工控自動化應用方案：決定無線測試係統未來的三個趨勢

決定無線測試係統未來的三個趨勢

　　　　　　　　　作者：David A. Hall，美國國家儀器有限公司
　　早上7點，你被收音機鬧鍾播放的精典搖滾音樂鬧醒。老天，這是什麼歌？配備RDS標準的收音機屏幕上滾動顯示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”數字文本。在你吃早餐時，可以通過WLAN收發器從在家裏查看電子郵件。準備出發上班時，你進入車庫，用315MHz FSK發射器打開車門鎖，然後通過43MHz ASK發fa射she器qi發fa出chu另ling一yi個ge信xin號hao打da開kai車che庫ku門men。從cong車che庫ku倒dao車che出chu來lai時shi，你ni可ke以yi享xiang受shou衛wei星xing無wu線xian電dian台tai給gei你ni提ti供gong的de商shang業ye免mian費fei娛yu樂le節jie目mu。你ni一yi邊bian聽ting著zhe歌ge，一yi邊bian就jiu可ke以yi上shang班ban了le。稍shao過guo一yi會hui，你ni就jiu可ke以yi耳er戴dai藍lan牙ya收shou發fa器qi，手shou拿na3G手機。接著，需要跟老板核對一下訂單，看起來今天你得外出幹活了。很快，你的GPS導航係統就得到一個3D定位，這樣你就準備出發了。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的費用。

　　毫無疑問，RF技ji術shu無wu處chu不bu在zai。但dan是shi，隨sui著zhe采cai用yong無wu線xian技ji術shu用yong戶hu劇ju增zeng，涉she及ji這zhe些xie產chan品pin生sheng產chan工gong作zuo的de工gong程cheng師shi們men所suo麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan也ye在zai隨sui之zhi增zeng加jia。事shi實shi上shang，在zai很hen多duo方fang麵mian，RF測試市場是與無線消費產品市場並行發展的，新測試儀器的特性是由新消費產品決定的。

