過去幾十年來，軟件在測試和測量系統中的作用發生了巨大變化。 如今，軟件已經成為現代高性能測量系統最關鍵的核心技術，因為軟件是能夠簡化這些系統日益增長的復雜性的唯一方式。 然而，僅僅在計算機處理器上運行軟件是不夠的。 如果工程師無法使用軟件來定義和設計儀器的行為，是無法實現最具挑戰性的應用。 這種開發軟件設計的儀器的能力正是RF儀器行業，更廣義來說是測試測量行業革命的核心所在。

開端 - 自動化測量

1970年代，當IEEE-488（也稱為GPIB）實現了可編程儀器接口的標準化之后，軟件在測試和測量系統中的重要性日益增加。 當時的測量大部分是使用臺式儀器、一支鉛筆和一個筆記本電腦來完成的。 那時使用的是各種不同的專用儀器控制器和接口，但它們的功能通常不齊全，而且通常只能由高級用戶使用。

到了80年代，隨著第一臺IBM個人計算機和第一款NI GPIB接口板卡的出現，軟件對于測試測量的作用發生了巨大的飛躍。 借助PC軟件，工程師可以使用通用PC來創建自動化測試系統，進而可靠、重復地采集測量數據、分析這些測量數據，并以可廣泛共享的方式顯示結果。

從儀器控制到測量平臺

80年代末和90年代初，一個全新的概念——“虛擬儀器”開始盛行于測試和測量領域。 這個概念徹底改變了計算機 - 尤其是軟件 - 在測試和測量系統中的作用 。 虛擬儀器并不僅僅將PC用作為一個簡單的自動化測量計算機，而是將計算機用作為一個測量平臺。 摩爾定律確保了PC處理能力的提升速度能夠迅速超越單機儀器采用的技術。 此外，其計算機內存、存儲容量和顯卡顯示能力也遠遠超過了傳統的儀器。 因此，通用個人計算機迅速變成了性能比傳統儀器更出色的計算平臺。

虛擬儀器系統能夠滿足并最終超越傳統儀器的兩個關鍵要素是模塊化測量硬件和軟件。 在硬件方面，相比臺式儀器采用專用數據轉換器而言，計算機插入式板卡提供了非常低的測量質量。 消費類音頻和無線基礎設施等各個市場的需求推動了現成數據轉換器的發展，這些數據轉換器與計算機插入式板卡相結合，可以提供高質量的測量。 隨著測量專用計算平臺的發展，尤其是20世紀90年代PXI（面向儀器的PCI擴展）的出現使得基于計算機的測量向前邁了一大步。 PXI結合了PCI計算機技術和儀器儀表專用的定時和同步功能。不久，PXI虛擬儀器便可解決一些最具挑戰性的測量挑戰 - 包括高性能RF測量。

然而，真正讓虛擬儀器成為可能的要素是軟件。 軟件不僅僅需要在PC環境中采集、分析和顯示測量數據，而且需要以高度抽象的方式完成這些任務。 從本質上說，只有軟件抽象才能幫助工程師和科學家有效地解決他們面臨的測試和測量挑戰，而且無需成為計算機科學和架構專家。 首次發布于1980年代中期的NI LabVIEW軟件為虛擬儀器軟件奠定了標準，并推動了軟件在現代測試測量系統中發揮核心作用的趨勢。

通過FPGA實現軟件設計的儀器

測量領域的另一個重要突破是基于FPGA的測量硬件的出現。 未來，傳統意義上的“儀器”將不再是功能單一的測量設備，而是演變成測量系統，認識到這一點是非常重要的。 此外，工程師們正在尋求的不僅是設備測試儀器，而且還包括用于設計和原型更大型系統的儀器。

FPGA這一重要技術將下一代儀器的性能推向一個新的高度。 FPGA提供了出色的處理能力（圖1）。 由于FPGA的出現，現在硬件可實現基于軟件的測量功能。

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圖1.FPGA的發展速度甚至超過了CPU。

目前許多射頻儀器功能采用功能固定的FPGA來執行平整度校正、ADC線性化、IQ校準和數字下變頻等任務。 NI PXIe-5644R矢量信號收發儀（圖2）等軟件設計的儀器以一種全新的方式受益于FPGA技術，因為FPGA可幫助用戶實現定制化。 例如，將儀器控制和決策任務從PC轉交給FPGA可以大大減少復雜測量系統的測量時間。 此外，該功能與先進的基于FPGA的信號處理相結合，可使儀器應用于更廣泛的嵌入式應用。

