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1、快速开展的无线标准以及如何应对技术革新者们面临的窘境NI中国 市场部经理 朱君 NI RF平台产品市场经理 Joseph Kovacs hi 在这个科技飞速进步的时代，技术领导者（即革新者）们正面临着技术革新所带来的窘境。一方面，技术革新为公司赢得市场立足点，以及扩大市场份额的时机。但另一方面，随着市场的成熟，这个加速公司成长的竞争优势却难以长久维持，由于竞争会使产品逐步商品化、群众化，原先该产品上与众不同的地点会逐步变得一般，需要有新的技术革新带来新的产品亮点。因而革新反而就开场成为一种责任，迫使公司为了保持在市场上既有的领导地位，持续不断地进展技术革新，同时要以最短的时间将革新成果推向市场
2、。能够表达技术革新者这种窘境最为有力的证明之一便是在无线通讯行业。以电信市场为例，由于越来越多的功能集成到更小型和更价廉的设备上，这个产品已经变得越来越复杂。过去只有少数几款具有多波段功能，然而如今，消费者们普遍要求他们的还应该拥有蓝牙、Wi-Fi和FM广播等各种功能。随着各种不同的无线通讯标准的出现，众多厂商都希望能领先把带有新功能的产品投入市场，确保他们的市场份额。在这种情况下，设计和测试过程将会变得愈加困难，工程师也将随之承受宏大的压力。为了与由技术驱动的市场步伐保持一致，越来越多的公司正采纳一种以软件为核心的平台，并配合模块化硬件，将设计到消费的全过程连接起来这确实是一种基于虚拟仪器技
3、术的处理方式 。利用开放的软件平台，工程师能够简化并将设计工具链连接起来，从而将更多的技术集成至根本的原理图建模和仿真工具。在同一个软件平台下的模块化测试架构则能够验证产品的功能。通过利用软件平台和模块化构架这两者的开放性，厂商能够使用同一个平台将设计和测试连接起来，从而减少产品上市时间，同时处理产品功能越来越复杂的这一挑战，来凸现其产品的优势。在本文中，我们将概括地理解一下无线技术的开展，并介绍一种针对新兴无线技术所设计，基于软件的测试构架，以及一些成功的用户处理方案。无线技术无线技术在传统上被认为（甚至被归类为）是电信产业中特别纵深的一个部分，而如今我们则能够看到这一技术正横向扩展至许多非
4、传统市场。无线技术已经成为一项默认的设备功能，例如，芯片将多种无线技术集成至板上；汽车使用蓝牙技术实现无波段通讯；消费产品在单一设备上提供各种想象得到的无线技术；工业依赖无线传感器来提供实时数据从而监视和操纵各种操作。回忆一下无线网络，我们能够看到这些技术大致能够归入一些主要的类别：无线个人区域网络（Wireless Personal Area Networks, WPAN）、局域、城市域以及最新的地区性区域网络。我们也能够把无线广域网络归入蜂窝技术范畴。无线个人区域网络（Wireless Personal Area Networks, WPAN）特别活泼而且包含许多各种不同的技术。WPAN是
5、无线家庭的核心，由于这种技术，例如超宽带（Ultra-Wideband，UMB），正被广泛应用于处理家庭中电缆过多这一困扰。UWB使得您无需电缆即可在家中任何地点放置平板电视。ZigBee是针对工业部门的，无线可使HVAC、照明和传感器操纵能够放置在任何地点而无需电缆。从个人区域网络扩展出去确实是局域网络（Local Area Networks, LAN）。这里最主要的技术是802.11。802.11a/b/g是人们所熟悉的名字。无线城域网络（Wireless Metropolitan Area Networks）包含马上采纳的WiMAX。802.16-2004包含两种定点标准，一种在11GH
6、z以下，另一种视距标准扩展至66GHz。由于802.16e将遨游功能添加至WiMAX，因而如今看来它将是一种特别有开展前途的技术。802.22是一种正在开发的崭新标准。这种无线区域网络（Wireless Regional Area Network，WRAN）在54至862 MHz标准电视频道的频率范围内发挥作用。这种认知技术采纳从前未曾使用过的、可得的电视频率波段。由于WRAN的范围可超过40km，802.22将极有可能为WiMAX提供支持 。假如我们将各种不同的标准沿时间轴绘制，那么许多技术的开发过程会立即变得十分明晰，而这些全新标准的开发正往常所未有的速度进展着 。许多技术（例如AMPS、
7、802.11、GSM和 RFID）已经存在了数年，但是，最近几年其他越来越多的标准正在得到开发，用以处理数据需要与需求的不断增长。在2000年之前，每个设备仅仅具有一到两种无线技术就足够了。但如今，由于多种标准同时存在，关于设备来说必须同时实现多种标准才能推向市场，为用户提供无缝的操作。这就对设计者、测试工程师和制造商都提出了苛刻的要求。无线技术的革新会带来更多的标准，并使上述趋势变得更加复杂。以以下出的是一些正在研发阶段的新兴的无线标准：* OFDM（正交频分复用）这一技术正逐步得以普及而且正在许多新标准中得以实现。* 4G 蜂窝技术* 认知无线电作为802.22标准的一部分，这一技术可搜寻
8、空频谱，以便在出现冲突或者通讯流时使用。然后通讯流就被转移至其他未使用的频谱。* Ad Hoc和传感器网络* 软件无线电（Software Defined Radio ，SDR）SDR使用可重复配置的硬件，例如FPGA，使得硬件能够适用于不断变换的网络要求。* 多天线系统（MIMO）多输入，多输出在这些系统中，多个天线用来提高系统容量。* 超宽带（Ultra-Wideband ，UWB）在第一代设备上（3.1至4.8GHz），每通道使用完好的528MHz同时以480Mbit/s的速率传输数据。* 多个无线标准共存标准组织正致力于处理这些挑战。由此可见，无线领域正在快速开展，工程师们还有特别多工
