增強(qiáng)符號(hào)識(shí)別的通信測(cè)試設(shè)備

從事無(wú)線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)工程師面臨到一個(gè)不斷變化的問(wèn)題：在 3G/4G 蜂窩、WiMax、Wi-Fi 和超寬帶（ultrawideband ，UWB）應(yīng)用中，有著一種朝新的、更復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的恒定過(guò)程。開(kāi)發(fā)工作要與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程同步進(jìn)行，特別是在芯片級(jí)。測(cè)試設(shè)備公司仍在尋找一些方法，提供可以讓開(kāi)發(fā)持續(xù)下去的產(chǎn)品。越來(lái)越多的測(cè)試工具在 PHY（物理）層和較高層網(wǎng)絡(luò)棧中就包含了特定標(biāo)準(zhǔn)的（standards-specific）能力。看看一些樣品工具及使用情景可能有助于您的下一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，無(wú)論您的工作是采用某種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，還是一個(gè)工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)療頻段（industrial/scientific/medical，ISM）中的定制計(jì)劃，或是采用有線連接的。

從測(cè)試設(shè)備廠商的角度來(lái)看，挑戰(zhàn)集中在對(duì)市場(chǎng)的預(yù)期上。Agilent 公司 WiMax 項(xiàng)目經(jīng)理 Jennifer Stark 指出了三個(gè)不變的趨勢(shì)。她說(shuō)：“技術(shù)正朝向更高頻率、更高帶寬和更復(fù)雜的調(diào)制方法發(fā)展。”

顯然地，更復(fù)雜調(diào)制方法帶來(lái)更加棘手的測(cè)試，因?yàn)樽钣行У臏y(cè)試設(shè)備包括了實(shí)時(shí)處理調(diào)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(lái)越多，使得調(diào)制方法的進(jìn)步成為可能。但在基帶IC 中實(shí)現(xiàn)的東西并無(wú)法為測(cè)試設(shè)備公司帶來(lái)任何慰藉。隨著標(biāo)準(zhǔn)朝目標(biāo)的發(fā)展，測(cè)試供貨商要用 DSP、FPGA 與軟件的一種組合，來(lái)對(duì)某一通信鏈接的傳輸和接收端進(jìn)行基礎(chǔ)性的模型建立。事實(shí)上，多數(shù)測(cè)試公司認(rèn)為他們的每種儀器差不多都必須過(guò)度設(shè)計(jì)（overdesign），這樣才能為新興標(biāo)準(zhǔn)留下一點(diǎn)空間。

Rohde & Schwarz 產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理 Justin Panzer 表示：“在一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境中，工程師嘗試用測(cè)試設(shè)備來(lái)模擬一個(gè)真實(shí)世界的環(huán)境。”但問(wèn)題又來(lái)了，如何模擬一個(gè)處于不斷變化中的技術(shù)？Panzer 指出，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一般都是建立在其它標(biāo)準(zhǔn)之上。他以新興的長(zhǎng)期演進(jìn)仿真（long-term-emulation，LTE）標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)例子。第三代合作伙伴項(xiàng)目（Third Generation Partnership Project，3GPP）正在開(kāi)發(fā) LTE，使之成為全球行動(dòng)通訊系統(tǒng)（global-system-for-mobile，GSM）系列蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)中的 3.5G 或 4G 之后繼技術(shù)。Panzer 表示：“你會(huì)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(wù)（orthogonal-frequency-division-multiplexing，OFDM）和OFDM-接入（OFDM-access）調(diào)制的方法，但頻段與通道不同。大多數(shù)觀察家認(rèn)為， LTE 部署至少還要兩年，但芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)上路（參考文獻(xiàn) 1）。

軍用的方法

Agilent 公司的 Stark 說(shuō)：“在商用世界中嘗試的大多數(shù)事情都已在軍事領(lǐng)域試過(guò)。”她表示，軍用的區(qū)域多點(diǎn)分散服務(wù)（local-multipoint-distribution-service，LMDS）和多通道多點(diǎn)分散服務(wù)（multichannel-multipoint-distribution-service ，MMDS）系統(tǒng)就是固定 WiMax的前身。但 Stark 補(bǔ)充表示：“Mobile WiMax是一種以固定 WiMax為基礎(chǔ)的龐然巨物。”Mobile WiMax 要求各基地臺(tái)可以交換客戶行動(dòng)時(shí)的呼叫（call）。但一個(gè)Mobile WiMax 系統(tǒng)不能采用固網(wǎng)客戶開(kāi)發(fā)時(shí)的那些通道假設(shè)。

