藍芽、WiMAX、CDMA2000、ZigBee、GSM、EDGE、RFID─無線及通訊標準的列表以前所未有的速度不斷增長。在此同時，由於微軟、Vodafone和Google推波助瀾，於V CAST觀賞足球的精彩畫面以及從Google Earth取得地點資料也變成常見應用...
受到產品上市的競賽所驅使，研究和設計的腳步超越了測試。製造廠商早在ZigBee和802.11n的標準完備之前即推出其設備。傳統儀器製造商則完全沒有推出預製的標準測試系統。這個現象主要是因為傳統的週期是推出無線標準、主要使用者製造原型設備，再針對大量商業用途開發測試設備；而這個循環週期過於漫長。當這種模式被同時出現在數十種新發表的標準上，測試設備製造廠商面對一個艱難的決定：若不是以符合標準的測試設備晚一點上市，就是可能要花數百萬元的研發經費在一項不被採用的標準上。這種現象促使工程師尋找具有彈性且立即可用的解決方案。
軟體定義測試工具修改彈性大
跟上射頻及無線測試發展腳步的方法之一是透過軟體，由工程師設計新的通道編碼及調變技術或運算法。合乎常理的解決方案是採用由軟體定義的方法來進行儀控，使用程式編寫及模組化軟體，透過模組化、一般用途的射頻儀器來產生及測量訊號。這種軟體無線電(Software-defined Radio, SDR)的測試方法就是完全以應用導向及由使用者定義。美國國防部聯合系統計畫(Joint Systems Program)主任兼任聯合戰術無線電系統(JTRS)計畫管理人Steven MacLaird上校表示：「對軍方而言，SDR是一種變形技術，可以開發一個完全互相配合運作的無線電家族，在任何作戰環境中，隨時和任何聯軍武力通訊。」為了說明這種功能，圖2介紹美商國家儀器LabVIEW軟體中一項簡單的數位通訊。其中包括VI，在傳送方面有來源編碼、通道編碼、調變以及升頻轉換；在接收器方面則包括降頻轉換、解調、通道解碼以及來源解碼。真實世界的通訊連結還包括硬體設備以及進行傳輸的實體通道。
個案研究：德州大學的MIMO-OFDM開發
以軟體定義儀控的一項主要應用是在開發MIMO-OFDM系統方面。結合多重輸入多重輸出(MIMO)以及正交分頻多工(OFDM)是許多最新的無線及資料標準(包括4G行動電話通訊及802.11n WiFi資料網路)的兩項技術基礎，它們的設計分別是為了提高行動電話和電腦的訂閱者數量及資料通量。
OFDM的優點包括不怕射頻干擾、高頻譜效率以及較低的多路徑失真；而MIMO則使用多路徑訊號傳播來提高頻寬。德州大學無線網路與通訊小組(Wireless Networking and Communications Group, WNCG)研究該系統的特性，以驗證MIMO-OFDM的研究和優點。這項研究由3名WNCG的成員進行，內容包括兩項主要元件─模擬及完整的硬體整合─而且在不到六周內完成。
在模擬方面，該小組使用LabVIEW，主因是其資料模擬及分析函數(VI）。LabVIEW環境亦提供Spectral Measurements Toolkit 以及Modulation Toolkit for LabVIEW兩種針對通訊系統設計、模擬及分析而設計的延伸工具。利用這些工具，該小組得以直接控制系統參數，包括通道程式設計、電力以及傳輸速率，同時加入衰減和多路徑干擾，以判斷系統的堅固性和反應。該小組亦使用模擬來傳送即時資料及資訊，以觀察調整實體層參數和通道特性的效果，不過，這只有在使用軟體系統時才能這樣做。
此外，WNCG小組也可以透過調整天線數量及處理天線接收之資料的運算來驗證資料通量的效果。在這個環境裡，WNCG的成員可以通過模擬，有效率地評估供新一代資料通訊使用的MIMO-OFDM的優點及缺點。圖3是WNCG在MIMO-OFDM研究中使用的介面之一。
從模擬軟體到全面應用
研究團隊重複使用軟體模擬程式碼開發硬體的MIMO-OFDM無線傳輸/接收系統。他們使用國家儀器的模組化儀器開發此系統，包括一部任意波形產生器模組來產生基頻和中頻(Intermediate Frequency, IF)頻率及一部射頻升頻轉換器模組以建立MIMO-OFDM系統向上聯結(Uplink)。同樣地，WNCG成員使用數位器和射頻降頻轉換器模組進行無線傳收機的向下聯結(Downlink)。然後他們將這些模組安裝在一部PXI機箱裡，使用一個嵌入式控制器來進行高通量、即時量測處理。圖4就是這個系統的範例，其中包括向量訊號產生器以及向量訊號分析器。
在開發之後，WNCG成員可以使用硬體傳收系統來驗證他們的假設及模擬結果。由於他們採用軟體模擬及設計MIMO-OFDM傳收系統，因此WNCG成員使用軟體定義的硬體，在不到六周的時間裡即順利且有效率地從模擬轉移到實體的無線連接。
對於用軟體設計的儀器而言，傳輸儀器的設計挑戰在於如何組合出想要的波形，以達到正確的調變。Modulation Toolkit for LabVIEW中包括許多可以用訊號來修改載體訊號(arrier signal)，以獲得正確調變的必要工具。這套工具組也提供常用的通道程式編寫、均化以及測量函數，讓使用者得以輕易地建立及分析波型。在使用者建立波型之後─設定硬體的速率、頻寬、頻率以及其他參數─下載波型即完成訊號產生的操作。
軟體定義測試平台逐漸成長
採用軟體定義通訊測試平台的趨勢會繼續成長，業界逐漸接受這種趨勢，因為能幫助他們配合標準的開發步調來開發測試系統。軟體定義的測試為目前的通訊系統提供了解決方案，但更重要的是也為成形中及將來的通訊系統提供一個典範和平台。
(本文作者為美商國家儀器射頻與通訊產品行銷經理)
(詳細圖表請見新通訊63期5月號)