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用于通信测试的软件定义无线电架构
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2009-02-25
王涛
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案例研究：用于通信测试的软件定义无线电架构
目录：
• RF与通信行业的发展趋势
• 灵活的、软件定义的通信测试
• PXI——一个适用于软件定义通信测试的理想平台
• 总结：软件定义的通信系统提供了一个面向未来的平台
• 参考文献
• NI相关产品
RF与通信行业的发展趋势 蓝牙、WiMAX、cdma2000、ZigBee、GSM、EDGE和RFID——这些无线与通信产品继续以史无前例的速率增长，如图1所示。同时，随着像Microsoft、Vodafone和Google等公司的努力，通过V CAST观看足球锦标赛和从Google Earth获取本地信息正在变得越来越普通。无线通信在许多国家已超过陆地通信并且当前的数据带宽难以满足无线通讯的需求，因此有效满足这种需求成为移动通信面临的巨大挑战。
图1 对数据持续增长的需求造成了一个无线与通信标准的“原木阻塞”。
除了要求具备多点无线标准外，通讯业界还被持续存在的压力所驱使，不得不力争以最快的速度将新产品推向市场。这使得其研究和设计的发展已经超过了测试的发展。因此制造商在相关标准还未完成前就发布了ZigBee与802.11n导致来自独立仪器制造商的预定义标准测试系统不复存在。这都归因于先发布一个无线标准、然后在先驱用户(lead users)中构建设备原型、最后再针对大规模商用需求开发测试装置这一传统周期太耗费时间了。
需要兼容多个标准设备和必须在竞争对手之前发布新产品的压力，是许多工程师使用超过一个无线与通信标准的两个主要原因。事实上，从NI公司“仪器研究”调查中所收集的数据表明，在设计和测试具有无线通信功能设备的工程师中，几乎三分之二的人在使用不只一个标准，其百分比分布如下：37%使用1个标准
• 30%使用2到3个标准
• 33%使用4个甚至更多的标准
从传统做法看，您需要为每一个待测的通信标准准备一个独立仪器。每个仪器有厂商定义的功能来对应某个特定的标准。这些特定的标准通信测量算法，以固件的形式运行在每个仪器的嵌入式处理器上，这意味着这些算法不是用户可访问或可定制的。而为每个待测标准购买一个新的独立仪器成本太高。这就促使工程师寻求灵活的、独立于系统的解决方案。
灵活的、软件定义的通信测试
要紧跟无线通信发展步伐的方法之一是利用软件。您可以采用一种软件定义的方式构造仪器，通过使用编码和调制软件，生成并测量来自于模块化的、通用的RF仪器的信号。这种由软件定义无线电（SDR）来进行测试的方法，完全是驱动应用和用户定义的。您可以利用它作为测试测量的研究和设计的建模仿真软件。美国国防部（DoD）已经在支持这种SDR策略了。
“对于军事来说，SDR是一种变革性的技术，它支持开发一个真正互操作的无线电族，使得在任何时候任何操作场所都能与盟军进行通信。”——Steven MacLaird上校，联合系统项目主管、JTRS联合项目的项目经理（SDR论坛，2003年八月）。
一个典型的通信系统
通过逐步了解一个典型的通信系统的简化功能模块框图，您可以看到如何将通信软件与模块化的通用RF仪器相结合来创建一个支持多个标准的测试系统。图3展示了一个典型通信系统的主要功能模块。您可以在发送端使用这些用于信源编码、信道编码、调制和上变频的模块，在接收端完成这个过程的逆过程。一个真实世界的通信链路包含一个传输所需的物理通道如空气（无线）、光纤和铜缆等。
信源编码与解码
信源编码的主要功能是以尽可能少的比特表示您的信息，以减少资源占用。信源编码类似于数据压缩，信息越小，传输速度越快，这意味着要更有效地使用宝贵的资源和频谱。通过信源编码，您可以用同样的带宽发送更多的信息。一些较常用的信源编码算法包括jpeg压缩、zip（LZ77和哈夫曼编码算法的一种组合）、MP3（部分MPEG-1用于声波和音乐压缩）和MPEG-2（用于DVD）。
信道编码与解码
