三個(gè)趨勢(shì)決定無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)未來(lái)

早上7點(diǎn)，你被收音機(jī)鬧鐘播放的精典搖滾音樂(lè)鬧醒。老天，這是什么歌?配備RDS標(biāo)準(zhǔn)的收音機(jī)屏幕上滾動(dòng)顯示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”數(shù)字文本。在你吃早餐時(shí)，可以通過(guò)WLAN收發(fā)器從在家里查看電子郵件。準(zhǔn)備出發(fā)上班時(shí)，你進(jìn)入車庫(kù)，用315MHz FSK發(fā)射器打開車門鎖，然后通過(guò)43MHz ASK發(fā)射器發(fā)出另一個(gè)信號(hào)打開車庫(kù)門。從車庫(kù)倒車出來(lái)時(shí)，你可以享受衛(wèi)星無(wú)線電臺(tái)給你提供的商業(yè)免費(fèi)娛樂(lè)節(jié)目。你一邊聽著歌，一邊就可以上班了。稍過(guò)一會(huì)，你就可以耳戴藍(lán)牙收發(fā)器，手拿3G手機(jī)。接著，需要跟老板核對(duì)一下訂單，看起來(lái)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(gè)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(fèi)道路，路上將使用RFID讀卡器向你收取適當(dāng)?shù)馁M(fèi)用。

毫無(wú)疑問(wèn)，RF技術(shù)無(wú)處不在。但是，隨著采用無(wú)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(shí)上，在很多方面，RF測(cè)試市場(chǎng)是與無(wú)線消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)并行發(fā)展的，新測(cè)試儀器的特性是由新消費(fèi)產(chǎn)品決定的。

本文將說(shuō)明無(wú)線領(lǐng)域的三個(gè)趨勢(shì)，這三個(gè)趨勢(shì)不僅影響RF測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)，還影響工程師使用這些工具的方式。這三個(gè)趨勢(shì)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(cè)試時(shí)間的壓力增大。

通過(guò)了解這三個(gè)趨勢(shì)，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(cè)試平臺(tái)來(lái)滿足這些行業(yè)需求。二十年前，美國(guó)國(guó)家儀器公司的人員率先提出“虛擬儀器”的概念，來(lái)描述采用可自定義軟件和模塊測(cè)量硬件來(lái)創(chuàng)建用戶定義測(cè)量方案的系統(tǒng)。盡管當(dāng)時(shí)人們對(duì)此概念仍有爭(zhēng)議，但現(xiàn)在我們看到：RF和通信行業(yè)正在推動(dòng)這樣的測(cè)量方法的發(fā)展。

趨勢(shì)1：片上系統(tǒng)集成度的提高

幾年以來(lái)，消費(fèi)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多。無(wú)論該設(shè)備是手機(jī)，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(jiàn)我的手機(jī)除了支持四頻帶GSM外還具備藍(lán)牙收發(fā)器，我覺(jué)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(jī)都會(huì)被視為過(guò)時(shí)。事實(shí)上，下一代智能手機(jī)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(gè)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(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅支持傳統(tǒng)的AM/FM收音機(jī)，還可以通過(guò)GPS提供導(dǎo)航服務(wù)，以及通過(guò)ATSC或DVB-T廣播視頻提供視頻娛樂(lè)節(jié)目。

SOC集成度提高最明顯的例子出現(xiàn)在無(wú)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(gè)芯片中。此外，還有很多具備無(wú)線連接的“多標(biāo)準(zhǔn)”消費(fèi)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(huì)提供藍(lán)牙，甚至AM/FM功能。

正如所預(yù)料到的，消費(fèi)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(jià)值鏈變差。為了同時(shí)實(shí)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(gè)收發(fā)器的SOC架構(gòu)。

在半導(dǎo)體和消費(fèi)產(chǎn)品兩個(gè)層面向更高集成度的轉(zhuǎn)變對(duì)消費(fèi)者是有利的，而對(duì)于工程師，事實(shí)證明這對(duì)于測(cè)試是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在過(guò)去，工程師可以針對(duì)需要測(cè)試的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使用不同的臺(tái)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(wú)線測(cè)試套件，即使WLAN和藍(lán)牙測(cè)試也可以用專用的WLAN和藍(lán)牙測(cè)試設(shè)備套件。然而，隨著無(wú)線設(shè)備集成度的提高，原來(lái)的方法過(guò)于昂貴。因此，無(wú)線測(cè)試領(lǐng)域也發(fā)生了根本性的變化。

所以，未來(lái)主流趨勢(shì)將是提供可以測(cè)試大量無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的通用RF發(fā)生器和分析儀。例如，通過(guò)基于LabVIEW的PXI RF測(cè)量系統(tǒng)，相同的硬件可用于測(cè)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(jì)中加入新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，測(cè)試多個(gè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的工程師就不再需要每加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就購(gòu)買一臺(tái)新的儀器。此外，許多通用儀器可以過(guò)一段時(shí)間就進(jìn)行升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)或新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試功能。

趨勢(shì)2：新的標(biāo)準(zhǔn)

在上個(gè)年代，無(wú)線通訊行業(yè)經(jīng)歷了不斷的革新，新的無(wú)線手機(jī)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(jià)，它也給現(xiàn)在的測(cè)試工程師帶來(lái)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(duì)測(cè)量質(zhì)量要求更高。

