RF軟件定義儀器突破傳統(tǒng)機(jī)箱限制 實(shí)現(xiàn)高性能射頻測(cè)試

通常情況下，工程師在測(cè)試新的無線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，往往會(huì)選擇使用規(guī)格最接近的機(jī)箱。對(duì)于擁有多種測(cè)試需求的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)來說，上述方法常導(dǎo)致不同的測(cè)量需求就需不同的機(jī)箱。當(dāng)測(cè)試需求一致且不變時(shí)，機(jī)箱測(cè)試的方法當(dāng)然游刃有余，但若要測(cè)試符合多種無線標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜射頻(RF)設(shè)備時(shí)，此方法就顯得麻煩、昂貴且緩不濟(jì)急。相比之下，軟件定義的測(cè)試方法適用于RF的認(rèn)證、檢驗(yàn)與產(chǎn)品測(cè)試。當(dāng)然，傳統(tǒng)的RF機(jī)箱在設(shè)計(jì)平臺(tái)中仍持續(xù)扮演重要角色。

無線設(shè)備演進(jìn)快　測(cè)試機(jī)箱望塵莫及

現(xiàn)今工程師必須脫離RF測(cè)試需求的機(jī)箱框架，但是脫離機(jī)箱的框架以前，必須先知道一般的RF機(jī)箱內(nèi)部構(gòu)造與內(nèi)容物。在每個(gè)大小約38,000立方厘米的金屬板塑料盒中，有著各供貨商提供的零件，通常有電源供應(yīng)器、處理器、計(jì)算機(jī)主板或背板、嵌入式操作系統(tǒng)、測(cè)量鏈接庫與軟件顯示器等。機(jī)箱的傳統(tǒng)用處就是配置這些零件，以滿足某個(gè)特定的測(cè)量需求。

當(dāng)RF設(shè)備僅需一般的測(cè)試需求時(shí)，此方法當(dāng)然可行。然而近年來無線設(shè)備的特性不斷演進(jìn)，因此用機(jī)箱進(jìn)行自動(dòng)化RF測(cè)試的效率大不如前。無線設(shè)備的產(chǎn)能也超過了傳統(tǒng)RF測(cè)試機(jī)箱的測(cè)試效率，因?yàn)闄C(jī)箱內(nèi)部使用的處理器與數(shù)據(jù)總線的速度早已不堪使用。但若能了解傳統(tǒng)RF儀器的組成，并知道其固定測(cè)量功能與未達(dá)最佳標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出(I/O)處理時(shí)的挑戰(zhàn)，就能協(xié)助工程師針對(duì)自動(dòng)化RF測(cè)量需求，思考如何脫離機(jī)箱的框架。

具備高性能射頻測(cè)試　軟件定義儀器脫穎而出

包含RF在內(nèi)的各種自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，正快速地從機(jī)箱測(cè)試轉(zhuǎn)移到軟件定義儀器操作。至2009年底，估計(jì)已出現(xiàn)十萬組PXI架構(gòu)的系統(tǒng)，包含超過六十萬個(gè)軟件定義的儀器模塊。此開放式且由用戶定義的軟件，還有模塊化的計(jì)算機(jī)架構(gòu)硬件，均適用自動(dòng)化RF測(cè)試應(yīng)用，且提供最佳性能的處理器與數(shù)據(jù)總線、周邊輸入/輸出的彈性、精巧的模塊設(shè)計(jì)、智能型電力分配與監(jiān)控及準(zhǔn)確的同步化頻率與系統(tǒng)。

換句話說，自動(dòng)化RF測(cè)試的軟件定義方式，使用了與傳統(tǒng)RF機(jī)箱類似的零件，卻用在模塊化且使用者定義的架構(gòu)中，此方法提供了最佳性能的組件、可由用戶進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的輸入/輸出與分析、精巧的機(jī)箱體積可于最嚴(yán)苛的RF測(cè)試環(huán)境中達(dá)到極高且穩(wěn)定的性能。一旦工程師脫離機(jī)箱框架，即可獲得更快、更有彈性且同樣準(zhǔn)確的RF測(cè)試解決方案。若與在系統(tǒng)中堆棧傳統(tǒng)RF機(jī)箱相比，更可降低相關(guān)成本。

為了進(jìn)一步了解RF軟件定義儀器的優(yōu)點(diǎn)，下列范例則說明該方法的速度、彈性與準(zhǔn)確度，以大幅改善現(xiàn)況并滿足現(xiàn)今的RF測(cè)試需求。

掌握速度優(yōu)勢(shì)　PXI降低測(cè)量時(shí)間

軟件定義的PXI測(cè)量系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)之一，即是擁有比傳統(tǒng)RF儀器更短的測(cè)量時(shí)間。當(dāng)測(cè)試多重?zé)o線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此優(yōu)勢(shì)就更為明顯。若僅測(cè)試無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)的單一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，速度亦有大幅提升。

以WLAN測(cè)量操作中的錯(cuò)誤矢量幅度(EVM)與頻譜屏蔽等操作為例，均須處理大量信號(hào)。若于PXI控制器中使用多核心中央處理器(CPU)，并搭配美國國家儀器(NI)PXIe-5663 6.6GHz RF矢量信號(hào)分析儀等軟件定義的RF儀器，就能以五至十倍的速度進(jìn)行測(cè)量。此外，因?yàn)闇y(cè)試鏈接庫是針對(duì)多核心所設(shè)計(jì)，因此若針對(duì)LabVIEW使用NI WLAN工具組，因此只要市面上出現(xiàn)更高速的PXI多核心控制器，工程師就可自動(dòng)升級(jí)測(cè)量性能。

