很多人應該還記得第一次使用手機接收簡訊或是下載網頁的情形?，F在，手機只要幾秒就能下載高分辨率的影片，傳輸率比以前的第一臺筆記本電腦更高。不過，無線網絡往后的目標不只是讓下載速度更快而已。

十年內，連網裝置的數量會是連網用戶的十倍以上。因此，未來的無線標準將持續(xù)演進，藉以滿足全新案例的需求，網絡不僅可以連接不同的人，還能連接對象。

除了運用全新的無線技術，這些功能還必須仰賴新款儀器并降低售價。未來的裝置要能夠以新的方法執(zhí)行無線測試，因此以國家儀器(NI)為例，該公司不斷改善PXI平臺、迎接未來無線測試的挑戰(zhàn)。
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ITU擘劃無線技術未來　三大使用案例出線

國際電信聯(lián)盟(ITU)針對2020年國際行動通訊(IMT-2020)提出愿景，并依據多種使用案例，點出未來無線標準的需求。這項愿景提供5G技術需求的交流架構，并說明三種不同的使用案例(圖1)。

圖1　三種5G使用案例

這些使用案例具體指出未來行動通訊標準的需求，也同時反映了802.11ad、802.11ax、Bluetooth 5.0與NFC等技術千變萬化的需求。

第一種無線使用案例「增強型行動寬帶(eMBB)」說明了未來無線技術在網絡功能與尖峰數據速率上的預期發(fā)展。eMBB(enhance Mobile BroadBand)技術使用較大帶寬，并結合較高階調變機制與MIMO/波束賦形技術，因此能達成的尖峰數據速率更高。尤其在5G方面，eMBB使用案例能夠達成10Gbit/s下行傳輸率，速度比單一載波LTE還快上100倍。

第二種無線使用案例「大規(guī)模機器類型通訊(mMTC)」能以較低廉的成本，為更多地方、裝置提供無線網絡。透過連接更多地點的更多裝置，mMTC技術將能夠連接智慧城市中的紅綠燈、汽車，甚至高速公路。

不久之后，以經濟實惠的方式在更多工業(yè)物聯(lián)網應用中連接更多裝置的需求，將帶動M2M通訊與窄頻物聯(lián)網(NB-IoT)等全新行動技術的發(fā)展。

最后，第三種使用案例則是「超可靠機器類通訊(uMTC)」。這時候，潛時與封包誤差率就成了無線網絡的兩項關鍵需求。比如醫(yī)生可透過無線網絡連接的機器人執(zhí)行遠程手術，或是駕駛可得知前方事故而避免了大規(guī)模的連環(huán)車禍。在這兩種應用中，穩(wěn)定的無線通信連結不只提供便利，還能拯救生命。

未來無線技術的需求不只推動了全新無線標準的發(fā)展，也改變了工程師設計與測試行動裝置的方式。比方說，5G與未來標準由于帶寬較寬，因此必須配有帶寬較高的RF儀器。另外，MIMO與波束賦形等多天線技術需要模塊化的彈性儀控，才能有效測試單天線裝置、8×8MIMO裝置與其他設備。最后，價位較低的無線電也必須搭配成本較低的無線測試方法。無線電共占目前現今方案總值的20%，因此新一代測試設備必須提供速度更快、種類更多的平行測試方法。

向量訊號收發(fā)器的演進

2012年，NI發(fā)表全新的PXI向量訊號收發(fā)器(VST)。此款VST十分特別，在單一PXI模塊中結合了6GHz RF訊號產生器與分析器，還有可供使用者設定的FPGA。此儀器不但提供優(yōu)異的RF效能，適合用于研發(fā)與制造測試等多種應用，并具備了可供使用者設定的FPGA，能夠執(zhí)行量測加速與通道仿真等不同應用。

