從事無線系統開發的設計工程師面臨到一個不斷變化的問題：在 3G/4G 蜂窩、WiMax、Wi-Fi 和超寬頻（ultrawideband ，UWB）應用中，有著一種朝新的、更複雜標準發展的恆定過程。開發工作要與標準發展過程同步進行，特別是在晶片級。測試設備公司仍在尋找一些方法，提供可以讓開發持續下去的產品。越來越多的測試工具在 PHY（物理）層和較高層網路棧中就包含了特定標準的（standards-specific）能力。看看一些樣品工具及使用情景可能有助於您的下一個設計專案，無論您的工作是採用某種無線標準，還是一個工業/科學/醫療頻段（industrial/scientific/medical，ISM）中的客製化計畫，或是採用有線連接的。
從測試設備廠商的角度來看，挑戰集中在對市場的預期上。Agilent 公司 WiMax 專案經理 Jennifer Stark 指出了三個不變的趨勢。她說：“技術正朝向更高頻率、更寬頻段和更複雜的調變方法發展。”
顯然地，更複雜調變方法帶來更加棘手的測試，因為最有效的測試設備包括了即時處理調變方法的能力。基帶（baseband） IC 方面現在可提供的數位處理能力越來越多，使得調變方法的進步成為可能。但在基帶IC 中實現的東西並無法為測試設備公司帶來任何慰藉。隨著標準朝目標的發展，測試供應商要用 DSP、FPGA 與軟體的一種組合，來對某一通信鏈結的傳輸和接收端進行基礎性的模型建立。事實上，多數測試公司認為他們的每種儀器差不多都必須過度設計（overdesign），這樣才能為新興標準留下一點空間。
Rohde & Schwarz 產品行銷經理 Justin Panzer 表示：“在一個設計環境中，工程師嘗試用測試設備來模擬一個真實世界的環境。”但問題又來了，如何模擬一個處於不斷變化中的技術？Panzer 指出，一個標準一般都是建立在其他標準之上。他以新興的長期演進仿真（long-term-emulation，LTE）標準作為一個例子。第三代合作夥伴專案（Third Generation Partnership Project，3GPP）正在開發 LTE，使之成為全球行動通訊系統（global-system-for-mobile，GSM）系列蜂窩通信標準中的 3.5G 或 4G 之後繼技術。Panzer 表示：“你會看到（LTE）與 WiMax 有大量的相似之處”。顯然地，LTE 採用了 WiMax 所使用的正交分頻多工（orthogonal-frequency-division-multiplexing，OFDM）和OFDM-接入（OFDM-access）調變的方法，但頻段與通道不同。大多數觀察家認為， LTE 部署至少還要兩年，但晶片設計已經上路（參考文獻 1）。
軍用的方法
Agilent 公司的 Stark 說：“在商用世界中嘗試的大多數事情都已在軍事領域試過。”她表示，軍用的區域多點分散服務（local-multipoint-distribution-service，LMDS）和多通道多點分散服務（multichannel-multipoint-distribution-service ，MMDS）系統就是固定 WiMax的前身。但 Stark 補充表示：“Mobile WiMax是一種以固定 WiMax為基礎的龐然巨物。”Mobile WiMax 要求各基地台可以交換客戶行動時的呼叫（call）。但一個Mobile WiMax 系統不能採用固網客戶開發時的那些通道假設。
所有測試公司都會在某種程度上參與標準團體，這樣就可享有決策方向形成的某種透明度，甚至對其發揮影響力。Azimuth Systems的高級行銷總監 Graham Celine 說：“有時你可能會看到一些標準化團體要經過兩年、三年甚至四年才能推出來。”他還指出分裂性的（disruptive）標準也會出現。例如針對 700 MHz 頻譜的標準，聯邦通信委員會（FCC）於 2 月在美國舉辦拍賣。電視廣播商即將騰出此一頻段。最高投標者可能會在未來幾年內影響美國寬頻發展史的進程。Celine 表示：“贏家沒確定前，沒有人知道。”WiMax 的情況可以作為測試公司影響標準的一個例子。Tektronix 通信業務部高級行銷經理 Antonio Policek 表示，Tektronix 影響了基地台設計中的一個測量埠（metering port）的內容。該公司在基帶級（baseband stage）的輸出上實現了測量埠，讓一台協定分析儀來從事資料的收集，而不需要在儀器中加裝RF 接收機。測試公司似乎主要是在尋求確保標準是可測試的。Celine 表示：“Azimuth 希望確保測試模型是有意義的，並可以在儀器中以合理的價格實現。”
