通過(guò)同一平臺測試不同無(wú)線(xiàn)標準

從事無(wú)線(xiàn)通信設計和測試的工程師如今正面臨著(zhù)前所未有的挑戰，眾多無(wú)線(xiàn)通信標準讓人眼花繚亂，伴隨著(zhù)科技的飛速進(jìn)步，新標準還會(huì )更迅猛地涌現。由于各種技術(shù)各具優(yōu)勢和特性，所以目前看來(lái)，沒(méi)有一個(gè)標準能唯一地壟斷市場(chǎng)。本文意在指出在多種標準共存的情況下，工程師如何通過(guò)一個(gè)同一的、以軟件為核心的平臺實(shí)現多種標準的測試，從而跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

雖然無(wú)線(xiàn)技術(shù)在傳統上被認為是電信業(yè)中的縱深部分，但這一技術(shù)正橫向擴展至許多非傳統市場(chǎng)?，F在，無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為一項默認的設備功能，例如：芯片將多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)集成至板上、采用ZigBee或GSM方式的無(wú)線(xiàn)遠程抄表系統、汽車(chē)使用藍牙技術(shù)實(shí)現無(wú)波段通信、通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現胎壓監測、RFID技術(shù)的廣泛使用、PC外設采用無(wú)線(xiàn)連接、工業(yè)依賴(lài)無(wú)線(xiàn)傳感器監督和控制各種操作等等。

現有無(wú)線(xiàn)技術(shù)分類(lèi)

回顧無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，我們可以看到無(wú)線(xiàn)技術(shù)大致可以歸入：無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )、局域、城域以及地區性區域網(wǎng)絡(luò )。其中，無(wú)線(xiàn)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 )所對應的范圍，圖2則比較了不同無(wú)線(xiàn)標準所對應的范圍。

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

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )（WLAN）是個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )的擴展，主要技術(shù)是802.11，其中802.11a/b/g較為人們所熟知。

無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)絡(luò )（WMAN）包含即將采用的WiMAX。802.16-2004包含兩種定點(diǎn)標準，一種在11GHz以下，另一種視距標準擴展至66GHz。由于802.16e將漫游功能添加至WiMAX，因而可以預見(jiàn)，它將是一種非常有發(fā)展前途的技術(shù)。

無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)絡(luò )（WRAN）的作用范圍最為廣泛。其中，802.22是一種正在開(kāi)發(fā)的嶄新標準，它可以在54～862MHz標準電視頻道的頻率范圍內發(fā)揮作用。由于WRAN的范圍可超過(guò)40km，802.22將極有可能為WiMAX提供支持。

未來(lái)無(wú)線(xiàn)技術(shù)迸發(fā)希望

如果用時(shí)間軸表示各種不同的標準，許多標準的演化過(guò)程將變得十分清晰，而新標準的開(kāi)發(fā)正以前所未有的速度進(jìn)行著(zhù)，如圖３所示。在2000年之前，并存的標準只有四五種，且生命力較長(cháng)，而今天，這種情況已經(jīng)完全顛覆。由于新標準如雨后春筍般出現，每個(gè)標準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(wú)線(xiàn)標準：

◆ OFDM（正交頻分復用）——這一技術(shù)正逐漸普及，并且正在許多新標準中實(shí)現

◆ 4G蜂窩技術(shù)

◆ 認知無(wú)線(xiàn)電——作為802.22標準的一部分，這一技術(shù)可搜尋空頻譜，以便在出現沖突或者通信流時(shí)使用，將通信流轉移至其他未使用的頻譜中

◆ Ad Hoc和傳感器網(wǎng)絡(luò )

◆ 軟件無(wú)線(xiàn)電（Software Defined Radio，SDR）——SDR使用可重復配置的硬件，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（MIMO）——在該系統中，使用多個(gè)天線(xiàn)以提高系統容量