無(wú)線通訊系統(tǒng)最近的一個(gè)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(duì)技術(shù)做出很大的改進(jìn)，以求提高無(wú)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(shí)上，DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用OFDM來(lái)提高信道效率。

香農(nóng)定理可用于說(shuō)明單天線系統(tǒng)的最大吞吐量，但通過(guò)采用多天線系統(tǒng)可以得到更高的吞吐量。事實(shí)上，固定和移動(dòng)應(yīng)用對(duì)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。

隨著固定和移動(dòng)應(yīng)用用戶對(duì)數(shù)據(jù)速率要求的提高，很可能在未來(lái)一兩年內(nèi)我們就會(huì)看到WiMAX和IEEE 802.11n等新一代通訊標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用。
對(duì)于測(cè)試下一代通訊設(shè)備的工程師們，采用MIMO-OFDM標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)測(cè)試儀器提出幾個(gè)關(guān)鍵要求。首先，OFDM信號(hào)測(cè)試中，對(duì)RF測(cè)試會(huì)有一些非常嚴(yán)苛的要求。許多信號(hào)通常都采用更高的帶寬，不僅如此，這些信號(hào)峰均比(OFDM的一個(gè)特征)也更高，因此需要儀器具有更大的動(dòng)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(lái)測(cè)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(cè)試現(xiàn)在的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，還可升級(jí)測(cè)試未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)。

趨勢(shì)3：縮短測(cè)試時(shí)間的壓力增大

2009年，由于很多無(wú)線產(chǎn)品的市場(chǎng)將會(huì)緊縮，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)降低測(cè)試成本的壓力會(huì)持續(xù)增大。事實(shí)上，由于減低生產(chǎn)測(cè)試成本和縮短RFIC面世時(shí)間這兩個(gè)需求的共同作用，縮短測(cè)試時(shí)間變得更加重要。

用戶需求以最明顯的方式顯示了縮短測(cè)試時(shí)間的必要性。不管產(chǎn)品是WLAN設(shè)備、蜂窩手機(jī)、抑或是TPMS(車胎壓力監(jiān)測(cè))收發(fā)器，工程師不斷發(fā)現(xiàn)新的縮短整體測(cè)試時(shí)間的方法。在很多方面，對(duì)于材料成本低的產(chǎn)品，縮短測(cè)試時(shí)間具有當(dāng)然的必要性。隨著材料成本的降低，生產(chǎn)測(cè)試時(shí)間實(shí)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(cè)試領(lǐng)域，測(cè)量技術(shù)的兩個(gè)變化也表明許多廠商都面臨縮短測(cè)試時(shí)間的需要。

首先，我們已發(fā)現(xiàn)，RF矢量信號(hào)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(hào)分析儀和NI PXIe-5673 RF矢量信號(hào)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(cè)量。

需要更短測(cè)量時(shí)間的第二個(gè)標(biāo)志是現(xiàn)在越來(lái)越多的RF矢量信號(hào)分析儀中開始增加“快速測(cè)量模式”選項(xiàng)。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(duì)鄰信道功率(ACP)等特性的測(cè)量是在時(shí)域而非頻域進(jìn)行的。盡管用戶通常要犧牲動(dòng)態(tài)頻率，但這個(gè)選項(xiàng)可以使工程師在速度和精度間做出選擇。

對(duì)降低測(cè)量時(shí)間的重視，意味著工程師們必須找到更高效的方式來(lái)測(cè)試無(wú)線設(shè)備。某些情況下，這就表示要采用并行測(cè)試方法來(lái)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(cè)量。幸運(yùn)的是，軟件定義的PXI儀器的優(yōu)勢(shì)之一就是PXI控制器高速的測(cè)試速度。如圖2所示，50MHz 頻率范圍內(nèi)PXI RF矢量信號(hào)分析儀(NI PXIe-5663)的測(cè)量時(shí)間取決于系統(tǒng)中所用CPU。因此，實(shí)際上只需使用更快的CPU就能縮短測(cè)量時(shí)間。例如，用一臺(tái)100kHz RBW時(shí)，只需將AMD Turon CPU升級(jí)為最新的Intel Core 2 Duo，就可以將50MHz頻率范圍頻譜測(cè)量時(shí)間從3.3毫秒降低到2.1毫秒。因此，通過(guò)在將來(lái)采用更快的CPU，使用軟件定義的測(cè)量系統(tǒng)的工程師們就可以切實(shí)改善測(cè)量速度。

盡管儀器測(cè)量速度很重要，但這并不是影響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體測(cè)量時(shí)間的唯一因素。在很多情況下，測(cè)試代碼的效率也會(huì)對(duì)測(cè)試時(shí)間有很大影響。我們已看到很多用戶使用如LabVIEW和NI Teststand測(cè)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(tái)式儀器將測(cè)試自動(dòng)化。使用這兩種工具時(shí)，遵守良好的編程習(xí)慣經(jīng)?？梢源蟠蟾纳茰y(cè)試時(shí)間。

無(wú)論2009年無(wú)線市場(chǎng)怎樣變化，這三個(gè)重要趨勢(shì)將繼續(xù)使RF儀器領(lǐng)域發(fā)生改變。隨著無(wú)線產(chǎn)品集成度的提高、新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)和縮短測(cè)試時(shí)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(hào)發(fā)生器和分析儀不僅比過(guò)去的儀器更加靈活，而且還可以達(dá)到前所未有的測(cè)量速度。由于人們對(duì)快速和靈活的測(cè)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(lái)的潮流。