通過同一平臺(tái)測試不同無線標(biāo)準(zhǔn)

從事無線通信設(shè)計(jì)和測試的工程師如今正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，眾多無線通信標(biāo)準(zhǔn)讓人眼花繚亂，伴隨著科技的飛速進(jìn)步，新標(biāo)準(zhǔn)還會(huì)更迅猛地涌現(xiàn)。由于各種技術(shù)各具優(yōu)勢和特性，所以目前看來，沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能唯一地壟斷市場。本文意在指出在多種標(biāo)準(zhǔn)共存的情況下，工程師如何通過一個(gè)同一的、以軟件為核心的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的測試，從而跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

雖然無線技術(shù)在傳統(tǒng)上被認(rèn)為是電信業(yè)中的縱深部分，但這一技術(shù)正橫向擴(kuò)展至許多非傳統(tǒng)市場?，F(xiàn)在，無線技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)默認(rèn)的設(shè)備功能，例如：芯片將多種無線技術(shù)集成至板上、采用ZigBee或GSM方式的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、汽車使用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無波段通信、通過無線通信實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測、RFID技術(shù)的廣泛使用、PC外設(shè)采用無線連接、工業(yè)依賴無線傳感器監(jiān)督和控制各種操作等等。

現(xiàn)有無線技術(shù)分類

回顧無線網(wǎng)絡(luò)，我們可以看到無線技術(shù)大致可以歸入：無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、局域、城域以及地區(qū)性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。其中，無線廣域網(wǎng)絡(luò)還可以歸入蜂窩技術(shù)的范疇。圖1比較了不同網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的范圍，圖2則比較了不同無線標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的范圍。

無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）包含許多各種不同的技術(shù)，是無線家庭的核心。目前正廣泛應(yīng)用于解決家庭電纜過多的超寬帶正是運(yùn)用了這種技術(shù)中的UWB協(xié)議，通過它用戶可以擺脫繁復(fù)的電纜，在家中任何地方自由地放置平板電視。ZigBee針對工業(yè)部門，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。

無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）是個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，主要技術(shù)是802.11，其中802.11a/b/g較為人們所熟知。

無線城域網(wǎng)絡(luò)（WMAN）包含即將采用的WiMAX。802.16-2004包含兩種定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，一種在11GHz以下，另一種視距標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展至66GHz。由于802.16e將漫游功能添加至WiMAX，因而可以預(yù)見，它將是一種非常有發(fā)展前途的技術(shù)。

無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WRAN）的作用范圍最為廣泛。其中，802.22是一種正在開發(fā)的嶄新標(biāo)準(zhǔn)，它可以在54～862MHz標(biāo)準(zhǔn)電視頻道的頻率范圍內(nèi)發(fā)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。

未來無線技術(shù)迸發(fā)希望

如果用時(shí)間軸表示各種不同的標(biāo)準(zhǔn)，許多標(biāo)準(zhǔn)的演化過程將變得十分清晰，而新標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)正以前所未有的速度進(jìn)行著，如圖３所示。在2000年之前，并存的標(biāo)準(zhǔn)只有四五種，且生命力較長，而今天，這種情況已經(jīng)完全顛覆。由于新標(biāo)準(zhǔn)如雨后春筍般出現(xiàn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的生命周期被大大縮短。

以下列出一些正在研發(fā)階段的新興無線標(biāo)準(zhǔn)：

◆ OFDM（正交頻分復(fù)用）——這一技術(shù)正逐漸普及，并且正在許多新標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)

◆ 4G蜂窩技術(shù)

◆ 認(rèn)知無線電——作為802.22標(biāo)準(zhǔn)的一部分，這一技術(shù)可搜尋空頻譜，以便在出現(xiàn)沖突或者通信流時(shí)使用，將通信流轉(zhuǎn)移至其他未使用的頻譜中

◆ Ad Hoc和傳感器網(wǎng)絡(luò)

◆ 軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）——SDR使用可重復(fù)配置的硬件，例如FPGA，使硬件可以適用于不斷變換的網(wǎng)絡(luò)要求

◆ 多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）——在該系統(tǒng)中，使用多個(gè)天線以提高系統(tǒng)容量

◆ 超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）——在第一代設(shè)備上（3.1～4.8GHz），每個(gè)通道可以使用完整的528MHz并以480Mbit/s的速率傳輸數(shù)據(jù)

并存標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)測試難度

在所有這些新舊標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)出現(xiàn)和共存的情形下，設(shè)備生產(chǎn)商、測試工程師和設(shè)計(jì)師將面臨諸多挑戰(zhàn)。通常RF設(shè)備的購買周期是5～7年，但新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的推出周期是每兩年一輪，購買的RF設(shè)備將會(huì)很快過時(shí)。