　　本文將說明無線領域的三個趨勢，這三個趨勢不僅影響RF測試儀器的設計，還影響工程師使用這些工具的方式。這三個趨勢是：
　　• 片上係統（SOC）集成度的提高；
　　• 新的標準需采用更先進的調製技術；
　　• 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：為什麼必須有通用、軟件定義和具有內在靈活性的測試平台來滿足這些行業需求。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建用戶定義測量方案的係統。盡管當時人們對此概念仍有爭議，但現在我們看到：RF和通信行業正在推動這樣的測量方法的發展。
　　趨勢1：片上係統集成度的提高
幾ji年nian以yi來lai，消xiao費fei者zhe要yao求qiu產chan品pin功gong能neng更geng豐feng富fu，這zhe就jiu使shi在zai同tong一yi設she備bei中zhong集ji成cheng的de無wu線xian標biao準zhun越yue來lai越yue多duo。無wu論lun該gai設she備bei是shi手shou機ji，抑yi或huo是shi汽qi車che，設she備bei中zhong裝zhuang備bei更geng多duoRF收發器的可能性都在增大。
　　五年前，當我看見我的手機除了支持四頻帶GSM外還具備藍牙收發器，我覺得很驚奇。而現在，任何不帶藍牙連接和3G網絡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範圍的標準，包括GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLAN、DVB-H、Bluetooth甚至GPS。當然，集成多個標準也不僅僅局限於蜂窩通訊領域。在汽車領域，現在的信息娛樂係統設計不僅支持傳統的AM/FM收音機，還可以通過GPS提供導航服務，以及通過ATSC或DVB-T廣播視頻提供視頻娛樂節目。
　　SOC集成度提高最明顯的例子出現在無線LAN（WLAN）領域。在該領域，RF前端、WLAN基帶和藍牙基帶都已經集成到單個芯片中。此外，還有很多具備無線連接的“多標準”消費設備。例如，傳統的GPS設備中隻有RF接收器作為GPS RF前端，而現在的GPS接收器則可能還會提供藍牙，甚至AM/FM功能。
　　zhengrusuoyuliaodaode，xiaofeicengduobiaozhunjichengdudetigaoyeyizhujianshibandaotixingyedejiazhilianbiancha。weiletongshishixiandichengbenhexiaochicun，henduoxinpianchangshangxianzaidoutigongzaitongyipianxinpianshangjichengduogeshoufaqideSOC架構。
　　在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)和(he)消(xiao)費(fei)產(chan)品(pin)兩(liang)個(ge)層(ceng)麵(mian)向(xiang)更(geng)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)的(de)轉(zhuan)變(bian)對(dui)消(xiao)費(fei)者(zhe)是(shi)有(you)利(li)的(de)，而(er)對(dui)於(yu)工(gong)程(cheng)師(shi)，事(shi)實(shi)證(zheng)明(ming)這(zhe)對(dui)於(yu)測(ce)試(shi)是(shi)個(ge)巨(ju)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。在(zai)過(guo)去(qu)，工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)針(zhen)對(dui)需(xu)要(yao)測(ce)試(shi)的(de)各(ge)個(ge)標(biao)準(zhun)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)台(tai)式(shi)儀(yi)器(qi)。導(dao)航(hang)設(she)備(bei)可(ke)以(yi)用(yong)GPS仿真器、蜂窩設備可以用無線測試套件，即使WLAN和藍牙測試也可以用專用的WLAN和藍牙測試設備套件。然而，隨著無線設備集成度的提高，原來的方法過於昂貴。因此，無線測試領域也發生了根本性的變化。
　　所以，未來主流趨勢將是提供可以測試大量無線標準的通用RF發生器和分析儀。例如，通過基於LabVIEW的PXI RF測量係統，相同的硬件可用於測試AM、FM、RDS、XM/Sirius、ATSC、DVB、ISDB-T、UHF RFID、GPS、GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLANheqitabiaozhun。dangchanpinshejizhongjiaruxinbiaozhunshi，ceshiduogewuxianbiaozhundegongchengshijiubuzaixuyaomeijiayigebiaozhunjiugoumaiyitaixindeyiqi。ciwai，xuduotongyongyiqikeyiguoyiduanshijianjiujinxingshengji，yishixianduixinbiaozhunhuoxinchuxiandebiaozhundeceshigongneng。
　　趨勢2：新的標準
在zai上shang個ge年nian代dai，無wu線xian通tong訊xun行xing業ye經jing曆li了le不bu斷duan的de革ge新xin，新xin的de無wu線xian手shou機ji和he網wang絡luo設she備bei達da到dao了le前qian所suo未wei有you的de數shu據ju速su率lv。但dan是shi，這zhe種zhong革ge新xin也ye有you代dai價jia，它ta也ye給gei現xian在zai的de測ce試shi工gong程cheng師shi帶dai來lai了le巨ju大da的de挑tiao戰zhan。下xia一yi代dai通tong訊xun設she備bei不bu僅jin更geng為wei複fu雜za，而er且qie還hai對dui測ce量liang質zhi量liang要yao求qiu更geng高gao。
　　無線通訊係統最近的一個主流革新是MIMO-OFDM（多入多出–正交頻分複用)的出現。1949年，Claude Shannon提出了後人稱為“香農定理”的公式，它指出最大信道容量受帶寬和信噪比（SNR）的限製，如公式1所示。
容量=帶寬xlog2（1+SNR）公式1.香農定理
　　近年中，人們對技術做出很大的改進，以求提高無線通訊信道的效率。盡管有很多傳統的信道，如ATSC（廣播視頻）和GSM（蜂窩）就采用單載波調製方案，但使用如OFDM（正交頻分複用）這樣的技術可以達到更高的效率。事實上，DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些標準已經使用OFDM來提高信道效率。
　　xiangnongdinglikeyongyushuomingdantianxianxitongdezuidatuntuliang，dantongguocaiyongduotianxianxitongkeyidedaogenggaodetuntuliang。shishishang，gudingheyidongyingyongduishujusulvdeyaoqiubuduantigao，daozhixinyidaicaiyongMIMO-OFDM技術的通訊標準產生。圖1中，我們可以看到新興的標準，如WiMAX/3GPP LTE和IEEE 802.11n。

