如何实现多种标准的测试设计方案
阿里巴巴 2022-11-22

  从事无线通信设计和测试的工程师如今正面临着前所未有的挑战,众多无线通信标准让人眼花缭乱,伴随着科技的飞速进步,新标准还会更迅猛地涌现。由于各种技术各具优势和特性,所以目前看来,没有一个标准能唯一地垄断市场。本文意在指出在多种标准共存的情况下,工程师如何通过一个同一的、以软件为核心的平台实现多种标准的测试,从而跟上技术发展的步伐。

  虽然无线技术在传统上被认为是电信业中的纵深部分,但这一技术正横向扩展至许多非传统市场。现在,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、采用ZigBee或GSM方式的无线远程抄表系统、汽车使用蓝牙技术实现无波段通信、通过无线通信实现胎压监测、RFID技术的广泛使用、PC外设采用无线连接、工业依赖无线传感器监督和控制各种操作等等。

  现有无线技术分类

  回顾无线网络,我们可以看到无线技术大致可以归入:无线个人区域网络、局域、城域以及地区性区域网络。其中,无线广域网络还可以归入蜂窝技术的范畴。图1比较了不同网络所对应的范围,图2则比较了不同无线标准所对应的范围。

  无线个人区域网络(WPAN)包含许多各种不同的技术,是无线家庭的核心。目前正广泛应用于解决家庭电缆过多的超宽带正是运用了这种技术中的UWB协议,通过它用户可以摆脱繁复的电缆,在家中任何地方自由地放置平板电视。ZigBee针对工业部门,可使HVAC、照明和传感器控制可以放置在任何地方而无需电缆。

  无线局域网络(WLAN)是个人区域网络的扩展,主要技术是802.11,其中802.11a/b/g较为人们所熟知。

  无线城域网络(WMAN)包含即将采用的WiMAX。802.16-2004包含两种定点标准,一种在11GHz以下,另一种视距标准扩展至66GHz。由于802.16e将漫游功能添加至WiMAX,因而可以预见,它将是一种非常有发展前途的技术。

  无线区域网络(WRAN)的作用范围最为广泛。其中,802.22是一种正在开发的崭新标准,它可以在54~862MHz标准电视频道的频率范围内发挥作用。由于WRAN的范围可超过40km,802.22将极有可能为WiMAX提供支持。

  未来无线技术迸发希望

  如果用时间轴表示各种不同的标准,许多标准的演化过程将变得十分清晰,而新标准的开发正以前所未有的速度进行着,如图3所示。在2000年之前,并存的标准只有四五种,且生命力较长,而今天,这种情况已经完全颠覆。由于新标准如雨后春笋般出现,每个标准的生命周期被大大缩短。

  以下列出一些正在研发阶段的新兴无线标准:

  ◆ OFDM(正交频分复用)――这一技术正逐渐普及,并且正在许多新标准中实现

  ◆ 4G蜂窝技术

  ◆ 认知无线电――作为802.22标准的一部分,这一技术可搜寻空频谱,以便在出现冲突或者通信流时使用,将通信流转移至其他未使用的频谱中

  ◆ 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,使硬件可以适用于不断变换的网络要求

  ◆ 多输入多输出系统(MIMO)――在该系统中,使用多个天线以提高系统容量

  ◆ 超宽带(Ultra-Wideband,UWB)――在第一代设备上(3.1~4.8GHz),每个通道可以使用完整的528MHz并以480Mbit/s的速率传输数据

  并存标准挑战测试难度

  在所有这些新旧标准同时出现和共存的情形下,设备生产商、测试工程师和设计师将面临诸多挑战。通常RF设备的购买周期是5~7年,但新标准和新技术的推出周期是每两年一轮,购买的RF设备将会很快过时。

  以软件为核心的测试平台应对自如

  面对这样的挑战,越来越多的公司正采用一种以软件为核心的平台,并配合模块化硬件,从而满足不断发展的技术需求。以软件为核心的平台可以帮助用户有能力在第一时间测试新标准,加快其产品或解决方案的上市时间;只要调整软件就可符合测试新标准的要求,具备极强的灵活性;对于工程师本人而言,可以在系统中加入自己的知识产权技术,获得技术上的主动权,技术将不再只是握在标准厂商或者机构手中。

  美国国家仪器公司(National Instruments,NI)一直倡导“以软件为核心的测试测量架构的概念,自1986年推出其旗舰软件LabVIEW之后,NI一直在帮助工程师通过这一革新性的图形化编程语言,提高他们的工作效率。其后,NI于1997年推出了基于PC的行业标准测试平台PXI。1998年,NI与其他测试测量企业共同组成了PXI系统联盟,迄今为止该联盟已经拥有超过70家会员公司和1200余种PXI产品,其功能包括从电源、DMM到RF,使用户可根据特定的测试需求进行选择和组合。

  现在,LabVIEW、PXI和模块化仪器已经成为工程师和科学家们开发和测试新技术(包括无线标准)的必备工具。在以下两个案例中,将看到德州大学奥斯汀分校的研究人员使用这一技术在短短6周时间内开发一个基于4G的系统;以及一家本地公司开发测试1C2G RFID系统的成功方案。