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

并存標準挑戰測試難度

在所有這些新舊標準同時(shí)出現和共存的情形下，設備生產(chǎn)商、測試工程師和設計師將面臨諸多挑戰。通常RF設備的購買(mǎi)周期是5～7年，但新標準和新技術(shù)的推出周期是每?jì)赡暌惠?，購買(mǎi)的RF設備將會(huì )很快過(guò)時(shí)。

以軟件為核心的測試平臺應對自如

面對這樣的挑戰，越來(lái)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(mǎn)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(hù)有能力在第一時(shí)間測試新標準，加快其產(chǎn)品或解決方案的上市時(shí)間；只要調整軟件就可符合測試新標準的要求，具備極強的靈活性；對于工程師本人而言，可以在系統中加入自己的知識產(chǎn)權技術(shù)，獲得技術(shù)上的主動(dòng)權，技術(shù)將不再只是握在標準廠(chǎng)商或者機構手中。

美國國家儀器公司（National Instruments，NI）一直倡導“以軟件為核心的測試測量架構”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(guò)這一革新性的圖形化編程語(yǔ)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)標準測試平臺PXI。1998年，NI與其他測試測量企業(yè)共同組成了PXI系統聯(lián)盟，迄今為止該聯(lián)盟已經(jīng)擁有超過(guò)70家會(huì )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(hù)可根據特定的測試需求進(jìn)行選擇和組合。

現在，LabVIEW、PXI和模塊化儀器已經(jīng)成為工程師和科學(xué)家們開(kāi)發(fā)和測試新技術(shù)（包括無(wú)線(xiàn)標準）的必備工具。在以下兩個(gè)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(shí)間內開(kāi)發(fā)一個(gè)基于4G的系統；以及一家本地公司開(kāi)發(fā)測試1C2G RFID系統的成功方案。

實(shí)踐之中見(jiàn)真知

MIMO-OFDM 4G系統原型設計

這是一個(gè)極具代表性的實(shí)例，說(shuō)明通過(guò)該平臺如何快速地對系統進(jìn)行原型設計和開(kāi)發(fā)。OFDM（正交頻分復用）是一種多載波數字通信調制技術(shù)，它選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，利用多個(gè)子載波并行傳輸。OFDM技術(shù)能夠克服CDMA在支持高速率數據傳輸時(shí)信號間干擾增大的問(wèn)題，并且具有頻譜效率高、硬件實(shí)施簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此OFDM被視為第四代移動(dòng)通信系統中的核心技術(shù)。MIMO（多輸入多輸出）利用多個(gè)天線(xiàn)實(shí)現多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

MIMO-OFDM結合了MIMO和OFDM的優(yōu)勢，可同時(shí)提升無(wú)線(xiàn)通信系統的速度、范圍和可靠性，現在已寫(xiě)入WLAN 802.11n以及WiMAX 802.16標準之中。業(yè)界廣泛關(guān)注的第四代移動(dòng)通信的研究還處于初期階段，其基本功能、核心技術(shù)還處于構想階段，MIMO-OFDM也是構建4G系統的熱門(mén)方案之一。

德州大學(xué)奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開(kāi)發(fā)了MIMO-OFDM 4G系統，在UT無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和通信實(shí)驗室Robert Heath教授的指導下，三名學(xué)生在6個(gè)星期內設計了一個(gè)4G系統的原型。

