FPGA/模組化/SDR助攻　多元訊號量測考驗過關

隨著各種通訊技術搭載在終端裝置之中成為大勢所趨，不論是產線或是研發端的測試方法也都面臨翻天覆地的改變，並進而促使對量測儀器的全新需求。舉內建無線區域網路(WLAN)、藍牙(Bluetooth)、GSM與高速封包接取(HSPA)的智慧型手機(Smart Phone)為例，今日的測試方法各自獨立，也就是由不同的團隊針對WLAN、藍牙、GSM或HSPA分別進行測試。然而在進行單一模組測試的同時，卻並不會開啟其他模組的通訊功能，僅針對單一模組的運作效能與否進行測試。這樣的作法，雖可確定特定模組的運作良善與否，卻無法保證在共行時會否造成障礙，在終端產品問世時可能會帶來考驗。  

不少手機製造商指出，以現行通訊技術來說，唯有藍牙與WLAN因同樣位於2.4GHz，因此彼此干擾較多，但其他通訊技術由於頻帶相隔較遠，訊號干擾的問題不算嚴重，因而未對相關議題多作著墨。此外，亦已可透過其他技術避免同頻帶間的訊號干擾，因此實際問題並不大。  

不過，量測儀器廠商紛紛指出，隨著多頻多模的應用日益發燒，未來將見到更多豐富多元的通訊技術，屆時，單站式的測試方式將告一段落，整合式測試將抬頭興起，並帶動業界投入。  

單站式訊號測試告終  

一般來說，終端生產測試可採用訊號傳輸模式的綜合測試儀和非訊號傳輸模式的訊號分析儀兩種方案。對測試人員來說，綜合測試儀由於符合國際規格的訊號傳輸一致性，因此適合特定的訊號測試；而訊號分析儀則因具有較大的靈活性，在多模量測上較具優勢。  

不過，不管採用哪家廠商的量測儀器，既然完整的終端生產測試包括射頻(RF)收發校準、射頻收發測試、終端音訊測試、電源測試等四個方面，因此也就需要射頻向量訊號源、射頻向量訊號分析儀、音訊分析儀和通訊電源測試儀，提供GSM、藍牙、無線區域網路(WiFi)、數位視訊廣播(DVB)、全球衛星定位系統(GPS)或是TD-SCDMA等模式的一站式測試。然而，要測量上述訊號，除了需要不少投資預算之外，也需要對產品本身具有一定了解，才能知曉何項產品適合自身，對不少設計人員來說，都是一大難題，因而刺激整合式量測產品的問世。  

圖1　安捷倫電子量測事業群應用工程部經理陳俊宇說，從近期客戶的反應可以看出，整合式量測機台逐漸受到歡迎。

如量側儀器製造商安捷倫(Agilent)原先以銷售量測儀器產品為主要業務範圍，然因產線或研發端透露對整合式測試儀器的需求，因此該公司也針對整合式應用推出整體解決方案(Total Solution)，含括各式通訊技術所需的應用。  

安捷倫電子量測事業群應用工程部經理陳俊宇(圖1)指出，若從單站式的量測方式來看，可以針對特定的訊號進行深入的模擬剖析，並進而找出問題所在；但對較為新興的技術，整合式的量測儀器機台由於具有低成本、快速應用的特性，因此在近期頗受歡迎。  

陳俊宇說，對部分高價終端產品來說，單站式的量測儀器可以安排時程分配給不同團隊使用，並依照特定需求進行深入分析，因此可發揮單站式產品的特性；然對追求低價、生產線大量生產的廠商來說，整合式機台可一次滿足所需，因此也大有商機。  

陳俊宇進一步分析，以近期手機市場的發展來看，除了M型化潮流持續之外，原先不特別注重雙模的功能性手機(Feature Phone)在成本陸續探底之後，為吸引更多用戶加入，也逐漸開始附加雙模功能，以與高階手機相抗衡。舉例來說，在中國、印度等新興地區，除了以超低價手機在市場稱雄之外，也陸續有業者喊出2G、WiFi等雙模產品，透過低價優勢與HSPA手機一爭高下。而在這樣的趨勢之下，整合式量測將可望大展身手。  

圖2　美商國家儀器行銷工程師姜長青(圖右)認為，模組化儀器結合高效能軟體，可滿足設計人員高度彈性的測試需求。宗臣科技徐佩伶(圖左)指出，模組化儀器具有成本優勢，對預算有限的客戶來說極具誘因。

