基于DSP的多頻帶混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 混合信號(hào)測(cè)試的特點(diǎn)和測(cè)試要求
　　
隨著數(shù)字化浪潮的深入，具有混合信號(hào)功能的芯片越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中。通訊領(lǐng)域的MODEM(如ADSL)，CODEC和飛速發(fā)展的手機(jī)芯片，視頻處理器領(lǐng)域的MPEG，DVD 芯片，都是具有混合信號(hào)功能的芯片，其特點(diǎn)是處理速度高、覆蓋的頻率范圍寬，芯片的升級(jí)換代周期日益縮短。這就要求測(cè)試系統(tǒng)具有更高的性能和更寬的頻帶范圍，而且需要靈活的架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的芯片測(cè)試需求，以便有效降低新器件的測(cè)試成本。此外，混合信號(hào)芯片種類(lèi)繁多，各種具有混合信號(hào)的芯片已經(jīng)廣泛運(yùn)用到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，而不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其工作的頻率和所要求的精度也各不相同，這就要求在對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，抓住其共性來(lái)提出測(cè)試方案。所有混合信號(hào)芯片的一個(gè)最基本的共性就是其內(nèi)部均具有AD／DA，一些混合信號(hào)芯片還包括PLL模塊。本文所論述的混合信號(hào)測(cè)試僅涉及到ADC和DAC通路。
　　
一般，對(duì)于ADC通路，測(cè)試系統(tǒng)需要通過(guò)波形發(fā)生器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，同時(shí)，通過(guò)自身的數(shù)字通道采集ADC的輸出信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算以獲得測(cè)試結(jié)果；對(duì)于DAC通路，測(cè)試系統(tǒng)需要通過(guò)數(shù)字通道產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，同時(shí)，通過(guò)自身的波形采樣器采集DAC的輸出信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算獲得測(cè)試結(jié)果。但無(wú)論對(duì)于 ADC還是DAC測(cè)試，都要求系統(tǒng)的模擬模塊，即波形發(fā)生器和波形采樣器，與系統(tǒng)的數(shù)字通道同步，才能確保測(cè)試的準(zhǔn)確性。此外，系統(tǒng)還需提供豐富的內(nèi)置函數(shù)，迅速完成對(duì)采集信號(hào)的運(yùn)算，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC／DAC的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試。因此，在對(duì)混合信號(hào)芯片的測(cè)試過(guò)程中，一般需要數(shù)字通道、波形發(fā)生器、波形分析器、直流電源、時(shí)隙分析器、系統(tǒng)時(shí)鐘等模塊，其中波形發(fā)生器和波形分析器是決定系統(tǒng)速度和精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文分別在這兩個(gè)方面做較詳盡的論述。
　　
2 傳統(tǒng)測(cè)試方法面臨的挑戰(zhàn)
　　
傳統(tǒng)的基于純軟件的測(cè)試方法已經(jīng)難于應(yīng)對(duì)新型混合信號(hào)器件的測(cè)試需求，對(duì)于混合信號(hào)器件，通常要通過(guò)測(cè)試其互調(diào)失真(IMD)、多音頻功率比率 (MTPR)等參數(shù)，以獲得器件的非線性特性，測(cè)試這些參數(shù)，需要采集大量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大量的運(yùn)算，傳統(tǒng)的測(cè)試儀器通常采用基于軟件的方法在主機(jī)中實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)在于，一方面限制了運(yùn)算速度的提高；另一方面，主機(jī)和測(cè)試臺(tái)之間存在大量的數(shù)據(jù)交互，容易造成總線沖突，因而測(cè)試效率不高。針對(duì)這個(gè)情況，一種切實(shí)可行的方案是在測(cè)試系統(tǒng)前端建立本地儀器子系統(tǒng)，將原來(lái)基于軟件的信號(hào)處理庫(kù)移植到本地處理器中來(lái)完成，儀器子系統(tǒng)集成信號(hào)產(chǎn)生和采集的功能，并采用高速DSP進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以減少主機(jī)處理的時(shí)間，消除總線沖突。而且前端子系統(tǒng)與被測(cè)器件(DUT)間結(jié)構(gòu)緊湊，可以取得很高的時(shí)鐘頻率，便于靈活地處理多種測(cè)試問(wèn)題，例如，在傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中，要產(chǎn)生具有ADSL測(cè)試所需的動(dòng)態(tài)范圍的音頻很困難，現(xiàn)在，使用基于DSP的任意波形發(fā)生器，這一任務(wù)就變得非常容易。這里最新研制的BC3192V50數(shù)?；旌霞呻娐窚y(cè)試系統(tǒng)基于VXI總線設(shè)計(jì)，其最大優(yōu)點(diǎn)是軟件和硬件都具有開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許開(kāi)發(fā)新的模塊和子系統(tǒng)來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的測(cè)試能力，以滿足高速發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)的測(cè)試需求，針對(duì)多頻帶混合信號(hào)IC的測(cè)試需要，利用基于DSP的測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多頻帶混合信號(hào)芯片測(cè)試。
　　
3 國(guó)內(nèi)外混合信號(hào)測(cè)試現(xiàn)狀
　　
