品質(zhì)因數(shù)
一個(gè)可以用來(lái)評(píng)估數(shù)字化無(wú)線電整體性能的通用技術(shù)是誤碼率（BER）的測(cè)試。這個(gè)測(cè)試通過(guò)用錯(cuò)碼位數(shù)與所傳輸?shù)目偽粩?shù)之比來(lái)測(cè)量信號(hào)傳輸和接收的質(zhì)量。然而，這是一個(gè)局限性很大的測(cè)試，因?yàn)樗](méi)有提供錯(cuò)碼的來(lái)源信息。
然而，如果采用圖7 所示的類似的方案來(lái)對(duì)SDR系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，處于不同域中的信號(hào)可同時(shí)由不同的儀器獲取。這便使得測(cè)試工程師們可以在整個(gè)信號(hào)鏈中準(zhǔn)確地找出缺陷的可能來(lái)源。
關(guān)于這一點(diǎn)，第二個(gè)通用的品質(zhì)因數(shù)是EVM，它可以洞察發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可能存在的問(wèn)題[40]，[42]，這是因?yàn)槲覀儗?duì)幅值和相位誤差對(duì)每一個(gè)數(shù)字發(fā)射符號(hào)的影響都進(jìn)行了測(cè)量。EVM實(shí)質(zhì)上是測(cè)試整體的信號(hào)與噪聲之比以及信號(hào)的失真比，從而量化了由于非線性失真以及系統(tǒng)噪聲所引起的信號(hào)減損。與其它品質(zhì)因數(shù)不同，EVM 是通過(guò)實(shí)際傳輸?shù)姆?hào)來(lái)評(píng)估所存在的問(wèn)題對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。
一個(gè)常用于發(fā)射機(jī)測(cè)試的指標(biāo)對(duì)頻譜在相鄰信道的再生進(jìn)行了量化。鄰道功率比[ACPR，有時(shí)又稱為鄰道電平比（ACLR）]是采用（out of band masks）來(lái)進(jìn)行說(shuō)明的，而帶外規(guī)范則定義了在相鄰信道所允許的最大傳輸功率。ACPR 通常起因于非線性失真所引起的頻譜再生。
ACPR 同樣可以用于備用信道（與帶通信號(hào)相鄰信道所鄰接的信道）。ACPR 為評(píng)估整個(gè)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的性能提供了一個(gè)功能測(cè)試，這是因?yàn)樗梢栽试S工程師來(lái)對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)的非線性對(duì)其它相近信道的干擾進(jìn)行評(píng)估。
正如對(duì)許多無(wú)線電結(jié)構(gòu)的測(cè)試一樣，對(duì)于SDR 的測(cè)試來(lái)說(shuō)，測(cè)試中使用的激勵(lì)信號(hào)會(huì)影響無(wú)線電系統(tǒng)的測(cè)量性能。測(cè)試信號(hào)對(duì)無(wú)線電性能的影響通常是通過(guò)激勵(lì)固有的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)進(jìn)行分析的，這個(gè)統(tǒng)計(jì)特性可以是采用概率密度（PDF ） 或者是互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)（CCDF）。信號(hào)的PAPR 值（峰/均功率比）也經(jīng)常被用作一個(gè)品質(zhì)因數(shù)[44]-[48]。
在“無(wú)線系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)”一節(jié)中對(duì)這些均適用于傳統(tǒng)無(wú)線電和SDR 系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。在下一個(gè)例子中， 我們要說(shuō)明必須采用混合域方法來(lái)測(cè)試SDR 系統(tǒng)中的這些品質(zhì)因數(shù)。
無(wú)線系統(tǒng)測(cè)試的指標(biāo)參數(shù)
這里，我們將要對(duì)在本文中所用到的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的描述。
概率密度函數(shù)
在 概率論中， 概率密度函數(shù)（probability density function-PDF）是表示一個(gè)隨機(jī)變量X 的值小于x的概率的函數(shù)。通常，PDF 是在經(jīng)過(guò)了大量測(cè)量的基礎(chǔ)上確定的，它決定了x 所有可能取值的可能性，這是一個(gè)具有單位面積的非負(fù)函數(shù)
(S1)
其中a 和b 代表的是要確定的X 的概率區(qū)間。
