基于开放的软件平台和模块化硬件，构建创新型射频和微波测量仪器

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如果您是一名电子设备测量或自动化测试工程师，那您毋庸置疑地需要进行或在将来进行射频和微波测量。

撇开高频测量理论不谈，行业中的种种挑战很快就会将无线测量在最新设备上的优势磨灭。首先，从设备成本考虑，射频/微波儀器很容易成为测试测量系统中最昂贵的部分。并且如果设备未经优化，测试时间会变得相当长。其次，诸如LTE、801.11ac、蓝牙标准之类的行业标准变化很快，需要不断的及时学习，而且新的标准有增无减，使得总的测试耗时不断增加。最后，传统测试儀器商大批量地开发单边协议或限制性协议的儀器，因此即便使用最完美的系统构架，都会存在不连续性。

这就需要为射频微波儀器寻找更加开放的软件平台和更加模块化的硬件平台。为了满足这一要求，美国国家儀器将PXI硬件平台和NI LabVIEW系统设计软件完美结合，创建了不同于以往的新型解决方案。公司还结合了例如多核微处理器、可编程FPGA、PCI Express硬件平台和系统设计软件等其他先进技术，来满足未来高频测试测量应用所需的灵活性和可扩展性。

频谱分析儀案例分析

为了帮助理解变化的过程，我们以传统频谱分析儀和其固定、低效的构架为例。传统的频谱分析儀使用调谐扫频的方法来完成频谱测量：本振经过描频，产生的中频信号再通过模拟分辨率带宽（RBW）进行滤波。但这样的方式不仅耗时，也缺乏灵活性。

测试工程师可能会考虑的一个问题是如何提高频谱测试速度，这完全取决于本振的扫频速度（见图1）。我们几乎不用去考虑数据传送给PC分析或者数据记录的过程所产生的速度影响，因为相对于通过LAN或者GPIB控制儀器所产生的毫秒级延时，射频的测量工作通常会花费更加多的时间（数十到数百毫秒）。所以你无须考虑通过通信总线来提高速度，在这样的测试架构中这点并无作用。

传统意义上来说，如果你想让你的频谱分析儀兼具各种行业标准，你得去找你的供应商。如果你继续采用这种方法，你将不断购买其他不同的分析儀来测试新的标准。

现在，大部分的射频信号分析儀，例如NI PXI射频信号分析儀，都会采取数字化的技术方案。相比传统的调谐扫频分析儀，数字射频信号分析儀的频谱测量速度有了巨人的提升。随着越来越多的儀器进入到数字化领域，摩尔定律在软件架构和处理能力上所产生的效应能够大幅提高测试速度和测试灵活性。

不同于传统频谱分析儀，数字信号分析儀的测量速度往往受限于内部的元器件的性能，例如：数字预处理模块（FPGA上的数字下变频器DDC），数据传输总线（PCIExpress），处理引擎（多核中央处理器），和信号处理算法（已通过LabVIEW为多核处理器优化）。大多数较新的频谱分析儀和PXI儀器具有相似的构架，但必须注意一些主要的区别。除了一些需要将结果远程传送到主控PC上的自动测试儀器外，大部分传统儀器就如同PXI一样，是基于PC的。另外，PXI的一个主要的特点是，用户可以自主选择处理器，这将对测试速度产生巨大的影响。由此，以通过简单的更换控制器，你就可以经常地提升PXI系统的测量速度。而最新几代的PXI射频儀器则采用了可编程FPGA来进行信号处理，使用户可以在FPGA和CPU之间进一步地优化定点和浮点算法。

这些额外的用户可编程（至少是用户可用型）的组件，包括CPU、FPGA、数据总线和信号处理算法，都将是创新型射频和微波儀器架构的核心组件。

创新型射频系统中的关键元素

1 模块化微处理器

射频测量的大部分处理时间都会花费在CPU时钟周期上。这其中的运算是相当复杂的，所以对一些诸如误差矢量幅度（EVM）和邻信道泄露比（ACLR）之类的测量，拥有一个高性能的处理器显得尤为重要。因此，一个模块化的测量儀器和模块化的计算引擎（PC）能够使你的测试系统始终运用最先进的技术，这远比一个只能使用最开始购买的CPU，装在固定功能的盒子里的系统要强大很多。这就如同数十年来PC上的任务处理速度飞速进步一样，实际上是摩尔定律在射频测量上的一种体现。

2 可编程FPGA

许多射频算法都是为儀器数据流内部的计算工作而量身定做的。数字上变频，数字下变频和分数重采样，这些一些例子，证明FPGA对于达到高效率测试是必不可少的。因为测试系统的信号处理需求可能随着新的行业标准而不断改变，改进算法，或改成DUT特制方案，修改儀器内部FPGA代码的能力，这些都将帮助测试系统工程师不断进步。可编程FPGA对于转发器系统来说非常重要，它要求在接收到信息后，立即发出指令，在非常短的时间内做出响应。例如RFID标签之类的测试设备对这些闭环响应时间的要求十分之高，不过通过在数据流和核心儀器架构中直接对FPGA进行编程，可以为测试工程师提供多种方案来提高响应速

对于那些对协议要求很高的系统也同样如此，要求必须使用异步串行协议通信进行测试。通过将协议细则写入FPGA，你可以将编程提升到相当的高度，只要专注于传输和接收的信息，无须再为协议通信的低端细节问题费心。这使得测试系统的编码变得更加模块化，从而能够应对协议的改变或发展。

