發布日期：2022-07-14 點擊率：59
眾所周知,SDR源自于美國軍方的應用。基于其獨特的優點,很多年前就開始被多數業內專家看好,當時堪稱為無線領域的革命。但是,隨著時間的推移,人們發現SDR并沒有占據其應有的地位。歸其原因,恐怕主要是實現難度太大,各行各業應用又極為不同,僅說通信技術領域,就有各種不同的標準,千變萬化的架構,從而使業界無法對SDR的定義達成共識。那么,儀器廠商是如何定義其射頻或通信測試儀器中的無線電,哪種定義會被廣泛采納而成為業界SDR應用的標尺呢？
粗略地講,在通信領域,SDR的概念定義有點雷同。那就是在射頻前端的輸出開始,進入SDR的范疇。首先是高帶寬、高線性度的RF前端,然后將其輸出直接送入高速ADC,再用高速DSP或FPGA在軟件中實現所有的信號處理(如圖1所示)。但在具體的細節方面卻有很大不同。針對SDR,國際電信聯盟曾經做過一個粗略的概念定義,那就是:一種能夠通過軟件,和/或能夠完成同樣功能的技術,對包括RF的運行參數,但不限于頻率范圍、調制類型或輸出功率進行設置或修改的無線電系統。那么針對于電信行業的實際需求,國際電信聯盟還將SDR分為從0級到4級的5個不同級別。其中,0級為初級,4級則為理想的終極。所定義的終極SDR沒有外置天線、沒有工作頻率或帶寬的限制。它直接傳送數字基帶輸出信號,在幾毫秒的時間內進行空中接口間的檢測和轉換。但就目前的SDR的實際實現來說,距離其理想目標還相去甚遠。
目前在RF測試和通信測試儀器中,不少測試儀器廠商都采用了SDR技術。有的廠商甚至一開口就聲稱自己采用了SDR技術,也有廠商聲稱自己的SDR是全球最小的SDR平臺,似乎將SDR本身當成了一個噱頭和賣點。但實際上,單單談SDR恐怕是沒有實際工程意義的。關鍵要看SDR的實質內容,或者說具體的“定義”如何。不同的定義架構,其實施難度和產生的效果有天壤之別。
那么各公司的SDR是如何定義的呢？帶著這個問題,我采訪了一些公司。Keithley公司的RF通信部市場營銷總監Mark Elo介紹道:“表面上,Keithley測試儀器的SDR定義的架構和傳統的定義并沒有什么明顯區別,但差別在于定義的實質內容。其核心是,處理的頻率范圍可以高達6GHz,而實時分析帶寬則定義到40MHz。”“這是迄今為止業界SDR最豐富的定義”,他接著說。根據這個定義不難想象,它已經囊括了目前包括GSM、CDMA、Bluetooth、MIMO、3G以及被列為4G的WiMAX等新技術中各種不同的通信架構。“然而,我們瞄準的并不止這些,我們更關注未來的通信技術的長期演進技術,即LTE。可以說,我們的定義能夠滿足目前所有無線通信技術,而且我堅信,該定義能夠滿足未來10年的應用需求”,他不無自信地說。Keithley公司定義的SDR所能覆蓋的技術以及各標準的帶寬分別如圖2和圖3所示。
圖1:SDR的傳統定義架構。
與Keithley的定義相比,NI公司的SDR的定義則似乎更傳統和保守一些。 該公司的分析儀或接收機系列,即NI-PXI-566x系列,所定義的的頻率范圍為,實時帶寬為20MHz,內存為32-64MB。而信號源或發射機系列的定義為:,實時帶寬為22MHz,內存為32-256MB。NI公司的SDR定義的射頻架構如圖4所示。
針對上述兩家公司的SDR定義架構的差別,如何看待呢？NI公司的PXI聯盟營銷經理Richard McDonell認為:SDR很難統一。他說:“SDR的定義是否統一以及定義的帶寬是多少并不十分重要,關鍵是看SDR的定義是否與儀器的應用目標最佳匹配。”另外他還補充道:“NI公司定義的通信和射頻處理架構已經滿足當今通信領域的各種應用。”
