快速發展的無線標準以及如何應對技術革新者們面臨的困境

hi 在這個科技飛速進步的時代，技術領導者（即革新者）們正面臨著技術革新所帶來的困境。一方面，技術革新為公司贏得市場立足點，以及擴大市場份額的機會。但另一方面，隨著市場的成熟，這個加速公司成長的競爭優勢卻難以長久維持，因為競爭會使產品逐漸商品化、大眾化，原先該產品上與眾不同的地方會逐漸變得普通，需要有新的技術革新帶來新的產品亮點。于是革新反而就開始成為一種責任，迫使公司為了保持在市場上既有的領導地位，持續不斷地進行技術革新，并且要以最短的時間將革新成果推向市場。

能夠體現技術革新者這種困境最為有力的證明之一便是在無線通信行業。以電信市場為例，由于越來越多的功能集成到更小型和更價廉的設備上，手機這個產品已經變得越來越復雜。過去只有少數幾款手機具有多波段功能，然而現在，消費者們普遍要求他們的手機還應該擁有藍牙、Wi-Fi和FM廣播等各種功能。隨著各種不同的無線通信標準的出現，眾多手機廠商都希望能率先把帶有新功能的產品投入市場，確保他們的市場份額。在這種情況下，設計和測試過程將會變得愈加困難，工程師也將隨之承受巨大的壓力。

為了與由技術驅動的市場步伐保持一致，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，將設計到生產的全過程連接起來——這就是一種基于虛擬儀器技術的解決方式。利用開放的軟件平臺，工程師可以簡化并將設計工具鏈連接起來，從而將更多的技術集成至基本的原理圖建模和仿真工具。在同一個軟件平臺下的模塊化測試架構則可以驗證產品的功能。通過利用軟件平臺和模塊化構架這兩者的開放性，廠商可以使用同一個平臺將設計和測試連接起來，從而減少產品上市時間，并且解決產品功能越來越復雜的這一挑戰，來凸現其產品的優勢。

在本文中，我們將概括地了解一下無線技術的發展，并介紹一種針對新興無線技術所設計，基于軟件的測試構架，以及一些成功的用戶解決方案。

1. 無線技術

無線技術在傳統上被認為（甚至被歸類為）是電信產業中非常縱深的一個部分，而現在我們則可以看到這一技術正橫向擴展至許多非傳統市場。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；汽車使用藍牙技術實現無波段通信；消費產品在單一設備上提供各種想象得到的無線技術；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。

回顧一下無線網絡，我們可以看到這些技術大致可以歸入一些主要的類別：無線個人區域網絡（Wireless Personal Area Networks, WPAN）、局域、城市域以及最新的地區性區域網絡。我們也可以把無線廣域網絡歸入蜂窩技術范疇。

無線個人區域網絡（Wireless Personal Area Networks, WPAN）非常活躍而且包含許多各種不同的技術。WPAN是無線家庭的核心，因為這種技術，例如超寬帶（Ultra-Wideband，UMB），正被廣泛應用于解決家庭中電纜過多這一困擾。UWB使得您無需電纜即可在家中任何地方放置平板電視。

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。

從個人區域網絡擴展出去就是局域網絡（Local Area Networks, LAN）。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（Wireless Metropolitan Area Networks）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，所以現在看來它將是一種非常有發展前途的技術。

802.22是一種正在開發的嶄新標準。這種無線區域網絡（Wireless Regional Area Network，WRAN）在54至862 MHz標準電視頻道的頻率范圍內發揮作用。這種認知技術采用從前未曾使用過的、可得的電視頻率波段。由于WRAN的范圍可超過40km，802.22將極有可能為WiMAX提供支持。

如果我們將各種不同的標準沿時間軸繪制，那么許多技術的開發過程會立刻變得十分清晰，而這些全新標準的開發正以前所未有的速度進行著。許多技術（例如AMPS、802.11、GSM和 RFID）已經存在了數年，但是，最近幾年其他越來越多的標準正在得到開發，用以解決數據需要與需求的不斷增長。

在2000年之前，每個設備僅僅具有一到兩種無線技術就足夠了。但現在，由于多種標準同時存在，對于設備來說必須同時實現多種標準才能推向市場，為用戶提供無縫的操作。這就對設計者、測試工程師和制造商都提出了苛刻的要求。

無線技術的革新會帶來更多的標準，并使上述趨勢變得更加復雜。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。

* 多天線系統（MIMO）——多輸入，多輸出——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。

* 多個無線標準共存——標準組織正致力于解決這些挑戰。

由此可見，無線領域正在快速發展，工程師們還有很多工作需要繼續下去。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設備的購買周期通常是5至7年，但新標準和新技術的推出周期是每兩年一輪。因此很明顯，由于市場需求的更新非常快速，購買的RF設備將會很快過時。

