從事無線系統(tǒng)開發(fā)的設計工程師面臨到一個不斷變化的問題：在 3G/4G 蜂窩、WiMax、Wi-Fi 和超寬帶（ultrawideband ，UWB）應用中，有著一種朝新的、更復雜標準發(fā)展的恒定過程。開發(fā)工作要與標準發(fā)展過程同步進行，特別是在芯片級。測試設備公司仍在尋找一些方法，提供可以讓開發(fā)持續(xù)下去的產(chǎn)品。越來越多的測試工具在 PHY（物理）層和較高層網(wǎng)絡棧中就包含了特定標準的（standards-specific）能力?？纯匆恍悠饭ぞ呒笆褂们榫翱赡苡兄谀南乱粋€設計項目，無論您的工作是采用某種無線標準，還是一個工業(yè)/科學/醫(yī)療頻段（industrial/scientific/medical，ISM）中的定制計劃，或是采用有線連接的。
從測試設備廠商的角度來看，挑戰(zhàn)集中在對市場的預期上。Agilent 公司 WiMax 項目經(jīng)理 Jennifer Stark 指出了三個不變的趨勢。她說：“技術正朝向更高頻率、更高帶寬和更復雜的調制方法發(fā)展。”
顯然地，更復雜調制方法帶來更加棘手的測試，因為最有效的測試設備包括了實時處理調制方法的能力?；鶐В╞aseband） IC 方面現(xiàn)在可提供的數(shù)字處理能力越來越多，使得調制方法的進步成為可能。但在基帶IC 中實現(xiàn)的東西并無法為測試設備公司帶來任何慰藉。隨著標準朝目標的發(fā)展，測試供貨商要用 DSP、FPGA 與軟件的一種組合，來對某一通信鏈接的傳輸和接收端進行基礎性的模型建立。事實上，多數(shù)測試公司認為他們的每種儀器差不多都必須過度設計（overdesign），這樣才能為新興標準留下一點空間。
Rohde & Schwarz 產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Justin Panzer 表示：“在一個設計環(huán)境中，工程師嘗試用測試設備來模擬一個真實世界的環(huán)境。”但問題又來了，如何模擬一個處于不斷變化中的技術？Panzer 指出，一個標準一般都是建立在其它標準之上。他以新興的長期演進仿真（long-term-emulation，LTE）標準作為一個例子。第三代合作伙伴項目（Third Generation Partnership Project，3GPP）正在開發(fā) LTE，使之成為全球行動通訊系統(tǒng)（global-system-for-mobile，GSM）系列蜂窩通信標準中的 3.5G 或 4G 之后繼技術。Panzer 表示：“你會看到（LTE）與 WiMax 有大量的相似之處”。顯然地，LTE 采用了 WiMax 所使用的正交分頻多任務（orthogonal-frequency-division-multiplexing，OFDM）和OFDM-接入（OFDM-access）調制的方法，但頻段與通道不同。大多數(shù)觀察家認為， LTE 部署至少還要兩年，但芯片設計已經(jīng)上路（參考文獻 1）。
軍用的方法
Agilent 公司的 Stark 說：“在商用世界中嘗試的大多數(shù)事情都已在軍事領域試過。”她表示，軍用的區(qū)域多點分散服務（local-multipoint-distribution-service，LMDS）和多通道多點分散服務（multichannel-multipoint-distribution-service ，MMDS）系統(tǒng)就是固定 WiMax的前身。但 Stark 補充表示：“Mobile WiMax是一種以固定 WiMax為基礎的龐然巨物。”Mobile WiMax 要求各基地臺可以交換客戶行動時的呼叫（call）。但一個Mobile WiMax 系統(tǒng)不能采用固網(wǎng)客戶開發(fā)時的那些通道假設。
所有測試公司都會在某種程度上參與標準團體，這樣就可享有決策方向形成的某種透明度，甚至對其發(fā)揮影響力。Azimuth Systems的高級營銷總監(jiān) Graham Celine 說：“有時你可能會看到一些標準化團體要經(jīng)過兩年、三年甚至四年才能推出來。”他還指出分裂性的（disruptive）標準也會出現(xiàn)。例如針對 700 MHz 頻譜的標準，聯(lián)邦通信委員會（FCC）于 2 月在美國舉辦拍賣。電視廣播商即將騰出此一頻段。最高投標者可能會在未來幾年內影響美國寬帶發(fā)展史的進程。Celine 表示：“贏家沒確定前，沒有人知道。”WiMax 的情況可以作為測試公司影響標準的一個例子。Tektronix 通信業(yè)務部高級營銷經(jīng)理 Antonio Policek 表示，Tektronix 影響了基地臺設計中的一個測量埠（metering port）的內容。該公司在基帶級（baseband stage）的輸出上實現(xiàn)了測量埠，讓一臺協(xié)議分析儀來從事數(shù)據(jù)的收集，而不需要在儀器中加裝RF 接收機。測試公司似乎主要是在尋求確保標準是可測試的。Celine 表示：“Azimuth 希望確保測試模型是有意義的，并可以在儀器中以合理的價格實現(xiàn)。”