圖1針對(duì)不同的RF信號(hào)分析儀，比較54Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率之下的EVM操作與功率測(cè)量操作，其使用WLAN的測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)短。NI LabVIEW軟件的PXI WLAN測(cè)量系統(tǒng)中，其高性能多核心處理器在執(zhí)行大部分的IEEE 802.11a/b/g測(cè)量時(shí)，會(huì)比傳統(tǒng)的矢量信號(hào)分析儀與專業(yè)WLAN機(jī)箱快上約五至十倍的速度。

圖1 比較各種儀器的EVM測(cè)量時(shí)間

無線標(biāo)準(zhǔn)繁雜　軟件定義儀器一把抓

軟件定義儀器的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即是使用相同的RF硬件能測(cè)試多重?zé)o線標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)今的無線設(shè)備必須滿足越來越多的標(biāo)準(zhǔn)。以目前的智能型手機(jī)為例，通常至少支持六種無線標(biāo)準(zhǔn)，如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、GSM增強(qiáng)數(shù)據(jù)率演進(jìn)(EDGE)、寬帶分碼多重存取(WCDMA)、藍(lán)牙(Bluetooth)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，甚至是WLAN。除此之外，有些新款的廣播無線電接收器甚至可支持十種以上的無線標(biāo)準(zhǔn)，包含調(diào)幅(AM)/調(diào)頻(FM)、無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)/無線廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDBS)、Sirius、XM、DAB、IBOC、GPS、RDS-TMC與DARC等。因此無線測(cè)試儀器必須具有足夠的彈性，才能應(yīng)付日后出現(xiàn)的新無線標(biāo)準(zhǔn)。

有了軟件定義儀器之后，工程師便能在LabVIEW軟件當(dāng)中制造廣播無線電信號(hào)，之后再下載至PXI RF矢量信號(hào)產(chǎn)生器的內(nèi)存中，即可以立刻進(jìn)行廣播測(cè)試的操作。舉例來說，NI聯(lián)盟伙伴Averna的工程師，即提供了PXI架構(gòu)的通用無線電測(cè)試器(URT)，以相同的RF儀器功能即可測(cè)試多重?zé)o線電標(biāo)準(zhǔn)。圖2為典型的Averna URT系統(tǒng)。

圖2 單一Averna URT即可廣播產(chǎn)生操作結(jié)果與RF紀(jì)錄。

除了產(chǎn)生無線電廣播標(biāo)準(zhǔn)之外，Averna URT還會(huì)執(zhí)行RF的記錄與播放。該技術(shù)利用PXI數(shù)據(jù)總線的高數(shù)據(jù)傳輸率，與LabVIEW軟件的高性能數(shù)據(jù)儲(chǔ)存/處理功能。通過記錄RF信號(hào)并在實(shí)驗(yàn)室中播放，工程師就能確認(rèn)FM、地面波數(shù)字視頻廣播(DVB-T)或GPS等接收器在最后部署環(huán)境中的操作狀況。

LTE/WiMAX射頻測(cè)試要求嚴(yán)苛

軟件定義的RF儀器的最后一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，即是能以較低成本進(jìn)行高精確度的測(cè)量。在第三代合作伙伴項(xiàng)目(3GPP)的長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)與全球微波存取互通接口(WiMAX)等新的無線標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)后，許多無線設(shè)備必須符合更嚴(yán)格的RF性能要求。

以802.11a/g傳輸器的最低EVM要求為例，其標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)以54Mbit/s、64正交振幅調(diào)變(QAM)信號(hào)類型達(dá)到-25分貝。3GPP LTE與WiMAX等較新的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)RF性能規(guī)定都更嚴(yán)格。以類似64QAM信號(hào)類型的802.16-2004(Fixed WiMAX)設(shè)備為例，其對(duì)最低EVM要求便達(dá)-31分貝，相比于過往對(duì)RF性能的要求來說，是更加嚴(yán)格的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)今軟件定義的儀器，可協(xié)助工程師以更低成本達(dá)到世界級(jí)的RF測(cè)量性能。2007年，F(xiàn)ixed WiMAX的EVM測(cè)量要能達(dá)到-45分貝；而WCDMA鄰近通道泄漏比(ACLR)測(cè)量要能達(dá)到65dBc。不論向誰購買此類RF矢量信號(hào)產(chǎn)生器與分析器，均須要價(jià)10萬美元以上。但現(xiàn)在僅需NI PXIe-5663 6.6GHz RF矢量信號(hào)分析儀，與NI PXIe-5673 RF矢量信號(hào)產(chǎn)生器等新款PXI儀器，即可達(dá)到上述的精確度。此兩套儀器在瞬間帶寬上(前者是50MHz，后者是100MHz)，均使用最新16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，還有低相位噪聲合成器(以1GHz達(dá)到-110dBc/Hz)，能使用低成本進(jìn)行精確測(cè)量。

針對(duì)3.5GHz的Fixed WiMAX信號(hào)，以NI PXIe-5663與PXIe-5673的EVM殘余(Residual)性能為例。若為Fixed WiMAX使用新的NI測(cè)量套餐(Measurement Suite)，工程師則可得到16QAM信號(hào)的星坐標(biāo)繪圖，其EVM值為-46分貝(0.5%)，比Fixed WiMAX設(shè)備的最低性能要求還高出15分貝(圖3)。

圖3 其他測(cè)試供貨商的昂貴RF儀器相比，16-QAM EVM測(cè)量的WiMAX星坐標(biāo)繪圖更具競(jìng)爭(zhēng)力。