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    通過軟件無線電的架構加速無線技術的開發與測試

    2012-05-28 美國國家儀器公司
    概覽
    作者:NI中國 技術市場工程師 徐 赟

          如今的無線通信領域可謂是“百花齊放,百家爭鳴”,層出不窮的無線通信標準令人眼花繚亂;同時,現代的電子產品往往又集成了多種不同的無線標準。這些都給射頻設計和測試的工程師帶來了前所未有的挑戰,如何應對無線標準和技術的快速更新成為大家所共同關注的話題。

          本文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統一的軟件無線電平臺,實現對多種標準的測試,從而跟上技術發展的步伐。
    日益發展的無線技術
          從遠程視頻會議,無線胎壓監測到基于ZigBee或GSM方式的無線遠程抄表系統,當今無線技術的應用正不斷滲透至各行各業,甚至成為了一種不可或 缺的功能。有的標準在還沒有相應廠商提供測試解決方案之前就被集成到了電路和系統的設計中;還有很多的新興產品在一個設備上同時實現了兩種、三種甚至多種 的標準用于數據和語音的通訊,就像蘋果公司最新推出的iPhone手機,它同時集成了藍牙、Wi-Fi和GSM/EDGE的功能,在方便了用戶的同時,也 給無線技術的開發和測試帶來了巨大的挑戰。
          同時,各種無線通信標準的不斷涌入也同樣使人感到束手無策,每個公司和組織都在根據自己特定應用的需求來制定和優化不同的標準和協議,這就使得大 量的新標準如雨后春筍般出現,而每個標準的生命周期卻被大大的縮短。如果通過時間軸來顯示各種標準,許多標準的演化過程會變得十分清晰,而新標準的開發也 正以前所未有的速度進行著。如下圖所示,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,這種情況已被層出不窮的各種標準所顛覆。

          以下還列出了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
          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。
          以軟件為核心的無線測試平臺
          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。
          通過軟件數字信號處理技術實現多種無線技術
          讓我們先來了解一下典型的通信系統所包含的主要功能模塊,這將幫助更好的理解整個設計和測試的流程。

          信源編碼和解碼
          信源編碼主要用于數據的壓縮,以利于后續的傳輸。常見的信源編碼算法包括JPEG壓縮,zip(LZ77和哈夫曼編碼算法的結合),MP3和MPEG-2等。

          信道編碼和解碼
          和信源編碼不同,信道編碼可以加入或改寫數據位,以便于減少信道傳輸中噪聲和衰減帶來的影響,解碼后獲得更好的原始傳輸信號。
          調制和解調
          調制的嚴格定義是將一個電磁波或信號的一個或多個屬性(幅度,頻率,和/或相位)進行改變的過程,主要分模擬解調和數字解調兩大類。使用調制的方式可以將原來的低頻信號在相對的高頻中進行傳輸。
          上變頻和下變頻
          使用上變頻和下變頻的模塊可以改變輸入信號的頻率。
          過去,上述流程中的一些重要功能模塊(如編碼和調制等)往往是通過將數字信號處理(DSP)集成到電路或ASICs上來實現的,而這樣的設計、開發 和集成到通訊系統的過程通常需要花費數個月的時間,這樣一來,用戶很難跟上新標準的發展速度。一個更快更簡便,并能緊跟無線技術發展步伐的方法就是應用軟 件無線電的技術。在軟件中完成編碼和調制的過程,并生成調制后的波形,再通過模塊化的儀器進行上下變頻。這種以軟件為中心的測試方法完全是基于應用,而且 是用戶自定義的,這能使工程師僅僅通過軟件的修改就能快速的滿足新標準的要求,大大加速了設計和測試的時間,并掌握了技術上的主動權。
    下圖顯示了National Instruments的LabVIEW圖形化的語言和NI的PXI平臺,通過軟件無線電的方法再現了上述通訊系統的功能框圖。模塊化的硬件除了完成物理上的上下變頻過程外,其余的功能都是通過軟件來完成的。


          基于PXI和LabVIEW的軟件無線電測試平臺
          一直倡導這種“以軟件為核心的測試測量構架” 概念的是NI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命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,再一次領導了業界趨勢。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。
          PXI作為一種堅固的、基于PC的測量和自動化平臺,它結合了PCI/PCI Express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,增加了專門的定時和同步總線;其高達6GB/s 的背板總線帶寬能夠保證上下變頻后的中頻信號能夠被實時并持續的數字化到PC進行處理;PXI的控制器采用了最先進的雙核處理器并運行Windows的操 作系統,能夠應付任何復雜的通訊算法。這些都使PXI成為無線測試理想的高性能、低成本的運載平臺。
          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。除了和PXI硬件的無縫連接外,它 還集成了多達600種信號處理和分析的算法,以及調制解調、頻譜分析等各種工具包,針對射頻的應用,能夠完成功率譜、峰值功率和頻率、帶內功率、鄰頻功率 等一系列的測量。在LabVIEW開放的軟件環境中,用戶還可以實現帶有自主產權的射頻算法,以滿足日益發展的無線通信標準的需求。(見下圖)

     
          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(包括無線標準)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
          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RF產品,德州大學奧斯汀分校的研究人員就可以快速的創建一個無線通信系統,包括調制、同步和均 衡等各種要素。
          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新近的標準。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,如果使用目前的技術,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收銀處的擁擠。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的實時應答能力,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。
        

    總結
          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統一的平 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。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,成為市場的先行者。
    標簽: 測試
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