無線系統的模型建立
讓人驚訝的是，在一座開發實驗室中，用現代測試設備建立一個無線通信系統模型竟是如此的簡單。例如，National Instruments 提供一系列採用用於儀器之周邊部件互聯擴充PXI（peripheral-component-interconnect-extensions-for-instrumentation，PXI）和PCI Express 儀器擴充（PCI Express-extensions-for-instrumentation ，PXIe）外形尺寸的 RF 信號產生器和分析儀產品，它們基本上是 PCI 和 PCIe（PCI Express）的加強版（ruggedized version）。你幾乎可以在任何一台裝有這些硬體模組的 PC 上，用該公司運行在 LabView 繪圖開發環境上的 Modulation Toolkit 軟體，就可以對一個蜂窩系統進行完整的模型建立。圖 1 表示了一個 16-QAM（quadrature-amplitude-modulation，正交振幅調幅法）系統的符號星座圖（symbol constellation）和 3D 眼圖。
很多案例可以用來說明 National Instruments 工具的使用。例如，參考文獻 2 中描述了一個德州大學與 Drexel 大學的聯合發展計畫，主要是為多輸入/多輸出（multiple-input/multiple-output，MIMO）系統建立模型。德州大學亦在 2003 年用 LabView 為早期 的iMax 系統建立模型。
National Instruments 模組化的產品也使這些工具適用於現場工作。現場記錄 RF 能量是設計工程師在實驗室進行產品測試時的常見工作。因此很難綜合地（synthetically）建立一種符合現場實際情況的不同環境。National Instruments 的產品經理 David Hall 指出，你可以在某個有硬碟的系統中，使用該公司的一種向量信號分析儀（vector-signal analyzer，VSA），記錄下五個小時的實際環境，以便在後來在實驗室內進行重播。
墊高頻率
為支援對最先進無線系統的測試與模型建立，測試公司必須推進自己的硬體設計，加進以軟體為基礎的調變工具。Agilent 的 Stark 回顧了無線技術發展的三個維度（dimension），並指出單一標準傾向於推動一個或兩個維度，但不會同時推動三個。她以 WiMax 和 UWB 為例。Stark 表示，WiMedia 最流行的變種 UWB 採用了一種相對簡單的調變方法，但卻佔用相對較寬的 500 MHz 通道。與之相反，WiMax 則採用相對較窄的 10MHz 通道，但卻用複雜的調變方法。在兩種情況下，標準均規定在 5 GHz 至 6 GHz 範圍內工作。
僅一個新標準的中心頻率就可以產生對新硬體的需求。Rohde & Schwarz 的 Panzer 指出，該公司的 CMU200 行動射頻測試儀（mobile-radio tester）幾乎可以用於所有的蜂窩標準。但它只能工作到 3 GHz， 而為了支援 WiMax，該公司不得不開發 6 GHz 的 CMW500 測試儀。而硬體的推動力並沒有就此止步。為了測試 MIMO 系統，可能需要兩台 6 GHz的設備。
Azimuth 的 Celine 宣稱 MIMO 是測試工具要支援的一種不同技術。Azimuth 把焦點集中在研究 Wi-Fi 和 WiMax，並早在 MIMO 專業技能上投下賭注，以實現公司的差異化。Celine 指出，一台 MIMO 測試儀器中的通道模擬器（channel emulator）與傳統儀器並不相同。Celine 表示：“在單輸入/單輸出（single input/single output，SISO）時，模擬器是作為一個干擾源。而在 MIMO 中，讓技術得以運作的是多路徑。”
放大器優化經驗