如何解決這些問題？何種平臺能夠具擴展性以解決無線市場上快速的技術進步？讓我們來了解一下圖示所描述的一個完整的、集成的測試和設計驗證系統。

就像軟件無線電將硬件和軟件區別開來一樣，讓我們集中關注在這兩個方面——硬件和軟件——這與我們所討論的虛擬儀器技術如何為這些挑戰提供解決方案一樣。通常，被測設備（device under test）包含各種不同的功能，需要通過外圍的測試硬件來進行檢驗。這些功能可能包括DC、AC、音頻、視頻、IR、和RF等等。隨著更多的功能集中至這一個被測設備，測試硬件平臺需要變得更開放和模塊化，從而可以實現升級并滿足最新的需要。

軟件部分，在圖中以深藍色表示，需要完成三個關鍵的任務——用于向測試硬件發布命令的系統控制、將原始數據轉換成有意義的結果的信號分析處理，以及以一種有效的方式顯示測量結果的可視化功能。除此之外，軟件平臺需要具有開放性，使用戶可以與電子設計自動化（EDA）軟件交互，從而將更多的技術集成至基本的原理圖建模和仿真工具，最后就可以利用嵌入式開發工具將這些電子設計自動轉換成物理芯片或板卡。

NI預見到了這種行業的發展趨勢，并通過采用各種先進的商業技術，以驚人的發布速率（每兩個工作日發布一種產品）擴展其模塊化儀器產品線，滿足用戶的需求。

這些模塊化硬件所提供的功能涵蓋從溫度和壓力，至RF矢量信號生成和采集，都可以無縫地集成至開放的PXI平臺。此外，利用內置的高帶寬背板與定時和觸發總線，PXI平臺確保了同步功能。值得一提的是，這個平臺是可升級的，當新的處理器推出，無需廢棄整個平臺就可以升級處理器，而且在現有的、數以千計的模塊中選擇一款，工程師即可測試新的特性。相對于傳統儀器，這就提供了一個巨大的優勢。因為您一旦購買了一臺傳統儀器之后，直到下一次更新設備（通常是5至7年時間），您都會被束縛于那臺儀器中的處理器或測試特性。

從軟件方面來看，用于LabVIEW和LabWindows/CVI（一個ANSI C開發環境）的調制解調工具包提供了一個開發行業內特定通信標準的基礎，例如CDMA2000 、GPS 、UWB 、GSM 、藍牙、ZigBee，等等。利用這個靈活可變的基礎，當新的標準出現并獲得批準時，工程師就可以在這相同的平臺上開發出符合標準的軟件。

讓我們通過以下兩個實例證明軟硬件集成的RF平臺是如何滿足用戶需求的：

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。

這是一個在德州大學奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發的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個星期內設計了這個4G系統的原型。

在下圖右上角的前面板，您可以看到UT校園的兩幅圖片——上面的一幅是原始的照片而下面的一幅則是經過4G系統傳輸之后所恢復的圖片。您還可以看到星座圖以及所進行的一些測量。

他們使用的工具包括NI RF矢量信號發生器、RF矢量信號分析儀、調制解調工具包和LabVIEW軟件。此外，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。

利用同樣的系統，我們的客戶已經為RFID這個不斷增長的市場，例如輪胎壓力監控和無鑰門禁領域，開發了相應的應用。從RFID標簽或讀卡器上采集返回的響應需要很快的生成和觸發速度，NI PXI平臺數十皮秒（picosecond）分辨率的觸發性能可很好地滿足任務的所有要求。

用戶解決方案2：軟件無線電平臺用于頻譜監測

再來看一個中國本地市場的實例，成都華日通信公司（華日電信）是一家大型的無線電定向系統開發商和生產商，他們需要一個用于頻譜監測、定向和信號識別的解決方案。這個系統需要提供給用戶更優的性能以監測政府管制頻段之內和之外的信號，同時還要利用信號識別和定向功能來查明非法傳輸或干擾的信號源。

利用NI PXI-5660 PXI矢量信號分析儀和LabVIEW環境所開發的軟件，華日開發了HR-100——一個正在申請專利的寬帶無線電接收機和監測系統。這個系統既可以用作無線電接收機也可以用作一個RF矢量信號分析儀來檢測現代的寬帶數字通信信號以及傳統的窄帶模擬廣播信號。此外，這個系統可以配置成一個單通道的接收機或一個多通道的定向系統。由于這個全新的系統使用開放的軟件無線電平臺，HR-100可以完成標準的和自定義的測量，而這在以前需要多個專用的、獨立的儀器才能完成。并且，公司可以對這個開放的系統進行升級以滿足將來無線標準的需要，這對于無線標準的迅速變化正是十分關鍵的。

最近這個系統已經通過了相關部門的嚴格驗證測試，展示了其出眾的性能。