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决定无线测试系统未来的三个趋势

美国国家仪器(NI)有限公司
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         作者:David A. Hall,美国国家仪器有限公司
  早上7点,你被收音机闹钟播放的精典摇滚音乐闹醒。老天,这是什么歌?配备RDS标准的收音机屏幕上滚动显示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”数字文本。在你吃早餐时,可以通过WLAN收发器从在家里查看电子邮件。准备出发上班时,你进入车库,用315MHz FSK发射器打开车门锁,然后通过43MHz ASK发射器发出另一个信号打开车库门。从车库倒车出来时,你可以享受卫星无线电台给你提供的商业免费娱乐节目。你一边听着歌,一边就可以上班了。稍过一会,你就可以耳戴蓝牙收发器,手拿3G手机。接着,需要跟老板核对一下订单,看起来今天你得外出干活了。很快,你的GPS导航系统就得到一个3D定位,这样你就准备出发了。GPS接收器的声音提示告诉你使用收费道路,路上将使用RFID读卡器向你收取适当的费用。

  毫无疑问,RF技术无处不在。但是,随着采用无线技术用户剧增,涉及这些产品生产工作的工程师们所面临的挑战也在随之增加。事实上,在很多方面,RF测试市场是与无线消费产品市场并行发展的,新测试仪器的特性是由新消费产品决定的。

  本文将说明无线领域的三个趋势,这三个趋势不仅影响RF测试仪器的设计,还影响工程师使用这些工具的方式。这三个趋势是:
  • 片上系统(SOC)集成度的提高;
  • 新的标准需采用更先进的调制技术;
  • 缩短测试时间的压力增大。
  通过了解这三个趋势,我们就能理解:为什么必须有通用、软件定义和具有内在灵活性的测试平台来满足这些行业需求。二十年前,美国国家仪器公司的人员率先提出“虚拟仪器”的概念,来描述采用可自定义软件和模块测量硬件来创建用户定义测量方案的系统。尽管当时人们对此概念仍有争议,但现在我们看到:RF和通信行业正在推动这样的测量方法的发展。
  趋势1:片上系统集成度的提高
几年以来,消费者要求产品功能更丰富,这就使在同一设备中集成的无线标准越来越多。无论该设备是手机,抑或是汽车,设备中装备更多RF收发器的可能性都在增大。
  五年前,当我看见我的手机除了支持四频带GSM外还具备蓝牙收发器,我觉得很惊奇。而现在,任何不带蓝牙连接和3G网络支持功能的手机都会被视为过时。事实上,下一代智能手机很可能将支持更大范围的标准,包括GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLAN、DVB-H、Bluetooth甚至GPS。当然,集成多个标准也不仅仅局限于蜂窝通讯领域。在汽车领域,现在的信息娱乐系统设计不仅支持传统的AM/FM收音机,还可以通过GPS提供导航服务,以及通过ATSC或DVB-T广播视频提供视频娱乐节目。
  SOC集成度提高最明显的例子出现在无线LAN(WLAN)领域。在该领域,RF前端、WLAN基带和蓝牙基带都已经集成到单个芯片中。此外,还有很多具备无线连接的“多标准”消费设备。例如,传统的GPS设备中只有RF接收器作为GPS RF前端,而现在的GPS接收器则可能还会提供蓝牙,甚至AM/FM功能。
  正如所预料到的,消费层多标准集成度的提高也已逐渐使半导体行业的价值链变差。为了同时实现低成本和小尺寸,很多芯片厂商现在都提供在同一片芯片上集成多个收发器的SOC架构。
  在半导体和消费产品两个层面向更高集成度的转变对消费者是有利的,而对于工程师,事实证明这对于测试是个巨大的挑战。在过去,工程师可以针对需要测试的各个标准使用不同的台式仪器。导航设备可以用GPS仿真器、蜂窝设备可以用无线测试套件,即使WLAN和蓝牙测试也可以用专用的WLAN和蓝牙测试设备套件。然而,随着无线设备集成度的提高,原来的方法过于昂贵。因此,无线测试领域也发生了根本性的变化。
  所以,未来主流趋势将是提供可以测试大量无线标准的通用RF发生器和分析仪。例如,通过基于LabVIEW的PXI RF测量系统,相同的硬件可用于测试AM、FM、RDS、XM/Sirius、ATSC、DVB、ISDB-T、UHF RFID、GPS、GSM、EDGE、W-CDMA、WiMAX、WLAN和其他标准。当产品设计中加入新标准时,测试多个无线标准的工程师就不再需要每加一个标准就购买一台新的仪器。此外,许多通用仪器可以过一段时间就进行升级,以实现对新标准或新出现的标准的测试功能。
  趋势2:新的标准
在上个年代,无线通讯行业经历了不断的革新,新的无线手机和网络设备达到了前所未有的数据速率。但是,这种革新也有代价,它也给现在的测试工程师带来了巨大的挑战。下一代通讯设备不仅更为复杂,而且还对测量质量要求更高。
  无线通讯系统最近的一个主流革新是MIMO-OFDM(多入多出–正交频分复用)的出现。1949年,Claude Shannon提出了后人称为“香农定理”的公式,它指出最大信道容量受带宽和信噪比(SNR)的限制,如公式1所示。
容量=带宽xlog2(1+SNR) 公式1.香农定理
  近年中,人们对技术做出很大的改进,以求提高无线通讯信道的效率。尽管有很多传统的信道,如ATSC(广播视频)和GSM(蜂窝)就采用单载波调制方案,但使用如OFDM(正交频分复用)这样的技术可以达到更高的效率。事实上,DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些标准已经使用OFDM来提高信道效率。
  香农定理可用于说明单天线系统的最大吞吐量,但通过采用多天线系统可以得到更高的吞吐量。事实上,固定和移动应用对数据速率的要求不断提高,导致新一代采用MIMO-OFDM技术的通讯标准产生。图1中,我们可以看到新兴的标准,如WiMAX/3GPP LTE和IEEE 802.11n。

