Mike Millhaem är huvudansvarig rf-applikationsingenjör. Innan han kom till Keithley arbetade han i tio år hos Hewlett-Packard (nu Agilent Technologies) i en rad olika roller inom applikationsteknik, marknadsföring samt forskning och utveckling av RF-halvledarbaserade ATE-produkter. Från 1984 till 1995 arbetade han hos Westinghouse Electric med utveckling av hårdvara och mjukvara till testsystem för produkter som inkluderar elektroniska åtgärdssystem och aktiva aperturradarmoduler.

Rf-teknikens tillväxt inom kommunikationsområdet har under de senaste fem åren varit uppseendeväckande. Bara i år kommer det att säljas över 850 miljoner mobiltelefoner världen över. I takt med att tillverkningsvolymerna ökar ställs testingenjörer inför utmaningen att öka genomströmningen och minska testkostnaderna. Den snabba utvecklingen av nya standarder kräver också nya möjligheter beträffande instrumentförsörjning och mätning.

Ett sätt för instrumentleverantörerna att mötta utmaningen är att konstruera flexiblare instrument. Nya tekniker som mjukvarudefinierade radioarkitekturer (SDR) gör det möjligt att konstruera instrument som är flexibla och kan anpassas till industrins förändrade behov.

Grundläggande för en SDR-implementering är att de modulations- och demodulationsfunktioner som utförs på rf-signaler görs med hjälp av digitalisering av signalerna och användning av mjukvaru- och bearbetningstekniker snarare än dedicerad hårdvara. Detta tillvägagångssätt möjliggör sändning eller mottagning av en rad olika signaler på ett mer ekonomiskt sätt än med dedicerad, modulationsspecifik hårdvara.

Den grundläggande principen för mjukvarudefinierad radio handlar om att ersätta analoga kretsar med digitala kretsar som kan programmeras via mjukvara. Funktioner som traditionellt gjordes i analog hårdvara, såsom frekvensgenerering och frekvensomvandling, modulation och demodulation liksom filtrering, utförs med digital hårdvara. SDR-konstruktioner inkluderar också unika digitala funktioner som kan förbättra radions prestanda. Dessa funktioner inkluderar decimering och interpolering, som kan utöka radions dynamiska område, och vågformsbaserad för-distortion, som kan förbättra modulationsnoggrannheten. Vad gäller vågformsbaserad för-distortion modifierar denna de modulerande signalerna från idealsignalen för att motverka kända analoga störningars egenskaper.

Traditionellt används flera olika typer av komponenter för att utföra dessa funktioner. Det finns två huvudgrupper: komponenter för signalgenerering, inklusive D/A-omvandlare och A/D-omvandlare liksom direktdigitala syntetiserare (DDSer) och signalbehandlingsutrustning, inkluderande digitala signalprocessorer (DSPer), digitala upp-/ned-omvandlare (DUC/DDC), FPGA:er och asicar. Förutom dessa speciella signalbehandlingskomponenter kan generella processorer såsom Pentium- eller PowerPC-kretsar utnyttjas.

A/D- och D/A-omvandlare är viktiga delar i samtliga SDR-system. I idealfallet används ingen analog frekvensomvandling i SDR-system. För att åstadkomma detta måste A/D- och D/A-omvandlarna skapa bärvågsfrekvensen. Detta är dock inte möjligt med dagens omvandlarteknik och en del analoga delar används fortfarande. Omvandlarnas hastighet och upplösning avgör hur mycket analog frekvensomvandling som behövs. Omvandlare behöver tillräcklig upplösning (bitar) för att skapa eller fånga modulationsdata på lämpligt sätt och mer komplicerade modulationsformat kräver omvandlare med ännu högre upplösning. Dagens system har fortfarande normalt en analog frekvensomvandling.

Digital signalbehandling är en annan viktig del av SDR. Digitala signalprocessorer utför flera funktioner som traditionellt gjordes med analoga kretsar, inklusive frekvensomvandling, modulation, demodulation och filtrering. Genom att stödja funktioner som vågformsbaserad fördistortion och decimering möjliggör digital signalbehandling bättre prestanda än analoga konstruktioner.

Frekvensgenerering är allra viktigast i ett kommunikationssystem. En frekvensgenererande teknik kallas direktdigital syntes (DDS). Den utnyttjar en D/A-omvandlare för att skapa sinusvågor med mycket noggranna frekvenser. DDS möjliggör snabba frekvenshopp till låg kostnad. Framsteg inom halvledartekniken har lett till snabb utveckling av DDS-teknik, som gjort att dagens DDS-komponenter skapar sinusvågor med frekvenser på flera hundra megahertz med en frekvensupplösning i mikrohertz-området.

