NI中國射頻產品專員 胡宗敏, NI中國市場部經理 朱君
目錄
1.無線技術
2. 以軟件為中心的無線測試平臺
3.更多相關資源
從事無線通信領域設計和測試的工程師如今正面臨著前所未有的挑戰，眾多的無線通信標準已經給人一種眼花繚亂的感覺，并且伴隨著科技的飛速進步，市場需求的不斷擴大，新的無線應用標準還會更加迅猛地涌現。由于各種技術都有其優勢和特性，所以目前看來，沒有一個標準能夠唯一地壟斷市場。
本文寫作的目的不是為了深入探討不同無線通信標準的優劣，而是意在指出在市場上多種標準共存的情況下，工程師們如何通過一個同一的、以軟件為核心的平臺，實現多種標準的測試，從而跟上技術發展的步伐。
無線技術
無線技術在傳統上被認為是電信產業中的縱深部分，并且這一技術正橫向擴展至許多非傳統市場。現在無線技術已經成為一項默認的設備功能，例如，芯片將多種無線技術集成至板上；采用ZigBee或GSM方式的無線遠程抄表系統，汽車使用藍牙技術實現無波段通信；通過無線通信實現胎壓的監測；RFID技術的廣泛使用；PC的外設采用無線方式連接；工業依賴無線傳感器來提供實時數據從而監督和控制各種操作等等。
回顧一下無線網絡，我們可以看到這些技術大致可以歸入：無線個人區域網絡、局域、城市域以及最新的地區性區域網絡。其中，無線廣域網絡還可以歸入蜂窩技術范疇。
無線個人區域網絡（WPAN）非常活躍而且包含許多各種不同的技術，它是無線家庭的核心。目前正被廣泛應用于解決家庭電纜過多的超寬帶正是運用了這種技術中的UWB協議，它使您可以在家中任何地方放置平板電視而不用看到繁復的電纜。ZigBee是針對工業部門的，無線可使HVAC、照明和傳感器控制可以放置在任何地方而無需電纜。
個人區域網絡擴展出去就是局域網絡（WLAN），這里最主要的技術是802.11。802.11a/b/g是人們所熟悉的名字。
無線城域網絡（WMAN）包含即將采用的WiMAX。802.16-2004包含兩種定點標準，一種在11GHz以下，另一種視距標準擴展至66GHz。由于802.16e將漫游功能添加至WiMAX，可以預言，它將是一種非常有發展前途的技術。
無線區域網絡（WRAN）的作用范圍最為廣泛。其中，802.22是一種正在開發的嶄新標準，它可以在54至862 MHz標準電視頻道的頻率范圍內發揮作用。由于WRAN的范圍可超過40km，802.22將極有可能為WiMAX提供支持 。
如果用時間軸表現各種不同的標準，許多標準的演化過程會變得十分清晰，而新標準的開發正以前所未有的速度進行著。在2000年之前，并存的標準只有四五種，并且生命力較長，到今天，這種情況被顛覆。由于新標準如雨后春筍般出現，每個標準的生命周期被大大縮短。
以下列出的是一些正在研發階段的新興的無線標準：
* OFDM（正交頻分復用）——這一技術正逐漸得以普及而且正在許多新標準中得以實現。
* 4G 蜂窩技術
* 認知無線電——作為802.22標準的一部分，這一技術可搜尋空頻譜，以便在出現沖突或者通信流時使用。然后通信流就被轉移至其他未使用的頻譜。
* Ad Hoc和傳感器網絡
* 軟件無線電（Software Defined Radio ，SDR）——SDR使用可重復配置的硬件，例如FPGA，使得硬件可以適用于不斷變換的網絡要求。
* 多輸入多輸出系統（MIMO）——在這些系統中，多個天線用來提高系統容量。
* 超寬帶（Ultra-Wideband ，UWB）——在第一代設備上（3.1至4.8GHz），每通道使用完整的528MHz并且以480Mbit/s的速率傳輸數據。
以軟件為中心的無線測試平臺
