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決定無線測試系統(tǒng)未來的三個趨勢

　　　　　　　　　作者：David A. Hall，美國國家儀器有限公司
　　早上7點，你被收音機鬧鐘播放的精典搖滾音樂鬧醒。老天，這是什么歌？配備RDS標(biāo)準(zhǔn)的收音機屏幕上滾動顯示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”數(shù)字文本。在你吃早餐時，可以通過WLAN收發(fā)器從在家里查看電子郵件。準(zhǔn)備出發(fā)上班時，你進(jìn)入車庫，用315MHz FSK發(fā)射器打開車門鎖，然后通過43MHz ASK發(fā)射器發(fā)出另一個信號打開車庫門。從車庫倒車出來時，你可以享受衛(wèi)星無線電臺給你提供的商業(yè)免費娛樂節(jié)目。你一邊聽著歌，一邊就可以上班了。稍過一會，你就可以耳戴藍(lán)牙收發(fā)器，手拿3G手機。接著，需要跟老板核對一下訂單，看起來今天你得外出干活了。很快，你的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)就得到一個3D定位，這樣你就準(zhǔn)備出發(fā)了。GPS接收器的聲音提示告訴你使用收費道路，路上將使用RFID讀卡器向你收取適當(dāng)?shù)馁M用。

　　毫無疑問，RF技術(shù)無處不在。但是，隨著采用無線技術(shù)用戶劇增，涉及這些產(chǎn)品生產(chǎn)工作的工程師們所面臨的挑戰(zhàn)也在隨之增加。事實上，在很多方面，RF測試市場是與無線消費產(chǎn)品市場并行發(fā)展的，新測試儀器的特性是由新消費產(chǎn)品決定的。