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圖2.全新的PXIe-5644R矢量信號收發儀在一個3槽PXI模塊中集成了矢量信號分析儀、矢量信號發生器、高速數字I/O和一個用戶可定義的FPGA。

系統設計軟件 - 軟件設計儀器的核心

如果要將計算和測量技術集成到當今的模塊化硬件中，正確的系統設計軟件工具是不可或缺的。 LabVIEW已經從儀器控制軟件演變成一個全面的系統設計平臺，使工程師能夠創建復雜的高性能測量系統。 工程師可以在處理器和FPGA上使用一套通用的工具和語言開發應用，從而無需掌握不同的語言和工具。 LabVIEW提供了更高層次的系統級抽象，這也使工程師能夠實現更底層的優化來滿足非常高的性能需求或其他復雜需求。

多模式RF設備特性化

美國高通創銳訊公司在測試新的802.11ac產品時，需要在比以往更多的操作條件下測試其設備，從而導致測量復雜度大幅增加。 使用基于FPGA的NI矢量信號收發儀和LabVIEW后，他們設計的測試系統可實現數字DUT控制與RF測量的同步。 該測試系統大大降低了整體測試時間，使得工程師能夠在多種工作模式下觀察設備的行為。

從圖3可以看出，傳統的測試儀器（左）僅可獲得一組迭代測量數據。 由于測量非常耗時，測試工程師不得不選擇部分工作點來進行特性研究，從而導致實際上只能大致猜測設備的工作特性。

但是，通過采用基于FPGA的儀器方法，他們將測量性能提高了200倍，能夠在單次測試掃描中采集所有模式下的30萬個點數據。 圖3中的右圖顯示了所得到的特性曲線圖，提供更多了有關該設備的信息。

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圖3.使用傳統儀器，每次迭代只能大約采集到40個有意義的WLAN收發儀數據點。 NI PXI矢量信號收發儀的高速度則通過全增益表掃描可采集全部30萬個數據點。

嵌入式應用的儀器

軟件設計儀器的第二類應用是嵌入式通信和信號處理。 過去我們通常認為儀器就是測量設備，但是模塊化軟件設計的儀器卻可讓工程師將射頻儀器應用于嵌入式領域中。 今天，越來越多的工程師正在使用模塊化PXI儀器進行嵌入式應用開發，比如頻譜監測、被動雷達系統（類似于圖4中的系統），甚至是通信系統的原型設計和軟件無線電。 這些應用需要儀器更加小型化、模塊化，并且能夠更好地訪問確定性信號處理終端。 通信系統設計軟件必須能夠抽象日益復雜的系統，使工程師能夠開發現有和新的通信算法并在處理器和FPGA上部署算法。

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圖4.通過將NI LabVIEW軟件和NI PXI硬件嵌入到最終系統來設計和部署被動RADAR系統等復雜系統。

RF設計和測試的未來展望

軟件設計的儀器以前所未有的程度模糊了設計和測試之間的界限。 其中一個更可行的方式是在設計和測試之間共享IP - 無論該IP是在處理器還是在嵌入式FPGA上運行。 借助LabVIEW等系統設計軟件，工程師將能夠使用統一的工具來創建新的通信協議，并將協議部署到基于FPGA的硬件上進行原型開發。 今天，由于開發算法所使用的數學軟件和設計工具種類繁多，實現這一目標變得非常具有挑戰性。 如果要使工程師完全實現設計、實現和測試之間的無縫過渡，則多個計算設計模型之間的更高層次綜合和集成是必需的。

最后我們注意到在測試和測量領域，軟件已經不再是最初用于實現各種獨立式儀器自動化的簡單工具。 相反，軟件已經成為儀器本身的核心 - 使得儀器能夠解決測量和系統設計中更高難度的挑戰。 實際上，自動化已經成為工程師應對復雜測量需求時一項必不可少的功能。 當前的軟件設計測量系統僅僅是一個開端，未來它們將徹底改變RF設計和測量。