与信源编码不同，信道编码会在数据中添加比特，从而增加了信息的容量。添加比特或重用比特以确保了原始信息能够更好地抵抗任何信道的损害，包括噪声和衰减，以便解码后能得到正确的原始信息。许多信道编码算法在实现了正确编码和数据传输平衡的同时还实现了信息量的最小化
目录：
• RF与通信行业的发展趋势
• 灵活的、软件定义的通信测试
• PXI——一个适用于软件定义通信测试的理想平台
• 总结：软件定义的通信系统提供了一个面向未来的平台
• 参考文献
• NI相关产品
RF与通信行业的发展趋势 蓝牙、WiMAX、cdma2000、ZigBee、GSM、EDGE和RFID——这些无线与通信产品继续以史无前例的速率增长，如图1所示。同时，随着像Microsoft、Vodafone和Google等公司的努力，通过V CAST观看足球锦标赛和从Google Earth获取本地信息正在变得越来越普通。无线通信在许多国家已超过陆地通信并且当前的数据带宽难以满足无线通讯的需求，因此有效满足这种需求成为移动通信面临的巨大挑战。
图1 对数据持续增长的需求造成了一个无线与通信标准的“原木阻塞”。
除了要求具备多点无线标准外，通讯业界还被持续存在的压力所驱使，不得不力争以最快的速度将新产品推向市场。这使得其研究和设计的发展已经超过了测试的发展。因此制造商在相关标准还未完成前就发布了ZigBee与802.11n导致来自独立仪器制造商的预定义标准测试系统不复存在。这都归因于先发布一个无线标准、然后在先驱用户(lead users)中构建设备原型、最后再针对大规模商用需求开发测试装置这一传统周期太耗费时间了。
需要兼容多个标准设备和必须在竞争对手之前发布新产品的压力，是许多工程师使用超过一个无线与通信标准的两个主要原因。事实上，从NI公司“仪器研究”调查中所收集的数据表明，在设计和测试具有无线通信功能设备的工程师中，几乎三分之二的人在使用不只一个标准，其百分比分布如下：37%使用1个标准
• 30%使用2到3个标准
• 33%使用4个甚至更多的标准
从传统做法看，您需要为每一个待测的通信标准准备一个独立仪器。每个仪器有厂商定义的功能来对应某个特定的标准。这些特定的标准通信测量算法，以固件的形式运行在每个仪器的嵌入式处理器上，这意味着这些算法不是用户可访问或可定制的。而为每个待测标准购买一个新的独立仪器成本太高。这就促使工程师寻求灵活的、独立于系统的解决方案。
灵活的、软件定义的通信测试
要紧跟无线通信发展步伐的方法之一是利用软件。您可以采用一种软件定义的方式构造仪器，通过使用编码和调制软件，生成并测量来自于模块化的、通用的RF仪器的信号。这种由软件定义无线电（SDR）来进行测试的方法，完全是驱动应用和用户定义的。您可以利用它作为测试测量的研究和设计的建模仿真软件。美国国防部（DoD）已经在支持这种SDR策略了。
“对于军事来说，SDR是一种变革性的技术，它支持开发一个真正互操作的无线电族，使得在任何时候任何操作场所都能与盟军进行通信。”——Steven MacLaird上校，联合系统项目主管、JTRS联合项目的项目经理（SDR论坛，2003年八月）。
一个典型的通信系统
通过逐步了解一个典型的通信系统的简化功能模块框图，您可以看到如何将通信软件与模块化的通用RF仪器相结合来创建一个支持多个标准的测试系统。图3展示了一个典型通信系统的主要功能模块。您可以在发送端使用这些用于信源编码、信道编码、调制和上变频的模块，在接收端完成这个过程的逆过程。一个真实世界的通信链路包含一个传输所需的物理通道如空气（无线）、光纤和铜缆等。
信源编码与解码
信源编码的主要功能是以尽可能少的比特表示您的信息，以减少资源占用。信源编码类似于数据压缩，信息越小，传输速度越快，这意味着要更有效地使用宝贵的资源和频谱。通过信源编码，您可以用同样的带宽发送更多的信息。一些较常用的信源编码算法包括jpeg压缩、zip（LZ77和哈夫曼编码算法的一种组合）、MP3（部分MPEG-1用于声波和音乐压缩）和MPEG-2（用于DVD）。
信道编码与解码
与信源编码不同，信道编码会在数据中添加比特，从而增加了信息的容量。添加比特或重用比特以确保了原始信息能够更好地抵抗任何信道的损害，包括噪声和衰减，以便解码后能得到正确的原始信息。许多信道编码算法在实现了正确编码和数据传输平衡的同时还实现了信息量的最小化
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