在所有這些新標準同時出現和共存的情形下，設備生產商、測試工程師和設計師面臨著許多挑戰。通常RF設備的購買周期是5至7年，但新標準和新技術的推出周期是每兩年一輪，購買的RF設備將會很快過時。面對這樣的挑戰，越來越多的公司正采用一種以軟件為核心的平臺，并配合模塊化硬件，從而來滿足不斷發展的技術需求。像這樣以軟件為核心的平臺可以幫助用戶有能力在第一時間測試最新的標準，加快其產品或解決方案的上市時間；而且只要在軟件上進行調整就可以符合新的標準，具備極強的靈活性；而且對于工程師本人而言，可以在系統中加入自己的知識產權技術，獲得技術上的主動權，使這些技術不再只是握在標準廠商或者機構手中。
一直倡導這種“以軟件為核心的測試測量構架” 概念的是National Instruments公司，自1986年推出其旗艦軟件LabVIEW之后，NI一直在幫助工程師通過這一革新性的圖形化編程語言，提高他們的工作效率。其后，NI于1997年首推了基于PC的行業標準測試平臺PXI，再一次領導業界趨勢。1998年，NI與其他測試測量企業共同組成了PXI系統聯盟，迄今為止該聯盟已經擁有超過70家會員公司和1200余種PXI產品，其功能包括從電源、DMM到RF，使得用戶可以根據他們特定的測試需求進行選擇和組合。
現在，LabVIEW、PXI和模塊化儀器已經成為工程師和科學家們開發和測試最新技術（包括無限標準）的必備工具。在以下兩個案例中，我們將看到德州大學奧斯汀分校的研究人員使用這一技術，如何在短短6周時間內開發一個基于4G的系統；以及一家本地公司開發業界首個測試1C2G RFID系統的成功方案。
用戶解決方案1：對MIMO-OFDM 4G系統進行原型設計
這是一個極具代表性的實例，用來說明利用這個平臺如何快速地對系統進行原型設計和開發。OFDM（正交頻分復用）是一種多載波數字通信調制技術。它選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，利用多個子載波并行傳輸。OFDM 技術能夠克服CDMA 在支持高速率數據傳輸時信號間干擾增大的問題,并且有頻譜效率高,硬件實施簡單等優點，因此OFDM 被視為是第四代移動通信系統中的核心技術。MIMO（多輸入多輸出）利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。
MIMO-OFDM結合了MIMO和OFDM的優勢，可同時提升無線通信系統的速度、范圍和可靠性，現在已經被寫入WLAN802.11n以及WiMAX802.16標準之中。被業界廣泛關注的第4代移動通信的研究還處于初期階段，其基本功能、核心技術還處于構想階段，MIMO-OFDM也是構建4G系統的熱門方案之一。
德州大學奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發了MIMO-OFDM 4G系統，在UT無線網絡和通信實驗室Robert Heath教授的指導下，三名學生在6個星期內設計了一個4G系統的原型。
該實驗室之所以選擇基于軟件的模塊化測試平臺，是因為通過現成可用的NI RF矢量信號發生器、RF矢量信號分析儀、LabVIEW 軟件和調制解調工具包，研究人員們已經站在一個很高的起點之上了，因此他們就可以專注于核心部分的開發。在完成設計工序的時候，需要為MIMO無線通信系統構建原型，并且要為理論研究提供實際的驗證。傳統的方式是要用到昂貴的專用硬件，這樣一來編程很費時間，在研究室里也很難去維護。用了集成的NI軟件和無線產品，德州大學奧斯汀分校的研究人員就可以創建一個無線通信系統，包括調制、同步和均衡等各種要素。此外，該硬件也是完全可編程的，為新的開發和測試要求提供了便利。
