現代的射頻(RF)儀器已經從簡單的量測裝置演變成主要的系統設計工具。各式各樣的軟體定義無線電(SDR)技術可說是幕後推手。SDR的靈活彈性不僅顛覆了無線產業，同時也讓RF測試設備改頭換面。
1980年代晚期，工程師開始實驗SDR的概念是否可行。當初的無線電必須仰賴複雜的類比電路，才能夠在RF與微波頻率中收發訊號，並且編譯/解譯訊息訊號。SDR的概念就是把通用的無線電用於訊號收發，同時透過軟體執行許多實體層功能，例如調變與解調變。
根據Walter H.W. Tuttlebee所著的《Software Defined Radio: Origins, Drivers and International Perspectives》一書指出，早期最具代表性的SDR包含軍事無線電通訊計畫，例如1990年代初期的SPEAKeasy計畫。此計畫所設計的無線電在軟體中實作出許多調變與解調變功能，可提供多種無線介面(Air Interface)之間的互通功能。
然而，到了1990年代晚期，工程師開始積極研究如何把SDR技術用於商用系統，例如手機基地台。Dr. Joseph Mitola III在1993年發表於IEEE Spectrum的《Software Radios: Survey, Critical Evaluation and Future Directions》是最具影響力的論文之一，其中說明了多種應用領域的SDR需求。
或許，現代的基地台最能充分展現SDR的優勢。無線標準從全球行動通訊系統(GSM)演變成長程演進計畫(LTE)，要透過更多硬體支援更多標準也變得越來越困難。此外，基地台採用不斷改良的精密軟體，執行訊號處理與閉迴圈控制作業。舉例來說，數位預失真(DPD)等功率放大器(PA)線性化技術不只是基地台的效能關鍵，也會隨著時間持續提升。因此，SDR方法極適合基地台設計與長期支援需求。
SDR架構當道 RF儀器設計丕變
隨著無線產業陸續提高SDR架構的使用率，RF測試與量測設備也正在經歷重大的變遷。在2000年代初期，全新的無線標準長驅直入，根據規定儀器必須提供豐富的量測功能，進而提升架構彈性。工程師必須執行各式各樣的RF量測，所以僅針對少數應用而設計儀器這種傳統的做法，變得非常不切實際。因此，測試廠商開始探索軟體定義RF測試設備的概念。
傳統掃描諧調頻譜分析器的演變，可說是軟體定義儀器趨勢席捲業界的典型案例之一。傳統的頻譜分析器會使用類比元件，進而實作解析度頻寬濾波器與功率偵測等功能。然而，現代的RF訊號分析器整合了通用的RF降轉換器(一種無線電)，以便產生數位化的I/Q樣本。儀器會在內部使用多種方式來處理I/Q樣本，包含頻譜運算作業。這樣一來，工程師用來執行頻譜量測的訊號分析器，也可用來解譯RADAR脈波、解調變LTE訊號，甚至是記錄全球衛星定位系統(GPS)訊號。
現在，測試廠商進一步改良RF儀器的架構，提高與SDR架構的相似度。新一代RF儀器的基本架構不只包含通用無線電，還有豐富的個人電腦(PC)與訊號處理技術，例如多核心中央處理器(CPU)與現場可編程閘陣列(FPGA)。現在RF測試設備這種「SDR化」趨勢可針對傳統的RF測試應用提供重大優勢，同時幫助工程師達成以往無法透過RF儀器處理的應用項目。
FPGA襄助 RF量測效能倍增
把PC技術整合至RF儀器後，最明顯的好處之一就是儀器訊號處理效能持續提升。摩爾定律預測中央處理器處理效能會持續攀升，也就是說，儀器處理效能也會持續增加。這樣一來，隨著中央處理器廠商持續創新處理器技術，PC架構的儀器也會因為量測速度提高而受益。舉例來說，10年前需要50毫秒(ms)才能完成的頻譜量測，現在只要5毫秒不到。
除了中央處理器外，現在越來越多的RF儀器開始採用一種現代SDR的核心技術：FPGA。RF儀器採用FPGA的歷史已超過10年，更進階的改良則是讓使用者可以自行設計儀器內的FPGA程式。使用者可設定的FPGA擴充了儀器所扮演的角色，從最早期的單一功能裝置，變成極度靈活的閉迴路控制系統。
只要有配備FPGA的儀器，工程師即可整合FPGA的即時(Real Time)控制功能與測試作業的高時效性功能。舉例來說，如果某項測試應用必須透過數位介面來控制裝置，配備FPGA的儀器就能夠同步化數位裝置的控制功能與RF量測作業的執行功能。可設定的FPGA提供了全新的測試方式，幫助工程師提升高達一百倍的測試時間效率。
配備FPGA的儀器帶來許多好處，也因此大幅改革FPGA程式設計的方式。雖然有些工程師使用VHDL等硬體描述語言已經好幾年，不過複雜的FPGA程式設計仍然是無法廣泛運用的原因之一。
SDR帶來變革 拓展多樣應用
由於現在的RF儀器具有類似SDR的架構元素，模糊了儀器與嵌入式平台之間的界線。使用者可設定的FPGA這類關鍵的儀器特性，迅速提高用於嵌入式應用的RF儀器數量。
20年前，可能無法想像，只為了製作RADAR系統原型，就要整合價值數百萬美元的RF訊號產生器與RF訊號分析器。這種系統的成本高昂、體積龐大，而且儀器程式設計會讓工程師無法像使用無線電那樣地使用儀器。
然而，目前出現了更精巧、更強大的PC架構儀器平台，比如說PXI，堪稱理想的原型製作解決方案，適用於電子嵌入式系統。PC架構儀器不只滿足嵌入式系統的體積與成本需求，還可提供軟體功能，幫助工程師重新設定RF儀器並用於更多領域。現在工程師可以運用RF訊號產生器與分析器，進而設計嵌入式系統，例如RADAR、通道模擬器、GPS記錄器與DPD硬體。
能夠透過軟體完整定義並客製化RF儀器行為後，即可準備克服新一代的測試難題。因此，未來的RF儀器架構會和SDR架構越來越像，幾乎毫無差異。
(本文作者任職於美商國家儀器)