三個(gè)趨勢決定無(wú)線(xiàn)測試系統未來(lái)

早上7點(diǎn)，你被收音機鬧鐘播放的精典搖滾音樂(lè )鬧醒。老天，這是什么歌?配備RDS標準的收音機屏幕上滾動(dòng)顯示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”數字文本。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。準備出發(fā)上班時(shí)，你進(jìn)入車(chē)庫，用315MHz FSK發(fā)射器打開(kāi)車(chē)門(mén)鎖，然后通過(guò)43MHz ASK發(fā)射器發(fā)出另一個(gè)信號打開(kāi)車(chē)庫門(mén)。從車(chē)庫倒車(chē)出來(lái)時(shí)，你可以享受衛星無(wú)線(xiàn)電臺給你提供的商業(yè)免費娛樂(lè )節目。你一邊聽(tīng)著(zhù)歌，一邊就可以上班了。稍過(guò)一會(huì )，你就可以耳戴藍牙收發(fā)器，手拿3G手機。接著(zhù)，需要跟老板核對一下訂單，看起來(lái)今天你得外出干活了。很快，你的GPS導航系統就得到一個(gè)3D定位，這樣你就準備出發(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的費用。

毫無(wú)疑問(wèn)，RF技術(shù)無(wú)處不在。但是，隨著(zhù)采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)用戶(hù)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也在隨之增加。事實(shí)上，在很多方面，RF測試市場(chǎng)是與無(wú)線(xiàn)消費產(chǎn)品市場(chǎng)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(shuō)明無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的三個(gè)趨勢，這三個(gè)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(gè)趨勢是：

片上系統(SOC)集成度的提高;

新的標準需采用更先進(jìn)的調制技術(shù);

縮短測試時(shí)間的壓力增大。

通過(guò)了解這三個(gè)趨勢，我們就能理解：為什么必須有通用、軟件定義和具有內在靈活性的測試平臺來(lái)滿(mǎn)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(lái)描述采用可自定義軟件和模塊測量硬件來(lái)創(chuàng )建用戶(hù)定義測量方案的系統。盡管當時(shí)人們對此概念仍有爭議，但現在我們看到：RF和通信行業(yè)正在推動(dòng)這樣的測量方法的發(fā)展。

趨勢1：片上系統集成度的提高

幾年以來(lái)，消費者要求產(chǎn)品功能更豐富，這就使在同一設備中集成的無(wú)線(xiàn)標準越來(lái)越多。無(wú)論該設備是手機，抑或是汽車(chē)，設備中裝備更多RF收發(fā)器的可能性都在增大。

五年前，當我看見(jiàn)我的手機除了支持四頻帶GSM外還具備藍牙收發(fā)器，我覺(jué)得很驚奇。而現在，任何不帶藍牙連接和3G網(wǎng)絡(luò )支持功能的手機都會(huì )被視為過(guò)時(shí)。事實(shí)上，下一代智能手機很可能將支持更大范圍的標準，包括GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLAN、DVB-H、Bluetooth甚至 GPS。當然，集成多個(gè)標準也不僅僅局限于蜂窩通訊領(lǐng)域。在汽車(chē)領(lǐng)域，現在的信息娛樂(lè )系統設計不僅支持傳統的AM/FM收音機，還可以通過(guò)GPS提供導航服務(wù)，以及通過(guò)ATSC或DVB-T廣播視頻提供視頻娛樂(lè )節目。

SOC集成度提高最明顯的例子出現在無(wú)線(xiàn)LAN(WLAN)領(lǐng)域。在該領(lǐng)域，RF前端、WLAN基帶和藍牙基帶都已經(jīng)集成到單個(gè)芯片中。此外，還有很多具備無(wú)線(xiàn)連接的“多標準”消費設備。例如，傳統的GPS設備中只有RF接收器作為GPS RF前端，而現在的GPS接收器則可能還會(huì )提供藍牙，甚至AM/FM功能。

正如所預料到的，消費層多標準集成度的提高也已逐漸使半導體行業(yè)的價(jià)值鏈變差。為了同時(shí)實(shí)現低成本和小尺寸，很多芯片廠(chǎng)商現在都提供在同一片芯片上集成多個(gè)收發(fā)器的SOC架構。

在半導體和消費產(chǎn)品兩個(gè)層面向更高集成度的轉變對消費者是有利的，而對于工程師，事實(shí)證明這對于測試是個(gè)巨大的挑戰。在過(guò)去，工程師可以針對需要測試的各個(gè)標準使用不同的臺式儀器。導航設備可以用GPS仿真器、蜂窩設備可以用無(wú)線(xiàn)測試套件，即使WLAN和藍牙測試也可以用專(zhuān)用的WLAN和藍牙測試設備套件。然而，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)設備集成度的提高，原來(lái)的方法過(guò)于昂貴。因此，無(wú)線(xiàn)測試領(lǐng)域也發(fā)生了根本性的變化。

所以，未來(lái)主流趨勢將是提供可以測試大量無(wú)線(xiàn)標準的通用RF發(fā)生器和分析儀。例如，通過(guò)基于LabVIEW的PXI RF測量系統，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和其他標準。當產(chǎn)品設計中加入新標準時(shí)，測試多個(gè)無(wú)線(xiàn)標準的工程師就不再需要每加一個(gè)標準就購買(mǎi)一臺新的儀器。此外，許多通用儀器可以過(guò)一段時(shí)間就進(jìn)行升級，以實(shí)現對新標準或新出現的標準的測試功能。