一些使用情景能幫助說明儀器的其他特性和設計挑戰，並詳細說明如何在實驗室中使用這種儀器。Agilent 公司的 Stark 將功率放大器看作是在一種標準（如Mobile WiMax）OFDMA 射頻設計的關鍵部分。她表示，一個糟糕的功率放大器設計會對電池壽命、距離和資料速率帶來不利的影響，而這些是一個產品對消費者非常重要的終極屬性。
根據 Stark 的說法，功率放大器在Mobile WiMax 情況下會成為一個問題，因為調變方法會將設計的放大器推入一個非線性區。另外，輸出信號必須要沒有規律地改變，並且有一個高的峰值對平均之比值（peak-to-average ratio）。WiMax 設計的用戶端亦有空間和發熱的限制。
在這一代的模擬與計算工具中，不需要建立硬體就可以開始功率放大器的開發。可以用 Agilent 公司的 EEsof RF 模型建立 EDA 工具來進行放大器的設計和模擬。EEsof 工具可以饋入一台信號產生器（signal generator），並用 PC 上的 89600 VSA 軟體來描述設計的特性。VSA 套裝軟體在 PC 上運行，並且可以與Agilent 的各款示波器與信號分析儀器介接。
Stark 提供了幾個規格的實例，可以用在這種情境下的特性描述與調諧（tune）。例如，WiMax 與蜂窩標準中有個一般稱為誤差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）或相對星座誤差（relative-constellation-error，RCE）的規格，這是用來測量星座圖的精度。功率放大器是添加到 EVM/RCE 誤差的一個部件。比如，一個採用二進位相移鍵控（binary phase-shift keying，BPSK）或四相 QAM（four-phase QAM，4-QAM）的簡單系統在調變符號間有較寬的間隔，這種系統可以容忍比較高的 EVM/RCE 值。但一個 64 相 QAM（64-phase QAM，64-QAM）系統的誤差預估值（error budget）就比較小，而據 Stark 表示，放大器的設計一般對誤差預估值的貢獻最多為 1%。
你可以只依照一個可用的無線來進行 EVM/RCE 測試。但在 Stark 的例子中，模擬元件可以在將設計轉為硬體以前進行測試和優化。
放大器產生的問題
Tektronix 儀器業務部的全球 RF 技術行銷經理Darren McCarthy 也同意功率放大器的設計是無線用戶端電池壽命與性能的關鍵。McCarthy 指出在 OFDM 或 OFDMA 系統中要儘量減少一個通道向其他通道的功率洩漏。對這種情況的測試就是鄰近通道功率比（adjacent-channel-power ratio ，ACPR），它是系統線性度的一種量測。
不過如前所述，像Mobile WiMax 和 LTE 這種系統都會使功率放大器進入非線性區，而這會對 ACPR 帶來負面的影響。設計工程師轉而採用數位預失真（digital predistortion，DPD）等技術以儘量降低 ACPR的情況是越來越多。但 DPD 會帶來新的問題：記憶體效應（memory effect），這是來自於電的特性，諸如源阻抗和負載阻抗以及電熱耦合等。
傳統上，設計工程師採用頻譜分析儀和軟體工具來測量 ACPR。但 McCarthy 宣稱這種 ACPR 測量測的是平均功率，傳統頻譜分析儀使用的掃頻（swept-spectrum）方法會漏掉瞬態信號（transient signal），如由記憶效應產生的信號。Tektronix 提供一個系列的即時頻譜分析儀，它可以連續完成頻域轉變（frequency-domain transformation），以捕捉記憶效應的瞬變。圖 2 是一款 Tektronix 的數位螢光頻譜（digital-phosphor-spectrum）顯示器。黃色曲線是表示鄰近通道的最大雜訊。McCarthy 宣稱該儀器能捕捉到持續 24µsec 以上的任何瞬變。
McCarthy 認為還有一種能力也一樣重要，那就是將問題瞬變的出現與其根源聯繫起來。儀器支援頻率遮罩觸發（frequency-masked triggering），因此可以將該觸發器連接到其他各類儀器上。McCarthy 表示可以用這種觸發器來確定造成放大器增益變化（因此產生瞬變）的軟體指令位置。
UWB 和其他標準
