以軟件為核心的無(wú)線測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

無(wú)線技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，正在改變著人們的生活?？v觀整個(gè)無(wú)線測(cè)試行業(yè)，我們可以看到一些明顯的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)：首先，測(cè)試的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，對(duì)射頻測(cè)試的速度要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。其次，很多新興的產(chǎn)品會(huì)在同一個(gè)設(shè)備上集成多種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。再次，各種新的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷涌入也為測(cè)試帶來(lái)很大壓力。

NI提出的基于PXI的無(wú)線測(cè)試平臺(tái)提供了一種“打破常規(guī)”的解決思路。即使用基于PXI的模塊化射頻組件，用戶通過(guò)軟件定義儀器的功能，并實(shí)現(xiàn)自定義的無(wú)線測(cè)試應(yīng)用。這種方式為工程師們提供了高性能的射頻模塊，用戶自定義的UI以及持續(xù)更新的適用于不同無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的工具包。通過(guò)系統(tǒng)集成，最終將得到一個(gè)快速、靈活且具有高精度的射頻測(cè)試方案。針對(duì)快速演進(jìn)的通信協(xié)議，基于NI PXI的無(wú)線測(cè)試方案，只需要升級(jí)與之相對(duì)應(yīng)的最新無(wú)線工具包，即可進(jìn)行最新標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試。

軟件為核心的無(wú)線測(cè)試平臺(tái)概述

NI一直倡導(dǎo)“以軟件為核心的測(cè)試測(cè)量架構(gòu)”。在射頻領(lǐng)域，這個(gè)理念與“軟件無(wú)線電(Software Defined Radio)”不謀而合?；诂F(xiàn)成可用的模塊化射頻與中頻設(shè)備，通過(guò)LabVIEW軟件和豐富的射頻與無(wú)線工具包，工程師即可快速實(shí)現(xiàn)射頻與無(wú)線應(yīng)用的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的全部流程。

PXI是一種基于PC技術(shù)的面向測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的堅(jiān)固平臺(tái)，融合最新商業(yè)可用的PCIe總線技術(shù)保證了上下變頻后的中頻信號(hào)能夠被實(shí)時(shí)并持續(xù)的數(shù)字化到PC進(jìn)行處理。NI PXI的控制器采用了最新的多核處理器，能夠應(yīng)付任何復(fù)雜的通訊算法。另一方面，NI PXI射頻模塊的種類非常豐富，包括頻率范圍可達(dá)26.5GHz的RF信號(hào)分析儀與發(fā)生器，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，微波開(kāi)關(guān)，射頻放大器與衰減器以及功率計(jì)等，足以應(yīng)對(duì)大部分的無(wú)線射頻應(yīng)用。

軟件定義的模塊化測(cè)試平臺(tái)自然少不了一個(gè)完備靈活的軟件平臺(tái)。一個(gè)完整的射頻應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)應(yīng)該包含如圖1所示的三層架構(gòu)：系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層，測(cè)試應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件，測(cè)試系統(tǒng)管理軟件。

系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層是連接軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備的紐帶。除了起到設(shè)備驅(qū)動(dòng)的作用，這一層還包含了硬件設(shè)備管理，診斷測(cè)試等功能。

圖1：NI射頻與無(wú)線應(yīng)用軟件平臺(tái)

測(cè)試應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件即應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW就是一個(gè)專門為工程師設(shè)計(jì)的圖形化編程語(yǔ)言，除了和PXI硬件的無(wú)縫連接外，它還集成了數(shù)以千計(jì)的信號(hào)處理和分析算法，以及調(diào)制解調(diào)，頻譜分析等各種工具包，針對(duì)射頻應(yīng)用，能夠完成功率譜、相鄰信道泄漏比（ACLR）、誤差矢量幅度（EVM）等一系列測(cè)量。在LabVIEW開(kāi)放的軟件環(huán)境中，用戶還可以實(shí)現(xiàn)帶有自主產(chǎn)權(quán)的射頻算法，用以應(yīng)對(duì)最新的無(wú)線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)管理軟件層位于軟件架構(gòu)層次中的最頂層。特別對(duì)于自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試管理軟件能夠幫助用戶大幅縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，優(yōu)化測(cè)試策略，大大提高測(cè)試效率。

提升射頻測(cè)量速度

軟件定義的射頻測(cè)量系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)之一便是比傳統(tǒng)射頻儀器高得多的測(cè)量速率。具體來(lái)講，NI PXI平臺(tái)融合了最新的PCI Express總線技術(shù)可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸，融合最新的多核處理器技術(shù)可以進(jìn)行快速的信號(hào)處理。針對(duì)中頻與基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)處理需求的應(yīng)用，可以直接將信號(hào)通過(guò)Peer to Peer技術(shù)傳送到帶有FPGA的協(xié)處理模塊直接進(jìn)行高速的自定義信號(hào)處理。

