早上7點(diǎn),，你被收音機(jī)鬧鐘播放的精典搖滾音樂鬧醒,。老天，這是什么歌,？配備RDS標(biāo)準(zhǔn)的收音機(jī)屏幕上滾動(dòng)顯示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”數(shù)字文本,。在你吃早餐時(shí),，可以通過WLAN收發(fā)器從在家里查看電子郵件。準(zhǔn)備出發(fā)上班時(shí),，你進(jìn)入車庫,，用315MHz FSK發(fā)射器打開車門鎖，然后通過43MHz ASK發(fā)射器發(fā)出另一個(gè)信號(hào)打開車庫門,。從車庫倒車出來時(shí),，你可以享受衛(wèi)星無線電臺(tái)給你提供的商業(yè)免費(fèi)娛樂節(jié)目。你一邊聽著歌，一邊就可以上班了,。稍過一會(huì),，你就可以耳戴藍(lán)牙收發(fā)器，手拿3G手機(jī),。接著,，需要跟老板核對(duì)一下訂單，看起來今天你得外出干活了,。很快,，你的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)就得到一個(gè)3D定位，這樣你就準(zhǔn)備出發(fā)了,。GPS接收器的聲音提示告訴你使用收費(fèi)道路,，路上將使用RFID讀卡器向你收取適當(dāng)?shù)馁M(fèi)用。
毫無疑問,，RF技術(shù)無處不在,。但是，隨著采用無線技術(shù)用戶劇增,，涉及這些產(chǎn)品生產(chǎn)工作的工程師們所面臨的挑戰(zhàn)也在隨之增加,。事實(shí)上，在很多方面,，RF測(cè)試市場(chǎng)是與無線消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)并行發(fā)展的,，新測(cè)試儀器的特性是由新消費(fèi)產(chǎn)品決定的。
本文將說明無線領(lǐng)域的三個(gè)趨勢(shì),，這三個(gè)趨勢(shì)不僅影響RF測(cè)試儀器的設(shè)計(jì),，還影響工程師使用這些工具的方式。這三個(gè)趨勢(shì)是：
通過了解這三個(gè)趨勢(shì),，我們就能理解：為什么必須有通用,、軟件定義和具有內(nèi)在靈活性的測(cè)試平臺(tái)來滿足這些行業(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,，來描述采用可自定義軟件和模塊測(cè)量硬件來創(chuàng)建用戶定義測(cè)量方案的系統(tǒng)。盡管當(dāng)時(shí)人們對(duì)此概念仍有爭(zhēng)議,，但現(xiàn)在我們看到：RF和通信行業(yè)正在推動(dòng)這樣的測(cè)量方法的發(fā)展,。
趨勢(shì)1：片上系統(tǒng)集成度的提高
幾年以來，消費(fèi)者要求產(chǎn)品功能更豐富,，這就使在同一設(shè)備中集成的無線標(biāo)準(zhǔn)越來越多,。無論該設(shè)備是手機(jī),，抑或是汽車，設(shè)備中裝備更多RF收發(fā)器的可能性都在增大,。
五年前,，當(dāng)我看見我的手機(jī)除了支持四頻帶GSM外還具備藍(lán)牙收發(fā)器，我覺得很驚奇,。而現(xiàn)在,，任何不帶藍(lán)牙連接和3G網(wǎng)絡(luò)支持功能的手機(jī)都會(huì)被視為過時(shí)。事實(shí)上,，下一代智能手機(jī)很可能將支持更大范圍的標(biāo)準(zhǔn),，包括GSM、EDGE,、W-CDMA,、WiMAX、WLAN,、DVB-H,、Bluetooth甚至GPS。當(dāng)然,，集成多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也不僅僅局限于蜂窩通訊領(lǐng)域,。在汽車領(lǐng)域,，現(xiàn)在的信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅支持傳統(tǒng)的AM/FM收音機(jī),，還可以通過GPS提供導(dǎo)航服務(wù)，以及通過ATSC或DVB-T廣播視頻提供視頻娛樂節(jié)目,。
SOC集成度提高最明顯的例子出現(xiàn)在無線LAN（WLAN）領(lǐng)域,。在該領(lǐng)域，RF前端,、WLAN基帶和藍(lán)牙基帶都已經(jīng)集成到單個(gè)芯片中,。此外，還有很多具備無線連接的“多標(biāo)準(zhǔn)”消費(fèi)設(shè)備,。例如,，傳統(tǒng)的GPS設(shè)備中只有RF接收器作為GPS RF前端，而現(xiàn)在的GPS接收器則可能還會(huì)提供藍(lán)牙,，甚至AM/FM功能,。
正如所預(yù)料到的，消費(fèi)層多標(biāo)準(zhǔn)集成度的提高也已逐漸使半導(dǎo)體行業(yè)的價(jià)值鏈變差,。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本和小尺寸,，很多芯片廠商現(xiàn)在都提供在同一片芯片上集成多個(gè)收發(fā)器的SOC架構(gòu)。
