快速发展的无线标准以及如何应对技术革新者们面临的困境

快速发展的无线标准以及如何应对技术革新者们面临的困境作者：NI中国市场部经理朱君NIRF平台产品市场经理JosephKovacshi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困境。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机会。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，因为竞争会使产品逐渐商品化、大众化，原先该产品上与众不同的地方会逐渐变得普通，需要有新的技术革新带来新的产品亮点。于是革新反而就开始成为一种责任，迫使公司为了保持在市场上既有的领导地位，持续不断地进行技术革新，并且要以最短的时间将革新成果推向市场。能够体现技术革新者这种困境最为有力的证明之一便是在无线通信行业。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，手机这个产品已经变得越来越复杂。过去只有少数几款手机具有多波段功能，然而现在，消费者们普遍要求他们的手机还应该拥有蓝牙、Wi-Fi和FM广播等各种功能。随着各种不同的无线通信标准的出现，众多手机厂商都希望能率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巨大的压力。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用一种以软件为核心的平台，并配合模块化硬件，将设计到生产的全过程连接起来——这就是一种基于虚拟仪器技术的解决方式。利用开放的软件平台，工程师可以简化并将设计工具链连接起来，从而将更多的技术集成至基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可以验证产品的功能。通过利用软件平台和模块化构架这两者的开放性，厂商可以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，并且解决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，我们将概括地了解一下无线技术的发展，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解决方案。无线技术无线技术在传统上被认为（甚至被归类为）是电信产业中非常纵深的一个部分，而现在我们则可以看到这一技术正横向扩展至许多非传统市场。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信；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督和控制各种操作。回顾一下无线网络，我们可以看到这些技术大致可以归入一些主要的类别：无线个人区域网络（WirelessPersonalAreaNetworks,WPAN）、局域、城市域以及最新的地区性区域网络。我们也可以把无线广域网络归入蜂窝技术范畴。无线个人区域网络（WirelessPersonalAreaNetworks,WPAN）非常活跃而且包含许多各种不同的技术。WPAN是无线家庭的核心，因为这种技术，例如超宽带（Ultra-Wideband，UMB），正被广泛应用于解决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方放置平板电视。ZigBee是针对工业部门的，无线可使HVAC、照明和传感器控制可以放置在任何地方而无需电缆。从个人区域网络扩展出去就是局域网络（LocalAreaNetworks,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（WirelessMetropolitanAreaNetworks）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，所以现在看来它将是一种非常有发展前途的技术。802.22是一种正在开发的崭新标准。这种无线区域网络（WirelessRegionalAreaNetwork，WRAN）在54至862MHz标准电视频道的频率范围内发挥作用。这种认知技术采用从前未曾使用过的、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。如果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刻变得十分清晰，而这些全新标准的开发正以前所未有的速度进行着。许多技术（例如AMPS、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，用以解决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。但现在，由于多种标准同时存在，对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。以下列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）——这一技术正逐渐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，这一技术可搜寻空频谱，以便在出现冲突或者通信流时使用。然后通信流就被转移至其他未使用的频谱。*AdHoc和传感器网络*软件无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）——SDR使用可重复配置的硬件，例如FPGA，使得硬件可以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），每通道使用完整的528MHz并且以480Mbit/s的速率传输数据。*多个无线标准共存——标准组织正致力于解决这些挑战。由此可见，无线领域正在快速发展，工程师们还有很多工作需要继续下去。在所有这些新标准同时出现和共存的情形下，设备生产商、测试工程师、和设计师面临着许多挑战，通常RF设备的购买周期通常是5至7年，但新标准和新技术的推出周期是每两年一轮。因此很明显，由于市场需求的更新非常快速，购买的RF设备将会很快过时。如何解决这些问题？何种平台能够具扩展性以解决无线市场上快速的技术进步？让我们来了解一下图示所描述的一个完整的、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解决方案一样。通常，被测设备（deviceundertest）包含各种不同的功能，需要通过外围的测试硬件来进行检验。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，从而可以实现升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控制、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，使用户可以与电子设计自动化（EDA）软件交互，从而将更多的技术集成至基本的原理图建模和仿真工具，最后就可以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预见到了这种行业的发展趋势，并通过采用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，都可以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，这个平台是可升级的，当新的处理器推出，无需废弃整个平台就可以升级处理器，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。相对于传统仪器，这就提供了一个巨大的优势。因为您一旦购买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理器或测试特性。从软件方面来看，用于LabVIEW和LabWindows/CVI（一个ANSIC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信标准的基础，例如CDMA2000、GPS、UWB、GSM、蓝牙、ZigBee，等等。利用这个灵活可变的基础，当新的标准出现并获得批准时，工程师就可以在这相同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：用户解决方案1：对MIMO-OFDM4G系统进行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行原型设计和开发。这是一个在德州大学奥斯汀分校（theUniversityofTexasinAustin）开发的MIMO-OFDM4G系统。在UT无线网络和通信实验室RobertHeath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。在下图右上角的前面板，您可以看到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经过4G系统传输之后所恢复的图片。您还可以看到星座图以及所进行的一些测量。他们使用的工具包括NIRF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相同的设备进行类似的研究。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很快的生成和触发速度，NIPXI平台数十皮秒（picosecond）分辨率的触发性能可很好地满足任务的所有要求。用户解决方案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，成都华日通信公司（华日电信）是一家大型的无线电定向系统开发商和生产商，他们需要一个用于频谱监测、定向和信号识别的解决方案。这个系统需要提供给用户更优的性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NIPXI-5660PXI矢量信号分析仪和LabVIEW环境所开发的软件，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。这个系统既可以用作无线电接收机也可以用作一个RF矢量信号分析仪来检测现代的宽带数字通信信号以及传统的窄带模拟广播信号。此外，这个系统可以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可以完成标准的和自定义的测量，而这在以前需要多个专用的、独立的仪器才能完成。并且，公司可以对这个开放的系统进行升级以满足将来无线标准的需要，这对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，展示了其出众的性能。什么是RF？射频，RadioFrequency，简称RF。射频就是射频电流，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，而射频就是这样一种高频电流。