結合軟體與模組化硬體　RF/微波量測儀器擴充性倍增

就設備成本而言，在各種測試與量測系統中，RF/微波儀器可能會是最昂貴的部分。此外，若設備未能最佳化，那麼處理這些量測作業的時間也會快速增加。接下來的挑戰是：LTE、802.11ac、藍牙這類日新月異的商業標準將持續增加，新增的標準數量遠超過可淘汰的標準，所以工程師花在測試上的時間將與日俱增。最後，傳統的測試設備供應商都習慣大量部署單一通訊協定，或至少是有限通訊協定的測試系統，這麼做將會造成許多隔閡，就算是最為精心打造的系統架構也不例外。

因此RF與微波儀器適用的軟體必須具備更充裕的開放性，而硬體的模組化功能也得同時增加，才能解決上述種種問題。為協助工程師克服這些挑戰，美商國家儀器(NI)結合PXI硬體與LabVIEW圖形化設計軟體，打造出不同於傳統的方式。此外，同時運用多核心微處理器、可由使用者客製化功能的現場可編程閘陣列(FPGA)模組、高速PCI Express匯流排的硬體與圖形化設計軟體等商業技術，進而滿足未來高頻率測試與量測應用的彈性調整需求。

頻譜分析器不可或缺

傳統的頻譜分析器採用掃頻的方式來量測頻譜：局部振盪器會掃描所需的頻帶，求得的中頻訊號會接著經過可調整頻寬解析度(RBW)的類比濾波器。這麼做不僅會延長測試時間，還會降低調整彈性。

如果頻譜的測試時間是工程師的考量之一，那麼處理相關量測的時間便主要取決於局部振盪器的掃描速度(圖1)。同時，資料會傳回電腦以便分析或記錄資料，這個過程對量測速度幾乎沒什麼影響，因為相較於透過區域網路(LAN)或通用介面匯流排(GPIB)控制儀器所造成數毫秒(ms)的延遲(Latency)，RF量測需要更多時間逐步提高強度(約為數十到數百毫秒)。所以工程師不會把通訊匯流排當成提高作業速度的方式，因為這對量測架構而言毫無意義。

圖1　傳統的頻譜分析器架構搭配固定式的類比元件，同時量測速度取決於局部振盪器的掃描速度。

如果工程師想要擴充頻譜分析器的功能，進而符合更多必要標準，傳統的做法就是仰賴供應商。在研發儀器時，儀器供應商便會選用類比元件和特定訊號處理技術以便有效發揮儀器功能，並且藉此滿足大部分的使用需求。這屬於傳統的做法，無法針對目前的無線趨勢與時俱進。如果工程師繼續採用這種模式，就必須採買不同型號的分析器來測試各種新標準。

現今大部分的RF訊號分析器都屬於數位分析器。相較於舊式的掃頻頻譜分析器，數位RF訊號分析器執行頻譜量測的速度明顯快了許多。將更多儀器轉往數位領域發展後，最新的軟體架構與根據摩爾定律(Moore's Law)而得的處理效能即可大幅改善測試時間與彈性。

不同於傳統的頻譜分析器，數位訊號分析器的量測速度通常受限於內部元件的效能，這類元件包含數位訊號預處理區塊(FPGA的DDC數位降轉器)、資料傳輸匯流排(PCI Express)、處理引擎(多核心中央處理器)和訊號分析處理核心(透過LabVIEW針對多核心CPU進行最佳化)。

大部分新型頻譜分析器的架構與PXI儀器非常類似，不過兩者間有幾項關鍵的差異。大部分的傳統儀器就像PXI一樣採用個人電腦(PC)架構，只有在自動處理量測作業時需要額外從遠端將量測結果傳輸至控制電腦。

除此之外，PXI還有一項特殊功能：使用者可以自行選擇處理器，這一點可說是量測速度的關鍵。如此一來，使用者只須替換控制器，就可以隨時提升PXI系統的量測速度。而且許多最新的PXI RF儀器都已透過可由使用者客製化功能的FPGA模組來提供訊號處理功能，因此使用者能夠進一步在FPGA和中央處理器(CPU)間最佳化定點與浮點運算式(圖2)。