            图1. 采用MIMO-OFDM技术的新标准。
 
  随着固定和移动应用用户对数据速率要求的提高,很可能在未来一两年内我们就会看到WiMAX和IEEE 802.11n等新一代通讯标准被广泛采用。
  对于测试下一代通讯设备的工程师们,采用MIMO-OFDM标准会对测试仪器提出几个关键要求。首先,OFDM信号测试中,对RF测试会有一些非常严苛的要求。许多信号通常都采用更高的带宽,不仅如此,这些信号峰均比(OFDM的一个特征)也更高,因此需要仪器具有更大的动态范围。其次,MIMO系统的开发需要工程师使用同步的RF发生器和分析仪来测试设备。最后,随着新标准以如此之快的速度推出,工程师需要的仪器应不仅可以测试现在的无线标准,还可升级测试未来的标准。
  趋势3:缩短测试时间的压力增大
  2009年,由于很多无线产品的市场将会紧缩,我们会发现降低测试成本的压力会持续增大。事实上,由于减低生产测试成本和缩短RFIC面世时间这两个需求的共同作用,缩短测试时间变得更加重要。
  用户需求以最明显的方式显示了缩短测试时间的必要性。不管产品是WLAN设备、蜂窝手机、抑或是TPMS(车胎压力监测)收发器,工程师不断发现新的缩短整体测试时间的方法。在很多方面,对于材料成本低的产品,缩短测试时间具有当然的必要性。随着材料成本的降低,生产测试时间实际上成为产品COGS(产品和服务成本)的主导因素之一。在RF测试领域,测量技术的两个变化也表明许多厂商都面临缩短测试时间的需要。
  首先,我们已发现,RF矢量信号发生器和分析仪系统性地转向采用基于VCO(压控振荡器)的合成器,而非采用传统的YIG元件。尽管基于YIG的合成器一直具有较好的相位噪声特性,但基于VCO的合成器具有更快的调谐速度。由于基于VCO的产品(如NI PXIe-5663 RF矢量信号分析仪和NI PXIe-5673 RF矢量信号发生器)调谐速度高于基于YIG的同类元件,所以可以更快地进行多频带的RF测量。
  需要更短测量时间的第二个标志是现在越来越多的RF矢量信号分析仪中开始增加“快速测量模式”选项。例如,很多用于蜂窝设备的分析仪提供“快速ACP”模式,在该模式下对邻信道功率(ACP)等特性的测量是在时域而非频域进行的。尽管用户通常要牺牲动态频率,但这个选项可以使工程师在速度和精度间做出选择。
  对降低测量时间的重视,意味着工程师们必须找到更高效的方式来测试无线设备。某些情况下,这就表示要采用并行测试方法来提高仪器的利用率。在另外一些情况下,这表示RF分析仪必须以前所未有的高速进行测量。幸运的是,软件定义的PXI仪器的优势之一就是PXI控制器高速的测试速度。如图2所示,50MHz频率范围内PXI RF矢量信号分析仪(NI PXIe-5663)的测量时间取决于系统中所用CPU。因此,实际上只需使用更快的CPU就能缩短测量时间。例如,用一台100kHz RBW时,只需将AMD Turon CPU升级为最新的Intel Core 2 Duo,就可以将50MHz频率范围频谱测量时间从3.3毫秒降低到2.1毫秒。因此,通过在将来采用更快的CPU,使用软件定义的测量系统的工程师们就可以切实改善测量速度。 
 

           图2. 测量时间与CPU性能的函数关系。
 
  尽管仪器测量速度很重要,但这并不是影响自动测试系统总体测量时间的唯一因素。在很多情况下,测试代码的效率也会对测试时间有很大影响。我们已看到很多用户使用如LabVIEW和NI Teststand测试执行程序这样的软件工具,以便能利用PXI仪器和传统的台式仪器将测试自动化。使用这两种工具时,遵守良好的编程习惯经常可以大大改善测试时间。
  无论2009年无线市场怎样变化,这三个重要趋势将继续使RF仪器领域发生改变。随着无线产品集成度的提高、新标准的出现和缩短测试时间的压力的增大,RF仪器也在不断改变。因此,现在的RF矢量信号发生器和分析仪不仅比过去的仪器更加灵活,而且还可以达到前所未有的测量速度。由于人们对快速和灵活的测量工作有天然的需求,我们不禁畅想:软件定义的RF虚拟仪器或许将成为未来的潮流。
 
关于作者

David Hall是美国国家仪器公司产品市场经理,负责促进RF和无线通讯硬件和软件的发展。他是宾夕法尼亚州立大学计算机工程学士毕业。
 
 

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