9、作需要接着下去。在所有这些新标准同时出现和共存的情形下，设备消费商、测试工程师、和设计师面临着许多挑战，通常RF设备的购置周期通常是5至7年，但新标准和新技术的推出周期是每两年一轮。因而特别明显，由于市场需求的更新特别快速，购置的RF设备将会特别快过时。如何处理这些咨询题？何种平台能够具扩展性以处理无线市场上快速的技术进步？让我们来理解一以下图示所描绘的一个完好的、集成的测试和设计验证系统。就像软件无线电将硬件和软件区别开来一样，让我们集中关注在这两个方面硬件和软件这与我们所讨论的虚拟仪器技术如何为这些挑战提供处理方案一样 。 通常，被测设备（device under test）包含各种不同的
10、功能，需要通过外围的测试硬件来进展检验。这些功能可能包括DC、AC、音频、视频、IR、和RF等等。随着更多的功能集中至这一个被测设备，测试硬件平台需要变得更开放和模块化，从而能够实现晋级并满足最新的需要。软件部分，在图中以深蓝色表示，需要完成三个关键的任务用于向测试硬件发布命令的系统操纵、将原始数据转换成有意义的结果的信号分析处理，以及以一种有效的方式显示测量结果的可视化功能 。除此之外，软件平台需要具有开放性，使用户能够与电子设计自动化（EDA）软件交互，从而将更多的技术集成至根本的原理图建模和仿真工具，最后就能够利用嵌入式开发工具将这些电子设计自动转换成物理芯片或板卡。NI预见到了这种行业
11、的开展趋势，并通过采纳各种先进的商业技术，以惊人的发布速率（每两个工作日发布一种产品）扩展其模块化仪器产品线，满足用户的需求。这些模块化硬件所提供的功能涵盖从温度和压力，至RF矢量信号生成和采集，都能够无缝地集成至开放的PXI平台。此外，利用内置的高带宽背板与定时和触发总线，PXI平台确保了同步功能 。值得一提的是，这个平台是可晋级的，当新的处理器推出，无需废弃整个平台就能够晋级处理器，而且在现有的、数以千计的模块中选择一款，工程师即可测试新的特性。相关于传统仪器，这就提供了一个宏大的优势。由于您一旦购置了一台传统仪器之后，直到下一次更新设备（通常是5至7年时间），您都会被束缚于那台仪器中的处
12、理器或测试特性。从软件方面来看，用于LabVIEW和LabWindows/CVI（一个ANSI C开发环境）的调制解调工具包提供了一个开发行业内特定通讯标准的根底，例如CDMA2000 、GPS 、UWB 、GSM 、蓝牙 、ZigBee，等等 。利用这个灵敏可变的根底，当新的标准出现并获得批准时，工程师就能够在这一样的平台上开发出符合标准的软件。让我们通过以下两个实例证明软硬件集成的RF平台是如何满足用户需求的：用户处理方案1：对MIMO-OFDM 4G系统进展原型设计这是一个极具代表性的实例，用来说明利用这个平台如何快速地对系统进展原型设计和开发。这是一个在德州大学奥斯汀分校（the Un
13、iversity of Texas in Austin）开发的MIMO-OFDM 4G系统。在UT无线网络和通讯实验室Robert Heath教授的指导下，三名学生在6个星期内设计了这个4G系统的原型。在以下图右上角的前面板，您能够看到UT校园的两幅图片上面的一幅是原始的照片而下面的一幅则是通过4G系统传输之后所恢复的图片。您还能够看到星座图以及所进展的一些测量。他们使用的工具包括NI RF矢量信号发生器、RF矢量信号分析仪、调制解调工具包和LabVIEW软件 。此外，加州大学伯克利分校的相关人员也在使用一样的设备进展类似的研究。利用同样的系统，我们的客户已经为RFID这个不断增长的市场，例如
14、轮胎压力监控和无钥门禁领域，开发了相应的应用。从RFID标签或读卡器上采集返回的响应需要特别快的生成和触发速度，NI PXI平台数十皮秒（picosecond）分辨率的触发功能可特别好地满足任务的所有要求。用户处理方案2：软件无线电平台用于频谱监测再来看一个中国本地市场的实例，成都华日通讯公司（华日电信）是一家大型的无线电定向系统开发商和消费商，他们需要一个用于频谱监测 、定向和信号识别的处理方案。这个系统需要提供应用户更优的功能以监测政府管制频段之内和之外的信号，同时还要利用信号识别和定向功能来查明非法传输或干扰的信号源。利用NI PXI-5660 PXI矢量信号分析仪和LabVIEW环境所
15、开发的软件，华日开发了HR-100一个正在申请专利的宽带无线电接收机和监测系统。这个系统既能够用作无线电接收机也能够用作一个RF矢量信号分析仪来检测现代的宽带数字通讯信号以及传统的窄带模仿广播信号。此外，这个系统能够配置成一个单通道的接收机或一个多通道的定向系统。由于这个全新的系统使用开放的软件无线电平台，HR-100能够完成标准的和自定义的测量，而这在往常需要多个专用的、独立的仪器才能完成 。同时，公司能够对这个开放的系统进展晋级以满足今后无线标准的需要，这关于无线标准的迅速变化正是十分关键的。最近这个系统已经通过了相关部门的严格验证测试，展示了其出众的功能。 什么是RF？ 射频，Radio Frequency ，简称RF。射频确实是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频确实是如此一种高频电流。