而后数据文件传送到DSP,DSP根据无线电应用层获取波形描述数据,产生I/Q波形数据,并备份波形到DRAM中,同时DSP为波形数据设置数据路径:数据将从DRAM传输到DUC再至DAC。在此过程中,FPGA负责控制每个时间的发送。此时DUC上变频到50MHz,而后DAC上变频到400MHz。这些数据在射频前端被信号滤波器整形,最后GSM输出到射频前端。

    DSP接收部分:首先,主CPU在前面板或远控接口接收一个GSM测量命令,而后CPU发送测量命令至DSP,DSP设置数据路径,采集测量数据并实现下变频。此时,数据从ADC传输到DDC再至DRAM。最后由DSP完成GSM测量,包括相位误差及频谱等。其中所有测量均采用同一组数据完成,从而减少了测量时间。

    通过GSM应用实例,不难发现使用SDR架构的两个关键优势在于:首先,它允许设计人员改变性价比去满足客户需求,即在较低的价格下保证性能水平或在同样的价格下实现性能提升。其次,可极大改善测量时间,包括:装置设置与响应时间、仪器设置时间、信号采集时间及数据处理时间。在理想情况下,客户的测量时间将只受DUT而非测量仪器的限制。

                           
                     

    SDR架构具有高性能、低成本特性。随着工业的进步,基于该架构的前沿数字设备将不断的发展,而Keithley灵活的架构将给新的应用领域带来更高的经济效益。

关键字:软件  软件无线电  无线电  结构

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0209/article_3660.html
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