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规格演进快、量测复杂,模块化仪器撑竿跳

时间:2016-08-25 13:41来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
5G先期受益者No.2:量测厂商
每回科技变革,几乎都少不了量测仪器供货商的穿梭其间与鼎力相助;众所周知,所有电子产品都需经过「量化检测」考验,必须在规格制订之初就考虑到后续可行性,因此量测业者往往是最能掌握趋势与技术的先知,亦是当然受益者。具长期参与通讯标准制订经验的是德科技 (Keysight),以及本身就是 PXI 开放平台推手的国家仪器 (NI) 在谈到下世代通讯时,皆异口同声看好模块化仪器的前景。不过,Keysight 营销处副总经理罗大钧澄清,模块化虽可降低整体测试成本,却非低价产品的代名词。
 
罗大钧说明,因为要把符合高能效标准的高精度零组件做成「模块」等级,组件成本和技术难度皆不低。事实上,Keysight 将每项量测仪器皆视为「客户的资产」,认真看待且十分重视售后服务;而基于「资产活化」考虑,Keysight 大力推行 Multi-Vendors 统包式服务,可应用户要求为所有自家及他厂的量测仪器做体检式校验,并提供相关维修「治疗」。Keysight 在全球设有逾 50 个服务据点,且所有维修校正实验室皆依 ISO / IEC 17025 标准而建,以确保受检仪器之频率、功率等精准度皆符合国际计量高标。
 

照片人物:Keysight 营销处副总经理罗大钧
 
探索新世代通讯,首重验证数据库与软件工具
5G 除了号称可提高百倍、「惊人的」传输速率外,到底还有哪些卖点?是德科技 (Keysight) 资深项目经理张式先揭橥 5G 的愿景在于:服务大量群众、异质网络沟通,以及网络自动优化、随时无缝连接,对基地台的设备供货商与系统营运商皆是极大挑战,必须就网络架构、空中界面、效能指针、服务模式和应用做全新思考。例如:如何布署多重无线存取 (Multi-RAT)、消弭通讯边缘死角 (Cell edge)、增强网络「密化」(Densification)、运用虚拟化无线接入网络 (virtualized RAN)、提升能源效率与优化用户的体验质量 (QoE) 等。
 
张式先说明,现有 4G LTE 频道使用效率已较早期大有改善,但仍有约 10% 的耗损,必须从研发新的讯号波形着手,方能得偿 5G 宏愿。当然,若能找到相对「干净」的超宽带资源自是上策,可惜如今 6GHz 以下已无可用频段,让商用通讯业者不得不往更高频的区块移动,揭幕「毫米波」(mmWave) 竞赛;希望藉由调变天线指向性,克服频率越高、噪声越多、衰减越快的物理极限。他说明,天线孔径尺寸与大气吸收会导致路径损耗 (Path loss),所幸可经由指向性「数组天线」补偿;而毫米波好处是天线小、可直接放在手机中赋予指向性功能。
 

图1:Keysight 供 5G 研发用的测试解决方案
 
801.11ad 即是以 60GHz 毫米波基础发展而成。然而,大规模多输入多输出 (Massive MIMO) 只是满足同一时空大量连网需求的基本功,张式先表示,想进一步讲究使用效率,还得仰赖「全双工」(Full Duplexing) 做双向收发传输——将子载波间距更集中,或是在时间轴上减少延迟,但缺点是自我干扰亦会随之变大,必须设法消除;若再纳入 MIMO,还会有串音干扰 (crosstalk) 的问题。相位适应调变日趋复杂,需有高精密、支持多信道的量测仪器支应才能克服重重滞碍,而更新迅速的验证数据库与完善的软件工具亦是必备要件。
 