無線系統(tǒng)的模型建立
讓人驚訝的是，在一座開發(fā)實驗室中，用現(xiàn)代測試設備建立一個無線通信系統(tǒng)模型竟是如此的簡單。例如，National Instruments 提供一系列采用用于儀器之周邊部件互聯(lián)擴充PXI（peripheral-component-interconnect-extensions-for-instrumentation，PXI）和PCI Express 儀器擴充（PCI Express-extensions-for-instrumentation ，PXIe）外形尺寸的 RF 信號產(chǎn)生器和分析儀產(chǎn)品，它們基本上是 PCI 和 PCIe（PCI Express）的加強版（ruggedized version）。你幾乎可以在任何一臺裝有這些硬件模塊的 PC 上，用該公司運行在 LabView 繪圖開發(fā)環(huán)境上的 Modulation Toolkit 軟件，就可以對一個蜂窩系統(tǒng)進行完整的模型建立。圖 1 表示了一個 16-QAM（quadrature-amplitude-modulation，正交振幅調幅法）系統(tǒng)的符號星座圖（symbol constellation）和 3D 眼圖。
很多案例可以用來說明 National Instruments 工具的使用。例如，參考文獻 2 中描述了一個德州大學與 Drexel 大學的聯(lián)合發(fā)展計劃，主要是為多輸入/多輸出（multiple-input/multiple-output，MIMO）系統(tǒng)建立模型。德州大學亦在 2003 年用 LabView 為早期 的iMax 系統(tǒng)建立模型。
National Instruments 模塊化的產(chǎn)品也使這些工具適用于現(xiàn)場工作?，F(xiàn)場記錄 RF 能量是設計工程師在實驗室進行產(chǎn)品測試時的常見工作。因此很難綜合地（synthetically）建立一種符合現(xiàn)場實際情況的不同環(huán)境。National Instruments 的產(chǎn)品經(jīng)理 David Hall 指出，你可以在某個有硬盤的系統(tǒng)中，使用該公司的一種向量信號分析儀（vector-signal analyzer，VSA），記錄下五個小時的實際環(huán)境，以便在后來在實驗室內進行回放。
墊高頻率
為支持對最先進無線系統(tǒng)的測試與模型建立，測試公司必須推進自己的硬件設計，加進以軟件為基礎的調制工具。Agilent 的 Stark 回顧了無線技術發(fā)展的三個維度（dimension），并指出單一標準傾向于推動一個或兩個維度，但不會同時推動三個。她以 WiMax 和 UWB 為例。Stark 表示，WiMedia 最流行的變種 UWB 采用了一種相對簡單的調制方法，但卻占用相對較寬的 500 MHz 通道。與之相反，WiMax 則采用相對較窄的 10MHz 通道，但卻用復雜的調制方法。在兩種情況下，標準均規(guī)定在 5 GHz 至 6 GHz 范圍內工作。
僅一個新標準的中心頻率就可以產(chǎn)生對新硬件的需求。Rohde & Schwarz 的 Panzer 指出，該公司的 CMU200 行動射頻測試儀（mobile-radio tester）幾乎可以用于所有的蜂窩標準。但它只能工作到 3 GHz， 而為了支持 WiMax，該公司不得不開發(fā) 6 GHz 的 CMW500 測試儀。而硬件的推動力并沒有就此止步。為了測試 MIMO 系統(tǒng)，可能需要兩臺 6 GHz的設備。
Azimuth 的 Celine 宣稱 MIMO 是測試工具要支持的一種不同技術。Azimuth 把焦點集中在研究 Wi-Fi 和 WiMax，并早在 MIMO 專業(yè)技能上投下賭注，以實現(xiàn)公司的差異化。Celine 指出，一臺 MIMO 測試儀器中的信道仿真器（channel emulator）與傳統(tǒng)儀器并不相同。Celine 表示：“在單輸入/單輸出（single input/single output，SISO）時，仿真器是作為一個干擾源。而在 MIMO 中，讓技術得以運作的是多路徑。”
放大器優(yōu)化經(jīng)驗
