软件设计测量系统在RF设计和测试的未来展望

过去几十年来，软件在测试和测量系统中的作用发生了巨大变化。如今，软件已经成为现代高性能测量系统最关键的核心技术，因为软件是能够简化这些系统日益增长的复杂性的唯一方式。然而，仅仅在计算机处理器上运行软件是不够的。如果工程师无法使用软件来定义和设计仪器的行为，是无法实现最具挑战性的应用。这种开发软件设计的仪器的能力正是RF仪器行业，更广义来说是测试测量行业革命的核心所在。

开端 - 自动化测量

1970年代，当IEEE-488（也称为GPIB）实现了可编程仪器接口的标准化之后，软件在测试和测量系统中的重要性日益增加。当时的测量大部分是使用台式仪器、一支铅笔和一个笔记本电脑来完成的。那时使用的是各种不同的专用仪器控制器和接口，但它们的功能通常不齐全，而且通常只能由高级用户使用。

到了80年代，随着第一台IBM个人计算机和第一款NI GPIB接口板卡的出现，软件对于测试测量的作用发生了巨大的飞跃。借助PC软件，工程师可以使用通用PC来创建自动化测试系统，进而可靠、重复地采集测量数据、分析这些测量数据，并以可广泛共享的方式显示结果。

从仪器控制到测量平台

80年代末和90年代初，一个全新的概念——“虚拟仪器”开始盛行于测试和测量领域。这个概念彻底改变了计算机 - 尤其是软件 - 在测试和测量系统中的作用。虚拟仪器并不仅仅将PC用作为一个简单的自动化测量计算机，而是将计算机用作为一个测量平台。摩尔定律确保了PC处理能力的提升速度能够迅速超越单机仪器采用的技术。此外，其计算机内存、存储容量和显卡显示能力也远远超过了传统的仪器。因此，通用个人计算机迅速变成了性能比传统仪器更出色的计算平台。

虚拟仪器系统能够满足并最终超越传统仪器的两个关键要素是模块化测量硬件和软件。在硬件方面，相比台式仪器采用专用数据转换器而言，计算机插入式板卡提供了非常低的测量质量。消费类音频和无线基础设施等各个市场的需求推动了现成数据转换器的发展，这些数据转换器与计算机插入式板卡相结合，可以提供高质量的测量。随着测量专用计算平台的发展，尤其是20世纪90年代PXI（面向仪器的PCI扩展）的出现使得基于计算机的测量向前迈了一大步。 PXI结合了PCI计算机技术和仪器仪表专用的定时和同步功能。不久，PXI虚拟仪器便可解决一些最具挑战性的测量挑战 - 包括高性能RF测量。

然而，真正让虚拟仪器成为可能的要素是软件。软件不仅仅需要在PC环境中采集、分析和显示测量数据，而且需要以高度抽象的方式完成这些任务。从本质上说，只有软件抽象才能帮助工程师和科学家有效地解决他们面临的测试和测量挑战，而且无需成为计算机科学和架构专家。首次发布于1980年代中期的NI LabVIEW软件为虚拟仪器软件奠定了标准，并推动了软件在现代测试测量系统中发挥核心作用的趋势。

通过FPGA实现软件设计的仪器

测量领域的另一个重要突破是基于FPGA的测量硬件的出现。未来，传统意义上的“仪器”将不再是功能单一的测量设备，而是演变成测量系统，认识到这一点是非常重要的。此外，工程师们正在寻求的不仅是设备测试仪器，而且还包括用于设计和原型更大型系统的仪器。

FPGA这一重要技术将下一代仪器的性能推向一个新的高度。 FPGA提供了出色的处理能力（图1）。由于FPGA的出现，现在硬件可实现基于软件的测量功能。

图1.FPGA的发展速度甚至超过了CPU。

目前许多射频仪器功能采用功能固定的FPGA来执行平整度校正、ADC线性化、IQ校准和数字下变频等任务。 NI PXIe-5644R矢量信号收发仪（图2）等软件设计的仪器以一种全新的方式受益于FPGA技术，因为FPGA可帮助用户实现定制化。例如，将仪器控制和决策任务从PC转交给FPGA可以大大减少复杂测量系统的测量时间。此外，该功能与先进的基于FPGA的信号处理相结合，可使仪器应用于更广泛的嵌入式应用。

图2.全新的PXIe-5644R矢量信号收发仪在一个3槽PXI模块中集成了矢量信号分析仪、矢量信号发生器、高速数字I/O和一个用户可定义的FPGA。