針對SDR的定義問題,反觀傳統的儀器大廠商,雖然也有不少SDR的應用,但似乎并未將SDR真正納入重視的范疇。比如安捷倫,仍然是憑借傳統的技術優勢,側重于全面的覆蓋和門類齊全的通用儀器繼續馳騁于通信市場,而R&S則憑借各種通信標準的廣泛參與來搶先占領通信領域的測試測量市場。然而SDR卻為規模尚不太大的測試儀器提供商開辟了捷徑,藉此來擴大在射頻和通信測試領域里的市場份額。
圖2:無線技術的長期演進示意圖。
有些用戶表示,SDR只是作為廠商的設計手段,而用戶可能更加關注該技術能為用戶或應用帶來什么實質利益。針對這樣的疑慮,Mark Elo認為,SDR可以為用戶帶來很多實實在在的利益。表現在幾個方面:首先,通過簡單的軟件編程可以實現便捷的升級,而不必為每一種新體制配備一套新的測試儀器,從而節省測試測量設備投資；其次是,由于所定義的無線電具有高帶寬A/D轉換器,加入了快速DSP器件,能夠高效地處理大規模FFT,實現更快的頻率切換和信號分析速度,從而可以提高產能。另外,通過無線電的定義,使測試儀器的上市時間更快,降低了測試儀器的開發成本,這將轉化為節約用戶的測試成本。
當然,似乎更多的客戶對Keithley的SDR定義給予了一定的厚望。其中,來自康佳集團的一位資深射頻研發經理認為,Keithley公司通信測試解決方案的SDR定義具有相當的前瞻性。如此寬的FFT實時處理帶寬,應該具有很寬的覆蓋面。另外,該解決方案具有GPIB、LAN、USB等齊全的接口,再加上配備了自動測試軟件,實際上使得該測試儀器成為一套比較易用的ATE。
圖3:常用無線技術的帶寬分布。'
但是,SDR的定義都受什么限制？會不會有更寬帶寬和更高頻率的定義呢？分析SDR的架構后會不難發現,SDR有幾個關鍵。首先就是ADC和DAC的限制。為了減少前端變頻損耗,要求ADC和DAC有足夠的工作帶寬或足夠高的轉換速度,或者說足夠高的采樣率。也許,根據常規理論采樣率來說,目前有許多ADC/DAC都能勝任Keithley所定義的無線電工作。但實際上并非如此。因為必須考慮要實現較好的測試效果,測試儀器應比被測單元水平高一個數量級。故對于40MHz的帶寬來說,通常要求ADC/DAC的帶寬達到幾百兆。故目前的ADC/DAC常常難以滿足,而不得不采取一些折衷,即適度犧牲信噪比來提高采樣速率。但是通常犧牲信噪比的代價也是比較大的。從而不難看出,目前40MHz的帶寬定義已經是近乎極限了。
圖4:NI公司SDR定義的射頻處理架構。
其次,處理架構也是限制無線電發展的一個重要因素。通常的處理采用的都是FPGA+MCU的解決方案。其中,FPGA負責處理變換后的數字中頻的底層數字比特流,而由MCU負責處理功能分析,比特流分析,顯示和其他各種處理,當然還有各種控制功能。但當帶寬增加到40MHz時,微處理器已經無法承擔如此重的負荷了。Mark Elo介紹說,為了解決這一困難,Keithley對無線電處理架構實施了徹底變革。“我們在FPGA和MCU之間加入了一層專用的DSP。FPGA的功能沒有變化,多增加的DSP負責處理所有的分析功能和比特流分析。而使得MCU可以解放出來專門處理控制、顯示和其他處理,”他說,“這一全新的處理架構,在Keithley的矢量信號發生器(2910)和帶有頻譜分析功能的矢量信號分析儀(2810)中得到了完美體現。通過這樣的變革,使得Keithley的無線電提升了一個層次。”
另一方面,從頻譜資源來分析,考慮到無線頻譜資源的稀缺性,近期不太可能給出帶寬更寬的頻譜,況且根據剛剛在日內瓦結束的國際4G頻譜規劃會議和先前中國的4G頻譜規劃計劃,未來的4G技術對頻譜的規劃都已經顯山露水了。根據這些規劃,上述SDR定義都有可能涵蓋4G的應用。所以,綜合以上各個方面,看來近期內,Keithley公司的SDR定義應該有可能成為業界在未來幾年里的參考標尺。關于這一點,Mark Elo非常自信。
王健