同樣支持整合式量測的，還有以模組化及虛擬儀控(Virtual Instrument)聞名的美商國家儀器(NI)。美商國家儀器行銷工程師姜長青(圖2右)表示，在過去通訊技術較為單純的時期，單一的儀器已足以符合使用者所需，然而近期多頻多模蔚為風潮，若不願或無力負擔高單價的整合式量測產品，模組化的量測產品就是另一種選擇。  

該公司的模組化儀器，強調經由高彈性與高效能的硬體，結合軟體工具，以進行各式測量與分析。姜長青強調，透過可抽換式的硬體模組，客戶可依需求決定採購方向，而不會花錢買了產品，卻只用到一小部分的功能。目前美商國家儀器的模組化儀器包括高速數位器、函數及任意波形產生器、數位波形產生/分析器、射頻測量工具、音訊/視訊擷取及產生裝置等。  

美商國家儀器認為，由於模組化可輕易抽換測試儀器，將可根據客戶的需求進行靈活配置，以實現產線測試的靈活搭配，或是進而解決在產線測試站間的配置問題，因此對須要進行不同訊號或通訊標準測試的廠商特別有幫助。姜長青也透露，看好未來頻帶應用將愈往上走的趨勢，該公司也將針對高頻帶的通訊技術推出產品。據悉，目前美商國家儀器可量測的頻帶範圍約達2.7GHz，而未來可望往6GHz或以上邁進。  

模組化量測正反意見皆有  

對於支持模組化量測的人士來說，其硬體抽換彈性大是一大優勢。舉例來說，由於模組化量測儀器提供的是可輕易插拔的模組，因此，在單一機箱上即可安裝數種不同的通訊量測模組，大幅減少多樣量測儀器的空間。此外，面對故障問題，也只須抽換故障的模組即可，並不影響其他模組的正常運作；更可視技術演進而採購新興模組，透過軟硬體更新即可有效延長機箱的使用壽命，毋須採購全新儀器。  

而憑藉具有可彈性抽換的優勢，在實際產品的應用上，得以拉長通訊量測儀器產品的壽命，無形之中為企業省去添購新儀器的成本。如透過模組化硬體的替換及軟體的更新，即可讓數年前的行動通訊綜合測試儀同樣支援GSM/WCDMA模式上的HSDPA或是HSUPA測試需求。  

此外，系統整合業者宗臣科技徐佩伶(圖2左)指出，從製造商的角度來說，由於終端裝置競爭激烈，若透過同樣的預算能夠購入多元功能的產品，自然更合用戶的胃口，也是模組化量測儀器吸引用戶的關鍵所在。  

然而，不支持模組化的業者則認為，模組化產品無法擺脫個人電腦，儘管號稱與軟體互為扶持，可帶來如圖形化介面的優勢，但無法離開作業系統，開機時間長，對產線操作仍有一定困擾。  

其次，模組化的產品雖號稱彼此並不干擾，但模組化產品彼此的訊號仍可能互相干擾，對實際運作上若有影響，也將導致不正確的測試結果。  

FPGA高度彈性化有優勢  

在現場可編程閘陣列(FPGA)問世以前，通訊系統的重要功能模組均採用特定應用積體電路(ASIC)來實現。儘管ASIC具有大量生產、成本低廉的優勢，但其需要長達數月的時間進行設計、開發及整合，在通訊標準紛陳的今日難以快速實現。也因此，能夠快速實現上述標準的FPGA隨之問世。  

如美商國家儀器的量測產品，就在雙通道IF輸入、雙通道IF輸出板採用了賽靈思(Xilinx)的FPGA，並透過PCI匯流排介面在主CPU和FPGA之間進行傳遞。這樣的作法，允許工程師採用多種編碼和調變演算法來測試現有或新興的通訊標準。  

此外，透過FPGA，工程師可以定義其硬體的行為，並在設備上執行處理。在過去，只有廠商能夠設計FPGA，並藉此定義其韌體；但今日的工程師已可自由存取FPGA並進行測試，故可依此自行指定硬體操作方式，或進而分配各項作業。  

姜長青強調，要設定FPGA，除了透過硬體描述語言如Verilog或VHDL以外，目前市面上也已有圖形化程式設計語言可進行設定，降低使用者的學習門檻。 太克(Tektronix)稍早時也發表供邏輯分析儀使用的FPGAView套裝軟體，該軟體能進行FPGA即時除錯，並依此量測FPGA內設計的訊號，進而探測內部訊號群組。  

