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傳統(tǒng)工程面對一個(gè)新的無線標(biāo)準(zhǔn)的測試的反應(yīng)往往涉及選擇一臺技術(shù)規(guī)范最接近的臺式儀器。
對于具有多項(xiàng)測試需求的自動化測試系統(tǒng)，這一方式通常會導(dǎo)致面向系統(tǒng)內(nèi)的每一項(xiàng)測試需求采用不同的臺式儀器。當(dāng)這些測試需求統(tǒng)一且保持不變時(shí)，這一方法或許可以奏效，但是，對于現(xiàn)今的復(fù)雜RF設(shè)備（它往往采用多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)）的測試，它會變得麻煩、緩慢且最終成本更高。一種軟件定義的方式非常適合RF驗(yàn)證、確認(rèn)和生產(chǎn)測試的自動化，而傳統(tǒng)的RF臺式儀器將繼續(xù)在設(shè)計(jì)工作臺上發(fā)揮重要的作用。
儀器揭秘
現(xiàn)今的工程師們?yōu)榱藵M足其RF測試需求，必須超越常規(guī)的臺式儀器思維。然而，為了做到這些，他們首先需要了解一個(gè)典型的RF臺式儀器的內(nèi)部細(xì)節(jié)。在每個(gè)約38000立方厘米的金屬與塑料的薄片封裝內(nèi)是一個(gè)廠商定義的世界，包括構(gòu)成一個(gè)RF臺式儀器的組件；典型情況下，它包括一個(gè)電源、處理器、PC主板或背板、嵌入式操作系統(tǒng)、測量庫和一個(gè)軟件顯示裝置。一個(gè)臺式儀器的傳統(tǒng)吸引力在于將這些應(yīng)用于一組特定測量需求的匹配組件組合在一起。
這一方式可以滿足具有常見測試需求的RF設(shè)備的測試。然而，近些年來，一個(gè)臺式儀器面向自動化RF測試的效率業(yè)已隨著無線設(shè)備的特性的持續(xù)變化而顯著衰退。無線設(shè)備的產(chǎn)量也超過了傳統(tǒng)RF臺式儀器的典型測試吞吐量，因?yàn)楦鼮榫徛奶幚砥骱蛿?shù)據(jù)總線技術(shù)往往比當(dāng)前的PC技術(shù)落后好幾代。對于傳統(tǒng)RF儀器的組成和采用測量功能固定與次優(yōu)的I/O處理所面臨的挑戰(zhàn)的清晰理解，有助于工程師們超越常規(guī)考慮如何滿足RF自動化測量的需求。
Software-Defined Approach 軟件定義的方式
所有類型的自動化測量系統(tǒng)（包括RF）向軟件定義的儀器系統(tǒng)的遷移，正快速增長，預(yù)計(jì)截止2009年底將有100000個(gè)基于PXI的系統(tǒng)被發(fā)布，其中包括超過600000個(gè)軟件定義的儀器模塊。開放的、用戶定義的軟件與模塊化的、基于PC的硬件非常適合自動化的RF測試應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁咝阅艿奶幚砥髋c數(shù)據(jù)總線、靈活的I/O外設(shè)、緊湊的模塊化設(shè)計(jì)、智能的電源分配與監(jiān)測和整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的精確定時(shí)與同步。
換言之，該實(shí)現(xiàn)自動化的RF測試的軟件定義方式使用了與傳統(tǒng)RF臺式儀器類型相似的組件，但在一個(gè)模塊化、用戶定義的架構(gòu)中運(yùn)用這些組件。該方式為工程師們提供了最高性能的組件，用戶可編程的I/O與分析，以及一個(gè)在要求最嚴(yán)格的RF測試環(huán)境中已證明其可靠性的緊湊外形尺寸。對于超越傳統(tǒng)臺式儀器進(jìn)行思考的工程師們，最終的回饋是一個(gè)更快速、更靈活且具有相同精度的RF測試解決方案――所有這些只需要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)堆砌傳統(tǒng)RF儀器的成本的幾分之一。為了進(jìn)一步理解面向RF的軟件定義的儀器系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，我們考察下面的案例，它們描述了該方式的速率、靈活性和精度如何在滿足目前的RF測試需求時(shí)實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升。
測量速率――WLAN
軟件定義的PXI測量系統(tǒng)的核心優(yōu)勢之一便是比傳統(tǒng)RF儀器高得多的測量速率。雖然這一優(yōu)勢在測試多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會有惡化，但是，工程師們也可以在測試單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（如無線局域網(wǎng)（WLAN））時(shí)顯著提升速率。