Keysight:「参考方案、教育训练、顾问服务」添翼,领航 5G
藉助 Keysight 波形产生与分析测试平台,能让通道探量 (Channel Sounding)、特性分析及多通道校验工作一次到位;由仪器内建的 FPGA 负责解调及波束追踪 (beam tracking),可实时演算波束形态、量测发射讯号。另日前推出的「5G 讯号优化软件」,可用来校验、产生并分析 FBMC / F-OFDM 等 5G 候选波形讯号,任务导向式指令大幅简化复杂系统的量测流程,典型配置包括用于基本校验的 K3101A,以及任一讯号产生与分析软件:用于数字调变讯号的 K3102A、用于 LTE FDD 的 K3013A,或用于 OFDM 的 K3104A),用户可购买分析软件的永久授权。
 

图2:Keysight 5G 波形产生与分析测试平台
 
Keysight 预告,5G 导向的增强型 LTE 也正紧锣密鼓开发中,以便为现有 LTE 提供多重存取功能;未来还会新增更多功能,并提供简易授权。在传统高阶量测市场执牛耳的 Keysight,近年亦从善如流,积极投入 PXI / AXIe 模块化量测产品,并将 5G、模块、软件、服务列为四大业务引擎;大中华区市场开发经理徐正平表示,传统量测机台开发少则 2、3年,多则 7、8年,追不上行动通讯的飞快演进,而模块化有利于加快与时俱进的脚步。他透露,去年整体量测仪器市场仅成长 8%,但 PXI 模块却有两位数佳绩,显见量测市场正在质变。
 
同样是 PXI 开放平台,若有介接、整合需要,可透过通用基础程序语言编程。有鉴于此,Keysight 大举扩充产品组合,尤以无线通信、高速传输、军工国防和车用电子等「高能效」量测为重点。虽然在模块化市场起步稍晚,约 5、6 年前才进入赛局,但拜差异化之赐,Keysight 已在 PXI / AXIe 市场跃升至第二大。为协助用户加速开发、测试,Keysight 备有类似 IC 设计「公板」的「建议测试」方案供参考,必要时亦可提供原始码给用户。特别一提的是,Keysight 在教育训练及顾问服务勠力颇深,对于瞬息万变、应接不暇的通讯业界,或是一大福音。
 

图3:模块化量测的应用需求
 
NI:模块化+软件定义,仿真各种调变可能
在 3GPP 如火如荼铺路下世代通讯、以全维度 MIMO 提高传输速率之际,亦不忘分流锁定 IoT 发展多装置的「窄频」机器类通讯 (MTC)。无独有偶,ITU-R (国际电信联盟) 亦同意「高频、高速」并非唯一指标,擘画 2020 年后将有三种使用情境并驾齐驱:eMBB (增强式行动宽带)、uMTC (高可靠 MTC),以及 mMTC (大量 MTC),进而衍生八大技术需求:高速传输、使用体验 (个别被分配到的数据传输速率)、频谱效率、可移动性、低度延迟、容纳更多用户、网络能源效率与区域流量。NI 强调只有事先万全严谨模拟,才可确保不同使用情境的稳定性。
 

图4:ITU 预言 2020 年后国际行动电信 (IMT) 的主要使用情境
数据源:ITU网站
 
NI 首席产品营销经理 David A. Hall 则认为,连网装置爆炸式的推陈出新,从 PC、手机、平板、IoT 装置,现在就连电视和汽车也入列,导致组件所要担负的功能越来越多,例如:功率放大器不再只有放大功率功能,还包括高阶滤波、电源管理和模拟与数字的数据转换;在量测上要兼顾覆盖率、低成本、市场变化和高速数据采集,模块化易于分拆、整合,最为便利。他继续说道,20 年前,要手动开关测试并不难;但要应对当今如此复杂的测试任务,若要逐一轮换好几种功能机台、不停手动测试,不仅浪费时间且累人,故模块化是最好的选择。
 

