SDR如何定义才能成为通信射频测量领域的新标尺？

谈起SDR在仪器中的应用，有必要先浏览一下如今通信技术的演进和标准。似乎人们刚刚熟悉双网双待，多模终端(包括GPS)已经面市，还有GPRS，EDGE，紧接着就是HSPA，就说即将启动的3G，就有WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000同台竞技，还有WiMAX采用的OFDM以及已被定为2010年时间框架的LTE；这还仅仅只是标准或系统，如果要考虑到不同标准的调制技术，情况变得就更复杂了。GSM用的是GMSK、CDMA所用的是QPSK，EDGE采用 8-PSK 的高阶调制，HSDPA、HSUPA和16-QAM，而OFDM和LTE采用的则是64QAM，还有每个标准都由其特定的频带和相应的带宽。也就是说，眼下市面上所见的就需要支持6个不同频带以及各式各样的调制技术。这给测试测量仪器带来的是什么样的挑战，不言而喻！应该说，SDR在测试仪器中的应用就是在这种复杂的背景下应运而生的！

众所周知，SDR源自于美国军方的应用。基于其独特的优点，很多年前就开始被多数业内专家看好，当时堪称为无线领域的革命。但是，随着时间的推移，人们发现SDR并没有占据其应有的地位。归其原因，恐怕主要是实现难度太大，各行各业应用又极为不同，仅说通信技术领域，就有各种不同的标准，千变万化的架构，从而使业界无法对SDR的定义达成共识。那么，仪器厂商是如何定义其射频或通信测试仪器中的无线电，哪种定义会被广泛采纳而成为业界SDR应用的标尺呢？

粗略地讲，在通信领域，SDR的概念定义有点雷同。那就是在射频前端的输出开始，进入SDR的范畴。首先是高带宽、高线性度的RF前端，然后将其输出直接送入高速ADC，再用高速DSP或FPGA在软件中实现所有的信号处理（如图1所示）。但在具体的细节方面却有很大不同。针对SDR，国际电信联盟曾经做过一个粗略的概念定义，那就是：一种能够通过软件，和/或能够完成同样功能的技术，对包括RF的运行参数，但不限于频率范围、调制类型或输出功率进行设置或修改的无线电系统。那么针对于电信行业的实际需求，国际电信联盟还将SDR分为从0级到4级的5个不同级别。其中，0级为初级，4级则为理想的终极。所定义的终极SDR没有外置天线、没有工作频率或带宽的限制。它直接传送数字基带输出信号，在几毫秒的时间内进行空中接口间的检测和转换。但就目前的SDR的实际实现来说，距离其理想目标还相去甚远。

目前在RF测试和通信测试仪器中，不少测试仪器厂商都采用了SDR技术。有的厂商甚至一开口就声称自己采用了SDR技术，也有厂商声称自己的SDR是全球最小的SDR平台，似乎将SDR本身当成了一个噱头和卖点。但实际上，单单谈SDR恐怕是没有实际工程意义的。关键要看SDR的实质内容，或者说具体的“定义”如何。不同的定义架构，其实施难度和产生的效果有天壤之别。

那么各公司的SDR是如何定义的呢？带着这个问题，我采访了一些公司。Keithley公司的RF通信部市场营销总监Mark Elo介绍道：“表面上，Keithley测试仪器的SDR定义的架构和传统的定义并没有什么明显区别，但差别在于定义的实质内容。其核心是，处理的频率范围可以高达6GHz，而实时分析带宽则定义到40MHz。”“这是迄今为止业界SDR最丰富的定义”，他接着说。根据这个定义不难想象，它已经囊括了目前包括GSM、CDMA、Bluetooth、MIMO、3G以及被列为4G的WiMAX等新技术中各种不同的通信架构。“然而，我们瞄准的并不止这些，我们更关注未来的通信技术的长期演进技术，即LTE。可以说，我们的定义能够满足目前所有无线通信技术，而且我坚信，该定义能够满足未来10年的应用需求”，他不无自信地说。Keithley公司定义的SDR所能覆盖的技术以及各标准的带宽分别如图2和图3所示。

图1：SDR的传统定义架构。

与Keithley的定义相比，NI公司的SDR的定义则似乎更传统和保守一些。 该公司的分析仪或接收机系列，即NI-PXI-566x系列，所定义的的频率范围为9KHz-2.7GHz，实时带宽为20MHz，内存为32-64MB。而信号源或发射机系列的定义为：250KHz-2.7GHz，实时带宽为22MHz，内存为32-256MB。NI公司的SDR定义的射频架构如图4所示。