WLAN測量，如誤差矢量幅度（EVM）和頻譜模板，需要大量的信號處理。憑借PXI控制器中的多核CPU，工程師們可以利用軟件定義的RF儀器系統(tǒng)，如NI PXIe-5663 6.6 GHz RF矢量信號分析儀，以超過5-10倍的速率執(zhí)行這些測量。而且，利用面向LabVIEW的NI WLAN工具集的工程師們可以在每次一個(gè)更快速的PXI多核控制器發(fā)布時(shí)，自動升級其測量性能，因?yàn)闇y試庫是專為多核執(zhí)行而設(shè)計(jì)的。在圖1中，觀察關(guān)于在各種RF信號分析儀上進(jìn)行一個(gè)54 Mbps突發(fā)信號的EVM和功率測量的WLAN測量時(shí)間的比較。
圖1．比較相互競爭的儀器的EVM測量時(shí)間。
基于NI LabVIEW的PXI WLAN測量系統(tǒng)中所采用的高性能多核處理器，以超過傳統(tǒng)向量信號分析儀和專用WLAN儀器盒5-10倍的速率，執(zhí)行絕大多數(shù)的IEEE 802.11a/b/g測量。
靈活的儀器系統(tǒng)――廣播射頻
軟件定義的儀器系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢在于利用相同的RF硬件測試多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)的靈活性。現(xiàn)今的無線設(shè)備需要滿足與日俱增的大量標(biāo)準(zhǔn)。例如，現(xiàn)代的智能電話往往支持最少六項(xiàng)無線標(biāo)準(zhǔn)，如GSM/EDGE/WCDMA、藍(lán)牙、GPS以及甚至WLAN。此外，一些現(xiàn)代廣播射頻接收裝置支持10項(xiàng)以上無線標(biāo)準(zhǔn)，包括AM/FM、RDS/RDBS、Sirius、XM、DAB、IBOC、GPS、RDS承載的TMC以及甚至DARC。因而，在無線測試中顯然需要一個(gè)足夠靈活以便在新的無線標(biāo)準(zhǔn)涌現(xiàn)時(shí)對其進(jìn)行處理的儀器系統(tǒng)。
利用軟件定義的儀器系統(tǒng)，工程師們可以在LabVIEW中創(chuàng)建任意的廣播射頻信號，并將其下載至一個(gè)PXI RF向量信號發(fā)生器的存儲器中，以進(jìn)行即時(shí)廣播測試。例如，Averna公司（一個(gè)NI優(yōu)選聯(lián)盟合作者）的工程師們提供了基于PXI的通用射頻測試儀（URT），以利用相同的RF儀器系統(tǒng)測試多個(gè)射頻標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)典型的Averna URT系統(tǒng)如圖2所示。
除了生成射頻廣播標(biāo)準(zhǔn)外，Averna URT執(zhí)行RF記錄與回放。該技術(shù)充分利用了PXI數(shù)據(jù)總線的高數(shù)據(jù)速率和LabVIEW軟件的高性能數(shù)據(jù)存儲與處理。通過在實(shí)驗(yàn)室中記錄和回放RF信號，工程師們可以驗(yàn)證接收裝置，如FM、DVB-T或GPS接收裝置，在其最終的發(fā)布環(huán)境內(nèi)如何工作。
精確的儀器系統(tǒng)――WiMAX
軟件定義的RF儀器系統(tǒng)最后一項(xiàng)優(yōu)勢在于工程師們可以以比傳統(tǒng)儀器更低的成本進(jìn)行高精度的測量。隨著新的無線標(biāo)準(zhǔn)（如WiMAX和第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）的長期演進(jìn)技術(shù)（LTE））的涌現(xiàn)，許多無線設(shè)備必須滿足比以往更嚴(yán)格的RF性能要求。例如，對于54 Mbps、64-正交幅度調(diào)制（QAM）的信號類型，一個(gè)802.11a/g （WLAN）發(fā)射裝置的最小EVM需求為-25 dB。如3GPP LTE和WiMAX等更新的標(biāo)準(zhǔn)則需要滿足甚至更高的RF性能需求。相比之下，對于一個(gè)相似的64-QAM信號類型，一個(gè)802.16-2004（固定的WiMAX）設(shè)備的最小EVM需求為-31 dB，即要求更好的RF性能。
