通過同一平臺測試不同無線標(biāo)準(zhǔn)

從事無線通信設(shè)計和測試的工程師如今正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，眾多無線通信標(biāo)準(zhǔn)讓人眼花繚亂，伴隨著科技的飛速進(jìn)步，新標(biāo)準(zhǔn)還會更迅猛地涌現(xiàn)。由于各種技術(shù)各具優(yōu)勢和特性，所以目前看來，沒有一個標(biāo)準(zhǔn)能唯一地壟斷市場。本文意在指出在多種標(biāo)準(zhǔn)共存的情況下，工程師如何通過一個同一的、以軟件為核心的平臺實現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的測試，從而跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

雖然無線技術(shù)在傳統(tǒng)上被認(rèn)為是電信業(yè)中的縱深部分，但這一技術(shù)正橫向擴(kuò)展至許多非傳統(tǒng)市場?，F(xiàn)在，無線技術(shù)已經(jīng)成為一項默認(rèn)的設(shè)備功能，例如：芯片將多種無線技術(shù)集成至板上、采用ZigBee或GSM方式的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、汽車使用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)無波段通信、通過無線通信實現(xiàn)胎壓監(jiān)測、RFID技術(shù)的廣泛使用、PC外設(shè)采用無線連接、工業(yè)依賴無線傳感器監(jiān)督和控制各種操作等等。

現(xiàn)有無線技術(shù)分類

回顧無線網(wǎng)絡(luò)，我們可以看到無線技術(shù)大致可以歸入：無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、局域、城域以及地區(qū)性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。其中，無線廣域網(wǎng)絡(luò)還可以歸入蜂窩技術(shù)的范疇。圖1比較了不同網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的范圍，圖2則比較了不同無線標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的范圍。

無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）包含許多各種不同的技術(shù)，是無線家庭的核心。目前正廣泛應(yīng)用于解決家庭電纜過多的超寬帶正是運用了這種技術(shù)中的UWB協(xié)議，通過它用戶可以擺脫繁復(fù)的電纜，在家中任何地方自由地放置平板電視。ZigBee針對工業(yè)部門，可使HVAC、照明和傳感器控制可以放置在任何地方而無需電纜。

無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）是個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，主要技術(shù)是802.11，其中802.11a/b/g較為人們所熟知。

無線城域網(wǎng)絡(luò)（WMAN）包含即將采用的WiMAX。802.16-2004包含兩種定點標(biāo)準(zhǔn)，一種在11GHz以下，另一種視距標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展至66GHz。由于802.16e將漫游功能添加至WiMAX，因而可以預(yù)見，它將是一種非常有發(fā)展前途的技術(shù)。

無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN）的作用范圍最為廣泛。其中，802.22是一種正在開發(fā)的嶄新標(biāo)準(zhǔn)，它可以在54～862MHz標(biāo)準(zhǔn)電視頻道的頻率范圍內(nèi)發(fā)揮作用。由于WRAN的范圍可超過40km，802.22將極有可能為WiMAX提供支持。

未來無線技術(shù)迸發(fā)希望

如果用時間軸表示各種不同的標(biāo)準(zhǔn)，許多標(biāo)準(zhǔn)的演化過程將變得十分清晰，而新標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)正以前所未有的速度進(jìn)行著，如圖３所示。在2000年之前，并存的標(biāo)準(zhǔn)只有四五種，且生命力較長，而今天，這種情況已經(jīng)完全顛覆。由于新標(biāo)準(zhǔn)如雨后春筍般出現(xiàn)，每個標(biāo)準(zhǔn)的生命周期被大大縮短。

以下列出一些正在研發(fā)階段的新興無線標(biāo)準(zhǔn)：

◆ OFDM（正交頻分復(fù)用）——這一技術(shù)正逐漸普及，并且正在許多新標(biāo)準(zhǔn)中實現(xiàn)

◆ 4G蜂窩技術(shù)

◆ 認(rèn)知無線電——作為802.22標(biāo)準(zhǔn)的一部分，這一技術(shù)可搜尋空頻譜，以便在出現(xiàn)沖突或者通信流時使用，將通信流轉(zhuǎn)移至其他未使用的頻譜中

◆ Ad Hoc和傳感器網(wǎng)絡(luò)

◆ 軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）——SDR使用可重復(fù)配置的硬件，例如FPGA，使硬件可以適用于不斷變換的網(wǎng)絡(luò)要求

◆ 多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）——在該系統(tǒng)中，使用多個天線以提高系統(tǒng)容量

◆ 超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）——在第一代設(shè)備上（3.1～4.8GHz），每個通道可以使用完整的528MHz并以480Mbit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)

