快速發(fā)展的無線標(biāo)準(zhǔn)以及如何應(yīng)對技術(shù)革新者們面臨的困境

hi 在這個科技飛速進步的時代，技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者（即革新者）們正面臨著技術(shù)革新所帶來的困境。一方面，技術(shù)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(yōu)勢卻難以長久維持，因為競爭會使產(chǎn)品逐漸商品化、大眾化，原先該產(chǎn)品上與眾不同的地方會逐漸變得普通，需要有新的技術(shù)革新帶來新的產(chǎn)品亮點。于是革新反而就開始成為一種責(zé)任，迫使公司為了保持在市場上既有的領(lǐng)導(dǎo)地位，持續(xù)不斷地進行技術(shù)革新，并且要以最短的時間將革新成果推向市場。

能夠體現(xiàn)技術(shù)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(yè)。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(shè)備上，手機這個產(chǎn)品已經(jīng)變得越來越復(fù)雜。過去只有少數(shù)幾款手機具有多波段功能，然而現(xiàn)在，消費者們普遍要求他們的手機還應(yīng)該擁有藍(lán)牙、Wi-Fi和FM廣播等各種功能。隨著各種不同的無線通信標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，眾多手機廠商都希望能率先把帶有新功能的產(chǎn)品投入市場，確保他們的市場份額。在這種情況下，設(shè)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(shù)驅(qū)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(shè)計到生產(chǎn)的全過程連接起來——這就是一種基于虛擬儀器技術(shù)的解決方式。利用開放的軟件平臺，工程師可以簡化并將設(shè)計工具鏈連接起來，從而將更多的技術(shù)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(gòu)則可以驗證產(chǎn)品的功能。通過利用軟件平臺和模塊化構(gòu)架這兩者的開放性，廠商可以使用同一個平臺將設(shè)計和測試連接起來，從而減少產(chǎn)品上市時間，并且解決產(chǎn)品功能越來越復(fù)雜的這一挑戰(zhàn)，來凸現(xiàn)其產(chǎn)品的優(yōu)勢。

在本文中，我們將概括地了解一下無線技術(shù)的發(fā)展，并介紹一種針對新興無線技術(shù)所設(shè)計，基于軟件的測試構(gòu)架，以及一些成功的用戶解決方案。

1. 無線技術(shù)

無線技術(shù)在傳統(tǒng)上被認(rèn)為（甚至被歸類為）是電信產(chǎn)業(yè)中非?？v深的一個部分，而現(xiàn)在我們則可以看到這一技術(shù)正橫向擴展至許多非傳統(tǒng)市場。無線技術(shù)已經(jīng)成為一項默認(rèn)的設(shè)備功能，例如，芯片將多種無線技術(shù)集成至板上；汽車使用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)無波段通信；消費產(chǎn)品在單一設(shè)備上提供各種想象得到的無線技術(shù)；工業(yè)依賴無線傳感器來提供實時數(shù)據(jù)從而監(jiān)督和控制各種操作。

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

無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Networks, WPAN）非?；钴S而且包含許多各種不同的技術(shù)。WPAN是無線家庭的核心，因為這種技術(shù)，例如超寬帶（Ultra-Wideband，UMB），正被廣泛應(yīng)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(yè)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(qū)域網(wǎng)絡(luò)擴展出去就是局域網(wǎng)絡(luò)（Local Area Networks, LAN）。這里最主要的技術(shù)是802.11。802.11a/b/g是人們所熟悉的名字。

無線城域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Metropolitan Area Networks）包含即將采用的WiMAX。802.16-2004包含兩種定點標(biāo)準(zhǔn)，一種在11GHz以下，另一種視距標(biāo)準(zhǔn)擴展至66GHz。由于802.16e將漫游功能添加至WiMAX，所以現(xiàn)在看來它將是一種非常有發(fā)展前途的技術(shù)。

802.22是一種正在開發(fā)的嶄新標(biāo)準(zhǔn)。這種無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Regional Area Network，WRAN）在54至862 MHz標(biāo)準(zhǔn)電視頻道的頻率范圍內(nèi)發(fā)揮作用。這種認(rèn)知技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)沿時間軸繪制，那么許多技術(shù)的開發(fā)過程會立刻變得十分清晰，而這些全新標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)正以前所未有的速度進行著。許多技術(shù)（例如AMPS、802.11、GSM和 RFID）已經(jīng)存在了數(shù)年，但是，最近幾年其他越來越多的標(biāo)準(zhǔn)正在得到開發(fā)，用以解決數(shù)據(jù)需要與需求的不斷增長。

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

無線技術(shù)的革新會帶來更多的標(biāo)準(zhǔn)，并使上述趨勢變得更加復(fù)雜。以下列出的是一些正在研發(fā)階段的新興的無線標(biāo)準(zhǔn)：

* OFDM（正交頻分復(fù)用）——這一技術(shù)正逐漸得以普及而且正在許多新標(biāo)準(zhǔn)中得以實現(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)沖突或者通信流時使用。然后通信流就被轉(zhuǎn)移至其他未使用的頻譜。

* 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，使得硬件可以適用于不斷變換的網(wǎng)絡(luò)要求。