所有測(cè)試公司都會(huì)在某種程度上參與標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體，這樣就可享有決策方向形成的某種透明度，甚至對(duì)其發(fā)揮影響力。Azimuth Systems的高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān) Graham Celine 說(shuō)：“有時(shí)你可能會(huì)看到一些標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體要經(jīng)過(guò)兩年、三年甚至四年才能推出來(lái)。”他還指出分裂性的（disruptive）標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)出現(xiàn)。例如針對(duì) 700 MHz 頻譜的標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）于 2 月在美國(guó)舉辦拍賣。電視廣播商即將騰出此一頻段。最高投標(biāo)者可能會(huì)在未來(lái)幾年內(nèi)影響美國(guó)寬帶發(fā)展史的進(jìn)程。Celine 表示：“贏家沒(méi)確定前，沒(méi)有人知道。”WiMax 的情況可以作為測(cè)試公司影響標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子。Tektronix 通信業(yè)務(wù)部高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理 Antonio Policek 表示，Tektronix 影響了基地臺(tái)設(shè)計(jì)中的一個(gè)測(cè)量埠（metering port）的內(nèi)容。該公司在基帶級(jí)（baseband stage）的輸出上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量埠，讓一臺(tái)協(xié)議分析儀來(lái)從事數(shù)據(jù)的收集，而不需要在儀器中加裝RF 接收機(jī)。測(cè)試公司似乎主要是在尋求確保標(biāo)準(zhǔn)是可測(cè)試的。Celine 表示：“Azimuth 希望確保測(cè)試模型是有意義的，并可以在儀器中以合理的價(jià)格實(shí)現(xiàn)。”

無(wú)線系統(tǒng)的模型建立

讓人驚訝的是，在一座開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室中，用現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備建立一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)模型竟是如此的簡(jiǎn)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(kuò)充PXI（peripheral-component-interconnect-extensions-for-instrumentation，PXI）和PCI Express 儀器擴(kuò)充（PCI Express-extensions-for-instrumentation ，PXIe）外形尺寸的 RF 信號(hào)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(qiáng)版（ruggedized version）。你幾乎可以在任何一臺(tái)裝有這些硬件模塊的 PC 上，用該公司運(yùn)行在 LabView 繪圖開(kāi)發(fā)環(huán)境上的 Modulation Toolkit 軟件，就可以對(duì)一個(gè)蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行完整的模型建立。圖 1 表示了一個(gè) 16-QAM（quadrature-amplitude-modulation，正交振幅調(diào)幅法）系統(tǒng)的符號(hào)星座圖（symbol constellation）和 3D 眼圖。

很多案例可以用來(lái)說(shuō)明 National Instruments 工具的使用。例如，參考文獻(xiàn) 2 中描述了一個(gè)德州大學(xué)與 Drexel 大學(xué)的聯(lián)合發(fā)展計(jì)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(xué)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(chǎng)工作?，F(xiàn)場(chǎng)記錄 RF 能量是設(shè)計(jì)工程師在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試時(shí)的常見(jiàn)工作。因此很難綜合地（synthetically）建立一種符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(gè)有硬盤的系統(tǒng)中，使用該公司的一種向量信號(hào)分析儀（vector-signal analyzer，VSA），記錄下五個(gè)小時(shí)的實(shí)際環(huán)境，以便在后來(lái)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行回放。

墊高頻率[!--empirenews.page--]

為支持對(duì)最先進(jìn)無(wú)線系統(tǒng)的測(cè)試與模型建立，測(cè)試公司必須推進(jìn)自己的硬件設(shè)計(jì)，加進(jìn)以軟件為基礎(chǔ)的調(diào)制工具。Agilent 的 Stark 回顧了無(wú)線技術(shù)發(fā)展的三個(gè)維度（dimension），并指出單一標(biāo)準(zhǔn)傾向于推動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)維度，但不會(huì)同時(shí)推動(dòng)三個(gè)。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(duì)簡(jiǎn)單的調(diào)制方法，但卻占用相對(duì)較寬的 500 MHz 通道。與之相反，WiMax 則采用相對(duì)較窄的 10MHz 通道，但卻用復(fù)雜的調(diào)制方法。在兩種情況下，標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定在 5 GHz 至 6 GHz 范圍內(nèi)工作。

僅一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)的中心頻率就可以產(chǎn)生對(duì)新硬件的需求。Rohde & Schwarz 的 Panzer 指出，該公司的 CMU200 行動(dòng)射頻測(cè)試儀（mobile-radio tester）幾乎可以用于所有的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。但它只能工作到 3 GHz， 而為了支持 WiMax，該公司不得不開(kāi)發(fā) 6 GHz 的 CMW500 測(cè)試儀。而硬件的推動(dòng)力并沒(méi)有就此止步。為了測(cè)試 MIMO 系統(tǒng)，可能需要兩臺(tái) 6 GHz的設(shè)備。