　　本文將說明無線領(lǐng)域的三個趨勢，這三個趨勢不僅影響RF測試儀器的設(shè)計，還影響工程師使用這些工具的方式。這三個趨勢是：
　　• 片上系統(tǒng)（SOC）集成度的提高；
　　• 新的標(biāo)準(zhǔn)需采用更先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)；
　　• 縮短測試時間的壓力增大。
　　通過了解這三個趨勢，我們就能理解：為什么必須有通用、軟件定義和具有內(nèi)在靈活性的測試平臺來滿足這些行業(yè)需求。二十年前，美國國家儀器公司的人員率先提出“虛擬儀器”的概念，來描述采用可自定義軟件和模塊測量硬件來創(chuàng)建用戶定義測量方案的系統(tǒng)。盡管當(dāng)時人們對此概念仍有爭議，但現(xiàn)在我們看到：RF和通信行業(yè)正在推動這樣的測量方法的發(fā)展。
　　趨勢1：片上系統(tǒng)集成度的提高
幾年以來，消費者要求產(chǎn)品功能更豐富，這就使在同一設(shè)備中集成的無線標(biāo)準(zhǔn)越來越多。無論該設(shè)備是手機，抑或是汽車，設(shè)備中裝備更多RF收發(fā)器的可能性都在增大。
　　五年前，當(dāng)我看見我的手機除了支持四頻帶GSM外還具備藍(lán)牙收發(fā)器，我覺得很驚奇。而現(xiàn)在，任何不帶藍(lán)牙連接和3G網(wǎng)絡(luò)支持功能的手機都會被視為過時。事實上，下一代智能手機很可能將支持更大范圍的標(biāo)準(zhǔn)，包括GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLAN、DVB-H、Bluetooth甚至GPS。當(dāng)然，集成多個標(biāo)準(zhǔn)也不僅僅局限于蜂窩通訊領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，現(xiàn)在的信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計不僅支持傳統(tǒng)的AM/FM收音機，還可以通過GPS提供導(dǎo)航服務(wù)，以及通過ATSC或DVB-T廣播視頻提供視頻娛樂節(jié)目。
　　SOC集成度提高最明顯的例子出現(xiàn)在無線LAN（WLAN）領(lǐng)域。在該領(lǐng)域，RF前端、WLAN基帶和藍(lán)牙基帶都已經(jīng)集成到單個芯片中。此外，還有很多具備無線連接的“多標(biāo)準(zhǔn)”消費設(shè)備。例如，傳統(tǒng)的GPS設(shè)備中只有RF接收器作為GPS RF前端，而現(xiàn)在的GPS接收器則可能還會提供藍(lán)牙，甚至AM/FM功能。
　　正如所預(yù)料到的，消費層多標(biāo)準(zhǔn)集成度的提高也已逐漸使半導(dǎo)體行業(yè)的價值鏈變差。為了同時實現(xiàn)低成本和小尺寸，很多芯片廠商現(xiàn)在都提供在同一片芯片上集成多個收發(fā)器的SOC架構(gòu)。
　　在半導(dǎo)體和消費產(chǎn)品兩個層面向更高集成度的轉(zhuǎn)變對消費者是有利的，而對于工程師，事實證明這對于測試是個巨大的挑戰(zhàn)。在過去，工程師可以針對需要測試的各個標(biāo)準(zhǔn)使用不同的臺式儀器。導(dǎo)航設(shè)備可以用GPS仿真器、蜂窩設(shè)備可以用無線測試套件，即使WLAN和藍(lán)牙測試也可以用專用的WLAN和藍(lán)牙測試設(shè)備套件。然而，隨著無線設(shè)備集成度的提高，原來的方法過于昂貴。因此，無線測試領(lǐng)域也發(fā)生了根本性的變化。
　　所以，未來主流趨勢將是提供可以測試大量無線標(biāo)準(zhǔn)的通用RF發(fā)生器和分析儀。例如，通過基于LabVIEW的PXI RF測量系統(tǒng)，相同的硬件可用于測試AM、FM、RDS、XM/Sirius、ATSC、DVB、ISDB-T、UHF RFID、GPS、GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLAN和其他標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計中加入新標(biāo)準(zhǔn)時，測試多個無線標(biāo)準(zhǔn)的工程師就不再需要每加一個標(biāo)準(zhǔn)就購買一臺新的儀器。此外，許多通用儀器可以過一段時間就進(jìn)行升級，以實現(xiàn)對新標(biāo)準(zhǔn)或新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)的測試功能。
　　趨勢2：新的標(biāo)準(zhǔn)
在上個年代，無線通訊行業(yè)經(jīng)歷了不斷的革新，新的無線手機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備達(dá)到了前所未有的數(shù)據(jù)速率。但是，這種革新也有代價，它也給現(xiàn)在的測試工程師帶來了巨大的挑戰(zhàn)。下一代通訊設(shè)備不僅更為復(fù)雜，而且還對測量質(zhì)量要求更高。
　　無線通訊系統(tǒng)最近的一個主流革新是MIMO-OFDM（多入多出–正交頻分復(fù)用)的出現(xiàn)。1949年，Claude Shannon提出了后人稱為“香農(nóng)定理”的公式，它指出最大信道容量受帶寬和信噪比（SNR）的限制，如公式1所示。
容量=帶寬xlog2（1+SNR）公式1.香農(nóng)定理
　　近年中，人們對技術(shù)做出很大的改進(jìn)，以求提高無線通訊信道的效率。盡管有很多傳統(tǒng)的信道，如ATSC（廣播視頻）和GSM（蜂窩）就采用單載波調(diào)制方案，但使用如OFDM（正交頻分復(fù)用）這樣的技術(shù)可以達(dá)到更高的效率。事實上，DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用OFDM來提高信道效率。
　　香農(nóng)定理可用于說明單天線系統(tǒng)的最大吞吐量，但通過采用多天線系統(tǒng)可以得到更高的吞吐量。事實上，固定和移動應(yīng)用對數(shù)據(jù)速率的要求不斷提高，導(dǎo)致新一代采用MIMO-OFDM技術(shù)的通訊標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生。圖1中，我們可以看到新興的標(biāo)準(zhǔn)，如WiMAX/3GPP LTE和IEEE 802.11n。