目前，國(guó)際主流移動(dòng)終端廠商針對(duì)移動(dòng)設(shè)備采用非信令測(cè)試的方式也大大減少了射頻測(cè)試的時(shí)間。NI PXI平臺(tái)則是實(shí)施非信令測(cè)試的最佳平臺(tái)，如圖2所示。NI PXI嵌入式控制器具有多種I/O連接方式，包括GPIB、串口、并口、千兆以太網(wǎng)以及USB，可用于和移動(dòng)設(shè)備連接，進(jìn)行模式控制，測(cè)量結(jié)果讀取等功能。射頻模塊則針對(duì)待測(cè)設(shè)備收發(fā)射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

圖2：基于NI PXI的非信令測(cè)試

采用PXI提升射頻測(cè)試速度的一個(gè)典型的案例是TriQuint公司使用NI PXI和LabVIEW縮短了射頻功率放大器的特征化時(shí)間?，F(xiàn)代的功率放大器需要滿足更為多樣化的需求，被設(shè)計(jì)成可以在多頻帶多調(diào)制模式下工作。另外，射頻功放的特征化測(cè)試還需要在多種頻率、電平、溫度和功率范圍下測(cè)試，完成一個(gè)典型組件的特征化過(guò)程需要大約30,000到40,000行測(cè)試數(shù)據(jù)。如果使用傳統(tǒng)的機(jī)架射頻測(cè)試設(shè)備，每行數(shù)據(jù)大約需要10秒收集，這樣每個(gè)獨(dú)立組件需要超過(guò)110小時(shí)進(jìn)行測(cè)試?；贜I PXI的解決方案利用高速數(shù)據(jù)總線、高性能多核CPU和并行測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)了盡可能快的測(cè)試速度。此外，NI GSM/EDGE測(cè)量套件和用于WCDMA/HSPA+的NI測(cè)量套件使用合成測(cè)量，所有測(cè)量可以使用一組I/Q數(shù)據(jù)完成。最終，使用NI PXI將測(cè)試時(shí)間從兩周縮短為大約24小時(shí)。表1 比較了傳統(tǒng)測(cè)試臺(tái)和PXI測(cè)試臺(tái)的測(cè)量時(shí)間和速度提升。

表1：在單個(gè)測(cè)量序列中，PXI測(cè)試臺(tái)完成快了6至11倍。時(shí)間是基于100幀的測(cè)量得到的。

增加系統(tǒng)可擴(kuò)展性

軟件定義的射頻測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性?，F(xiàn)在的智能手機(jī)可以支持多頻段，多個(gè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上，更多情況下，除了射頻部分測(cè)試，還可能進(jìn)行音視頻接口以及電池功率等方面的測(cè)試。模塊化儀器提供的靈活性與可擴(kuò)展性為像有這樣需求的測(cè)試提供了很大的空間。

PXI已經(jīng)成為主流的模塊化架構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)在有超過(guò)50家的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXISA）提供超過(guò)1500種的PXI模塊化儀器，僅NI就提供超過(guò)500種PXI模塊。模塊化儀器本身種類的多樣性也使得很多射頻應(yīng)用成為可能。比如帶有FPGA的協(xié)處理模塊可以進(jìn)行在線頻譜監(jiān)測(cè)，使用PXI的高速存儲(chǔ)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的持續(xù)流盤(pán)與回放等。

易于兼容最新通信標(biāo)準(zhǔn)

軟件定義的射頻系統(tǒng)可以很好的支持最新的通信標(biāo)準(zhǔn)。一方面，在任何一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)初期，沒(méi)有商業(yè)可用的通用測(cè)試方案時(shí)，NI PXI作為一個(gè)開(kāi)放的、自定制的測(cè)試平臺(tái)，可以由科研人員和工程師開(kāi)發(fā)自己算法和測(cè)試序列；另一方面，NI公司一直持續(xù)投入新一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，無(wú)論是硬件產(chǎn)品還是軟件工具包都走在該領(lǐng)域的前列。

以802.11ac測(cè)試為例，無(wú)論從帶寬，測(cè)量復(fù)雜度，調(diào)制階數(shù)與目前的WLAN標(biāo)準(zhǔn)802.11n相比，都有顯著的提升。NI于2012年1月發(fā)布了測(cè)試802.11ac WLAN芯片組和設(shè)備的先行支持，并于巴塞羅那舉辦的世界移動(dòng)通信大會(huì)(MWC)上展示了最新的802.11ac測(cè)試解決方案，能夠支持包括20，40，80和80+80 160MHz各種帶寬的信號(hào)接收(Rx)和發(fā)送(Tx)，并支持高達(dá)4X4 MIMO的配置。NI測(cè)試解決方案兼具足夠的靈活性，除了802.11ac，同樣可以向下兼容，測(cè)試802.11a/b/g/n設(shè)備。

總結(jié)：

綜上所述，NI射頻測(cè)試方案結(jié)合高性能的射頻模塊與靈活的軟件平臺(tái)，幫助工程師們大大提高了射頻測(cè)試速度，增添了系統(tǒng)的靈活性，易于兼容最新的通信標(biāo)準(zhǔn)，可以輕松地滿足不斷變化的市場(chǎng)需求，最大程度上保護(hù)測(cè)試廠商的資產(chǎn)投資回報(bào)。