Azimuth 的 Celine 宣稱 MIMO 是測(cè)試工具要支持的一種不同技術(shù)。Azimuth 把焦點(diǎn)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(shí)現(xiàn)公司的差異化。Celine 指出，一臺(tái) MIMO 測(cè)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(shí)，仿真器是作為一個(gè)干擾源。而在 MIMO 中，讓技術(shù)得以運(yùn)作的是多路徑。”

放大器優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)

一些使用情景能幫助說(shuō)明儀器的其它特性和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并詳細(xì)說(shuō)明如何在實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)（如Mobile WiMax）OFDMA 射頻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。她表示，一個(gè)糟糕的功率放大器設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)電池壽命、距離和數(shù)據(jù)速率帶來(lái)不利的影響，而這些是一個(gè)產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者非常重要的終極屬性。

根據(jù) Stark 的說(shuō)法，功率放大器在Mobile WiMax 情況下會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檎{(diào)制方法會(huì)將設(shè)計(jì)的放大器推入一個(gè)非線性區(qū)。另外，輸出信號(hào)必須要沒(méi)有規(guī)律地改變，并且有一個(gè)高的峰值對(duì)平均之比值（peak-to-average ratio）。WiMax 設(shè)計(jì)的客戶端亦有空間和發(fā)熱的限制。

在這一代的模擬與計(jì)算工具中，不需要建立硬件就可以開(kāi)始功率放大器的開(kāi)發(fā)。可以用 Agilent 公司的 EEsof RF 模型建立 EDA 工具來(lái)進(jìn)行放大器的設(shè)計(jì)和模擬。EEsof 工具可以饋入一臺(tái)信號(hào)產(chǎn)生器（signal generator），并用 PC 上的 89600 VSA 軟件來(lái)描述設(shè)計(jì)的特性。VSA 軟件包在 PC 上運(yùn)行，并且可以與Agilent 的各款示波器與信號(hào)分析儀器介接。

Stark 提供了幾個(gè)規(guī)格的實(shí)例，可以用在這種情境下的特性描述與調(diào)諧（tune）。例如，WiMax 與蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中有個(gè)一般稱為誤差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）或相對(duì)星座誤差（relative-constellation-error，RCE）的規(guī)格，這是用來(lái)測(cè)量星座圖的精度。功率放大器是添加到 EVM/RCE 誤差的一個(gè)部件。比如，一個(gè)采用二進(jìn)制相移鍵控（binary phase-shift keying，BPSK）或四相 QAM（four-phase QAM，4-QAM）的簡(jiǎn)單系統(tǒng)在調(diào)制符號(hào)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(gè) 64 相 QAM（64-phase QAM，64-QAM）系統(tǒng)的誤差預(yù)估值（error budget）就比較小，而據(jù) Stark 表示，放大器的設(shè)計(jì)一般對(duì)誤差預(yù)估值的貢獻(xiàn)最多為 1%。

你可以只依照一個(gè)可用的無(wú)線來(lái)進(jìn)行 EVM/RCE 測(cè)試。但在 Stark 的例子中，仿真組件可以在將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為硬件以前進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。

放大器產(chǎn)生的問(wèn)題

Tektronix 儀器業(yè)務(wù)部的全球 RF 技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理Darren McCarthy 也同意功率放大器的設(shè)計(jì)是無(wú)線客戶端電池壽命與性能的關(guān)鍵。McCarthy 指出在 OFDM 或 OFDMA 系統(tǒng)中要盡量減少一個(gè)信道向其它信道的功率泄漏。對(duì)這種情況的測(cè)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(cè)。

不過(guò)如前所述，像Mobile WiMax 和 LTE 這種系統(tǒng)都會(huì)使功率放大器進(jìn)入非線性區(qū)，而這會(huì)對(duì) ACPR 帶來(lái)負(fù)面的影響。設(shè)計(jì)工程師轉(zhuǎn)而采用數(shù)字預(yù)失真（digital predistortion，DPD）等技術(shù)以盡量降低 ACPR的情況是越來(lái)越多。但 DPD 會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題：內(nèi)存效應(yīng)（memory effect），這是來(lái)自于電的特性，諸如源阻抗和負(fù)載阻抗以及電熱耦合等。

傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)工程師采用頻譜分析儀和軟件工具來(lái)測(cè)量 ACPR。但 McCarthy 宣稱這種 ACPR 測(cè)量測(cè)的是平均功率，傳統(tǒng)頻譜分析儀使用的掃頻（swept-spectrum）方法會(huì)漏掉瞬態(tài)信號(hào)（transient signal），如由記憶效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)。Tektronix 提供一個(gè)系列的實(shí)時(shí)頻譜分析儀，它可以連續(xù)完成頻域轉(zhuǎn)變（frequency-domain transformation），以捕捉記憶效應(yīng)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(rèn)為還有一種能力也一樣重要，那就是將問(wèn)題瞬變的出現(xiàn)與其根源聯(lián)系起來(lái)。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(lái)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(biāo)準(zhǔn)

寬區(qū)域的（wide-area）無(wú)線技術(shù)并不是唯一處于變化中的技術(shù)。設(shè)計(jì)工程師當(dāng)然需要好的測(cè)試儀器來(lái)因應(yīng)像 UWB 這類的標(biāo)準(zhǔn)。Tektronix 的 McCarthy 表示，UWB 和 IEEE 802.11n 等標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)了特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兡芴峁?ldquo;環(huán)境的認(rèn)知（cognition of the environment）”。這種可認(rèn)知射頻在免授權(quán)頻段的標(biāo)準(zhǔn)中尤其重要，因?yàn)樯漕l必須避免干擾到其它的發(fā)射器。[!--empirenews.page--]

UWB 社團(tuán)已開(kāi)發(fā)出了探測(cè)并避免（detect-and-avoid，DAA）技術(shù)，以確保寬帶發(fā)射之間不會(huì)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(yuǎn)低于蜂窩系統(tǒng)等的發(fā)射器，但 UWB 發(fā)射器仍會(huì)與蜂窩接收機(jī)產(chǎn)生干擾。因此，DAA 基本上都規(guī)定了要聆聽(tīng)（listening）某臺(tái)發(fā)射器，以避開(kāi)該發(fā)射器工作的頻率。

DAA 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的一些工作模式。UWB 采用三個(gè) 500 MHz 通道，供 UWB 射頻的跳頻。最簡(jiǎn)單的形式下，DAA 在其它發(fā)射器存在時(shí)并不會(huì)使用三個(gè)通道中的某一個(gè)。不過(guò)在很多情況下，一個(gè)系統(tǒng)可以采用更顆粒狀（granular）的方法來(lái)避免干擾。透過(guò)使用一種音調(diào)指零（tone-nulling）技術(shù)，發(fā)射器就可以簡(jiǎn)單地避開(kāi)某個(gè) 500 MHz 頻段內(nèi)的一個(gè)窄范圍之副載波（subcarrier）。據(jù) McCarthy 說(shuō)，Tektronix 帶有可選 UWB 軟件的 AWG7000 信號(hào)產(chǎn)生器，可以讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)測(cè)試所有的 DAA 模式。

沖擊 LTE

展望未來(lái)，所有測(cè)試供貨商都熱切地在發(fā)展實(shí)驗(yàn)室中的 LTE 產(chǎn)品，同時(shí)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(lǐng)先芯片供貨商合作，提供可以完成 PHY 和 RF 測(cè)試的設(shè)備。事實(shí)上，CMW500 既可以支持 WiMax，也提供 LTE 支持。

Azimuth 公司的 Celine 則堅(jiān)持說(shuō)，所有人都會(huì)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(yàn)將有助于為未來(lái) LTE 產(chǎn)品提供良好服務(wù)。他說(shuō)：“LTE 是一個(gè)非常不同的頻段。我們正在重新設(shè)計(jì) RF 前端，但這比處理一種新的調(diào)制方法要簡(jiǎn)單。”

無(wú)論正在做哪種類型的系統(tǒng)，您可能都會(huì)想到所有測(cè)試供貨商已提過(guò)的一種普遍認(rèn)識(shí)：用于無(wú)線通信等技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)并不能提供設(shè)計(jì)建議。Agilent 公司的 Stark 說(shuō)：“一份標(biāo)準(zhǔn)的文件定義了系統(tǒng)性能。但它并未告訴工程師如何設(shè)計(jì)。” 您可能對(duì)此一事實(shí)很清楚。不過(guò)這意味著，你最好要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行徹底的測(cè)試，并且無(wú)線通道的不可知性可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往經(jīng)歷過(guò)的任何其它環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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(shuō)明

圖 1 運(yùn)行在 National Instruments 公司 LabView 上的 Modulation Toolkit 可以讓設(shè)計(jì)工程師快速地對(duì)無(wú)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(shí)時(shí)頻譜分析儀系列透過(guò)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(dòng)射頻測(cè)試儀，可支持各種新興標(biāo)準(zhǔn)，例如：Mobile WiMax。

Agilent 公司的 89601A LTE 信號(hào)分析包可對(duì)一個(gè) LTE 下行鏈路信號(hào)完成一次誤差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）測(cè)量，并顯示出一幅星座圖。