一些使用情景能幫助說明儀器的其它特性和設計挑戰(zhàn)，并詳細說明如何在實驗室中使用這種儀器。Agilent 公司的 Stark 將功率放大器看作是在一種標準（如Mobile WiMax）OFDMA 射頻設計的關鍵部分。她表示，一個糟糕的功率放大器設計會對電池壽命、距離和數(shù)據(jù)速率帶來不利的影響，而這些是一個產(chǎn)品對消費者非常重要的終極屬性。
根據(jù) Stark 的說法，功率放大器在Mobile WiMax 情況下會成為一個問題，因為調制方法會將設計的放大器推入一個非線性區(qū)。另外，輸出信號必須要沒有規(guī)律地改變，并且有一個高的峰值對平均之比值（peak-to-average ratio）。WiMax 設計的客戶端亦有空間和發(fā)熱的限制。
在這一代的模擬與計算工具中，不需要建立硬件就可以開始功率放大器的開發(fā)?？梢杂?Agilent 公司的 EEsof RF 模型建立 EDA 工具來進行放大器的設計和模擬。EEsof 工具可以饋入一臺信號產(chǎn)生器（signal generator），并用 PC 上的 89600 VSA 軟件來描述設計的特性。VSA 軟件包在 PC 上運行，并且可以與Agilent 的各款示波器與信號分析儀器介接。
Stark 提供了幾個規(guī)格的實例，可以用在這種情境下的特性描述與調諧（tune）。例如，WiMax 與蜂窩標準中有個一般稱為誤差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）或相對星座誤差（relative-constellation-error，RCE）的規(guī)格，這是用來測量星座圖的精度。功率放大器是添加到 EVM/RCE 誤差的一個部件。比如，一個采用二進制相移鍵控（binary phase-shift keying，BPSK）或四相 QAM（four-phase QAM，4-QAM）的簡單系統(tǒng)在調制符號間有較寬的間隔，這種系統(tǒng)可以容忍比較高的 EVM/RCE 值。但一個 64 相 QAM（64-phase QAM，64-QAM）系統(tǒng)的誤差預估值（error budget）就比較小，而據(jù) Stark 表示，放大器的設計一般對誤差預估值的貢獻最多為 1%。
你可以只依照一個可用的無線來進行 EVM/RCE 測試。但在 Stark 的例子中，仿真組件可以在將設計轉為硬件以前進行測試和優(yōu)化。
放大器產(chǎn)生的問題
Tektronix 儀器業(yè)務部的全球 RF 技術營銷經(jīng)理Darren McCarthy 也同意功率放大器的設計是無線客戶端電池壽命與性能的關鍵。McCarthy 指出在 OFDM 或 OFDMA 系統(tǒng)中要盡量減少一個信道向其它信道的功率泄漏。對這種情況的測試就是鄰近通道功率比（adjacent-channel-power ratio ，ACPR），它是系統(tǒng)線性度的一種量測。
不過如前所述，像Mobile WiMax 和 LTE 這種系統(tǒng)都會使功率放大器進入非線性區(qū)，而這會對 ACPR 帶來負面的影響。設計工程師轉而采用數(shù)字預失真（digital predistortion，DPD）等技術以盡量降低 ACPR的情況是越來越多。但 DPD 會帶來新的問題：內存效應（memory effect），這是來自于電的特性，諸如源阻抗和負載阻抗以及電熱耦合等。
傳統(tǒng)上，設計工程師采用頻譜分析儀和軟件工具來測量 ACPR。但 McCarthy 宣稱這種 ACPR 測量測的是平均功率，傳統(tǒng)頻譜分析儀使用的掃頻（swept-spectrum）方法會漏掉瞬態(tài)信號（transient signal），如由記憶效應產(chǎn)生的信號。Tektronix 提供一個系列的實時頻譜分析儀，它可以連續(xù)完成頻域轉變（frequency-domain transformation），以捕捉記憶效應的瞬變。圖 2 是一款 Tektronix 的數(shù)字熒光頻譜（digital-phosphor-spectrum）顯示器。黃色曲線是表示鄰近信道的最大噪聲。McCarthy 宣稱該儀器能捕捉到持續(xù) 24µsec 以上的任何瞬變。
McCarthy 認為還有一種能力也一樣重要，那就是將問題瞬變的出現(xiàn)與其根源聯(lián)系起來。儀器支持頻率屏蔽觸發(fā)（frequency-masked triggering），因此可以將該觸發(fā)器連接到其它各類儀器上。McCarthy 表示可以用這種觸發(fā)器來確定造成放大器增益變化（因此產(chǎn)生瞬變）的軟件指令位置。
UWB 和其它標準