针对上述两家公司的SDR定义架构的差别，如何看待呢？NI公司的PXI联盟营销经理Richard McDonell认为：SDR很难统一。他说：“SDR的定义是否统一以及定义的带宽是多少并不十分重要，关键是看SDR的定义是否与仪器的应用目标最佳匹配。”另外他还补充道：“NI公司定义的通信和射频处理架构已经满足当今通信领域的各种应用。”

针对SDR的定义问题，反观传统的仪器大厂商，虽然也有不少SDR的应用，但似乎并未将SDR真正纳入重视的范畴。比如安捷伦，仍然是凭借传统的技术优势，侧重于全面的覆盖和门类齐全的通用仪器继续驰骋于通信市场，而R&S则凭借各种通信标准的广泛参与来抢先占领通信领域的测试测量市场。然而SDR却为规模尚不太大的测试仪器提供商开辟了捷径，藉此来扩大在射频和通信测试领域里的市场份额。

图２：无线技术的长期演进示意图。

有些用户表示，SDR只是作为厂商的设计手段，而用户可能更加关注该技术能为用户或应用带来什么实质利益。针对这样的疑虑，Mark Elo认为，SDR可以为用户带来很多实实在在的利益。表现在几个方面：首先，通过简单的软件编程可以实现便捷的升级，而不必为每一种新体制配备一套新的测试仪器，从而节省测试测量设备投资；其次是，由于所定义的无线电具有高带宽A/D转换器，加入了快速DSP器件，能够高效地处理大规模FFT，实现更快的频率切换和信号分析速度，从而可以提高产能。另外，通过无线电的定义，使测试仪器的上市时间更快，降低了测试仪器的开发成本，这将转化为节约用户的测试成本。

当然，似乎更多的客户对Keithley的SDR定义给予了一定的厚望。其中，来自康佳集团的一位资深射频研发经理认为，Keithley公司通信测试解决方案的SDR定义具有相当的前瞻性。如此宽的FFT实时处理带宽，应该具有很宽的覆盖面。另外，该解决方案具有GPIB、LAN、USB等齐全的接口，再加上配备了自动测试软件，实际上使得该测试仪器成为一套比较易用的ATE。

图3：常用无线技术的带宽分布。'

但是，SDR的定义都受什么限制？会不会有更宽带宽和更高频率的定义呢？分析SDR的架构后会不难发现，SDR有几个关键。首先就是ADC和DAC的限制。为了减少前端变频损耗，要求ADC和DAC有足够的工作带宽或足够高的转换速度，或者说足够高的采样率。也许，根据常规理论采样率来说，目前有许多ADC/DAC都能胜任Keithley所定义的无线电工作。但实际上并非如此。因为必须考虑要实现较好的测试效果，测试仪器应比被测单元水平高一个数量级。故对于40MHz的带宽来说，通常要求ADC/DAC的带宽达到几百兆。故目前的ADC/DAC常常难以满足，而不得不采取一些折衷，即适度牺牲信噪比来提高采样速率。但是通常牺牲信噪比的代价也是比较大的。从而不难看出，目前40MHz的带宽定义已经是近乎极限了。

图4：NI公司SDR定义的射频处理架构。

其次，处理架构也是限制无线电发展的一个重要因素。通常的处理采用的都是FPGA+MCU的解决方案。其中，FPGA负责处理变换后的数字中频的底层数字比特流，而由MCU负责处理功能分析，比特流分析，显示和其他各种处理，当然还有各种控制功能。但当带宽增加到40MHz时，微处理器已经无法承担如此重的负荷了。Mark Elo介绍说，为了解决这一困难，Keithley对无线电处理架构实施了彻底变革。“我们在FPGA和MCU之间加入了一层专用的DSP。FPGA的功能没有变化，多增加的DSP负责处理所有的分析功能和比特流分析。而使得MCU可以解放出来专门处理控制、显示和其他处理，”他说，“这一全新的处理架构，在Keithley的矢量信号发生器(2910)和带有频谱分析功能的矢量信号分析仪(2810)中得到了完美体现。通过这样的变革，使得Keithley的无线电提升了一个层次。”

另一方面，从频谱资源来分析，考虑到无线频谱资源的稀缺性，近期不太可能给出带宽更宽的频谱，况且根据刚刚在日内瓦结束的国际4G频谱规划会议和先前中国的4G频谱规划计划，未来的4G技术对频谱的规划都已经显山露水了。根据这些规划，上述SDR定义都有可能涵盖4G的应用。所以，综合以上各个方面，看来近期内，Keithley公司的SDR定义应该有可能成为业界在未来几年里的参考标尺。关于这一点，Mark Elo非常自信。

王健