SDR實現世界大同  

除了FPGA之外，軟體定義無線電(Software Defined Radio, SDR)也被視為下一代行動技術的基礎，更有甚者，將其視為未來一統天下的終極應用。簡單的說，傳統的無線電透過硬體設備處理訊號，但軟體定義無線電則以軟體形式管理硬體訊號收發，因此只須下載軟體，即可執行更多工作。  

目前，一種正在導入通訊測試，並與無線和通訊技術同步發展的方法是採用軟體，並在測試儀器中導入軟體定義，這讓工程師利用通用的RF儀器，透過編碼和調變軟體來產生調變波形和測試訊號。這種用於測試的軟體定義無線電方法完全是由應用推動以及用戶定義的，允許工程師利用在研究和設計中使用軟體來進行測量和測試。  

由於多模終端須具有支援多種無線通訊系統的能力，因此多模終端的系統平台是否具有彈性架構及可重組態之能力，將決定該終端是否能夠順利問世，也就需要軟體定義無線電。  

圖3　太克科技產品經理楊宗文表示，今日軟體定義無線電雖不算普及，但由於可提供軟體調變的優勢，隨著技術的成熟，可望在未來持續為業界所接受。

太克科技產品經理楊宗文(圖3)表示，由於軟體定義無線電的訊號及調變均可藉由軟體進行改變，因此可輕易因應不同特性而彈性改變。此外，從成本與設計端來看，搭載軟體定義無線電的模組，由於可大量生產以滿足各種通訊技術，極為符合產線所需，且僅須更動軟體即可適應各地不同的通訊標準，自然對製造商更具誘因。  

在軟體定義無線電中，其射頻端接收或發射訊號的方法並無不同，但透過其載入無線電中的軟體而轉換訊號，則能依此帶來差異。如此一來，當商務人士至採用不同通訊標準的國家旅行時，可下載符合當地通訊軟體之標準，不論是WCDMA、CDMA2000或是TD-SCDMA皆可互為通用。  

當然，要實現軟體定義無線電技術並非完全毋需硬體平台，一般仍需數位射頻處理器(Digital Radio Processor)及寬頻射頻前端(Broadband RF Front End)才能順利運作。其中，數位射頻處理器的功用在處理多標準系統訊號之運算，而寬頻射頻前端則主要用來收發位於不同頻帶的訊號。  

由於不同通訊標準系統所使用的頻帶並不一致，因此在天線接收下各式訊號後，經由類比數位轉換器(ADC)數位化，再交由數位射頻處理器處理。這種作法由於可省去傳統架構所需的類比元件，因此具有高度整合度。  

楊宗文說，軟體定義無線電的最大優勢就是彈性，因此設計人員也就必須設計出可透過軟體控制波形與無線電功能的硬體規格，並允許軟體可發揮重複使用性及可攜性的優勢。因此，除了常用的微處理器(MPU)外，多數的軟體定義無線電還須配合數位訊號處理器(DSP)與FPGA，以滿足各種電流及未來標準對高頻寬、低延遲及高效能處理的需要(圖4)

資料來源：太克 圖4　類比與數位FM調變之訊號處理差異

此外，為滿足各種不同的頻寬與延遲的波形，系統設計人員也就必須最佳化處理器間的頻寬，也就需要如Serial RapidIO及PCI-Express等高速介面，才能讓訊號傳遞無礙透通。  

多頻挑戰不如預期  

雖然各式多工行動通訊終端裝置陸續問世，不過量測業者指出，實際上國內客戶遇到的挑戰並不如預期，製造商對相關意見的回饋並不多。  

究其原因，陳俊宇說，目前國內廠商仍多以代工性質居多，並多直接採購無線模組，而無線模組間在正式出貨前均已經過測試考驗，因此問題不多，實際上的多模考驗門檻並不高。  

安立知藍牙及無線網路產品製造市場業務經理苗偉倫也指出，今日各國並未針對多模並行的通訊環境進行標準化規定，因此對廠商來說，既然是無「法」依循，自然也就樂得輕鬆，並不針對多模環境進行量測，多僅開啟單一無線功能進行效能測試而已。  

不過，量測業者也認同，在通訊技術陸續問世之後，未來面臨的測試挑戰將有增無減，除了多頻多模的測試挑戰之外，也須跟上市場應用的腳步，才能滿足客戶測試所需。