在半導(dǎo)體和消費(fèi)產(chǎn)品兩個(gè)層面向更高集成度的轉(zhuǎn)變對(duì)消費(fèi)者是有利的,，而對(duì)于工程師,，事實(shí)證明這對(duì)于測(cè)試是個(gè)巨大的挑戰(zhàn),。在過去，工程師可以針對(duì)需要測(cè)試的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使用不同的臺(tái)式儀器,。導(dǎo)航設(shè)備可以用GPS仿真器,、蜂窩設(shè)備可以用無線測(cè)試套件，即使WLAN和藍(lán)牙測(cè)試也可以用專用的WLAN和藍(lán)牙測(cè)試設(shè)備套件,。然而,，隨著無線設(shè)備集成度的提高，原來的方法過于昂貴,。因此,，無線測(cè)試領(lǐng)域也發(fā)生了根本性的變化。
所以,，未來主流趨勢(shì)將是提供可以測(cè)試大量無線標(biāo)準(zhǔn)的通用RF發(fā)生器和分析儀,。例如，通過基于LabVIEW的PXI RF測(cè)量系統(tǒng),，相同的硬件可用于測(cè)試AM,、FM、RDS,、XM/Sirius,、ATSC、DVB,、ISDB-T,、UHF RFID、GPS,、GSM,、EDGE、W-CDMA,、WiMAX,、WLAN和其他標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中加入新標(biāo)準(zhǔn)時(shí),，測(cè)試多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)的工程師就不再需要每加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就購買一臺(tái)新的儀器,。此外，許多通用儀器可以過一段時(shí)間就進(jìn)行升級(jí),，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)或新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試功能,。
趨勢(shì)2：新的標(biāo)準(zhǔn)
在上個(gè)年代，無線通訊行業(yè)經(jīng)歷了不斷的革新,，新的無線手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備達(dá)到了前所未有的數(shù)據(jù)速率,。但是，這種革新也有代價(jià),，它也給現(xiàn)在的測(cè)試工程師帶來了巨大的挑戰(zhàn),。下一代通訊設(shè)備不僅更為復(fù)雜,，而且還對(duì)測(cè)量質(zhì)量要求更高。
無線通訊系統(tǒng)最近的一個(gè)主流革新是MIMO-OFDM（多入多出–正交頻分復(fù)用)的出現(xiàn),。1949年,，Claude Shannon提出了后人稱為“香農(nóng)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(nóng)定理
近年中，人們對(duì)技術(shù)做出很大的改進(jìn),，以求提高無線通訊信道的效率,。盡管有很多傳統(tǒng)的信道，如ATSC（廣播視頻）和GSM（蜂窩）就采用單載波調(diào)制方案,，但使用如OFDM（正交頻分復(fù)用）這樣的技術(shù)可以達(dá)到更高的效率,。事實(shí)上，DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用OFDM來提高信道效率,。
香農(nóng)定理可用于說明單天線系統(tǒng)的最大吞吐量,，但通過采用多天線系統(tǒng)可以得到更高的吞吐量。事實(shí)上,，固定和移動(dòng)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求不斷提高,，導(dǎo)致新一代采用MIMO-OFDM技術(shù)的通訊標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生。圖1中,，我們可以看到新興的標(biāo)準(zhǔn),，如WiMAX/3GPP LTE和IEEE 802.11n。
隨著固定和移動(dòng)應(yīng)用用戶對(duì)數(shù)據(jù)速率要求的提高,，很可能在未來一兩年內(nèi)我們就會(huì)看到WiMAX和IEEE 802.11n等新一代通訊標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用,。
對(duì)于測(cè)試下一代通訊設(shè)備的工程師們，采用MIMO-OFDM標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)測(cè)試儀器提出幾個(gè)關(guān)鍵要求,。首先，OFDM信號(hào)測(cè)試中,，對(duì)RF測(cè)試會(huì)有一些非常嚴(yán)苛的要求,。許多信號(hào)通常都采用更高的帶寬，不僅如此,，這些信號(hào)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(tǒng)的開發(fā)需要工程師使用同步的RF發(fā)生器和分析儀來測(cè)試設(shè)備,。最后，隨著新標(biāo)準(zhǔn)以如此之快的速度推出,，工程師需要的儀器應(yīng)不僅可以測(cè)試現(xiàn)在的無線標(biāo)準(zhǔn),，還可升級(jí)測(cè)試未來的標(biāo)準(zhǔn),。
趨勢(shì)3：縮短測(cè)試時(shí)間的壓力增大
