仪器软件设计论文

1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，如图1所示。由于FPGA的出现，现在硬件可实现基于软件的测量功能。目前许多射频仪器采用功能固定的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。NIPXIe-5644R矢量信号收发仪（如图2所示）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。

2系统设计软件：软件设计仪器的核心

如果要将计算和测量技术集成到当今的模块化硬件中，正确的系统设计软件工具是不可或缺的。LabVIEW已经从仪器控制软件演变成一个全面的系统设计平台，使工程师能够创建复杂的高性能测量系统。工程师可以在处理器和FPGA上使用一套通用的工具和语言开发应用，从而无需掌握不同的语言和工具。LabVIEW提供了更高层次的系统级抽象，这也使工程师能够实现更底层的优化来满足非常高的性能需求或其他复杂需求。

3多模式RF设备特性化

美国高通创锐讯公司在测试新的802.11ac产品时，需要在比以往更多的操作条件下测试其设备，从而导致测量复杂度大幅增加。使用基于FPGA的NI矢量信号收发仪和LabVIEW后，他们设计的测试系统可实现数字DUT控制与RF测量的同步。该测试系统大大降低了整体测试时间，使得工程师能够在多种工作模式下观察设备的行为。从图3可以看出，传统的测试仪器（左）仅可获得一组迭代测量数据。由于测量非常耗时，测试工程师不得不选择部分工作点来进行特性研究，从而导致实际上只能大致猜测设备的工作特性。但是，通过采用基于FPGA的仪器方法，他们将测量性能提高了200倍，能够在单次测试扫描中采集所有模式下的30万个点数据。图3中的右图显示了所得到的特性曲线图，提供了更多有关该设备的信息。

4嵌入式应用的仪器

软件设计仪器的第二类应用是嵌入式通信和信号处理。过去我们通常认为仪器就是测量设备，但是模块化软件设计的仪器却可让工程师将射频仪器应用于嵌入式领域中。今天，越来越多的工程师正在使用模块化PXI仪器进行嵌入式应用开发，比如频谱监测、被动雷达系统（类似于图4中的系统），甚至是通信系统的原型设计和软件无线电。这些应用需要仪器更加小型化、模块化，并且能够更好地访问确定性信号处理终端。通信系统设计软件必须能够抽象日益复杂的系统，使工程师能够发现新的通信算法并在处理器和FPGA上部署算法。

5RF设计和测试的未来展望

软件设计的仪器以前所未有的程度模糊了设计和测试之间的界限。其中一个更可行的方式是在设计和测试之间共享IP——无论该IP是在处理器还是在嵌入式FPGA上运行。借助LabVIEW等系统设计软件，工程师将能够使用统一的工具来创建新的通信协议，并将协议部署到基于FPGA的硬件上进行原型开发。今天，由于开发算法所使用的数学软件和设计工具种类繁多，实现这一目标变得非常具有挑战性。如果要使工程师完全实现设计、实现与测试之间的无缝过渡，则多个计算设计模型之间的更高层次综合和集成是必须的。最后我们注意到在测试和测量领域，软件已经不再是最初用于实现各种独立式仪器自动化的简单工具。相反，软件已经成为仪器本身的核心——使得仪器能够解决测量和系统设计中更高难度的挑战。实际上，自动化已经成为工程师应对复杂测量需求时一项必不可少的功能。当前的软件设计测量系统仅仅是一个开端，未来它们将彻底改变RF设计和测量。

作者：Mike Santori