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射頻/無線  

採用軟體無線電架構加速無線設備開發和測試

上網時間: 2007年04月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LabVIEW  PXI  軟體無線電  藍牙  Wi-Fi 

隨著無線電應用數量的增加─從相距數公里的的視訊交談到室內環境和照明控制,無線標準的數量也持續增加。每個產業都正邁向無線通訊應用領域,然而,每個產業具有其自己的要求和規範,必須根據特定應用對標準和協議進行最佳化。

圖1顯示了各種標準的‘擁塞’現象。在這些標準完全確定之前,它們就被整合到電路和系統設計中,遠早於測試設備供應商能提供相應的測試解決方案。另一項事實是,用戶正逐漸接受並愈來愈依賴的新興設備,事實上採用了兩個、三個或更多標準來實現數據或語音通訊。例如,蘋果公司的iPhone整合了藍牙Wi-FiGSM/EDGE功能。工程師如何才能在短時間內滿足各種標準的測試需求呢?

通訊訊號處理原理

在著手進行測試之前,首先應考慮通訊系統背後的技術。頻寬、功率、編碼複雜度、冗餘度、抗損害性能及成本都是實現特定無線應用目標所要綜合考慮的關鍵因素。例如,對於安裝後需要工作許多年的感測器監測和控制來說,ZigBee非常理想。因此,ZigBee設計的選擇重點是將功耗和成本降至最低,而其它如頻寬等參數就不太重要。而針對下一代Wi-Fi來說則情況幾乎相反,該標準要支援高達540Mb/s的數據率。圖2顯示了工程師會用來最佳化設計選擇的典型通訊系統主要功能模組。

過去,針對通訊系統的重要功能模組,均採用數位訊號處理器(DSP)晶片或ASIC來實現,它們都需要數月的時間來設計、開發及整合到一個通訊解決方案中。但是,要在短的時間內實現多個標準,必須有更快與更簡單的方法來實現這些標準。目前,一種正在導入通訊測試,並與無線和通訊技術同步發展的方法是採用軟體。在測試儀器中導入軟體定義的方法,能讓工程師利用通用的RF儀器,透過編碼和調變軟體來產生調變波形和測試訊號。這種用於測試的軟體定義無線電(SDR)方法完全是由應用推動以及用戶定義的。它允許工程師利用在研究和設計中使用的軟體建模和模擬軟體來進行測量和測試。

圖4顯示了採用美商國家儀器LabVIEW的典型通訊系統早期功能結構圖。包含的功能分別為發送端用於訊號源編碼、通道編碼、調變以及上變頻,另外還具有接收器端的下變頻、解調、通道解碼和訊號源解碼。


圖1:對數據不斷增加的需求讓無線和通訊標準更加‘擁擠’。


圖4:帶控制器和週邊擴展槽的典型PXI系統。

PXI平台

PXI是一種用於儀器的模組化硬體平台,它具有很多可實現軟體定義通訊測試方法的單元。而最大特點是該平台是基於PC的。PXI儀器的功能是用軟體進行定義。因此,工程師可使用單一PXI RF儀器,僅透過簡單地改變執行在基於Windows控制器上的軟體,來測試多個通訊標準。PXI控制器採用最新的雙核心處理器,能輕易處理多數複雜通訊演算法。圖4顯示了具有一個控制器和儀器卡的標準PXI系統。

由於具備了可從控制器上連續產生(或採集)、刷新(分析)以及輸出波形的能力,因此,在PXI硬體上採用軟體,可獲得像在DSP或ASIC上實現的訊號處理性能。PXI基於PCI和PCI Express匯流排,能提供高達6GB/s的系統頻寬和單台儀器2GB/s的頻寬。這種吞吐量加上雙核心技術能實現長期的訊號採集和波形產生。

可重配置硬體平台

通訊中出現的另一種新平台是基於現場可編程閘陣列(FPGA)邏輯以及整合的類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)。基於PXI的簡單系統與使用FPGA技術的系統間,主要差異是訊號處理的位置。在基於PXI的系統中,大多數的處理產生於主控制器執行的軟體程式上。而在基於FPGA的系統中,邏輯和處理模組以韌體形式下載到FPGA上,這實際上是將FPGA轉換成定製的通訊處理器。

美商國家儀器公司的PCI-5640R雙通道IF輸入、雙通道IF輸出板採用了Xilinx的FPGA。PCI-5640R提供了PCI匯流排介面,並包含四個DMA通道,能在主CPU(PC)和Xilinx FPGA之間傳遞串流。透過ADC/DAC實現數位上變頻和數位下變頻,將處理任務從Xilinx FPGA上卸載下來。

NI PCI-5640R非常適合各種通訊鏈路的原型建立。透過使用NI LabVIEW軟體來對板上FPGA進行編程,工程師可採用多種編碼和調變演算法來測試現有和新通訊標準。該模組同時是用於軟體無線電、通訊系統設計和編碼和調變方法概念的理想教學工具。

現在,基於FPGA的儀器(可以是某種形式的PXI儀器)和PXI系統之間的共同特性是,兩種系統均採用軟體進行定義。這意味著構建於兩種架構上的通訊系統都能針對新通訊協議進行適配。

軟體定義通訊測試發展趨勢

對支援多種通訊標準的設備的需求,以及產品上市壓力正持續增加。軟體定義的通訊測試以及平台,包括PXI、現有的通用儀器或某種基於FPGA的架構,能組成一種靈活的方法,協助測試工程師滿足當前以及未來的需求。

副欄

瞭解通訊系統模組

在無線通訊系統中存在幾種主要的訊號處理模組(見圖2),包括:


圖2:標準通訊系統中的主要功能模組。


圖3:執行在PXI系統上的通訊軟體,如NI LabVIEW,提供了用於通訊測試的靈活平台。

訊號源編碼與解碼

訊號源編碼實際上是數據壓縮;訊息越小,傳輸時間越快,這將能更有效地使用寶貴的訊號源和頻譜。普通的訊號源編碼演算法包括:JPEG壓縮、zip(LZ77與霍夫曼編碼演算法的組合)、MP3 (MPEG-1的一部份,針對聲音和音樂壓縮),以及MPEG-2(用於視訊)。

通道編碼和解碼

與訊號源編碼不同,通道編碼實際上會增加數據的位元數與訊息的大小。增加的或重新編排的數據位元確保原始的消息能承受包括噪音和衰減在內的通道損害,從而準確解碼以獲得原始的發送消息。

調變與解調

調變的嚴格定義是改變一個電磁波形或訊號的一個或幾個特性(振幅、頻率和/或相位)。使用調變來將低頻訊號產生的資訊發送到工作在更高頻率的訊號。

上變頻與下變頻

使用上變頻器和下變頻器來將輸入頻率分別提高或降低。


圖5 :美商國家儀器公司PCI-5640R結構圖。

作者:

Ron Harrison

射頻與通訊產品經理

ron.harrison@ni.com

美商國家儀器




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