軟件設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)在RF設(shè)計(jì)和測(cè)試的未來展望

過去幾十年來，軟件在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中的作用發(fā)生了巨大變化。如今，軟件已經(jīng)成為現(xiàn)代高性能測(cè)量系統(tǒng)最關(guān)鍵的核心技術(shù)，因?yàn)檐浖悄軌蚝?jiǎn)化這些系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性的唯一方式。然而，僅僅在計(jì)算機(jī)處理器上運(yùn)行軟件是不夠的。如果工程師無法使用軟件來定義和設(shè)計(jì)儀器的行為，是無法實(shí)現(xiàn)最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。這種開發(fā)軟件設(shè)計(jì)的儀器的能力正是RF儀器行業(yè)，更廣義來說是測(cè)試測(cè)量行業(yè)革命的核心所在。

開端 - 自動(dòng)化測(cè)量

1970年代，當(dāng)IEEE-488（也稱為GPIB）實(shí)現(xiàn)了可編程儀器接口的標(biāo)準(zhǔn)化之后，軟件在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中的重要性日益增加。當(dāng)時(shí)的測(cè)量大部分是使用臺(tái)式儀器、一支鉛筆和一個(gè)筆記本電腦來完成的。那時(shí)使用的是各種不同的專用儀器控制器和接口，但它們的功能通常不齊全，而且通常只能由高級(jí)用戶使用。

到了80年代，隨著第一臺(tái)IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)和第一款NI GPIB接口板卡的出現(xiàn)，軟件對(duì)于測(cè)試測(cè)量的作用發(fā)生了巨大的飛躍。借助PC軟件，工程師可以使用通用PC來創(chuàng)建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)而可靠、重復(fù)地采集測(cè)量數(shù)據(jù)、分析這些測(cè)量數(shù)據(jù)，并以可廣泛共享的方式顯示結(jié)果。

從儀器控制到測(cè)量平臺(tái)

80年代末和90年代初，一個(gè)全新的概念——“虛擬儀器”開始盛行于測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域。這個(gè)概念徹底改變了計(jì)算機(jī) - 尤其是軟件 - 在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中的作用。虛擬儀器并不僅僅將PC用作為一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)化測(cè)量計(jì)算機(jī)，而是將計(jì)算機(jī)用作為一個(gè)測(cè)量平臺(tái)。摩爾定律確保了PC處理能力的提升速度能夠迅速超越單機(jī)儀器采用的技術(shù)。此外，其計(jì)算機(jī)內(nèi)存、存儲(chǔ)容量和顯卡顯示能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的儀器。因此，通用個(gè)人計(jì)算機(jī)迅速變成了性能比傳統(tǒng)儀器更出色的計(jì)算平臺(tái)。

虛擬儀器系統(tǒng)能夠滿足并最終超越傳統(tǒng)儀器的兩個(gè)關(guān)鍵要素是模塊化測(cè)量硬件和軟件。在硬件方面，相比臺(tái)式儀器采用專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言，計(jì)算機(jī)插入式板卡提供了非常低的測(cè)量質(zhì)量。消費(fèi)類音頻和無線基礎(chǔ)設(shè)施等各個(gè)市場(chǎng)的需求推動(dòng)了現(xiàn)成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)插入式板卡相結(jié)合，可以提供高質(zhì)量的測(cè)量。隨著測(cè)量專用計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展，尤其是20世紀(jì)90年代PXI（面向儀器的PCI擴(kuò)展）的出現(xiàn)使得基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量向前邁了一大步。 PXI結(jié)合了PCI計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表專用的定時(shí)和同步功能。不久，PXI虛擬儀器便可解決一些最具挑戰(zhàn)性的測(cè)量挑戰(zhàn) - 包括高性能RF測(cè)量。

然而，真正讓虛擬儀器成為可能的要素是軟件。軟件不僅僅需要在PC環(huán)境中采集、分析和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，而且需要以高度抽象的方式完成這些任務(wù)。從本質(zhì)上說，只有軟件抽象才能幫助工程師和科學(xué)家有效地解決他們面臨的測(cè)試和測(cè)量挑戰(zhàn)，而且無需成為計(jì)算機(jī)科學(xué)和架構(gòu)專家。首次發(fā)布于1980年代中期的NI LabVIEW軟件為虛擬儀器軟件奠定了標(biāo)準(zhǔn)，并推動(dòng)了軟件在現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用的趨勢(shì)。

通過FPGA實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的儀器

測(cè)量領(lǐng)域的另一個(gè)重要突破是基于FPGA的測(cè)量硬件的出現(xiàn)。未來，傳統(tǒng)意義上的“儀器”將不再是功能單一的測(cè)量設(shè)備，而是演變成測(cè)量系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)是非常重要的。此外，工程師們正在尋求的不僅是設(shè)備測(cè)試儀器，而且還包括用于設(shè)計(jì)和原型更大型系統(tǒng)的儀器。

FPGA這一重要技術(shù)將下一代儀器的性能推向一個(gè)新的高度。 FPGA提供了出色的處理能力（圖1）。由于FPGA的出現(xiàn)，現(xiàn)在硬件可實(shí)現(xiàn)基于軟件的測(cè)量功能。

圖1.FPGA的發(fā)展速度甚至超過了CPU。

目前許多射頻儀器功能采用功能固定的FPGA來執(zhí)行平整度校正、ADC線性化、IQ校準(zhǔn)和數(shù)字下變頻等任務(wù)。 NI PXIe-5644R矢量信號(hào)收發(fā)儀（圖2）等軟件設(shè)計(jì)的儀器以一種全新的方式受益于FPGA技術(shù)，因?yàn)镕PGA可幫助用戶實(shí)現(xiàn)定制化。例如，將儀器控制和決策任務(wù)從PC轉(zhuǎn)交給FPGA可以大大減少復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間。此外，該功能與先進(jìn)的基于FPGA的信號(hào)處理相結(jié)合，可使儀器應(yīng)用于更廣泛的嵌入式應(yīng)用。

圖2.全新的PXIe-5644R矢量信號(hào)收發(fā)儀在一個(gè)3槽PXI模塊中集成了矢量信號(hào)分析儀、矢量信號(hào)發(fā)生器、高速數(shù)字I/O和一個(gè)用戶可定義的FPGA。