　　　　　　　　　　　　圖1. 采用MIMO-OFDM技術的新標準。

　　隨著固定和移動應用用戶對數據速率要求的提高，很可能在未來一兩年內我們就會看到WiMAX和IEEE 802.11n等新一代通訊標準被廣泛采用。
　　對於測試下一代通訊設備的工程師們，采用MIMO-OFDM標準會對測試儀器提出幾個關鍵要求。首先，OFDM信號測試中，對RF測試會有一些非常嚴苛的要求。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範圍。其次，MIMO係統的開發需要工程師使用同步的RF發(fa)生(sheng)器(qi)和(he)分(fen)析(xi)儀(yi)來(lai)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)。最(zui)後(hou)，隨(sui)著(zhe)新(xin)標(biao)準(zhun)以(yi)如(ru)此(ci)之(zhi)快(kuai)的(de)速(su)度(du)推(tui)出(chu)，工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)的(de)儀(yi)器(qi)應(ying)不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)測(ce)試(shi)現(xian)在(zai)的(de)無(wu)線(xian)標(biao)準(zhun)，還(hai)可(ke)升(sheng)級(ji)測(ce)試(shi)未(wei)來(lai)的(de)標(biao)準(zhun)。
　　趨勢3：縮短測試時間的壓力增大
　　2009年，由於很多無線產品的市場將會緊縮，我們會發現降低測試成本的壓力會持續增大。事實上，由於減低生產測試成本和縮短RFIC麵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。不管產品是WLAN設備、蜂窩手機、抑或是TPMS（車胎壓力監測）收(shou)發(fa)器(qi)，工(gong)程(cheng)師(shi)不(bu)斷(duan)發(fa)現(xian)新(xin)的(de)縮(suo)短(duan)整(zheng)體(ti)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)的(de)方(fang)法(fa)。在(zai)很(hen)多(duo)方(fang)麵(mian)，對(dui)於(yu)材(cai)料(liao)成(cheng)本(ben)低(di)的(de)產(chan)品(pin)，縮(suo)短(duan)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)具(ju)有(you)當(dang)然(ran)的(de)必(bi)要(yao)性(xing)。隨(sui)著(zhe)材(cai)料(liao)成(cheng)本(ben)的(de)降(jiang)低(di)，生(sheng)產(chan)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)實(shi)際(ji)上(shang)成(cheng)為(wei)產(chan)品(pin)COGS（產品和服務成本）的主導因素之一。在RF測試領域，測量技術的兩個變化也表明許多廠商都麵臨縮短測試時間的需要。
　　首先，我們已發現，RF矢量信號發生器和分析儀係統性地轉向采用基於VCO（壓控振蕩器）的合成器，而非采用傳統的YIG元件。盡管基於YIG的合成器一直具有較好的相位噪聲特性，但基於VCO的合成器具有更快的調諧速度。由於基於VCO的產品（如NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀和NI PXIe-5673 RF矢量信號發生器）調諧速度高於基於YIG的同類元件，所以可以更快地進行多頻帶的RF測量。
　　需要更短測量時間的第二個標誌是現在越來越多的RF矢量信號分析儀中開始增加“快速測量模式”選項。例如，很多用於蜂窩設備的分析儀提供“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行的。盡管用戶通常要犧牲動態頻率，但這個選項可以使工程師在速度和精度間做出選擇。
　　duijiangdiceliangshijiandezhongshi，yiweizhegongchengshimenbixuzhaodaogenggaoxiaodefangshilaiceshiwuxianshebei。mouxieqingkuangxia，zhejiubiaoshiyaocaiyongbingxingceshifangfalaitigaoyiqideliyonglv。zailingwaiyixieqingkuangxia，zhebiaoshiRF分析儀必須以前所未有的高速進行測量。幸運的是，軟件定義的PXI儀器的優勢之一就是PXI控製器高速的測試速度。如圖2所示，50MHz頻率範圍內PXI RF矢量信號分析儀（NI PXIe-5663）的測量時間取決於係統中所用CPU。因此，實際上隻需使用更快的CPU就能縮短測量時間。例如，用一台100kHz RBW時，隻需將AMD Turon CPU升級為最新的Intel Core 2 Duo，就可以將50MHz頻率範圍頻譜測量時間從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係統的工程師們就可以切實改善測量速度。

　　　　　　　　　　　圖2. 測量時間與CPU性能的函數關係。

　　盡(jin)管(guan)儀(yi)器(qi)測(ce)量(liang)速(su)度(du)很(hen)重(zhong)要(yao)，但(dan)這(zhe)並(bing)不(bu)是(shi)影(ying)響(xiang)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)總(zong)體(ti)測(ce)量(liang)時(shi)間(jian)的(de)唯(wei)一(yi)因(yin)素(su)。在(zai)很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，測(ce)試(shi)代(dai)碼(ma)的(de)效(xiao)率(lv)也(ye)會(hui)對(dui)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)。我(wo)們(men)已(yi)看(kan)到(dao)很(hen)多(duo)用(yong)戶(hu)使(shi)用(yong)如(ru)LabVIEW和NI Teststand測試執行程序這樣的軟件工具，以便能利用PXI儀器和傳統的台式儀器將測試自動化。使用這兩種工具時，遵守良好的編程習慣經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使RF儀器領域發生改變。隨著無線產品集成度的提高、新標準的出現和縮短測試時間的壓力的增大，RF儀器也在不斷改變。因此，現在的RF矢shi量liang信xin號hao發fa生sheng器qi和he分fen析xi儀yi不bu僅jin比bi過guo去qu的de儀yi器qi更geng加jia靈ling活huo，而er且qie還hai可ke以yi達da到dao前qian所suo未wei有you的de測ce量liang速su度du。由you於yu人ren們men對dui快kuai速su和he靈ling活huo的de測ce量liang工gong作zuo有you天tian然ran的de需xu求qiu，我wo們men不bu禁jin暢chang想xiang：軟件定義的RF虛擬儀器或許將成為未來的潮流。

關於作者
David Hall是美國國家儀器公司產品市場經理，負責促進RF和無線通訊硬件和軟件的發展。他是賓夕法尼亞州立大學計算機工程學士畢業。

狀　態：離線

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