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作者：David A. Hall，美國國家儀器有限公司
本文將說明無線領域的三個趨勢，這三個趨勢不僅影響RF測試儀器的設計，還影響工程師使用這些工具的方式。
正文
早上7點，你被收音機鬧鐘播放的精典搖滾音樂鬧醒。老天，這是什么歌？配備RDS標準的收音機屏幕上滾動顯示出“Wanted Dead or Alive - John Bon Jovi”數字文本。在你吃早餐時，可以通過WLAN收發器從在家里查看電子郵件。準備出發上班時，你進入車庫，用315MHz FSK發射器打開車門鎖，然后通過43MHz ASK發射器發出另一個信號打開車庫門。從車庫倒車出來時，你可以享受衛星無線電臺給你提供的商業免費娛樂節目。你一邊聽著歌，一邊就可以上班了。稍過一會，你就可以耳戴藍牙收發器，手拿3G手機。接著，需要跟老板核對一下訂單，看起來今天你得外出干活了。很快，你的GPS導航系統就得到一個3D定位，這樣你就準備出發了。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。
毫無疑問，RF技術無處不在。但是，隨著采用無線技術用戶劇增，涉及這些產品生產工作的工程師們所面臨的挑戰也在隨之增加。事實上，在很多方面，RF測試市場是與無線消費產品市場并行發展的，新測試儀器的特性是由新消費產品決定的。
本文將說明無線領域的三個趨勢，這三個趨勢不僅影響RF測試儀器的設計，還影響工程師使用這些工具的方式。這三個趨勢是：
* 片上系統（SOC）集成度的提高；
* 新的標準需采用更先進的調制技術；
* 縮短測試時間的壓力增大。
通過了解這三個趨勢，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滿足這些行業需求。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量硬件來創建用戶定義測量方案的系統。盡管當時人們對此概念仍有爭議，但現在我們看到：RF和通信行業正在推動這樣的測量方法的發展。
趨勢1：片上系統集成度的提高
幾年以來，消費者要求產品功能更豐富，這就使在同一設備中集成的無線標準越來越多。無論該設備是手機，抑或是汽車，設備中裝備更多RF收發器的可能性都在增大。
五年前，當我看見我的手機除了支持四頻帶GSM外還具備藍牙收發器，我覺得很驚奇。而現在，任何不帶藍牙連接和3G網絡支持功能的手機都會被視為過時。事實上，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，集成多個標準也不僅僅局限于蜂窩通訊領域。在汽車領域，現在的信息娛樂系統設計不僅支持傳統的AM/FM收音機，還可以通過GPS提供導航服務，以及通過ATSC或DVB-T廣播視頻提供視頻娛樂節目。
SOC集成度提高最明顯的例子出現在無線LAN（WLAN）領域。在該領域，RF前端、WLAN基帶和藍牙基帶都已經集成到單個芯片中。此外，還有很多具備無線連接的“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的價值鏈變差。為了同時實現低成本和小尺寸，很多芯片廠商現在都提供在同一片芯片上集成多個收發器的SOC架構。
在半導體和消費產品兩個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，事實證明這對于測試是個巨大的挑戰。在過去，工程師可以針對需要測試的各個標準使用不同的臺式儀器。導航設備可以用GPS仿真器、蜂窩設備可以用無線測試套件，即使WLAN和藍牙測試也可以用專用的WLAN和藍牙測試設備套件。然而，隨著無線設備集成度的提高，原來的方法過于昂貴。因此，無線測試領域也發生了根本性的變化。
所以，未來主流趨勢將是提供可以測試大量無線標準的通用RF發生器和分析儀。例如，通過基于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。當產品設計中加入新標準時，測試多個無線標準的工程師就不再需要每加一個標準就購買一臺新的儀器。此外，許多通用儀器可以過一段時間就進行升級，以實現對新標準或新出現的標準的測試功能。
趨勢2：新的標準
在上個年代，無線通訊行業經歷了不斷的革新，新的無線手機和網絡設備達到了前所未有的數據速率。但是，這種革新也有代價，它也給現在的測試工程師帶來了巨大的挑戰。下一代通訊設備不僅更為復雜，而且還對測量質量要求更高。
無線通訊系統最近的一個主流革新是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，人們對技術做出很大的改進，以求提高無線通訊信道的效率。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）這樣的技術可以達到更高的效率。事實上，DVB-T和IEEE 802.11a/g等一些標準已經使用OFDM來提高信道效率。
香農定理可用于說明單天線系統的最大吞吐量，但通過采用多天線系統可以得到更高的吞吐量。事實上，固定和移動應用對數據速率的要求不斷提高，導致新一代采用MIMO-OFDM技術的通訊標準產生。圖1中，我們可以看到新興的標準，如WiMAX/3GPP LTE和IEEE 802.11n。
隨著固定和移動應用用戶對數據速率要求的提高，很可能在未來一兩年內我們就會看到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標準會對測試儀器提出幾個關鍵要求。首先，OFDM信號測試中，對RF測試會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的一個特征）也更高，因此需要儀器具有更大的動態范圍。其次，MIMO系統的開發需要工程師使用同步的RF發生器和分析儀來測試設備。最后，隨著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線標準，還可升級測試未來的標準。
趨勢3：縮短測試時間的壓力增大
2009年，由于很多無線產品的市場將會緊縮，我們會發現降低測試成本的壓力會持續增大。事實上，由于減低生產測試成本和縮短RFIC面世時間這兩個需求的共同作用，縮短測試時間變得更加重要。
用戶需求以最明顯的方式顯示了縮短測試時間的必要性。不管產品是WLAN設備、蜂窩手機、抑或是TPMS（車胎壓力監測）收發器，工程師不斷發現新的縮短整體測試時間的方法。在很多方面，對于材料成本低的產品，縮短測試時間具有當然的必要性。隨著材料成本的降低，生產測試時間實際上成為產品COGS（產品和服務成本）的主導因素之一。在RF測試領域，測量技術的兩個變化也表明許多廠商都面臨縮短測試時間的需要。
首先，我們已發現，RF矢量信號發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的產品（如NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀和NI PXIe-5673 RF矢量信號發生器）調諧速度高于基于YIG的同類元件，所以可以更快地進行多頻帶的RF測量。
需要更短測量時間的第二個標志是現在越來越多的RF矢量信號分析儀中開始增加“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域而非頻域進行的。盡管用戶通常要犧牲動態頻率，但這個選項可以使工程師在速度和精度間做出選擇。
對降低測量時間的重視，意味著工程師們必須找到更高效的方式來測試無線設備。某些情況下，這就表示要采用并行測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行測量。幸運的是，軟件定義的PXI儀器的優勢之一就是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）的測量時間取決于系統中所用CPU。因此，實際上只需使用更快的CPU就能縮短測量時間。例如，用一臺100kHz RBW時，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，使用軟件定義的測量系統的工程師們就可以切實改善測量速度。
盡管儀器測量速度很重要，但這并不是影響自動測試系統總體測量時間的唯一因素。在很多情況下，測試代碼的效率也會對測試時間有很大影響。我們已看到很多用戶使用如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化。使用這兩種工具時，遵守良好的編程習慣經常可以大大改善測試時間。
無論2009年無線市場怎樣變化，這三個重要趨勢將繼續使RF儀器領域發生改變。隨著無線產品集成度的提高、新標準的出現和縮短測試時間的壓力的增大，RF儀器也在不斷改變。因此，現在的RF矢量信號發生器和分析儀不僅比過去的儀器更加靈活，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的潮流。
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