圖2　最新的PXI RF儀器皆配備可由使用者客製化功能的FPGA模組、高速資料傳輸匯流排、最先進的微處理器與系統設計軟體，以便處理所有相關元件。

這些可由使用者客製化功能的額外元件包含CPU、FPGA、資料匯流排和訊號處理運算式，全部組合起來就是新型RF與微波儀器架構的核心元件。

新型RF量測系統重要構成

新型RF量測系統的重要元件包括模組化微處理器、可由使用者客製化功能的FPGA模組、PCI Express、LabVIEW系統設計軟體四部分，以下分別加以說明。

模組化微處理器提升彈性

圖3　只要使用者選擇模組化硬體架構，就可以隨時升級系統的處理元件，進一步充分運用最新的電腦技術，同時加快測試時間。

處理RF量測的時間絕大多數都花費在CPU時脈週期，其中需要大量的數學運算作業，因此對錯誤向量幅度(EVM)與鄰近通道洩漏比(ACLR)等量測作業而言，高效能處理器至關重要。因此，如果量測設備本身與運算引擎(PC)能同步採用模組化架構，測試系統即可提供頂尖的效能和持久的執行時間，上述這些都是最初購買CPU搭配固定功能設備的量測儀器所無法匹敵的(圖3)。這樣的做法主要是針對RF量測來活用摩爾定律，與消費者長年以來運用電腦來處理大小事務的原理一模一樣。

FPGA模組讓使用者客製化功能

許多RF的數學運算作業非常適合利用資料串流的方式在儀器中執行。舉例來說，數位升轉換(Digital Upconversion)、數位降轉換(Digital Downconversion)與碎形重新取樣(Fractional Resampling)等運算都足以證實FPGA對於達成經濟實惠的測試時間而言至關重要。

隨著新標準的設立、運算式改良，以及待測物(DUT)專屬架構的變化，測試系統的訊號處理需求也會跟著改變，因此只要能夠修改儀器的FPGA程式碼，測試系統的操作人員即可隨時調整，完全不須要淘汰任何硬體。

圖4　過去十年來，FPGA的運算功能持續增加(單位：GMAC)，亮眼表現絲毫不亞於CPU。使用者也可以用來最佳化RF量測作業。

對收發器系統而言，存取FPGA也很重要，因為系統必須在收到資訊與產生回應的期間迅速做出決定，盡量避免延遲。無線射頻辨識(RFID)標籤等測試裝置會大幅拖延這些閉迴路回應時間，但如果能同時在資料串流與核心儀器架構本身善用FPGA，就可協助工程師以有效的方式處理相關問題(圖4)。

同樣的架構也適用於協定知覺(Protocol Aware)，通常該系統在測試時會使用多種不同的通訊協定與待測物溝通。只要在FPGA內建通訊協定，使用者可以直接以高階(High-level)的角度來處理傳送和接收的資訊，而不必再深究通訊協定底層的細節。這樣一來，隨著通訊協定變更，通訊協定的模組化可以大幅縮短系統調整所需要的時間。

然而，如果只是可以針對FPGA進行程式設計，並不能滿足RF測試的需求。對RF測試工程師來說，程式設計語言必須具備充分的便利性與生產力，但若受限於使用VHDL或Verilog語言，往往會造成很高的入門障礙。LabVIEW FPGA模組卻能突破這樣的限制，如要在RF系統中建置可由使用者客製化功能的FPGA，這絕對是改良的關鍵所在。

PCI Express快速傳輸資料

RF與微波量測通常涉及數百MB、GB甚至TB的資料量以便用來監控頻譜。因此工程師必須採用極高頻寬、極低延遲的PC匯流排技術，才能在連續串流時盡可能保有每一筆資料。透過PCI Express及其歷經第一代、第二代、第三代傳輸率的變革過程，儀器可以快速又有效地將資料集傳送至電腦記憶體或透過磁碟陣列(RAID)建置傳送至磁碟以利後續處理(圖5)。

圖5　PCI Express展現高頻寬與低延遲的完美結合，足以因應RF應用案例常見的大量資料集等需求。

隨著PCI Express等資料匯流排取代傳統儀器常見的匯流排如GPIB或LAN，工程師能夠存取更多資訊，藉此深入掌握待測物的效能。

LabVIEW設計軟體提供最佳化

LabVIEW賦予RF測試系統全新定義，第一，LabVIEW原生的資料流語言具有高度的生產力，同時已針對RF串流需求進行最佳化。其中的平行機制可協助該語言同時有效利用微處理器與FPGA的運算資源，這是其他語言沒有的功能。第二，LabVIEW屬於系統設計工具，有助於工程師管理並整合各種微處理器、FPGA、輸入輸出(I/O)點與IP項目，這都是建置完整RF系統不可或缺的重要元件。