　　　　　　　　　　　　圖1. 采用MIMO-OFDM技術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)。

　　隨著固定和移動應(yīng)用用戶對數(shù)據(jù)速率要求的提高，很可能在未來一兩年內(nèi)我們就會看到WiMAX和IEEE 802.11n等新一代通訊標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用。
　　對于測試下一代通訊設(shè)備的工程師們，采用MIMO-OFDM標(biāo)準(zhǔn)會對測試儀器提出幾個關(guān)鍵要求。首先，OFDM信號測試中，對RF測試會有一些非常嚴(yán)苛的要求。許多信號通常都采用更高的帶寬，不僅如此，這些信號峰均比（OFDM的一個特征）也更高，因此需要儀器具有更大的動態(tài)范圍。其次，MIMO系統(tǒng)的開發(fā)需要工程師使用同步的RF發(fā)生器和分析儀來測試設(shè)備。最后，隨著新標(biāo)準(zhǔn)以如此之快的速度推出，工程師需要的儀器應(yīng)不僅可以測試現(xiàn)在的無線標(biāo)準(zhǔn)，還可升級測試未來的標(biāo)準(zhǔn)。
　　趨勢3：縮短測試時間的壓力增大
　　2009年，由于很多無線產(chǎn)品的市場將會緊縮，我們會發(fā)現(xiàn)降低測試成本的壓力會持續(xù)增大。事實上，由于減低生產(chǎn)測試成本和縮短RFIC面世時間這兩個需求的共同作用，縮短測試時間變得更加重要。
　　用戶需求以最明顯的方式顯示了縮短測試時間的必要性。不管產(chǎn)品是WLAN設(shè)備、蜂窩手機、抑或是TPMS（車胎壓力監(jiān)測）收發(fā)器，工程師不斷發(fā)現(xiàn)新的縮短整體測試時間的方法。在很多方面，對于材料成本低的產(chǎn)品，縮短測試時間具有當(dāng)然的必要性。隨著材料成本的降低，生產(chǎn)測試時間實際上成為產(chǎn)品COGS（產(chǎn)品和服務(wù)成本）的主導(dǎo)因素之一。在RF測試領(lǐng)域，測量技術(shù)的兩個變化也表明許多廠商都面臨縮短測試時間的需要。
　　首先，我們已發(fā)現(xiàn)，RF矢量信號發(fā)生器和分析儀系統(tǒng)性地轉(zhuǎn)向采用基于VCO（壓控振蕩器）的合成器，而非采用傳統(tǒng)的YIG元件。盡管基于YIG的合成器一直具有較好的相位噪聲特性，但基于VCO的合成器具有更快的調(diào)諧速度。由于基于VCO的產(chǎn)品（如NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀和NI PXIe-5673 RF矢量信號發(fā)生器）調(diào)諧速度高于基于YIG的同類元件，所以可以更快地進(jìn)行多頻帶的RF測量。
　　需要更短測量時間的第二個標(biāo)志是現(xiàn)在越來越多的RF矢量信號分析儀中開始增加“快速測量模式”選項。例如，很多用于蜂窩設(shè)備的分析儀提供“快速ACP”模式，在該模式下對鄰信道功率（ACP）等特性的測量是在時域而非頻域進(jìn)行的。盡管用戶通常要犧牲動態(tài)頻率，但這個選項可以使工程師在速度和精度間做出選擇。
　　對降低測量時間的重視，意味著工程師們必須找到更高效的方式來測試無線設(shè)備。某些情況下，這就表示要采用并行測試方法來提高儀器的利用率。在另外一些情況下，這表示RF分析儀必須以前所未有的高速進(jìn)行測量。幸運的是，軟件定義的PXI儀器的優(yōu)勢之一就是PXI控制器高速的測試速度。如圖2所示，50MHz頻率范圍內(nèi)PXI RF矢量信號分析儀（NI PXIe-5663）的測量時間取決于系統(tǒng)中所用CPU。因此，實際上只需使用更快的CPU就能縮短測量時間。例如，用一臺100kHz RBW時，只需將AMD Turon CPU升級為最新的Intel Core 2 Duo，就可以將50MHz頻率范圍頻譜測量時間從3.3毫秒降低到2.1毫秒。因此，通過在將來采用更快的CPU，使用軟件定義的測量系統(tǒng)的工程師們就可以切實改善測量速度。

　　　　　　　　　　　圖2. 測量時間與CPU性能的函數(shù)關(guān)系。

　　盡管儀器測量速度很重要，但這并不是影響自動測試系統(tǒng)總體測量時間的唯一因素。在很多情況下，測試代碼的效率也會對測試時間有很大影響。我們已看到很多用戶使用如LabVIEW和NI Teststand測試執(zhí)行程序這樣的軟件工具，以便能利用PXI儀器和傳統(tǒng)的臺式儀器將測試自動化。使用這兩種工具時，遵守良好的編程習(xí)慣經(jīng)常可以大大改善測試時間。
　　無論2009年無線市場怎樣變化，這三個重要趨勢將繼續(xù)使RF儀器領(lǐng)域發(fā)生改變。隨著無線產(chǎn)品集成度的提高、新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)和縮短測試時間的壓力的增大，RF儀器也在不斷改變。因此，現(xiàn)在的RF矢量信號發(fā)生器和分析儀不僅比過去的儀器更加靈活，而且還可以達(dá)到前所未有的測量速度。由于人們對快速和靈活的測量工作有天然的需求，我們不禁暢想：軟件定義的RF虛擬儀器或許將成為未來的潮流。

關(guān)于作者
David Hall是美國國家儀器公司產(chǎn)品市場經(jīng)理，負(fù)責(zé)促進(jìn)RF和無線通訊硬件和軟件的發(fā)展。他是賓夕法尼亞州立大學(xué)計算機工程學(xué)士畢業(yè)。

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