  实践之中见真知

  MIMO-OFDM 4G系统原型设计

  这是一个极具代表性的实例,说明通过该平台如何快速地对系统进行原型设计和开发。OFDM(正交频分复用)是一种多载波数字通信调制技术,它选择相互之间正交的载波频率作子载波,利用多个子载波并行传输。OFDM技术能够克服CDMA在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题,并且具有频谱效率高、硬件实施简单等优点,因此OFDM被视为第四代移动通信系统中的核心技术。MIMO(多输入多输出)利用多个天线实现多发多收,在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高信道容量。

  MIMO-OFDM结合了MIMO和OFDM的优势,可同时提升无线通信系统的速度、范围和可靠性,现在已写入WLAN 802.11n以及WiMAX 802.16标准之中。业界广泛关注的第四代移动通信的研究还处于初期阶段,其基本功能、核心技术还处于构想阶段,MIMO-OFDM也是构建4G系统的热门方案之一。

  德州大学奥斯汀分校(the University of Texas in Austin)开发了MIMO-OFDM 4G系统,在UT无线网络和通信实验室Robert Heath教授的指导下,三名学生在6个星期内设计了一个4G系统的原型。

  该实验室之所以选择基于软件的模块化测试平台,是因为通过现成可用的NI RF矢量信号发生器、RF矢量信号分析仪、LabVIEW软件和调制解调工具包,研究人员们便可站在一个较高的起点上,进而专注于核心部分的开发。在完成设计工序的时候,需要为MIMO无线通信系统构建原型,并且为理论研究提供实际的验证。传统方式是采用昂贵的专用硬件,如此一来编程耗时,且很难维护。使用集成NI软件和无线产品后,德州大学奥斯汀分校的研究人员就可以创建一个无线通信系统,包括调制、同步和均衡等各种要素。此外,该硬件也是完全可编程的,为新的开发和测试要求提供了便利。

  这些研究人员所采用的硬件就是一种坚固的、基于PC的测量和自动化平台PXI。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性,增加了专门的同步总线,并且PXI的控制器运行Windows操作系统,从而使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。图4是PXI总线结构,PXI总线除了具有133MB/s的高速数据吞吐量外,还有精确的触发总线、同步时钟以及用于设备间数据传输的本地总线,从而大大提高了系统的性能。

  基于软件的模块化测试平台少不了一个灵活的软件平台。LabVIEW就是一个专门为工程师设计的图形化编程语言。LabVIEW前面板可以通过用户的自定义来显示各种用户界面,在这个案例中的前面板图上(图5右上角),您可以看到校园的两幅图片――上面一幅是原始的照片,下面一幅则是经过4G系统传输之后恢复的图片。此外,您还可以看到星座图和一些进行的测量。德州大学奥斯汀分校使用这一技术成功获得了4G解决方案,现在加州大学伯克利分校的相关人员也在使用相同的设备进行类似的研究。

  C1G2 RFID标签测试方案

  1类、2代(C1G2)的RFID标准是国际RFID标准组织EPCglobal新近推出的标准,其规定了运行在超高频(UHF)、即860~960MHz频率范围内的RFID标签和阅读器之间的通信协议。C1G2提供了一种速度更快、更安全、全球承认且部署费用更低廉的规范。至今,欧洲和北美已经接受了这种标准。

  C1G2将美国的标签阅读速度提高到大约每秒1,500次,欧洲为每秒600次,如果使用目前技术,标签阅读速度为100~300次。使用C1G2时,写入速度是目前产品的两倍。采用这种算法以及扩频技术,使阅读器在可接受距离和不同频率上有选择地与不同标签通信。此外,该标准解决了阅读器间的干扰问题,开放空间UHF的读取距离可达10~20英尺。在保护标签信息和用户隐私方面,C1G2包括口令保护读访问和永久锁定内存内容的功能,并将口令的长度由8位增加到32位。C1G2采用复杂的防冲突算法,大大提高阅读器在读取区域中一次性读取大量标签的能力。目前在大型超市购物结帐时,需要把商品一件件取出以便读取条码信息,在繁忙时段往往造成收银处的拥挤。如果采用C1G2技术,只要推车经过感应区域,就可以完成推车内所有商品信息的读取,这个过程可能只需要难以置信的一秒钟。

  C1G2标准RFID带来了众多优点的同时,也给生产厂商在标准化测试时出了难题。由于标准较新且协议复杂,对测试设备的性能要求很高,特别是RF实时应答能力,对于生产RFID产品的半导体生产厂商来说,这无疑是延迟产品问世的一大障碍。当各大公司尚未在市场上推出测试解决方案的时候,中国一家工程类公司――上海聚星仪器率先开发出支持C1G2标准全部指令的测试设备。

  如图6所示,该测试方案基于NI射频模块化仪器硬件。其中,中频处理硬件为内嵌强大运算能力的FPGA的软件无线电平台NI RF RIO(Reconfigurable I/O),软件基于LabVIEW图形化编程环境实现,每次RFID标签的应答通信时间可在400~500微秒内完成。目前,该测试方案正在接受RFID标准化组织的验证。

  综上所述,面对着市场上出现越来越多的无线应用标准,以软件为核心的测试平台采用高性能的模块化硬件和灵活的软件平台,为工程师们提供一个同一的平台来进行各种标准的测试,可轻松地满足不断变化的市场需求。这一方面使技术革新者可以不再受制于测试厂商的限制,另一方面又可帮助那些规模较小、但实力不俗的公司在快速发展的市场上具有较高的竞争力,成为市场先行者。

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