現(xiàn)今的軟件定義的儀器系統(tǒng)幫助工程師們以低于以往可能的成本實(shí)現(xiàn)世界級的RF測量性能。三年前，一個(gè)RF向量信號發(fā)生器和分析儀，如果能夠?qū)崿F(xiàn)面向固定的WiMAX的-45 dB EVM測量和面向WCDMA的65 dBc相鄰?fù)ǖ佬孤侗龋ˋCLR）測量，那么，無論來自哪一家廠商，其價(jià)格都會超過十萬美元。然而，今天，工程師們可以利用新型PXI儀器，如NI PXIe-5663 6.6 GHz RF向量信號分析儀和NI PXIe-5673 RF向量信號發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)這一水平的精度，其成本低于6.5萬美元（包括底板和控制器）。這兩款儀器均采用了最新的16-位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一個(gè)具有寬即時(shí)頻帶（分別為50 MHz和100 MHz）的低相位噪聲合成器（在1 GHz處為-110 dBc/Hz），以實(shí)現(xiàn)低成本的精確測量。
例如，考慮NI PXIe-5663和PXIe-5673對于一個(gè)3.5 GHz的固定的WiMAX信號的殘余EVM性能。利用面向固定的WiMAX的新型NI測量套件，工程師們可以可視化展現(xiàn)一個(gè)16-QAM信號的星座圖。該圖形提供了調(diào)制精度的一個(gè)可視化表示，其中更小的點(diǎn)意味著更好的RF性能。圖3中所報(bào)告的EVM為-46 dB（即0.5%），該結(jié)果比固定的WiMAX設(shè)備的最小性能需求高出15dB。
隨著關(guān)于測量速率、靈活性和精度的需求的提高，工程師們必須繼續(xù)打破常規(guī)進(jìn)行思考，以獲得創(chuàng)新的RF測試解決方案。幸運(yùn)的是，模塊化的、軟件定義的儀器系統(tǒng)賦予工程師們新的工具，以測試大量無線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的持續(xù)增長。
Richard McDonell是NI公司負(fù)責(zé)PXI和VXI的資深集團(tuán)經(jīng)理。他擁有德克薩斯A ＆ M大學(xué)的電氣工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位。
David Hall是NI公司負(fù)責(zé)RF與無線通信硬件與軟件的一位產(chǎn)品經(jīng)理。他擁有賓尼伐利亞州立大學(xué)的計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)士學(xué)位。
對于具有多項(xiàng)測試需求的自動化測試系統(tǒng)，這一方式通常會導(dǎo)致面向系統(tǒng)內(nèi)的每一項(xiàng)測試需求采用不同的臺式儀器。當(dāng)這些測試需求統(tǒng)一且保持不變時(shí)，這一方法或許可以奏效，但是，對于現(xiàn)今的復(fù)雜RF設(shè)備（它往往采用多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)）的測試，它會變得麻煩、緩慢且最終成本更高。一種軟件定義的方式非常適合RF驗(yàn)證、確認(rèn)和生產(chǎn)測試的自動化，而傳統(tǒng)的RF臺式儀器將繼續(xù)在設(shè)計(jì)工作臺上發(fā)揮重要的作用。
儀器揭秘
現(xiàn)今的工程師們?yōu)榱藵M足其RF測試需求，必須超越常規(guī)的臺式儀器思維。然而，為了做到這些，他們首先需要了解一個(gè)典型的RF臺式儀器的內(nèi)部細(xì)節(jié)。在每個(gè)約38000立方厘米的金屬與塑料的薄片封裝內(nèi)是一個(gè)廠商定義的世界，包括構(gòu)成一個(gè)RF臺式儀器的組件；典型情況下，它包括一個(gè)電源、處理器、PC主板或背板、嵌入式操作系統(tǒng)、測量庫和一個(gè)軟件顯示裝置。一個(gè)臺式儀器的傳統(tǒng)吸引力在于將這些應(yīng)用于一組特定測量需求的匹配組件組合在一起。
這一方式可以滿足具有常見測試需求的RF設(shè)備的測試。然而，近些年來，一個(gè)臺式儀器面向自動化RF測試的效率業(yè)已隨著無線設(shè)備的特性的持續(xù)變化而顯著衰退。無線設(shè)備的產(chǎn)量也超過了傳統(tǒng)RF臺式儀器的典型測試吞吐量，因?yàn)楦鼮榫徛奶幚砥骱蛿?shù)據(jù)總線技術(shù)往往比當(dāng)前的PC技術(shù)落后好幾代。對于傳統(tǒng)RF儀器的組成和采用測量功能固定與次優(yōu)的I/O處理所面臨的挑戰(zhàn)的清晰理解，有助于工程師們超越常規(guī)考慮如何滿足RF自動化測量的需求。
Software-Defined Approach 軟件定義的方式