寬區域的（wide-area）無線技術並不是唯一處於變化中的技術。設計工程師當然需要好的測試儀器來因應像 UWB 這類的標準。Tektronix 的 McCarthy 表示，UWB 和 IEEE 802.11n 等標準帶來了特殊的挑戰，因為它們能提供“環境的認知（cognition of the environment）”。這種可認知射頻在免授權頻段的標準中尤其重要，因為射頻必須避免干擾到其他的發射器。
UWB 社團已開發出了探測並避免（detect-and-avoid，DAA）技術，以確保寬頻發射之間不會相互干擾。歐洲、日本和一些其他地區都將遵守 DAA的要求。McCarthy 指出，雖然 UWB 發射功率遠低於蜂窩系統等的發射器，但 UWB 發射器仍會與蜂窩接收機產生干擾。因此，DAA 基本上都規定了要聆聽（listening）某台發射器，以避開該發射器工作的頻率。
DAA 實現了現有的一些工作模式。UWB 採用三個 500 MHz 通道，供 UWB 射頻的跳頻。最簡單的形式下，DAA 在其他發射器存在時並不會使用三個通道中的某一個。不過在很多情況下，一個系統可以採用更顆粒狀（granular）的方法來避免干擾。透過使用一種音調指零（tone-nulling）技術，發射器就可以簡單地避開某個 500 MHz 頻段內的一個窄範圍之副載波（subcarrier）。據 McCarthy 說，Tektronix 帶有可選 UWB 軟體的 AWG7000 信號產生器，可以讓設計團隊測試所有的 DAA 模式。
衝擊 LTE
展望未來，所有測試供應商都熱切地在發展實驗室中的 LTE 產品，同時也有一些產品在出貨了。Rohde & Schwarz 公司的 Panzer 表示，該公司早先已與一家領先晶片供應商合作，提供可以完成 PHY 和 RF 測試的設備。事實上，CMW500 既可以支援 WiMax，也提供 LTE 支援。
Azimuth 公司的 Celine 則堅持說，所有人都會面臨有效 MIMO 支援的挑戰。他相信，公司從 WiMax 獲得的 MIMO 經驗將有助於為未來 LTE 產品提供良好服務。他說：“LTE 是一個非常不同的頻段。我們正在重新設計 RF 前端，但這比處理一種新的調變方法要簡單。”
無論正在做哪種類型的系統，您可能都會想到所有 測試供應商已提過的一種普遍認識：用於無線通信等技術的標準並不能提供設計建議。Agilent 公司的 Stark 說：“一份標準的文件定義了系統性能。但它並未告訴工程師如何設計。” 您可能對此一事實很清楚。不過這意味著，你最好要對設計進行徹底的測試，並且無線通道的不可知性可能會遠遠高於以往經歷過的任何其他環境。
參考文獻
1. Wright, Maury, “WiMax gains in mobile-broadband game, but 4G lurks,” EDN, March 29, 2007, pg 56, www.edn.com/article/CA642878
2. Heath, Robert W, Jr; Kapil R Dandekar; and Scott M Nettles, “UT and Drexel use NI PXI and LabView for wireless research,” http://sine.ni.com/csol/cds/item/vw/p/id/587/nid/124100
圖片說明
圖 1 運行在 National Instruments 公司 LabView 上的 Modulation Toolkit 可以讓設計工程師快速地對無線系統建立模型，提供各種診斷工具，如星座圖和眼圖。
圖 2 Tektronix 的即時頻譜分析儀系列透過連續執行 FFT，可以捕捉到短至 24 ms 的瞬變，因此儀器可以顯示 OFDM 系統中的重疊通道（overlapping-channel）之雜訊。
頻率範圍從 3.3GHz到可選的 6 GHz之Rohde & Schwarz 公司 CMW500 行動射頻測試儀，可支援各種新興標準，例如：Mobile WiMax。
Agilent 公司的 89601A LTE 信號分析包可對一個 LTE 下行鏈路信號完成一次誤差向量幅度（error-vector-magnitude，EVM）測量，並顯示出一幅星座圖。
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Figure1, Figure 2, Figure 3, Figure 4