并存標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)測試難度

在所有這些新舊標(biāo)準(zhǔn)同時出現(xiàn)和共存的情形下，設(shè)備生產(chǎn)商、測試工程師和設(shè)計師將面臨諸多挑戰(zhàn)。通常RF設(shè)備的購買周期是5～7年，但新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的推出周期是每兩年一輪，購買的RF設(shè)備將會很快過時。

以軟件為核心的測試平臺應(yīng)對自如

面對這樣的挑戰(zhàn)，越來越多的公司正采用一種以軟件為核心的平臺，并配合模塊化硬件，從而滿足不斷發(fā)展的技術(shù)需求。以軟件為核心的平臺可以幫助用戶有能力在第一時間測試新標(biāo)準(zhǔn)，加快其產(chǎn)品或解決方案的上市時間；只要調(diào)整軟件就可符合測試新標(biāo)準(zhǔn)的要求，具備極強(qiáng)的靈活性；對于工程師本人而言，可以在系統(tǒng)中加入自己的知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，獲得技術(shù)上的主動權(quán)，技術(shù)將不再只是握在標(biāo)準(zhǔn)廠商或者機(jī)構(gòu)手中。

美國國家儀器公司（National Instruments，NI）一直倡導(dǎo)“以軟件為核心的測試測量架構(gòu)”的概念，自1986年推出其旗艦軟件LabVIEW之后，NI一直在幫助工程師通過這一革新性的圖形化編程語言，提高他們的工作效率。其后，NI于1997年推出了基于PC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試平臺PXI。1998年，NI與其他測試測量企業(yè)共同組成了PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，迄今為止該聯(lián)盟已經(jīng)擁有超過70家會員公司和1200余種PXI產(chǎn)品，其功能包括從電源、DMM到RF，使用戶可根據(jù)特定的測試需求進(jìn)行選擇和組合。

現(xiàn)在，LabVIEW、PXI和模塊化儀器已經(jīng)成為工程師和科學(xué)家們開發(fā)和測試新技術(shù)（包括無線標(biāo)準(zhǔn)）的必備工具。在以下兩個案例中，將看到德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員使用這一技術(shù)在短短6周時間內(nèi)開發(fā)一個基于4G的系統(tǒng)；以及一家本地公司開發(fā)測試1C2G RFID系統(tǒng)的成功方案。

實踐之中見真知

MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)原型設(shè)計

這是一個極具代表性的實例，說明通過該平臺如何快速地對系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計和開發(fā)。OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，它選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，利用多個子載波并行傳輸。OFDM技術(shù)能夠克服CDMA在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時信號間干擾增大的問題，并且具有頻譜效率高、硬件實施簡單等優(yōu)點，因此OFDM被視為第四代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。MIMO（多輸入多輸出）利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

MIMO-OFDM結(jié)合了MIMO和OFDM的優(yōu)勢，可同時提升無線通信系統(tǒng)的速度、范圍和可靠性，現(xiàn)在已寫入WLAN 802.11n以及WiMAX 802.16標(biāo)準(zhǔn)之中。業(yè)界廣泛關(guān)注的第四代移動通信的研究還處于初期階段，其基本功能、核心技術(shù)還處于構(gòu)想階段，MIMO-OFDM也是構(gòu)建4G系統(tǒng)的熱門方案之一。

德州大學(xué)奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發(fā)了MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)，在UT無線網(wǎng)絡(luò)和通信實驗室Robert Heath教授的指導(dǎo)下，三名學(xué)生在6個星期內(nèi)設(shè)計了一個4G系統(tǒng)的原型。

該實驗室之所以選擇基于軟件的模塊化測試平臺，是因為通過現(xiàn)成可用的NI RF矢量信號發(fā)生器、RF矢量信號分析儀、LabVIEW軟件和調(diào)制解調(diào)工具包，研究人員們便可站在一個較高的起點上，進(jìn)而專注于核心部分的開發(fā)。在完成設(shè)計工序的時候，需要為MIMO無線通信系統(tǒng)構(gòu)建原型，并且為理論研究提供實際的驗證。傳統(tǒng)方式是采用昂貴的專用硬件，如此一來編程耗時，且很難維護(hù)。使用集成NI軟件和無線產(chǎn)品后，德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員就可以創(chuàng)建一個無線通信系統(tǒng)，包括調(diào)制、同步和均衡等各種要素。此外，該硬件也是完全可編程的，為新的開發(fā)和測試要求提供了便利。