趨勢2：新的標準

在上個(gè)年代，無(wú)線(xiàn)通訊行業(yè)經(jīng)歷了不斷的革新，新的無(wú)線(xiàn)手機和網(wǎng)絡(luò )設備達到了前所未有的數據速率。但是，這種革新也有代價(jià)，它也給現在的測試工程師帶來(lái)了巨大的挑戰。下一代通訊設備不僅更為復雜，而且還對測量質(zhì)量要求更高。

無(wú)線(xiàn)通訊系統最近的一個(gè)主流革新是MIMO-OFDM(多入多出–正交頻分復用)的出現。1949年，Claude Shannon提出了后人稱(chēng)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)的限制，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(shù)做出很大的改進(jìn)，以求提高無(wú)線(xiàn)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)就采用單載波調制方案，但使用如OFDM(正交頻分復用)這樣的技術(shù)可以達到更高的效率。事實(shí)上，DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些標準已經(jīng)使用OFDM來(lái)提高信道效率。

香農定理可用于說(shuō)明單天線(xiàn)系統的最大吞吐量，但通過(guò)采用多天線(xiàn)系統可以得到更高的吞吐量。事實(shí)上，固定和移動(dòng)應用對數據速率的要求不斷提高，導致新一代采用MIMO-OFDM技術(shù)的通訊標準產(chǎn)生。圖1中，我們可以看到新興的標準，如WiMAX/3GPP LTE和IEEE 802.11n。

隨著(zhù)固定和移動(dòng)應用用戶(hù)對數據速率要求的提高，很可能在未來(lái)一兩年內我們就會(huì )看到WiMAX和IEEE 802.11n等新一代通訊標準被廣泛采用。
對于測試下一代通訊設備的工程師們，采用MIMO-OFDM標準會(huì )對測試儀器提出幾個(gè)關(guān)鍵要求。首先，OFDM信號測試中，對RF測試會(huì )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(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系統的開(kāi)發(fā)需要工程師使用同步的RF發(fā)生器和分析儀來(lái)測試設備。最后，隨著(zhù)新標準以如此之快的速度推出，工程師需要的儀器應不僅可以測試現在的無(wú)線(xiàn)標準，還可升級測試未來(lái)的標準。

趨勢3：縮短測試時(shí)間的壓力增大

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

用戶(hù)需求以最明顯的方式顯示了縮短測試時(shí)間的必要性。不管產(chǎn)品是WLAN設備、蜂窩手機、抑或是TPMS(車(chē)胎壓力監測)收發(fā)器，工程師不斷發(fā)現新的縮短整體測試時(shí)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(shí)間具有當然的必要性。隨著(zhù)材料成本的降低，生產(chǎn)測試時(shí)間實(shí)際上成為產(chǎn)品COGS(產(chǎn)品和服務(wù)成本)的主導因素之一。在RF測試領(lǐng)域，測量技術(shù)的兩個(gè)變化也表明許多廠(chǎng)商都面臨縮短測試時(shí)間的需要。

首先，我們已發(fā)現，RF矢量信號發(fā)生器和分析儀系統性地轉向采用基于VCO(壓控振蕩器)的合成器，而非采用傳統的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)調諧速度高于基于YIG的同類(lèi)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(shí)間的第二個(gè)標志是現在越來(lái)越多的RF矢量信號分析儀中開(kāi)始增加“快速測量模式”選項。例如，很多用于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(shí)域而非頻域進(jìn)行的。盡管用戶(hù)通常要犧牲動(dòng)態(tài)頻率，但這個(gè)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(shí)間的重視，意味著(zhù)工程師們必須找到更高效的方式來(lái)測試無(wú)線(xiàn)設備。某些情況下，這就表示要采用并行測試方法來(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PXI RF矢量信號分析儀(NI PXIe-5663)的測量時(shí)間取決于系統中所用CPU。因此，實(shí)際上只需使用更快的CPU就能縮短測量時(shí)間。例如，用一臺100kHz RBW時(shí)，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(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，使用軟件定義的測量系統的工程師們就可以切實(shí)改善測量速度。

盡管儀器測量速度很重要，但這并不是影響自動(dòng)測試系統總體測量時(shí)間的唯一因素。在很多情況下，測試代碼的效率也會(huì )對測試時(shí)間有很大影響。我們已看到很多用戶(hù)使用如LabVIEW和NI Teststand測試執行程序這樣的軟件工具，以便能利用PXI儀器和傳統的臺式儀器將測試自動(dòng)化。使用這兩種工具時(shí)，遵守良好的編程習慣經(jīng)?？梢源蟠蟾纳茰y試時(shí)間。

無(wú)論2009年無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)怎樣變化，這三個(gè)重要趨勢將繼續使RF儀器領(lǐng)域發(fā)生改變。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品集成度的提高、新標準的出現和縮短測試時(shí)間的壓力的增大，RF儀器也在不斷改變。因此，現在的RF矢量信號發(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(lái)的潮流。