寬區(qū)域的（wide-area）無線技術并不是唯一處于變化中的技術。設計工程師當然需要好的測試儀器來因應像 UWB 這類的標準。Tektronix 的 McCarthy 表示，UWB 和 IEEE 802.11n 等標準帶來了特殊的挑戰(zhàn)，因為它們能提供“環(huán)境的認知（cognition of the environment）”。這種可認知射頻在免授權頻段的標準中尤其重要，因為射頻必須避免干擾到其它的發(fā)射器。
UWB 社團已開發(fā)出了探測并避免（detect-and-avoid，DAA）技術，以確保寬帶發(fā)射之間不會相互干擾。歐洲、日本和一些其它地區(qū)都將遵守 DAA的要求。McCarthy 指出，雖然 UWB 發(fā)射功率遠低于蜂窩系統(tǒng)等的發(fā)射器，但 UWB 發(fā)射器仍會與蜂窩接收機產(chǎn)生干擾。因此，DAA 基本上都規(guī)定了要聆聽（listening）某臺發(fā)射器，以避開該發(fā)射器工作的頻率。
DAA 實現(xiàn)了現(xiàn)有的一些工作模式。UWB 采用三個 500 MHz 通道，供 UWB 射頻的跳頻。最簡單的形式下，DAA 在其它發(fā)射器存在時并不會使用三個通道中的某一個。不過在很多情況下，一個系統(tǒng)可以采用更顆粒狀（granular）的方法來避免干擾。透過使用一種音調指零（tone-nulling）技術，發(fā)射器就可以簡單地避開某個 500 MHz 頻段內的一個窄范圍之副載波（subcarrier）。據(jù) McCarthy 說，Tektronix 帶有可選 UWB 軟件的 AWG7000 信號產(chǎn)生器，可以讓設計團隊測試所有的 DAA 模式。
沖擊 LTE
展望未來，所有測試供貨商都熱切地在發(fā)展實驗室中的 LTE 產(chǎn)品，同時也有一些產(chǎn)品在出貨了。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 表示，該公司早先已與一家領先芯片供貨商合作，提供可以完成 PHY 和 RF 測試的設備。事實上，CMW500 既可以支持 WiMax，也提供 LTE 支持。
Azimuth 公司的 Celine 則堅持說，所有人都會面臨有效 MIMO 支持的挑戰(zhàn)。他相信，公司從 WiMax 獲得的 MIMO 經(jīng)驗將有助于為未來 LTE 產(chǎn)品提供良好服務。他說：“LTE 是一個非常不同的頻段。我們正在重新設計 RF 前端，但這比處理一種新的調制方法要簡單。”
無論正在做哪種類型的系統(tǒng)，您可能都會想到所有測試供貨商已提過的一種普遍認識：用于無線通信等技術的標準并不能提供設計建議。Agilent 公司的 Stark 說：“一份標準的文件定義了系統(tǒng)性能。但它并未告訴工程師如何設計。” 您可能對此一事實很清楚。不過這意味著，你最好要對設計進行徹底的測試，并且無線通道的不可知性可能會遠遠高于以往經(jīng)歷過的任何其它環(huán)境。
參考文獻
1. Wright, Maury, “WiMax gains in mobile-broadband game, but 4G lurks,” EDN, March 29, 2007, pg 56, www.edn.com/article/CA642878
2. Heath, Robert W, Jr; Kapil R Dandekar; and Scott M Nettles, “UT and Drexel use NI PXI and LabView for wireless research,” http://sine.ni.com/csol/cds/item/vw/p/id/587/nid/124100
圖片說明
圖 1 運行在 National Instruments 公司 LabView 上的 Modulation Toolkit 可以讓設計工程師快速地對無線系統(tǒng)建立模型，提供各種診斷工具，如星座圖和眼圖。
圖 2 Tektronix 的實時頻譜分析儀系列透過連續(xù)執(zhí)行 FFT，可以捕捉到短至 24 ms 的瞬變，因此儀器可以顯示 OFDM 系統(tǒng)中的重迭信道（overlapping-channel）之噪聲。
頻率范圍從 3.3GHz到可選的 6 GHz之Rohde & Schwarz 公司 CMW500 行動射頻測試儀，可支持各種新興標準，例如：Mobile WiMax。
Agilent 公司的 89601A LTE 信號分析包可對一個 LTE 下行鏈路信號完成一次誤差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）測量，并顯示出一幅星座圖。
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