* 多天線系統(tǒng)（MIMO）——多輸入，多輸出——在這些系統(tǒng)中，多個天線用來提高系統(tǒng)容量。

* 超寬帶（Ultra-Wideband ，UWB）——在第一代設(shè)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(shù)據(jù)。

* 多個無線標(biāo)準(zhǔn)共存——標(biāo)準(zhǔn)組織正致力于解決這些挑戰(zhàn)。

由此可見，無線領(lǐng)域正在快速發(fā)展，工程師們還有很多工作需要繼續(xù)下去。在所有這些新標(biāo)準(zhǔn)同時出現(xiàn)和共存的情形下，設(shè)備生產(chǎn)商、測試工程師、和設(shè)計師面臨著許多挑戰(zhàn)，通常RF設(shè)備的購買周期通常是5至7年，但新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)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?？焖?，購買的RF設(shè)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(shù)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(shè)計驗證系統(tǒng)。

快速發(fā)展的無線標(biāo)準(zhǔn)以及如何應(yīng)對技術(shù)革新者們面臨的困境

就像軟件無線電將硬件和軟件區(qū)別開來一樣，讓我們集中關(guān)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(shù)如何為這些挑戰(zhàn)提供解決方案一樣。通常，被測設(shè)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(shè)備，測試硬件平臺需要變得更開放和模塊化，從而可以實現(xiàn)升級并滿足最新的需要。

軟件部分，在圖中以深藍(lán)色表示，需要完成三個關(guān)鍵的任務(wù)——用于向測試硬件發(fā)布命令的系統(tǒng)控制、將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有意義的結(jié)果的信號分析處理，以及以一種有效的方式顯示測量結(jié)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(shè)計自動化（EDA）軟件交互，從而將更多的技術(shù)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(fā)工具將這些電子設(shè)計自動轉(zhuǎn)換成物理芯片或板卡。

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

快速發(fā)展的無線標(biāo)準(zhǔn)以及如何應(yīng)對技術(shù)革新者們面臨的困境

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(nèi)置的高帶寬背板與定時和觸發(fā)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(dāng)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(xiàn)有的、數(shù)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(tǒng)儀器，這就提供了一個巨大的優(yōu)勢。因為您一旦購買了一臺傳統(tǒng)儀器之后，直到下一次更新設(shè)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。

快速發(fā)展的無線標(biāo)準(zhǔn)以及如何應(yīng)對技術(shù)革新者們面臨的困境

從軟件方面來看，用于LabVIEW和LabWindows/CVI（一個ANSI C開發(fā)環(huán)境）的調(diào)制解調(diào)工具包提供了一個開發(fā)行業(yè)內(nèi)特定通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，例如CDMA2000 、GPS 、UWB 、GSM 、藍(lán)牙、ZigBee，等等。利用這個靈活可變的基礎(chǔ)，當(dāng)新的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)并獲得批準(zhǔn)時，工程師就可以在這相同的平臺上開發(fā)出符合標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)進行原型設(shè)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(tǒng)進行原型設(shè)計和開發(fā)。

這是一個在德州大學(xué)奧斯汀分校（the University of Texas in Austin）開發(fā)的MIMO-OFDM 4G系統(tǒng)。在UT無線網(wǎng)絡(luò)和通信實驗室Robert Heath教授的指導(dǎo)下，三名學(xué)生在6個星期內(nèi)設(shè)計了這個4G系統(tǒng)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(jīng)過4G系統(tǒng)傳輸之后所恢復(fù)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(fā)生器、RF矢量信號分析儀、調(diào)制解調(diào)工具包和LabVIEW軟件。此外，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)備進行類似的研究。

快速發(fā)展的無線標(biāo)準(zhǔn)以及如何應(yīng)對技術(shù)革新者們面臨的困境

利用同樣的系統(tǒng)，我們的客戶已經(jīng)為RFID這個不斷增長的市場，例如輪胎壓力監(jiān)控和無鑰門禁領(lǐng)域，開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用。從RFID標(biāo)簽或讀卡器上采集返回的響應(yīng)需要很快的生成和觸發(fā)速度，NI PXI平臺數(shù)十皮秒（picosecond）分辨率的觸發(fā)性能可很好地滿足任務(wù)的所有要求。

用戶解決方案2：軟件無線電平臺用于頻譜監(jiān)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(tǒng)開發(fā)商和生產(chǎn)商，他們需要一個用于頻譜監(jiān)測、定向和信號識別的解決方案。這個系統(tǒng)需要提供給用戶更優(yōu)的性能以監(jiān)測政府管制頻段之內(nèi)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(huán)境所開發(fā)的軟件，華日開發(fā)了HR-100——一個正在申請專利的寬帶無線電接收機和監(jiān)測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)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(xiàn)代的寬帶數(shù)字通信信號以及傳統(tǒng)的窄帶模擬廣播信號。此外，這個系統(tǒng)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(tǒng)。由于這個全新的系統(tǒng)使用開放的軟件無線電平臺，HR-100可以完成標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)進行升級以滿足將來無線標(biāo)準(zhǔn)的需要，這對于無線標(biāo)準(zhǔn)的迅速變化正是十分關(guān)鍵的。

最近這個系統(tǒng)已經(jīng)通過了相關(guān)部門的嚴(yán)格驗證測試，展示了其出眾的性能。