以軟件為核心的測試平臺(tái)應(yīng)對自如

面對這樣的挑戰(zhàn)，越來越多的公司正采用一種以軟件為核心的平臺(tái)，并配合模塊化硬件，從而滿足不斷發(fā)展的技術(shù)需求。以軟件為核心的平臺(tái)可以幫助用戶有能力在第一時(shí)間測試新標(biāo)準(zhǔn)，加快其產(chǎn)品或解決方案的上市時(shí)間；只要調(diào)整軟件就可符合測試新標(biāo)準(zhǔn)的要求，具備極強(qiáng)的靈活性；對于工程師本人而言，可以在系統(tǒng)中加入自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，獲得技術(shù)上的主動(dòng)權(quán)，技術(shù)將不再只是握在標(biāo)準(zhǔn)廠商或者機(jī)構(gòu)手中。

美國國家儀器公司（National Instruments，NI）一直倡導(dǎo)“以軟件為核心的測試測量架構(gòu)”的概念，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年推出了基于PC的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試平臺(tái)PXI。1998年，NI與其他測試測量企業(yè)共同組成了PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，迄今為止該聯(lián)盟已經(jīng)擁有超過70家會(huì)員公司和1200余種PXI產(chǎn)品，其功能包括從電源、DMM到RF，使用戶可根據(jù)特定的測試需求進(jìn)行選擇和組合。

現(xiàn)在，LabVIEW、PXI和模塊化儀器已經(jīng)成為工程師和科學(xué)家們開發(fā)和測試新技術(shù)（包括無線標(biāo)準(zhǔn)）的必備工具。在以下兩個(gè)案例中，將看到德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員使用這一技術(shù)在短短6周時(shí)間內(nèi)開發(fā)一個(gè)基于4G的系統(tǒng)；以及一家本地公司開發(fā)測試1C2G RFID系統(tǒng)的成功方案。

實(shí)踐之中見真知

MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

這是一個(gè)極具代表性的實(shí)例，說明通過該平臺(tái)如何快速地對系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和開發(fā)。OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，它選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，利用多個(gè)子載波并行傳輸。OFDM技術(shù)能夠克服CDMA在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信號(hào)間干擾增大的問題，并且具有頻譜效率高、硬件實(shí)施簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此OFDM被視為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。MIMO（多輸入多輸出）利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

MIMO-OFDM結(jié)合了MIMO和OFDM的優(yōu)勢，可同時(shí)提升無線通信系統(tǒng)的速度、范圍和可靠性，現(xiàn)在已寫入WLAN 802.11n以及WiMAX 802.16標(biāo)準(zhǔn)之中。業(yè)界廣泛關(guān)注的第四代移動(dòng)通信的研究還處于初期階段，其基本功能、核心技術(shù)還處于構(gòu)想階段，MIMO-OFDM也是構(gòu)建4G系統(tǒng)的熱門方案之一。

德州大學(xué)奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發(fā)了MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)，在UT無線網(wǎng)絡(luò)和通信實(shí)驗(yàn)室Robert Heath教授的指導(dǎo)下，三名學(xué)生在6個(gè)星期內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)4G系統(tǒng)的原型。

該實(shí)驗(yàn)室之所以選擇基于軟件的模塊化測試平臺(tái)，是因?yàn)橥ㄟ^現(xiàn)成可用的NI RF矢量信號(hào)發(fā)生器、RF矢量信號(hào)分析儀、LabVIEW軟件和調(diào)制解調(diào)工具包，研究人員們便可站在一個(gè)較高的起點(diǎn)上，進(jìn)而專注于核心部分的開發(fā)。在完成設(shè)計(jì)工序的時(shí)候，需要為MIMO無線通信系統(tǒng)構(gòu)建原型，并且為理論研究提供實(shí)際的驗(yàn)證。傳統(tǒng)方式是采用昂貴的專用硬件，如此一來編程耗時(shí)，且很難維護(hù)。使用集成NI軟件和無線產(chǎn)品后，德州大學(xué)奧斯汀分校的研究人員就可以創(chuàng)建一個(gè)無線通信系統(tǒng)，包括調(diào)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(fā)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(jiān)固的、基于PC的測量和自動(dòng)化平臺(tái)PXI。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，增加了專門的同步總線，并且PXI的控制器運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，從而使它成為測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。圖4是PXI總線結(jié)構(gòu)，PXI總線除了具有133MB/s的高速數(shù)據(jù)吞吐量外，還有精確的觸發(fā)總線、同步時(shí)鐘以及用于設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋镜乜偩€，從而大大提高了系統(tǒng)的性能。