所有類型的自動化測量系統(tǒng)（包括RF）向軟件定義的儀器系統(tǒng)的遷移，正快速增長，預(yù)計(jì)截止2009年底將有100000個(gè)基于PXI的系統(tǒng)被發(fā)布，其中包括超過600000個(gè)軟件定義的儀器模塊。開放的、用戶定義的軟件與模塊化的、基于PC的硬件非常適合自動化的RF測試應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁咝阅艿奶幚砥髋c數(shù)據(jù)總線、靈活的I/O外設(shè)、緊湊的模塊化設(shè)計(jì)、智能的電源分配與監(jiān)測和整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的精確定時(shí)與同步。
換言之，該實(shí)現(xiàn)自動化的RF測試的軟件定義方式使用了與傳統(tǒng)RF臺式儀器類型相似的組件，但在一個(gè)模塊化、用戶定義的架構(gòu)中運(yùn)用這些組件。該方式為工程師們提供了最高性能的組件，用戶可編程的I/O與分析，以及一個(gè)在要求最嚴(yán)格的RF測試環(huán)境中已證明其可靠性的緊湊外形尺寸。對于超越傳統(tǒng)臺式儀器進(jìn)行思考的工程師們，最終的回饋是一個(gè)更快速、更靈活且具有相同精度的RF測試解決方案――所有這些只需要在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)堆砌傳統(tǒng)RF儀器的成本的幾分之一。為了進(jìn)一步理解面向RF的軟件定義的儀器系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，我們考察下面的案例，它們描述了該方式的速率、靈活性和精度如何在滿足目前的RF測試需求時(shí)實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升。
測量速率――WLAN
軟件定義的PXI測量系統(tǒng)的核心優(yōu)勢之一便是比傳統(tǒng)RF儀器高得多的測量速率。雖然這一優(yōu)勢在測試多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會有惡化，但是，工程師們也可以在測試單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（如無線局域網(wǎng)（WLAN））時(shí)顯著提升速率。
WLAN測量，如誤差矢量幅度（EVM）和頻譜模板，需要大量的信號處理。憑借PXI控制器中的多核CPU，工程師們可以利用軟件定義的RF儀器系統(tǒng)，如NI PXIe-5663 6.6 GHz RF矢量信號分析儀，以超過5-10倍的速率執(zhí)行這些測量。而且，利用面向LabVIEW的NI WLAN工具集的工程師們可以在每次一個(gè)更快速的PXI多核控制器發(fā)布時(shí)，自動升級其測量性能，因?yàn)闇y試庫是專為多核執(zhí)行而設(shè)計(jì)的。在圖1中，觀察關(guān)于在各種RF信號分析儀上進(jìn)行一個(gè)54 Mbps突發(fā)信號的EVM和功率測量的WLAN測量時(shí)間的比較。
圖1．比較相互競爭的儀器的EVM測量時(shí)間。
基于NI LabVIEW的PXI WLAN測量系統(tǒng)中所采用的高性能多核處理器，以超過傳統(tǒng)向量信號分析儀和專用WLAN儀器盒5-10倍的速率，執(zhí)行絕大多數(shù)的IEEE 802.11a/b/g測量。
靈活的儀器系統(tǒng)――廣播射頻
軟件定義的儀器系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢在于利用相同的RF硬件測試多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)的靈活性。現(xiàn)今的無線設(shè)備需要滿足與日俱增的大量標(biāo)準(zhǔn)。例如，現(xiàn)代的智能電話往往支持最少六項(xiàng)無線標(biāo)準(zhǔn)，如GSM/EDGE/WCDMA、藍(lán)牙、GPS以及甚至WLAN。此外，一些現(xiàn)代廣播射頻接收裝置支持10項(xiàng)以上無線標(biāo)準(zhǔn)，包括AM/FM、RDS/RDBS、Sirius、XM、DAB、IBOC、GPS、RDS承載的TMC以及甚至DARC。因而，在無線測試中顯然需要一個(gè)足夠靈活以便在新的無線標(biāo)準(zhǔn)涌現(xiàn)時(shí)對其進(jìn)行處理的儀器系統(tǒng)。