照片人物:NI 首席产品营销经理 David A. Hall
 
继 2012 年发布首款向量讯号收发器 (VST)—— PXIe-5644R,NI 再度大动作推出第二代 VST 产品 PXIe-5840,结合 6.5 GHz RF 向量讯号产生器、6.5 GHz 向量讯号分析器、可供使用者设定的高效能 FPGA、高速串行接口、平行数字接口与单一双槽式 PXI Express 模块,高达 1 GHz 的瞬间带宽,适用于数字预失真 (DPD) 的进阶测试与雷达、LTE-Advanced Pro 与 5G 等宽带讯号,可针对 802.11ac 错误向量幅度 (EVM) 执行 -50 dB 的效能量测;配合直觉式 LabVIEW 系统设计软件,可自行设定 VST 打造新韧体,具备软件定义无线电 (SDR) 的灵活弹性。
 
客制测试环境,补足近场通讯板块
NI 归纳 5G 有四大技术范畴:1.大规模 MIMO:动态增加基地台天线数量;2.无线网络:MTC 和窄频物联网 (NB-IoT) 为新兴应用;3.波束成形 (Beamforming):优化讯号结构、改善带宽使用率;4.毫米波:利用较不拥挤的频段做蜂巢式通讯。Hall 指出,传统机台只能提供固定量测功能,且易有处理器过时、通讯延迟、数据流量太小的疑虑,最麻烦的是各家软件自成一格,不易与其他设备串接,且无法让用户自行编程测试环境,故 NI 一开始就力倡开放式平台,主张从研发设计到原型制作 (prototype) 阶段,都能借道 FPGA 依个别需求「订做」模拟测试。
 

图5:NI 无线测试系统 (WTS) 搭配 PXI 向量讯号收发器 (VST)
 
NI 坚持,软件是 PXI 测试模块客制化关键,所以持续与服务供货商密切合作,并进行策略性并购。旗下 AWR 高频设计软件包能快速模拟不同波形并结合 NI 硬件展开验证,包括:Channel Sounding、为不同地域寻找适合的频段、毫米波组件设计仿真、MIMO 调校等,用户可在云端平台做电路仿真、系统设计与电磁分析验证。NI 亦将目光扩及近场通讯,预期物联网与 5G 引爆行动支付需求,于 2015 年收购 NFC 量测技术厂商 Micropross 以壮军容;冀将研发、一致性验证和量产测试完整串联,意欲通吃无线市场的雄心昭然若揭。
 
以 NFC、无线支付和功率量测起家的 Micropross,在「一致性认证」的市占率高达 70%,其中有 80% 是非接触式产品。Micropross 提醒,NFC 认证有 NFC 论坛与 EMVCo 两大体系,虽皆不脱 RFID 标准,但之后演进略有歧异,选择量测仪器时须留意是否有相关支持能力。
 
Micropross 是 EMVCo 组织所选定的 PICC 和 PCD Analog 测试工具供货商,同时也是 NFC 论坛重要成员,可确保所有 NFC 设备的互操作性。此外,有些高阶 IC 卡已将 NFC 和无线充电整合,且大部分旗鉴手机已内嵌此两种无线技术,对综合量测需求将更殷切。
 

图6:Micropross CTS (Contactless Test Station) 涵盖讯号产生、振荡、A/D 转换器、RF 放大器和电源供应
 
结语
研调公司 PMR 表示,相较于传统堆架式量测仪器,PXI 挟着传输率高、体积小、功耗低、精确度更胜一筹,加上便于让用户执行目标测试项目、不须另行学习艰深编程技巧等优势,在 RF 通讯、航天、国防、消费电子和高阶无线设备整合等领域有全面蔓延之势。
 
平心而论,如果对自身量测需求了然于胸,主要目的是以简易量测模型贯通研发到量产环节,反倒希望能有更大自由度以建立专属的量测条件,选用易于和计算机、生产线机台串接的量测模块,是不错的方式;但如果是拥有多项仍在服役中仪器却苦无妥善管理之法、背负与最新通讯标准亦步亦趋压力,或需要通讯专业引导的业者,也许向拥有售后服务及教育顾问能量的供货商请教,所获得之无形价值或将更为可贵。
(责任编辑:jane)
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