基于軟件的模塊化測試平臺(tái)少不了一個(gè)靈活的軟件平臺(tái)。LabVIEW就是一個(gè)專門為工程師設(shè)計(jì)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(gè)案例中的前面板圖上（圖5右上角），您可以看到校園的兩幅圖片——上面一幅是原始的照片，下面一幅則是經(jīng)過4G系統(tǒng)傳輸之后恢復(fù)的圖片。此外，您還可以看到星座圖和一些進(jìn)行的測量。德州大學(xué)奧斯汀分校使用這一技術(shù)成功獲得了4G解決方案，現(xiàn)在加州大學(xué)伯克利分校的相關(guān)人員也在使用相同的設(shè)備進(jìn)行類似的研究。

C1G2 RFID標(biāo)簽測試方案

1類、2代(C1G2)的RFID標(biāo)準(zhǔn)是國際RFID標(biāo)準(zhǔn)組織EPCglobal新近推出的標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了運(yùn)行在超高頻(UHF)、即860～960MHz頻率范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽和閱讀器之間的通信協(xié)議。C1G2提供了一種速度更快、更安全、全球承認(rèn)且部署費(fèi)用更低廉的規(guī)范。至今，歐洲和北美已經(jīng)接受了這種標(biāo)準(zhǔn)。

C1G2將美國的標(biāo)簽閱讀速度提高到大約每秒1，500次，歐洲為每秒600次，如果使用目前技術(shù)，標(biāo)簽閱讀速度為100～300次。使用C1G2時(shí)，寫入速度是目前產(chǎn)品的兩倍。采用這種算法以及擴(kuò)頻技術(shù)，使閱讀器在可接受距離和不同頻率上有選擇地與不同標(biāo)簽通信。此外，該標(biāo)準(zhǔn)解決了閱讀器間的干擾問題，開放空間UHF的讀取距離可達(dá)10～20英尺。在保護(hù)標(biāo)簽信息和用戶隱私方面，C1G2包括口令保護(hù)讀訪問和永久鎖定內(nèi)存內(nèi)容的功能，并將口令的長度由8位增加到32位。C1G2采用復(fù)雜的防沖突算法，大大提高閱讀器在讀取區(qū)域中一次性讀取大量標(biāo)簽的能力。目前在大型超市購物結(jié)帳時(shí)，需要把商品一件件取出以便讀取條碼信息，在繁忙時(shí)段往往造成收銀處的擁擠。如果采用C1G2技術(shù)，只要推車經(jīng)過感應(yīng)區(qū)域，就可以完成推車內(nèi)所有商品信息的讀取，這個(gè)過程可能只需要難以置信的一秒鐘。

C1G2標(biāo)準(zhǔn)RFID帶來了眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也給生產(chǎn)廠商在標(biāo)準(zhǔn)化測試時(shí)出了難題。由于標(biāo)準(zhǔn)較新且協(xié)議復(fù)雜，對測試設(shè)備的性能要求很高，特別是RF實(shí)時(shí)應(yīng)答能力，對于生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商來說，這無疑是延遲產(chǎn)品問世的一大障礙。當(dāng)各大公司尚未在市場上推出測試解決方案的時(shí)候，中國一家工程類公司——上海聚星儀器率先開發(fā)出支持C1G2標(biāo)準(zhǔn)全部指令的測試設(shè)備。

如圖６所示，該測試方案基于NI射頻模塊化儀器硬件。其中，中頻處理硬件為內(nèi)嵌強(qiáng)大運(yùn)算能力的FPGA的軟件無線電平臺(tái)NI RF RIO（Reconfigurable I/O），軟件基于LabVIEW圖形化編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)，每次RFID標(biāo)簽的應(yīng)答通信時(shí)間可在400～500微秒內(nèi)完成。目前，該測試方案正在接受RFID標(biāo)準(zhǔn)化組織的驗(yàn)證。

綜上所述，面對著市場上出現(xiàn)越來越多的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以軟件為核心的測試平臺(tái)采用高性能的模塊化硬件和靈活的軟件平臺(tái)，為工程師們提供一個(gè)同一的平臺(tái)來進(jìn)行各種標(biāo)準(zhǔn)的測試，可輕松地滿足不斷變化的市場需求。這一方面使技術(shù)革新者可以不再受制于測試廠商的限制，另一方面又可幫助那些規(guī)模較小、但實(shí)力不俗的公司在快速發(fā)展的市場上具有較高的競爭力，成為市場先行者。