利用軟件定義的儀器系統(tǒng)，工程師們可以在LabVIEW中創(chuàng)建任意的廣播射頻信號，并將其下載至一個(gè)PXI RF向量信號發(fā)生器的存儲器中，以進(jìn)行即時(shí)廣播測試。例如，Averna公司（一個(gè)NI優(yōu)選聯(lián)盟合作者）的工程師們提供了基于PXI的通用射頻測試儀（URT），以利用相同的RF儀器系統(tǒng)測試多個(gè)射頻標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)典型的Averna URT系統(tǒng)如圖2所示。
除了生成射頻廣播標(biāo)準(zhǔn)外，Averna URT執(zhí)行RF記錄與回放。該技術(shù)充分利用了PXI數(shù)據(jù)總線的高數(shù)據(jù)速率和LabVIEW軟件的高性能數(shù)據(jù)存儲與處理。通過在實(shí)驗(yàn)室中記錄和回放RF信號，工程師們可以驗(yàn)證接收裝置，如FM、DVB-T或GPS接收裝置，在其最終的發(fā)布環(huán)境內(nèi)如何工作。
精確的儀器系統(tǒng)――WiMAX
軟件定義的RF儀器系統(tǒng)最后一項(xiàng)優(yōu)勢在于工程師們可以以比傳統(tǒng)儀器更低的成本進(jìn)行高精度的測量。隨著新的無線標(biāo)準(zhǔn)（如WiMAX和第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）的長期演進(jìn)技術(shù)（LTE））的涌現(xiàn)，許多無線設(shè)備必須滿足比以往更嚴(yán)格的RF性能要求。例如，對于54 Mbps、64-正交幅度調(diào)制（QAM）的信號類型，一個(gè)802.11a/g （WLAN）發(fā)射裝置的最小EVM需求為-25 dB。如3GPP LTE和WiMAX等更新的標(biāo)準(zhǔn)則需要滿足甚至更高的RF性能需求。相比之下，對于一個(gè)相似的64-QAM信號類型，一個(gè)802.16-2004（固定的WiMAX）設(shè)備的最小EVM需求為-31 dB，即要求更好的RF性能。
現(xiàn)今的軟件定義的儀器系統(tǒng)幫助工程師們以低于以往可能的成本實(shí)現(xiàn)世界級的RF測量性能。三年前，一個(gè)RF向量信號發(fā)生器和分析儀，如果能夠?qū)崿F(xiàn)面向固定的WiMAX的-45 dB EVM測量和面向WCDMA的65 dBc相鄰?fù)ǖ佬孤侗龋ˋCLR）測量，那么，無論來自哪一家廠商，其價(jià)格都會超過十萬美元。然而，今天，工程師們可以利用新型PXI儀器，如NI PXIe-5663 6.6 GHz RF向量信號分析儀和NI PXIe-5673 RF向量信號發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)這一水平的精度，其成本低于6.5萬美元（包括底板和控制器）。這兩款儀器均采用了最新的16-位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一個(gè)具有寬即時(shí)頻帶（分別為50 MHz和100 MHz）的低相位噪聲合成器（在1 GHz處為-110 dBc/Hz），以實(shí)現(xiàn)低成本的精確測量。
例如，考慮NI PXIe-5663和PXIe-5673對于一個(gè)3.5 GHz的固定的WiMAX信號的殘余EVM性能。利用面向固定的WiMAX的新型NI測量套件，工程師們可以可視化展現(xiàn)一個(gè)16-QAM信號的星座圖。該圖形提供了調(diào)制精度的一個(gè)可視化表示，其中更小的點(diǎn)意味著更好的RF性能。圖3中所報(bào)告的EVM為-46 dB（即0.5%），該結(jié)果比固定的WiMAX設(shè)備的最小性能需求高出15dB。
隨著關(guān)于測量速率、靈活性和精度的需求的提高，工程師們必須繼續(xù)打破常規(guī)進(jìn)行思考，以獲得創(chuàng)新的RF測試解決方案。幸運(yùn)的是，模塊化的、軟件定義的儀器系統(tǒng)賦予工程師們新的工具，以測試大量無線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的持續(xù)增長。
Richard McDonell是NI公司負(fù)責(zé)PXI和VXI的資深集團(tuán)經(jīng)理。他擁有德克薩斯A ＆ M大學(xué)的電氣工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位。
David Hall是NI公司負(fù)責(zé)RF與無線通信硬件與軟件的一位產(chǎn)品經(jīng)理。他擁有賓尼伐利亞州立大學(xué)的計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)士學(xué)位。
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