一般而言，結合這些元件非常困難，其困難度和研發這些元件本身不相上下，LabVIEW卻可提供此基礎功能，進一步省下甚至數以千計用於研發程式碼的工時，並配合RF量測系統的所需時間與彈性需求(圖6)。

圖6　LabVIEW系統設計環境具備多種運算模式，適合各種不同的處理元件。

新型RF儀器創造新用途

新型RF儀器可提供許多創新的應用，以下透過MIMO量測、混合訊號自動化測試(以功率放大器特性測試為例)來示範說明。

MIMO量測

如果要在同個頻率範圍和通訊協定內提高頻寬，那麼多重輸入輸出(MIMO)傳輸架構算是相當常見的方式。此架構的關鍵需求就是相位同調的產生與擷取作業。傳統的箱型儀器採用相位鎖定迴圈(PLL)式的多重振盪器，標準時脈為10MHz，這種做法經常造成個別儀器的相位鎖定迴圈會在每個通道產生不同的相位雜訊。模組化硬體在新舊不一的模組間共用局部振盪器，並且藉此解決上述問題，同時能夠針對各種不同的RF埠提供相同的相位雜訊。圖7～8顯示相位雜訊的差異：模組化架構搭配共用的局部振盪器，以及僅只在數個箱型儀器間共用參考時脈。

圖7　模組化儀器通常可以共用常見的局部振盪器，這和標準時脈為10MHz的傳統相位鎖定迴圈非常不同。

圖8　共用的局部振盪器可針對高頻率系統提供更低的相位偏移

工程師在設計MIMO系統程式時，應該採用高階的應用程式設計介面和精心設計的同步化程式設計架構，才能有效降低串流各種不同來源資料的困難度。LabVIEW環境原生的平行機制可協助工程師以直覺化的方式呈現MIMO系統，同時克服這類障礙。NI-RFSA與NI-RFSG儀器驅動程式的IVI協定驅動模型，以及使用者可客製化功能的FPGA所適用的NI-RIO驅動模型，都能夠協助工程師掌握成功系統必備的基本細節。

圖9　測試功率放大器必須使用混合訊號儀控系統

混合訊號自動化測試

以功率放大器特性測試為例，如果要測試功率放大器(Power Amplifier, PA)等現代RF裝置，RF儀器(產生器與分析器都包括在內)必須搭配其他各種裝置，包含數位產生器、任意波形產生器(AWG)與電池模擬器(圖9)。

工程師必須能夠同步化所有這些儀器，才能滿足PA支援各種無線通訊協定的測試，最佳化這些複雜裝置的測試時間。標準的測試流程包含下列步驟(圖10)：

圖10　此流程圖為功率放大器的標準測試流程

這個流程圖指出，AWG的用途在於控制PA的放大功率；向量訊號產生器(VSG)會產生多重頻帶測試訊號；向量訊號分析器(VSA)負責擷取訊號強度與相位並用來分析功率、效率與調變；電池模擬器代表PA的電力來源，就像電池一樣(具有短暫態時間與高電壓)；至於數位產生器，則透過常見的數位通訊協定如SPI和I2C來控制待測物。

新型RF系統除了能在使用者可客製化功能的FPGA模組上進行即時訊號處理外，還能支援CPU多核心處理技術，整合PCI Express，以便將長波形傳輸至產生器，也可以從分析器接收大量資料，同時納入LabVIEW以整合各種應用程式設計介面的程式碼模組，進而大幅提升程式碼的可讀性，並且隨時支援儀器升級。擁有這些功能，上述多元測試系統的效能才得以發揮。

做好準備隨時迎接挑戰

如果工程師僅使用傳統的箱型儀器，那麼在自動化測試環境中採用RF與微波量測技術時，隨之而來的商業與技術挑戰絕對不容小覷。新型RF技術採用開放式軟體與模組化硬體，同時搭配四個重要元件(多核心CPU、可由使用者客製化功能的FPGA、PCI Express、LabVIEW系統設計軟體)，進而克服這個領域內最為嚴苛的挑戰。由於無線領域必須持續因應新標準、更複雜的通訊協定和更高的頻寬，這些工具將可針對測試技術建立穩固的基礎，並經得起時間考驗。

(本文作者任職於美商國家儀器)