不過，無線技術一直演進，RF設計與測試的方式也必須跟著推陳出新。因此，NI推出第二代VST，以更小的機身提供更大帶寬、頻率范圍與FPGA。

帶寬需求漸增　儀器須搶先一步

過去十年來，無線標準不斷演進，因此能夠使用更寬的帶寬通道、達成更高的尖峰數據速率。舉例來說，Wi-Fi自2003年的20MHz逐步提升至40MHz，現今的802.11ax標準甚至可達160MHz。

行動信道則由GSM的200kHz躍升至現在LTE-Advanced技術的100MHz。未來的LTE-Advanced Pro與5G等技術將進一步帶動此類趨勢。

特別是在測試半導體裝置時，儀器的帶寬需求經常超越訊號帶寬。舉例來說，在數字預失真(DPD)的條件下，測試RF功率放大器(PA)時，便須使用測試設備擷取PA模型、針對非線性動作執(zhí)行修正，并藉此產生正確的波形。

多數情況下，進階DPD算法需要3至5倍的RF訊號帶寬(圖2)。這樣一來，在LTE-Advanced(100MHz訊號)標準下，可能需要500MHz的儀器帶寬，針對802.11ac/ax(160MHz訊號)，儀器帶寬更須高達800MHz。

圖2　使用5倍訊號帶寬的DPD算法

第二代VST效能改善最大的地方在于瞬時帶寬的提升：最高可達1GHz。工程師能夠運用帶寬較大的第二代VST解決目前儀控無法克服的應用挑戰(zhàn)。

除了無線測試標準外，帶寬儀器在其他多種應用中也會派上用場。比方說，帶寬雷達系統(tǒng)往往能夠透過1GHz訊號帶寬，加強捕捉脈沖訊號的能力。另外，在頻譜監(jiān)控系統(tǒng)中，儀器的帶寬則能大幅提升掃描率。最后，許多進階研究應用皆須仰賴較大的訊號帶寬。

EVM量測效能持續(xù)精進

新一代無線測試儀控須擁有更加出眾的RF效能。隨著調變機制與帶寬多載波的訊號設定不斷提升，現今無線裝置的RF前端必須具備更優(yōu)異的線性度與相味噪聲，才能提供符合需求的調變效能。這些需求使得未來的RF測試儀控，必須提供更佳的RF效能。

舉例來說，在無線裝置上評估EVM效能時，RF訊號分析器的EVM效能應比接受測試的裝置再低10dB。

802.11ac裝置在產生256-QAM調變時，必須具備-32dB的EVM效能；也就是說，儀器本身必須具備-42dB或更優(yōu)異的EVM效能。
未來，802.11ax1024-QAM調變(圖3)作業(yè)對裝置的EVM限制將可能進一步調整至-35dB，而儀器的EVM效能也須控制在-45dB。

圖3　802.11ax中的1024-QAM星座圖

滿足MIMO測試需求　同步化設計不可少

不論是Wi-Fi還是行動網絡，現代的通訊標準大多采用復雜的多天線技術。在這些系統(tǒng)中，MIMO設定透過更多空間串流提升數據傳輸率，又或借著波束賦形提供更穩(wěn)定的通訊。透過MIMO提供的這些優(yōu)勢，新一代的無線技術，例如：802.11ax、LTE-Advanced Pro與5G等，將在單一裝置上采用更復雜的MIMO機制，所安裝天線更可高達一百二十八個。

正因如此，MIMO使得設計與測試作業(yè)更復雜。MIMO不但增加了裝置端口數，還必須同步化多個通道。如果要測試MIMO裝置，RF測試設備必須能夠同步化多組RF訊號產生器與分析器。儀器的規(guī)格與同步化機制在這些設定中十分重要。

幸好，第二代VST十分的小巧，因此工程師能夠在單一18槽機箱之中同步八個VST(圖4)；其中一槽則做為PXI控制器的專屬插槽。除此之外，VST能夠透過自身提供的多種技術，與其他VST或PXI模塊緊密同步。