這些研究人員所采用的硬件就是一種堅固的、基于PC的測量和自動化平臺——PXI。PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，增加了專門的同步總線，并且PXI的控制器運行Windows操作系統。這使它成為測量和自動化系統的高性能、低成本運載平臺。PXI總線除了具有133MB/s的高速數據吞吐量外，還有精確的觸發總線、同步時鐘以及用于設備間數據傳輸的本地總線，從而大大提高了系統的性能。下圖是PXI的總線結構。
基于軟件的模塊化測試平臺少不了一個靈活的軟件平臺。LabVIEW就是一個專門為工程師設計的圖形化編程語言。LabVIEW前面板可以通過用戶的自定義來顯示各種用戶界面，在這個案例中的前面板圖上，您可以看到校園的兩幅圖片——上面的一幅是原始的照片，下面的一幅則是經過4G系統傳輸之后恢復的圖片。您還可以看到星座圖和進行的一些測量。
德州大學奧斯汀分校使用這種集成了LabVIEW軟件和PXI硬件的技術成功獲得了4G解決方案，現在加州大學伯克利分校的相關人員也在使用相同的設備進行類似的研究。
用戶解決方案2：C1G2 RFID標簽測試方案
1類、2代(C1G2)的RFID標準是國際RFID標準組織EPCglobal新近標準。這項標準規定了運行在超高頻(UHF)、即860～960MHz頻率范圍內的RFID標簽和閱讀器之間的通信協議。C1G2提供了一種速度更快、更安全、全球承認并且部署起來費用更低廉的規范。至今，歐洲和北美已經接受了這種標準。
C1G2將美國的標簽閱讀速度提高到大約每秒1500次，歐洲為每秒600次，如果使用目前技術，標簽閱讀速度為100～300次。使用C1G2時，寫入速度是目前產品的兩倍。這種算法以及擴頻技術的采用，使閱讀器在可接受距離和不同頻率上有選擇地與不同標簽通信。此外，標準解決了閱讀器間的干擾問題，在開放空間，UHF的讀取距離可達10到20英尺。在保護標簽信息和用戶隱私方面，C1G2包括口令保護讀訪問和永久鎖定內存內容的功能，并將口令的長度由8位增加到了32位。C1G2采用的是復雜的防沖突算法，它能大大提高閱讀器在讀取區域中一次讀取大量標簽的能力。比如我們在大型超市購物結帳時，需要把商品一件件拿出來在讀取條碼信息，在繁忙的時段往往造成手銀處的擁擠。如果采用C1G2技術，只要把推車推過感應區域，就可以完成推車內所有商品信息的讀取，這個過程可能只需要難以置信的一秒鐘！
C1G2標準RFID帶來了眾多的優點的同時，也給生產廠商在標準化測試時出了難題。由于標準較新且協議復雜，對測試設備的性能要求很高，特別是RF實時應答能力，對于生產RFID產品的半導體生產廠商來說，這無疑是推延產品問世的一大障礙。當各大公司尚未在市場上推出測試解決方案的時候，中國的一家工程類公司——上海聚星儀器, 開發出了全球首個支持C1G2標準全部指令的測試設備。
此測試方案基于NI 射頻模塊化儀器硬件，其中中頻處理的硬件為內嵌強大運算能力的FPGA的軟件無線電平臺NI RF RIO（Reconfigurable I/O），軟件基于LabVIEW圖形化編程環境實現，每次RFID標簽的應答通信時間可在400-500微秒內完成。目前，此測試方案正在接收RFID標準化組織的驗證。
綜上所述，面對著市場上出現越來越多的無線應用標準，以軟件為核心的測試平臺采用高性能的模塊化硬件和靈活的軟件平臺，為工程師們提供一個同一的平臺來進行這些標準的測試，并且可以輕松地滿足不斷變化的市場需求。這一方面使技術革新者可以不再受制于測試廠商的限制，另一方面也幫助那些規模較小、但是實力不俗的公司在這個快速發展的市場上具有較高的競爭力，成為市場先行者。
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