Medan ett SDR-baserade tillvägagångssätt blir allt populärare för applikationer som kräver ekonomisk flexibilitet, såsom militära kommunikationssystem och flerfunktionsbaserade basstationer för mobiltelefoner, har andra områden, som testinstrumentering, också dragit nytta av SDR-teknik. Testinstrument brukar vara mer komplicerade eftersom det krävs en hög prestandanivå för att noggrant mäta och testa signaler i de senaste systemen. Tillverkningsvolymer för testinstrument är i allmänhet lägre än för högvolymutrustning som mobiltelefoner eller basstationer.

Betydande industriutveckling inom digital signalbehandling ger en hög nivå av teknisk förmåga till ett lågt pris. SDR-arkitekturer kortar utvecklingstiden för tillverkare, inte bara för en initial produktlösning utan även för förbättringar och nya produkter baserade på denna arkitektur. SDR-metodens flexibilitet gör det även möjligt för tillverkare att lätt bygga ut instrumenten så att de uppfyller kraven enligt nya kommunikationsstandarder.

En viktig fördel för användare av SDR-baserade instrument är väsentligt förbättrade testtider. Generellt sett är det fyra saker som bestämmer testtiden: testobjektets insvängnings- och svarstid, instrumentets insvängningstid, signalinsamlingstid och databehandlingstid. I idealfallet skulle användarna föredra att testtiden begränsades bara av testobjektet, inte av testutrustningen. Vid RF-tester brukar dock instruments insvängningstid och signalbehandlingstid vara de dominerande faktorerna.

Ett tillvägagångssätt för instrumentkonstruktion som utnyttjar SDR tar itu med båda dessa frågor. Användning av digital signalbehandling i både signalgenerator och mottagare minskar väsentligen insvängnings- och bearbetningstiden. En digital nedblandning utökar dessutom det dynamiska området, vilket möjliggör kortare signalinsamlingstid.

Flexibilitet fortsätter att vara en viktig egenskap för testinstrument, särskilt inom kommunikationsområdet. De viktigaste tekniska och ekonomiska kraven i kommunikationsrelaterad testinstrumentering inkluderar bred modulations- och demodulationsbandbredd, brett dynamiskt område och snabbt genomflöde.

På senare år har digitala kommunikationssystem förändrats snabbt, särskilt i fråga om modulationsformat. Nya standarder ställer ökade krav på testinstrument såsom signalkällor för generering av nya modulationsformat, medan signalanalysatorer måste kunna demodulera och analysera dessa nya vågformer. Dessutom varierar kritiska prestandaparametrar beroende på kommunikationsstandarden i fråga, vilket skapar ett behov för nya analysrutiner.

Som ett resultat av detta ökar efterfrågan på testinstrument som snabbt och lätt kan uppgraderas för att tillgodose nya modulationsstandarder. Sådan flexibel instrumentering minskar kapitalkostnaden för utrustning eftersom användare inte tvingas köpa nya enheter för att hantera nya standarder.

Möjligheten att uppgradera instrument är önskvärda inte bara utifrån ett kostnadsperspektiv utan även ur ett "time-to-market"-perspektiv. Eftersom kommunikationsstandarder ibland ändras under utvecklingsfasen har tillverkare inte råd att vänta på att nästa generations testutrustning ska utvecklas, vilket kan kräva modifiering av signalgenererings- och analysrutiner.

Sådana instrumentkrav gör SDR till en livskraftig konstruktionsmetod för nästa generations testinstrumentering. Samma kostnads- och prestandakompromisser som gäller för generiska SDR-tillämpningar gäller även för testinstrument. Tidiga SDR-baserade testinstrument använde antingen mjukvarubearbetning eller en metod baserad på FPGAer. Med framsteg inom signalbehandlingsutrustning såsom DSPer, DDCer och DUCer är det nu praktiskt att använda dess komponenter för testinstrument. Dessutom kan användningen av sådana komponenter ge den bästa balansen mellan kostnad och prestanda.

SDR-tekniker i testinstrument erbjuder väsentliga fördelar för såväl utrustningstillverkare som slutanvändare. En fördel är att det lätt går att uppgradera instrumentet till nya kommunikationsstandarder. När nya standarder kommer fram kan DSP-program för de nya funktionerna lätt skapas och distribueras till ägare av existerande instrument via firmware-uppgraderingar. En annan fördel är kortare testtider tack vare snabbare frekvensomkoppling och signalanalys. Slutligen kan tillverkare av testinstrument snabbare nå ut på marknaden med sina produkter genom att utnyttja förmågan hos den senaste utrustningen och tekniken inom signalbehandling.