目前與未來通訊系統的軟體定義平台
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藍芽、WiMAX、cdma2000、ZigBee、GSM、EDGE、RFID – 無線與通訊標準的種類正持續成長(參閱圖1)。 在此同時，由Microsoft、Vodafone，與 Google 所主導，可於 V CAST 上欣賞熱門的足球比賽，並於 Google Earth 網站上取得當地資料，已經愈形普遍。在許多國家中，為此種需求擴充更大的資料頻寬，且讓無線通訊超過其他通訊架構的發展腳步，已經成為行動通訊的主要目 標。
圖 1. 無線網路與連結的需求，已經造成無線與通訊標準的「記錄擁塞 (Log jam)」
由產品發表的激烈競爭所驅使，研究與設計的速度已經超過測試所能負荷的速度。在完成 ZigBee 與 802.11n 的標準之前，製造商已經搶先發表了此 2 協定的裝置。傳統儀器製造商所預先定義的標準測試系統，則已經看不到未來的前景。此結果則歸因於發表無線標準的傳統週期、使用者之間的原型製作裝置，與開 發量產的測試設備時間均過於冗長。由於在相同的時間結構中，必須考慮到模型是否可平行套用於數十種的標準，測試設備製造商面臨重要抉擇– 依測試設備而延後上市時間；或繼續花上大量的成本研發新標準。此促使工程師必須尋找更具彈性，又可立刻使用的現成解決方案。
可適用的軟體定義測試器
要保持 RF 與無線發展測試的方式之一，即必須透過軟體；工程師可透過軟體設定新的通道編碼，與調變的技術或運算式。邏輯性解決方案將使用編碼與調變軟體，用軟體定義 的方式進行儀控，以透過模組化的一般RF 儀器產生並量測訊號。此軟體定義無線電 (SDR) 的測試方式，將完全屬於應用導向與使用者定義。此策略的主要提倡者為美國國防部 (DoD)。「於軍事方面來說，SDR 屬於轉換技術，可促進無線電的互通 (interoperable) 開發，並可於任何時間聯絡戰場上的友軍。」Steven MacLaird 上校為 Joint Systems Program 的指導人；亦為 JTRS Joint Program 的專案經理 (SDR Forum, August 2003) 則如此表示。針對此功能，圖 2 則顯示 NI LabVIEW 軟體 中的簡單數位通訊連結。所包含的VI 適用於發送器 (Transmit side) 的來源編碼、通道編碼、調變，與升轉換；還有接收器 (Receiver side) 的降轉換、解調、通道解碼，與來源解碼。實際通訊連結亦包含硬體設備與發生訊號傳輸的實體通道。
圖 2. 透過 LabVIEW 的 NI 調變工具組，工程師可於設計數位通訊系統之後，模型化 (Model) 其程式碼。
使用者解決方案：德州大學 (The University of Texas) 的 MIMO-OFDM 開發
開發 MIMO-OFDM 系統，所展現軟體定義儀控的領先應用。多重輸入和多重輸出 (MIMO) 的整合，與正交分頻多工 (OFDM)，為許多最新無線技術和資料標準之後的新技術，包含 4G 行動電話通訊與 802.11n Wi-Fi 資料網路連結；專為提升行動電話與電腦的資料傳輸率所設計。OFDM 的優點包含 RF 干擾的回彈能力 (Resilience)、高頻譜效益，與較低的多重路徑干擾 (Multipath distortion)；MIMO 則能夠使用多重路徑訊號傳遞 (signal propagation) 以增加頻寬。德州大學的無線網路與通訊小組 (WNCG) 則研究此系統的特性，以進一步驗證 MIMO-OFDM 的研究結果與優點。由 3 位 WNCG 成員所主導的研究，則與 2 個主要元件相關– 模擬與完整的硬體整合– 並以不到 6 個星期的時間即完成。
針對模擬，由於資料模擬與分析函式 (即為 VI)，小組採用了 NI LabVIEW。LabVIEW 環境亦具有 NI 頻譜量測 (Spectral Measurements) 工具組 與適用於 LabVIEW 的 NI 調變 (Modulation) 工具組； 此為特別針對通訊系統設計、模擬，與分析所設計的擴充工具。透過這些工具，小組可直接控制系統參數，包含通道編碼、電源，與轉換率；亦可新增衰退 (Fading) 與多重路徑干擾，以決定系統的抗雜強度與回應。小組亦使用模擬系統傳輸即時資料與資訊，以檢視調整實體層 (Physical layer) 參數與通道特性的影響；此僅限於軟體定義的系統才可進行。此外，WNCG 小組可藉由調整天線數量，與運算式所處理來自於天線的資料，進一步驗證對資料傳輸率的影響。在此環境中，WNCG 成員可透過模擬，有效評估新一代 MIMO-OFDM 資料通訊的優點與缺點。圖 3 表示 WNCG 研究 MIMO-OFDM 期間所使用的介面之一。
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圖 3. 德州大學 WNCG 小組使用 NI LabVIEW 的 MIMO-OFDM 介面，以比較傳輸影像與接收影像。
為完整建置調整模擬軟體
小組接著再度使用軟體模擬程式碼，以開發硬體架構的MIMO-OFDM 無線收發系統。他們使用 NI 模組化儀器以開發系統，包含可產生基頻 (Baseband) 與中頻 (IF) 的任意波形產生器模組，還有可建立 MIMO-OFDM 系統上鏈 (Uplink) 的 RF 升轉換模組。同樣地，WNCG 成員針對無線收發器的下鏈 (Downlink)，使用示波器與 RF 降轉換模組。接著於 PXI 機箱內安裝模組與嵌入式控制器，以用於高傳輸率與即時的量測處理。圖 4 即為該系統，包含NI PXI-5660 RF 向量訊號分析器 與PXI-5670 RF 向量訊號產生器。
圖 4. 此為包含 2 組天線的 MIMO-OFDM 收發系統程式圖。
當建立完成，WNCG 成員即可透過硬體架構的收發系統，驗證研究假設與模擬結果。由於以軟體模擬並設計 MIMO-OFDM 收發系統，WNCG 成員在不到 6 個星期的時間中，透過軟體定義的硬體，體驗從模擬到實際無線連結的有效收發作業。
軟體定義儀器的收發設計挑戰，即在於必須彙整所需的波形，以達到正確的調變。LabVIEW 的 NI 調變 (Modulation) 工具組具有許多必備的基礎區塊 (Building block)，透過訊息 (message) 修正載波訊號，以達到正確的調變。工具組亦可進行一般通道編碼、均值化 (Equalization)，與量測函式，以建立並分析波形樣本。一旦建立波形– 設定比率、頻寬、頻率，與其他硬體參數– 可下載波形以完成波形產生作業。
軟體定義的通訊系統將為不會過時的平台
軟體定義的通訊測試系統將持續成長。由於此系統將可整合標準開發方式，協助開發測試系統，加速其整體腳步。軟體定義的測試，將提供目前通訊系統的解決方案，但更重要的一點，將提供加快未來通訊系統的範例與平台。
Ron Harrison
RF 與通訊產品行銷經理
ron.harrison@ni.com
下載 LabVIEW 的 NI 調變工具組範例，與其他 RF 與通訊的資源
此篇文章第一次發表於 2006 年 2 月 7 日的 NI News，並刊登於 2006 年第一季的儀控電子報。
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