這些研究人員所采用的硬件就是一種堅固的、基于PC的測量和自動化平臺PXI。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，增加了專門的同步總線，并且PXI的控制器運行Windows操作系統(tǒng)，從而使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。圖4是PXI總線結(jié)構(gòu)，PXI總線除了具有133MB/s的高速數(shù)據(jù)吞吐量外，還有精確的觸發(fā)總線、同步時鐘以及用于設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋镜乜偩€，從而大大提高了系統(tǒng)的性能。

基于軟件的模塊化測試平臺少不了一個靈活的軟件平臺。LabVIEW就是一個專門為工程師設(shè)計的圖形化編程語言。LabVIEW前面板可以通過用戶的自定義來顯示各種用戶界面，在這個案例中的前面板圖上（圖5右上角），您可以看到校園的兩幅圖片——上面一幅是原始的照片，下面一幅則是經(jīng)過4G系統(tǒng)傳輸之后恢復(fù)的圖片。此外，您還可以看到星座圖和一些進(jìn)行的測量。德州大學(xué)奧斯汀分校使用這一技術(shù)成功獲得了4G解決方案，現(xiàn)在加州大學(xué)伯克利分校的相關(guān)人員也在使用相同的設(shè)備進(jìn)行類似的研究。

C1G2 RFID標(biāo)簽測試方案

1類、2代(C1G2)的RFID標(biāo)準(zhǔn)是國際RFID標(biāo)準(zhǔn)組織EPCglobal新近推出的標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了運行在超高頻(UHF)、即860～960MHz頻率范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽和閱讀器之間的通信協(xié)議。C1G2提供了一種速度更快、更安全、全球承認(rèn)且部署費用更低廉的規(guī)范。至今，歐洲和北美已經(jīng)接受了這種標(biāo)準(zhǔn)。

C1G2將美國的標(biāo)簽閱讀速度提高到大約每秒1，500次，歐洲為每秒600次，如果使用目前技術(shù)，標(biāo)簽閱讀速度為100～300次。使用C1G2時，寫入速度是目前產(chǎn)品的兩倍。采用這種算法以及擴(kuò)頻技術(shù)，使閱讀器在可接受距離和不同頻率上有選擇地與不同標(biāo)簽通信。此外，該標(biāo)準(zhǔn)解決了閱讀器間的干擾問題，開放空間UHF的讀取距離可達(dá)10～20英尺。在保護(hù)標(biāo)簽信息和用戶隱私方面，C1G2包括口令保護(hù)讀訪問和永久鎖定內(nèi)存內(nèi)容的功能，并將口令的長度由8位增加到32位。C1G2采用復(fù)雜的防沖突算法，大大提高閱讀器在讀取區(qū)域中一次性讀取大量標(biāo)簽的能力。目前在大型超市購物結(jié)帳時，需要把商品一件件取出以便讀取條碼信息，在繁忙時段往往造成收銀處的擁擠。如果采用C1G2技術(shù)，只要推車經(jīng)過感應(yīng)區(qū)域，就可以完成推車內(nèi)所有商品信息的讀取，這個過程可能只需要難以置信的一秒鐘。

C1G2標(biāo)準(zhǔn)RFID帶來了眾多優(yōu)點的同時，也給生產(chǎn)廠商在標(biāo)準(zhǔn)化測試時出了難題。由于標(biāo)準(zhǔn)較新且協(xié)議復(fù)雜，對測試設(shè)備的性能要求很高，特別是RF實時應(yīng)答能力，對于生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商來說，這無疑是延遲產(chǎn)品問世的一大障礙。當(dāng)各大公司尚未在市場上推出測試解決方案的時候，中國一家工程類公司——上海聚星儀器率先開發(fā)出支持C1G2標(biāo)準(zhǔn)全部指令的測試設(shè)備。

如圖６所示，該測試方案基于NI射頻模塊化儀器硬件。其中，中頻處理硬件為內(nèi)嵌強(qiáng)大運算能力的FPGA的軟件無線電平臺NI RF RIO（Reconfigurable I/O），軟件基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境實現(xiàn)，每次RFID標(biāo)簽的應(yīng)答通信時間可在400～500微秒內(nèi)完成。目前，該測試方案正在接受RFID標(biāo)準(zhǔn)化組織的驗證。

綜上所述，面對著市場上出現(xiàn)越來越多的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以軟件為核心的測試平臺采用高性能的模塊化硬件和靈活的軟件平臺，為工程師們提供一個同一的平臺來進(jìn)行各種標(biāo)準(zhǔn)的測試，可輕松地滿足不斷變化的市場需求。這一方面使技術(shù)革新者可以不再受制于測試廠商的限制，另一方面又可幫助那些規(guī)模較小、但實力不俗的公司在快速發(fā)展的市場上具有較高的競爭力，成為市場先行者。