互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)
互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)（complementary cumulative distribution function- CCDF）曲線是與PDF 密切相關(guān)的， 因?yàn)椋?它是通過(guò)CCDF=1-PDF 得到的。CDF 是可以直接從PDF 統(tǒng)計(jì)中得到的累計(jì)分布函數(shù)
(S2)
一條CCDF 曲線展示出一個(gè)信號(hào)處于高于某個(gè)功率水平以上的時(shí)間。它通常是由超出平均功率以上的功率的分貝值來(lái)表示的。
峰均功率比
峰均功率比（peak to average power ration-PAPR）是給定信號(hào)的最大峰值功率與平均功率之比，是無(wú)線通信中最令人感興趣的測(cè)量指標(biāo)。對(duì)于PAPR 對(duì)通信系統(tǒng)影響的評(píng)估主要是通過(guò)對(duì)CCDF 曲線的分析得到的，我們可以在CCDF 曲線中定義一個(gè)特定的百分比來(lái)獲得PAPR 的值
(S3)
其中NT 是總采樣數(shù)（時(shí)間間隔），它被用來(lái)確定PAPR 的值。
鄰道功率比
鄰道功率比 （adjacent channel power ratio- ACPR ） 是測(cè)量一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)在相鄰信道所產(chǎn)生的相對(duì)于主信道的失真量。它通常被定義為相鄰頻率信道（偏置信道）的平均功率與發(fā)射頻率信道的平均功率之比
(S4)
其中F1 和F2 代表頻譜區(qū)間，S(W)是基頻信號(hào)，U1 和U2是上鄰信道的頻譜區(qū)間。
正如在無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)中所定義的，有兩種測(cè)量ACPR 的方法，一種是考慮整個(gè)基頻信號(hào)和整個(gè)相鄰信道的比值。第二種方法（由于比較容易測(cè)量因而使用更為廣泛）是找到在整個(gè)主頻段或在載波中心頻率附近較小的帶寬內(nèi)的功率與同樣較小帶寬的相鄰的信道內(nèi)功率的比值。
誤碼率
誤碼率（bit error ratio -BER）是所接收到的信息中錯(cuò)誤的位數(shù)與所傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)位數(shù)的比值。BER 通常是用百分比來(lái)表示的，其中0%代表在接收機(jī)未檢測(cè)到錯(cuò)誤的比特
(S5)
這個(gè)測(cè)量可以在數(shù)字域中由測(cè)試工程師所實(shí)施的軟件函數(shù)來(lái)進(jìn)行，但還需要使用眾所周知的BER 測(cè)試器，測(cè)試器向發(fā)射機(jī)輸入一個(gè)已知的數(shù)據(jù)串，并且將它與來(lái)自接收機(jī)輸出端的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
誤差向量幅值
誤差向量幅值（error vector magnitude-EVM）是用來(lái)測(cè)試調(diào)制與解調(diào)準(zhǔn)確度，以及信道受損程度的參數(shù)。它可以用來(lái)量化數(shù)字無(wú)線電發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的性能。由發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)或由接收機(jī)接收到的信號(hào)在硬件和軟件的實(shí)施過(guò)程中都會(huì)受到所有不同缺陷的影響，會(huì)使得K 調(diào)制信號(hào)星座點(diǎn)Zc(k)偏離它們的理想位置，S(k)。 在日常使用中，EVM 是測(cè)量這些點(diǎn)偏離它們的理想位置究竟有多遠(yuǎn)，其中，對(duì)于N 個(gè)傳輸符號(hào)，我們可以得到
(S6)
測(cè)試實(shí)例
為了說(shuō)明SDR 接收機(jī)的測(cè)試，我們使用文獻(xiàn)[39]所介紹的混合域測(cè)量裝置（類似于圖7 所示的結(jié)構(gòu)），如圖8所示。 一個(gè)用來(lái)模擬所發(fā)射的數(shù)字調(diào)制射頻信號(hào)的任意波形發(fā)生器和一臺(tái)接收機(jī)是用方框圖中的元件來(lái)仿真的。
圖8、按照文獻(xiàn)[39]中的建議，在實(shí)驗(yàn)中采用儀器所實(shí)施的SDR 前置端的測(cè)試構(gòu)建。被測(cè)器件（DUT）是由任意一個(gè)波形發(fā)生器來(lái)激勵(lì)的，示波器被用來(lái)對(duì)被測(cè)器件的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。 一個(gè)邏輯分析儀被用來(lái)在被測(cè)器件的數(shù)字輸出端進(jìn)行采樣。采用參考信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入和輸出測(cè)量的同步。這些設(shè)備是由使用通用接口總線（GPIB）連接的計(jì)算機(jī)來(lái)控制的。