2009年，由于很多無線產(chǎn)品的市場(chǎng)將會(huì)緊縮,，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)降低測(cè)試成本的壓力會(huì)持續(xù)增大,。事實(shí)上，由于減低生產(chǎn)測(cè)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(cè)試時(shí)間變得更加重要,。
用戶需求以最明顯的方式顯示了縮短測(cè)試時(shí)間的必要性。不管產(chǎn)品是WLAN設(shè)備,、蜂窩手機(jī),、抑或是TPMS（車胎壓力監(jiān)測(cè)）收發(fā)器，工程師不斷發(fā)現(xiàn)新的縮短整體測(cè)試時(shí)間的方法,。在很多方面,，對(duì)于材料成本低的產(chǎn)品，縮短測(cè)試時(shí)間具有當(dāng)然的必要性,。隨著材料成本的降低,，生產(chǎn)測(cè)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(dǎo)因素之一。在RF測(cè)試領(lǐng)域,，測(cè)量技術(shù)的兩個(gè)變化也表明許多廠商都面臨縮短測(cè)試時(shí)間的需要,。
首先，我們已發(fā)現(xiàn),，RF矢量信號(hào)發(fā)生器和分析儀系統(tǒng)性地轉(zhuǎn)向采用基于VCO（壓控振蕩器）的合成器,，而非采用傳統(tǒng)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(diào)諧速度,。由于基于VCO的產(chǎn)品（如NI PXIe-5663 RF矢量信號(hào)分析儀和NI PXIe-5673 RF矢量信號(hào)發(fā)生器）調(diào)諧速度高于基于YIG的同類元件，所以可以更快地進(jìn)行多頻帶的RF測(cè)量,。
需要更短測(cè)量時(shí)間的第二個(gè)標(biāo)志是現(xiàn)在越來越多的RF矢量信號(hào)分析儀中開始增加“快速測(cè)量模式”選項(xiàng),。例如，很多用于蜂窩設(shè)備的分析儀提供“快速ACP”模式,，在該模式下對(duì)鄰信道功率（ACP）等特性的測(cè)量是在時(shí)域而非頻域進(jìn)行的,。盡管用戶通常要犧牲動(dòng)態(tài)頻率，但這個(gè)選項(xiàng)可以使工程師在速度和精度間做出選擇,。
對(duì)降低測(cè)量時(shí)間的重視,，意味著工程師們必須找到更高效的方式來測(cè)試無線設(shè)備。某些情況下,，這就表示要采用并行測(cè)試方法來提高儀器的利用率,。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(cè)量,。幸運(yùn)的是,，軟件定義的PXI儀器的優(yōu)勢(shì)之一就是PXI控制器高速的測(cè)試速度,。如圖2所示，50MHz頻率范圍內(nèi)PXI RF矢量信號(hào)分析儀（NI PXIe-5663）的測(cè)量時(shí)間取決于系統(tǒng)中所用CPU,。因此,，實(shí)際上只需使用更快的CPU就能縮短測(cè)量時(shí)間。例如,，用一臺(tái)100kHz RBW時(shí),，只需將AMD Turon CPU升級(jí)為最新的Intel Core 2 Duo，就可以將50MHz頻率范圍頻譜測(cè)量時(shí)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(cè)量系統(tǒng)的工程師們就可以切實(shí)改善測(cè)量速度,。
盡管儀器測(cè)量速度很重要,，但這并不是影響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體測(cè)量時(shí)間的唯一因素。在很多情況下,，測(cè)試代碼的效率也會(huì)對(duì)測(cè)試時(shí)間有很大影響,。我們已看到很多用戶使用如LabVIEW和NI Teststand測(cè)試執(zhí)行程序這樣的軟件工具，以便能利用PXI儀器和傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器將測(cè)試自動(dòng)化,。使用這兩種工具時(shí),，遵守良好的編程習(xí)慣經(jīng)常可以大大改善測(cè)試時(shí)間,。
無論2009年無線市場(chǎng)怎樣變化,，這三個(gè)重要趨勢(shì)將繼續(xù)使RF儀器領(lǐng)域發(fā)生改變。隨著無線產(chǎn)品集成度的提高,、新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)和縮短測(cè)試時(shí)間的壓力的增大,，RF儀器也在不斷改變。因此,，現(xiàn)在的RF矢量信號(hào)發(fā)生器和分析儀不僅比過去的儀器更加靈活,，而且還可以達(dá)到前所未有的測(cè)量速度。由于人們對(duì)快速和靈活的測(cè)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的潮流,。
關(guān)于作者
David Hall是美國國家儀器公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理，負(fù)責(zé)促進(jìn)RF和無線通訊硬件和軟件的發(fā)展,。他是賓夕法尼亞州立大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)士畢業(yè)。