只是简单的能够对FPGA编程还并不足够，对于射频测试工程师来说，编程语言还必须易学有效，如果必须采用VHDL或Verilog语言进行编程，对于工程师来说就会相当困难。而LabVIEW FPGA模块工具链完美地解决了这个问题，从而大力推进了可编程FPGA在射频系统中的广泛使用。

3 PCI Express

射频和微波测量通常因为需要频谱监测而产生数百MB，数百GB，甚至数百TB的数据集。所以，用户需要使用高带宽，低延时的PC总线技术，从一个连续的数据流中尽可能多地保留数据。第一、第二、第三代的PCIExpress为儀器提供了革新性的传输速率，可以快速有效地将那些数据集储存到PC或RAID磁盘阵列中，用以后期处理。诸如PCI Express之类的数据总线已开始取代在传统儀器中使用的GPIB或LAN的“结果”总线，它能够帮助用户获取更多的信息，从而也能够更全面地了解DUT的性能。PXI已经成为PCI Express与高性能射频测量技术完美结合的首选硬件平台。

4 LabVIEW系统设计软件

LabVIEW能够帮助射频测试系统在两个方面实现创新。第一，LabVEW所具有的高效数据流语言能够对射频流进行优化，它拥有其他软件所不具备的的并行操作机制，能够同时有效地兼顾到微处理器和FPGA。第二，LabVIEW作为一个系统设计工具，能够帮助用户管理并整合各种微处理器、FPGA、I/0点以及所需要的零散IP，将它们构建成一个完整的射频系统。通常要想使各个元件结合得天衣无缝，就跟开发这些元件一样困难，而LabVIEW却能通过在后台运行的功能做到这一点，从而帮助用户节省了成千上百个代码开发工时。这些软件特性对于如今的射频测试系统缩短开发周期以及灵活性的需求，是至关重要的。

多核处理器、可编程FPGA、PCIExpress和LabVIEW系统设计软件都是构建创新性射频测试系统不可或缺的部分。美国国家儀器致力帮助不同背景的工程师轻松使用这些产品，并结合模拟数字技术及所需的PXI射频硬件来完成测试工作。下面的案例将展示如何在项目实践中部署上述的元件。

创新性射频儀器范例

1 MIMO测量

在同样的频域和协议中，多输入，多输出（MIMO）传输是增加带宽利用率的一种常见的方法。在这个方法中很关键的一点是必须要求信号的发生和接收都是相位一致的。传统的盒状儀器的方案是使用多个10MHz时钟频率的锁相环路振荡器，将会导致每个儀器的锁相环路（PPL）在每个信道都会产生不同的相位噪声。而模块化硬件方案则解决了这个问题，通过在多个信号发生模块和接收模块之间共用一个本振，从而产生唯一的相位噪声传输到多个射频端口。图7表明了在模块化架构中共用本振和简单地在几个框图中共用参考时钟，所产生相位噪声的差别。

当用户在MIMO系统上进行编程时，需要使用高级应用程序编程接口以及设计完善的同步编程方案，以减少数据流因为来自各种不同的源所引起的麻烦。LabVIEW编程环境特有的并行机制能够克服这些困难，并直观地展现MIMO系统。NI-RFSA和NI-RFSG儀器驱动中的IVI兼容驱动程序，以及可编程FPGA所使用的NI-RIO驱动程序，都能帮助用户对于所需的底层执行细节进行抽象化处理，保证系统顺利运行。

2 混合信号测试（功率放大器特征记述）

如果需要对现在的射频设备，比如功率放大器（PA）进行测试，除了射频儀器（包括发生器和分析儀），还需要许多其他的设备，包括数字发生器、任意波发生器（AWG）和电池仿真器。

用户必须将这些儀器全部同步，以优化这些复杂的设备在功率放大器可能支持的许多不同的无线协议上的测试时间。典型的测试流程将按照以下的步骤进行。

如图10所示，任意波发生器是用来获取突发信号的控制管理输入；矢量信号发生器（VSG）生成多带激励信号来代表功率放大器所支持的频带；矢量信号分析儀（VSA）捕捉信号的幅度和相位，以完成能源、效率和调制分析；电池仿真器能像电池一样为功率放大器提供电能（在极短的瞬态时间产生高电流）；数字发生器能基于类似SPI和1₂C的数字协议对DUT进行控制。

创新性射频系统能为这种多面化测试系统提供更优的解决方案，系统可以对每个儀器上可编程FPGA的算法进行定位，支持CPU多核处理，并结合使用PCI Express将长波形传输到发生器或者从分析儀中接受大容量的数据集，系统使用LabVIEW软件，能够协调使用不同应用程序编程接口的编码模块，来增加代码的可读性，并且能够更好地支持软件日后的进一步升级。通过安装在PXI机箱中的这整套儀器，能够帮助类似Triquint这样的客户大幅减少功率放大器的特征记述时间（见表1）。

能够应对时间考验的儀器系统

美国国家儀器设计的创新型射频方案使用开放的软件平台和模块化硬件平台，结合四大关键元素（多核CPU、可编程FPGA、PCI Express和LabVIEW系统设计软件），来应对该领域最严苛的挑战。在将来，无线设备将继续发展更新的标准、更复杂的协议和更高的带宽，而运用这些平台和工具，可以轻松地构建新的基础测试方案，从容应对时间的考验。