這個(gè)被測(cè)器件是用帶寬為3MHz，采用64QAM（3/4）調(diào)制的處于頻分雙工模式的單用戶WiMAX 信號(hào)來(lái)激勵(lì)的[49]。
圖9 是采用邏輯分析儀在SDR 接收機(jī)的輸出端口所測(cè)得的結(jié)果。這個(gè)圖顯示出在激勵(lì)頻段上進(jìn)行了平均的總功率以及由于非線性失真而在上鄰信道中所產(chǎn)生的功率。這個(gè)圖展示了混合模式對(duì)SDR 進(jìn)行測(cè)試的本質(zhì)：模擬輸出的品質(zhì)因數(shù)ACPR 已經(jīng)通過(guò)數(shù)字輸出信號(hào)和模擬輸入信號(hào)而得到了重建。
圖9、在WiMAX 信號(hào)激勵(lì)下，SDR 前置端輸出端口的測(cè)量結(jié)果。
在給定的輸入功率下，我們也已經(jīng)用EVM 對(duì)被測(cè)器件的性能進(jìn)行了評(píng)估。我們根據(jù)增益和相位延遲對(duì)所接收到的數(shù)字化的WiMAX 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和糾錯(cuò)，從而得到了如圖10 所示的星座圖。在這個(gè)特定的測(cè)試中，所得到的EVM 大約是5.05%。
圖10、對(duì)采用64-QAM 調(diào)制的WiMAX 信號(hào)的輸入和輸出結(jié)果進(jìn)行比較的星座圖。
正是由于我們使用了一個(gè)可以同時(shí)對(duì)模擬波形和數(shù)字波行表征的混合模式的儀器，這才有可能得到SDR 元件的特性。
總結(jié)和結(jié)論
在這篇文章中，我們對(duì)可用于SDR 前置端的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)進(jìn)行了一個(gè)綜述。我們討論了各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。正如我們所看到的，一個(gè)多頻段多模式接收機(jī)良好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)可以最佳地分享現(xiàn)有的硬件資源，并且使用可調(diào)諧和可以進(jìn)行軟件編程的器件。并不是每一個(gè)接收機(jī)結(jié)構(gòu)都具有這種特性的。從這個(gè)意義上講，按照我們的觀點(diǎn)，當(dāng)SDR 接收機(jī)前置端更加成熟的時(shí)候，它將會(huì)是基于零/低中頻結(jié)構(gòu)或帶通采樣設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上的。
對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，EER 技術(shù)和其修正版本是SDR應(yīng)用中很有前途的選擇，因?yàn)樗鼈兊男屎艽蟪潭壬吓cPAPR 無(wú)關(guān)。因此，它們可以很容易地應(yīng)用到多標(biāo)準(zhǔn)和多頻段操作中[50]。這種SDR 和CR 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)不僅需要高效放大器，而且還需要寬帶放大器[51]。SDR 領(lǐng)域在信號(hào)傳輸方面正在從模擬向數(shù)字方向轉(zhuǎn)移，因此，對(duì)提高射頻放大器開(kāi)關(guān)速度的要求變得更為明顯，更加嚴(yán)格，從而在未來(lái)將會(huì)引領(lǐng)到S 類發(fā)射機(jī)。
關(guān)于表征SDR 系統(tǒng)所采用的測(cè)試設(shè)備，我們說(shuō)明了為什么混合域設(shè)備對(duì)于SDR 的表征是非常必要的。我們還描述了為什么還要進(jìn)行一些改進(jìn)來(lái)開(kāi)發(fā)可以快速地，自動(dòng)地表征前置端并進(jìn)行失配校正的同步儀器。這樣的設(shè)備應(yīng)當(dāng)可以很理想地提供一些信息，如不同調(diào)制類型的EVM 和不同技術(shù)的鄰道功率比，并且能夠?qū)Χ鄻?biāo)準(zhǔn)多頻段無(wú)線電結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。隨著SDR 技術(shù)的日臻成熟，我們期待著會(huì)在市面上看到這些類型的儀器。
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作者：Pedro Cruz, Nuno Borges Carvalho, Kate A. Remley