圖4　常見的8×8 MIMO系統(tǒng)(搭配八個VST)

例如，工程師能夠運用NI T-Clock專利技術輕松同步化八個VST，并將通道歪曲控制在1ns以下，還能在多個VST共享LO、產生/擷取RF訊號，藉以發(fā)揮完整的相位同調功能。

運用軟件設計提升無線測試儀器運作效能

最后，工程師必須能夠使用軟件設計新一代的無線測試系統(tǒng)。進階無線測試應用的出現，使得工程師必須調整儀器韌體的行為。在這些應用中，工程師只要移動閉回路控制、加速量測、執(zhí)行Real-Time訊號處理，或在儀器上同步待測裝置，便能使儀器的效能大幅提升。

在此之前，客制化儀器韌體唯一的方式便是與測試廠商討價還價，想盡辦法壓低昂貴的額外支出。相較之下，由于NI VST獨特的設計，透過客制化的LabVIEW碼便能調整儀器的FPGA。

因為工程師能夠運用LabVIEW輕松客制化FPGA，所以客戶不須費力便可享有客制化韌體影像的所有優(yōu)點。此外，許多工程師自己便能修改設定，因此不須另聘VHDL或Verilog專家。

軟件設計儀器特別適用于雷達原型制作。在此應用中，客戶可將FPGA視為完整的目標仿真器并加以使用。例如，雷達系統(tǒng)傳送激發(fā)訊號并接收響應，藉以偵測汽車、飛機，甚或其他「目標」(圖5)。透過目標反射激發(fā)訊號的特性，例如延遲與頻率位移等等，即可得知目標的距離與速度。軟件設計儀器結合VST較高的帶寬與可供使用者設定的FPGA，非常適用于目標仿真。此外，工程師還能輕松客制化FPGA，進而修正必須仿真的目標類型。

藉由修正可供使用者設定的FPGA，還能大幅加速量測。在無線裝置上執(zhí)行EVM或ACP量測時，總量測時間主要取決于所使用的量測算法。針對這些量測，工程師能將量測算法移入FPGA，藉此縮短量測時間。其中根據DPD條件完成的量測也不在少數。在這些情況中，工程師也可使用FPGA開發(fā)屬于自己的客制化Real-Time DPD實作。提升FPGA架構DPD實作的速度不僅能夠省下大量測試時間，還能協(xié)助工程師順利嵌入受到高度保護的FPGA演算式。企業(yè)能夠提供FPGA bitfile(而非原始碼)給潛在客戶，進而加強對自身DPD IP的保護。

VST為完整軟硬件平臺重要特色

VST是完整軟硬件平臺一部分，這也是其最重要的特色?，F在是在智能型連網裝置與IC的時代，測試儀控也從分離式的儀器逐漸轉型為高度整合測試系統(tǒng)。因此，儀器平臺也須能加以同步化、客制化，并以軟件輕松控制，進而完成封包追蹤PA測試、雷達原型制作等最新量測挑戰(zhàn)。

VST對NI平臺十分重要。范例也說明了工程師如何以模塊化硬件與開放式軟件，打造更具智能效能的測試系統(tǒng)。這些測試系統(tǒng)可以取得DC、毫米波等六百多個PXI產品的優(yōu)勢。VST結合時序與觸發(fā)功能，透過PCI Express Gen 3總線接口與亞毫微秒等級的同步化功能，便能達成高速的數據傳輸。善用NI軟件的產能、合作伙伴構成的活躍生態(tài)系統(tǒng)、附加IP與應用工程師，便能透過平臺架構方法大幅降低測試成本。

即便5G與802.11ax等新興無線技術將帶來設計與測試方面的重大挑戰(zhàn)，NI第二代VST卻也因應而生，能夠一一解決當前問題。VST具備較高帶寬、精巧規(guī)格、較佳RF效能與軟件客制化等多項功能，足以應付現今與未來困難的測試挑戰(zhàn)。