該實(shí)驗室之所以選擇基于軟件的模塊化測試平臺，是因為通過(guò)現成可用的NI RF矢量信號發(fā)生器、RF矢量信號分析儀、LabVIEW軟件和調制解調工具包，研究人員們便可站在一個(gè)較高的起點(diǎn)上，進(jìn)而專(zhuān)注于核心部分的開(kāi)發(fā)。在完成設計工序的時(shí)候，需要為MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統構建原型，并且為理論研究提供實(shí)際的驗證。傳統方式是采用昂貴的專(zhuān)用硬件，如此一來(lái)編程耗時(shí)，且很難維護。使用集成NI軟件和無(wú)線(xiàn)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(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統，包括調制、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(kāi)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(dòng)化平臺PXI。PXI結合了PCI的電氣總線(xiàn)特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，增加了專(zhuān)門(mén)的同步總線(xiàn)，并且PXI的控制器運行Windows操作系統，從而使它成為測量和自動(dòng)化系統的高性能、低成本運載平臺。圖4是PXI總線(xiàn)結構，PXI總線(xiàn)除了具有133MB/s的高速數據吞吐量外，還有精確的觸發(fā)總線(xiàn)、同步時(shí)鐘以及用于設備間數據傳輸的本地總線(xiàn)，從而大大提高了系統的性能。

基于軟件的模塊化測試平臺少不了一個(gè)靈活的軟件平臺。LabVIEW就是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為工程師設計的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW前面板可以通過(guò)用戶(hù)的自定義來(lái)顯示各種用戶(hù)界面，在這個(gè)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(guò)4G系統傳輸之后恢復的圖片。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備進(jìn)行類(lèi)似的研究。

C1G2 RFID標簽測試方案

1類(lèi)、2代(C1G2)的RFID標準是國際RFID標準組織EPCglobal新近推出的標準，其規定了運行在超高頻(UHF)、即860～960MHz頻率范圍內的RFID標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、全球承認且部署費用更低廉的規范。至今，歐洲和北美已經(jīng)接受了這種標準。

C1G2將美國的標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)，標簽閱讀速度為100～300次。使用C1G2時(shí)，寫(xiě)入速度是目前產(chǎn)品的兩倍。采用這種算法以及擴頻技術(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簽通信。此外，該標準解決了閱讀器間的干擾問(wèn)題，開(kāi)放空間UHF的讀取距離可達10～20英尺。在保護標簽信息和用戶(hù)隱私方面，C1G2包括口令保護讀訪(fǎng)問(wèn)和永久鎖定內存內容的功能，并將口令的長(cháng)度由8位增加到32位。C1G2采用復雜的防沖突算法，大大提高閱讀器在讀取區域中一次性讀取大量標簽的能力。目前在大型超市購物結帳時(shí)，需要把商品一件件取出以便讀取條碼信息，在繁忙時(shí)段往往造成收銀處的擁擠。如果采用C1G2技術(shù)，只要推車(chē)經(jīng)過(guò)感應區域，就可以完成推車(chē)內所有商品信息的讀取，這個(gè)過(guò)程可能只需要難以置信的一秒鐘。

C1G2標準RFID帶來(lái)了眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也給生產(chǎn)廠(chǎng)商在標準化測試時(shí)出了難題。由于標準較新且協(xié)議復雜，對測試設備的性能要求很高，特別是RF實(shí)時(shí)應答能力，對于生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是延遲產(chǎn)品問(wèn)世的一大障礙。當各大公司尚未在市場(chǎng)上推出測試解決方案的時(shí)候，中國一家工程類(lèi)公司——上海聚星儀器率先開(kāi)發(fā)出支持C1G2標準全部指令的測試設備。

如圖６所示，該測試方案基于NI射頻模塊化儀器硬件。其中，中頻處理硬件為內嵌強大運算能力的FPGA的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺NI RF RIO（Reconfigurable I/O），軟件基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境實(shí)現，每次RFID標簽的應答通信時(shí)間可在400～500微秒內完成。目前，該測試方案正在接受RFID標準化組織的驗證。

綜上所述，面對著(zhù)市場(chǎng)上出現越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)應用標準，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(gè)同一的平臺來(lái)進(jìn)行各種標準的測試，可輕松地滿(mǎn)足不斷變化的市場(chǎng)需求。這一方面使技術(shù)革新者可以不再受制于測試廠(chǎng)商的限制，另一方面又可幫助那些規模較小、但實(shí)力不俗的公司在快速發(fā)展的市場(chǎng)上具有較高的競爭力，成為市場(chǎng)先行者。