软件自定义测试平台, 用于当前和未来的通信系统

基于软件定义的现代通信系统包括蓝牙、WiMAX、CDMA2000、ZigBee、GSM、EDGE、RFID，而这些无线通信标准正以前所未有的速度日渐成熟(图1)。同时，由于Microsoft、Vodafone与Google等公司的联合，通过V CAST欣赏热门的足球比赛，应用Google Earth取得区域定位信息也愈发普遍。随着全球许多国家无线通信应用的迅猛发展，为满足用户需求而增加数据带宽已经成为移动通讯的最大挑战。

图1.无线网路与连通性的需求已经造成无线与通讯标准的‘堵塞’

由于产品发布的激烈竞争，研发设计的速度已经超过了测试所能负荷的速度。在ZigBee与802.11n标准完善之前，制造商就向市场发布了基于此协议的设备。传统仪器制造商预先定义的标准测试系统也已经被取代。这起因于发布无线标准、设备的研发定型与开发用于量产的测试设备周期均过于冗长。考虑到设备需要同时适用于现行的不同标准，测试设备制造商面临重要抉择：或者开发符合标准的测试设备而延后上市时间；或者继续投入大量成本研发新标准。这促使工程师们寻找具备现行可行性和扩展性的解决方案。

适应性强的软件定义测试仪

在测试测量领域，为了紧跟射频和无线领域先进技术的发展步伐，一般使用软件方法满足用户的测试需求。例如，工程师们可以通过软件实现对最新的信道编码、调制技术或算法的建模。逻辑上，也可以使用软件定义的方法来实现仪器，即在通用的射频模块上使用编码和调制软件实现射频信号的产生或测量。逻辑上，也可以使用软件定义的方法来实现仪器，即在通用的射频模块上使用编码和调制软件实现射频信号的产生或测量。此种由软件定义无线电测试的方法将会完全以应用为导向，由用户的需求决定。美国国防部(DoD)是上述测试策略的主要倡导者。Joint Systems Program主管、JTRS Joint Program(SDR 论坛, 2003年 8月)经理、陆军上校Steven MacLaird表示：“在军事上，SDR技术可促进真实意义上无线电互通系统的实现，确保在任何时间任何无线电收发台都可联络到战场上的友军。”图2是NI LabVIEW软件演示的一个简单的数字通信链路。所包含的VI用于实现无线链路上发送端的信源编码、信道编码、调制和上变频功能以及接收端的下变频、解调、信道解码和信源解码功能。当发起一个真实无线信号的传送时，通信链路还应包括硬件设备和物理信道。

图2.通过使用NI LabVIEW提供的调制工具包，工程师可以在设计数字通信系统后，模型化其代码

案例研究：德州大学（The University of Texas）MIMO-OFDM系统的开发

MIMO-OFDM系统的开发为我们展示了一个软件定义仪器的先进应用。新近涌现的无线和数据通信标准包括4G移动通信和802.11n Wi-Fi数据网络，主要用于增加用户数目和终端、计算机各自的数据吞吐量。而此之后，最新的两项新技术是多入多出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）。OFDM的优点是高频谱效率、低多径干扰、并可以去除射频干扰。MIMO则通过使用多径信号传输增加了系统带宽。德州大学Austin分校的无线网络与通信组（WNCG）致力于研究并验证MIMO-OFDM系统的特性和优势。这项研究主要包含两个构成要素——系统软件仿真和全部硬件集成。由三位WNGG成员在不到六周的时间内完成。

研究小组采用NI LabVIEW作为模拟工具，因为LabVIEW提供了数据模拟与分析函数(即VI)。LabVIEW环境也提供了NI频谱量测工具包与NI调制工具包，这两个扩展工具包特别针对通讯系统设计、模拟与分析所设计。。通过这些工具，研究小组可直接控制系统参数，包含信道编码、功率与传输速率；亦可新增衰落 (Fading)与多径干扰，以决定系统的抗干扰强度与响应。研究小组亦使用该系统来模拟传输即时数据与信息，以检视调整物理层参数与信道特性的影响；这些工作只有用软件定义的系统才可进行。此外，WNCG小组可藉由调整天线数量、处理天线收到数据的算法，来进一步验证影响数据吞吐量的因素。在此环境中，WNCG成员可通过模拟，有效评估新一代MIMO-OFDM数据通讯的优点与缺点。图3表示WNCG研究MIMO-OFDM期间所使用的界面之一。

图3.德州大学WNCG小组使用NI LabVIEW的MIMO-OFDM界面，以比较传输图像与接收图像。

为完整应用调整模拟软件

小组接着重用软件模拟代码，以开发硬件架构的MIMO-OFDM无线收发系统。他们使用NI模块化仪器开发系统，包含可产生基频 (Baseband)与中频(IF)的任意波形产生器模块，以及一个可建立MIMO-OFDM系统上行链路(Uplink)的RF上变频模组。同样地，WNCG成员针对无线收发器的下行链路(Downlink)，使用数字化仪与RF下变频模组。接着在PXI机箱内安装模组与嵌入式控制器，以用于高传输率与即时的测量处理。图4即为该系统，包含NI PXI-5660 RF向量信号分析仪与PXI-5670 RF向量信号发生器。

图4.此为包含2组天线的MIMO-OFDM收发系统框图

当建立完成，WNCG成员即可通过硬件架构的收发系统，验证研究假设与模拟结果。由于先前以软件模拟并设计MIMO-OFDM收发系统，WNCG成员体验了在不到6个星期的时间中，通过软件定义的硬体，高效地将模拟无线连接转换为实际无线连结的应用。

设计软件定义仪器的收发器挑战，在于必须汇整所需的波形，以实现正确的调制。 LabVIEW的NI调制工具包(Modulation Toolkit)具有许多必备的基础区块(Building block)，修正带有讯息的载波信号，以达到正确的调制解调。工具包亦提供了一般通道编码、均值化(Equalization)，与测量函数，使得建立和分析波形变得更为简单。。一旦建立波形–设定采样率、带宽、频率，与其他硬件参数–就可下载波形以完成波形产生。

软件定义的通讯系统将为未来设计提供验证平台

软件定义的通讯测试系统将持续成长。由于此系统将可整合标准开发方式，协助开发测试系统，因此这种变化趋势受到许多组织和机构的欢迎。软件定义的测试，将为目前通讯系统提供解决方案，但更重要的一点，将提供加快未来通讯系统的范例与平台。