近幾年，國(guó)內(nèi)外的測(cè)試行業(yè)都緊隨著IT技術(shù)的發(fā)展步伐，不斷地研究新器件的測(cè)試方法，開(kāi)發(fā)、更新測(cè)試儀器，以適應(yīng)市場(chǎng)的需要。
　　
由于國(guó)外對(duì)IC測(cè)試重視比較早，測(cè)試儀器的開(kāi)發(fā)規(guī)模大、技術(shù)成熟，典型的如Credence公司的ASL系列大型測(cè)試系統(tǒng)，采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，使IC制造商可以在單一平臺(tái)上測(cè)試所有用于消費(fèi)類(lèi)音頻和視頻應(yīng)用的器件。我國(guó)在IC測(cè)試方面起步比較晚，雖然也研制出一些大型的具有混合IC測(cè)試功能的測(cè)試系統(tǒng)，但對(duì)多種頻率范圍的混合信號(hào)芯片測(cè)試還沒(méi)有實(shí)用化。此外，大型的測(cè)試儀器尤其是進(jìn)口的測(cè)試儀器，價(jià)格非常昂貴，測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)和儀器的維護(hù)、維修費(fèi)用都非常高，目前國(guó)內(nèi)的測(cè)試儀市場(chǎng)主要集中于中、小型測(cè)試儀，因此，通過(guò)基于數(shù)字信號(hào)處理的儀器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻帶混合信號(hào)芯片的測(cè)試很有意義，其市場(chǎng)前景也非常好。目前，混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向，一個(gè)是要提高對(duì)高速和多頻帶IC的測(cè)試能力和測(cè)試效率，一個(gè)是要盡可能降低測(cè)試成本，因此，現(xiàn)今的測(cè)試系統(tǒng)必須以靈活的架構(gòu)來(lái)滿足多種混合信號(hào)測(cè)試的需求。業(yè)界主流的做法是將測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)一步模塊化，通過(guò)儀器子系統(tǒng)來(lái)獨(dú)立地處理信號(hào)和輸出測(cè)試結(jié)果，并在儀器子系統(tǒng)中集成高速信號(hào)處理模塊。此外，為了提高測(cè)試效率，合理利用資源，利用同一測(cè)試系統(tǒng)做多芯片并行測(cè)試也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
 　　
4 基于DSP的混合信號(hào)測(cè)試方案
　　
針對(duì)當(dāng)今混合信號(hào)的測(cè)試需求和國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)情況，提出一種混合信號(hào)測(cè)試的低成本解決方案，即借鑒目前國(guó)際上主流混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)，緊密結(jié)合中小型測(cè)試儀器的特點(diǎn)，充分利用BC3192測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，采用新型高速DSP來(lái)提升多頻帶混合信號(hào)芯片的測(cè)試能力。
　　
本文實(shí)現(xiàn)方案是以任意波形發(fā)生器(ArbitraryWave Generator，AWG)和音頻／視頻數(shù)字化儀(Audio／Video Digitalizer，AVD)的組合來(lái)應(yīng)對(duì)多種頻帶的混合信號(hào)芯片測(cè)試。AVD和AWG的組合可以滿足波形發(fā)生、操作和分析的需要，內(nèi)部集成高性能 DSP，能夠?yàn)闇y(cè)試和分析提供完整的DSP庫(kù)函數(shù)，因而能夠滿足混合信號(hào)的多種測(cè)試需要。
　　
任意波形發(fā)生器如圖l所示，可以以單端和差分模式工作，具有完整的波形發(fā)生能力，可以產(chǎn)生可修改的復(fù)雜波形，具有激勵(lì)被測(cè)器件所需的定時(shí)功能。 AWG作為VXI儀器系統(tǒng)的一個(gè)模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口模塊與資源控制器通信，當(dāng)需要產(chǎn)生激勵(lì)波形時(shí)，資源控制器發(fā)送命令和參數(shù)到AWG模塊，AWG模塊采用高速DSP芯片作為主處理器，DSP與波形定時(shí)器和控制邏輯一起完成任意波形的產(chǎn)生，從而提供給被測(cè)器件(DUT)所需的激勵(lì)波形。由于被測(cè)芯片種類(lèi)繁多，頻帶范圍很寬，對(duì)于不同的被測(cè)芯片，采用的定時(shí)器和控制邏輯都不盡相同，而且，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，頻率合成技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，采用數(shù)字頻率合成(DDS)專(zhuān)用芯片使得電路更加簡(jiǎn)潔可靠，因此，任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)也更加容易，其抗干擾能力和精度都更加容易保證。

　　

音頻／視頻數(shù)字化儀如圖2所示，主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換和調(diào)理電路、波形存儲(chǔ)器、DSP、控制邏輯和接口電路等組成。AVD可以設(shè)計(jì)多個(gè)通道，每個(gè)通道擁有獨(dú)立的硬件資源，可以捕獲各種頻帶的被測(cè)信號(hào)。同樣，AVD也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的VXI儀器模塊，也在資源控制器的控制下與AWG及其他模塊一起完成測(cè)試任務(wù)。AVD模塊中包含一個(gè)高速DSP芯片作為核心處理器，一方面，DSP中植入了大量的信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)，諸如FFT、數(shù)字濾波器等任務(wù)都可在DSP中完成；另一方面，一些測(cè)試算法也可以移植到DSP中來(lái)做，因此，在AVD模塊內(nèi)部就可以得到一些測(cè)試數(shù)據(jù)的中間結(jié)果，使得傳送到主機(jī)的數(shù)據(jù)量大大減少，VXI總線上的數(shù)據(jù)被大量分流，同時(shí)，主機(jī)的計(jì)算量也被DSP芯片分擔(dān)，這對(duì)于縮短測(cè)試時(shí)間有重要作用。在對(duì)大規(guī)?；旌闲盘?hào)芯片進(jìn)行多片并測(cè)時(shí)，采用多片DSP并行的結(jié)構(gòu)，在AVD模塊內(nèi)部完成大量的信號(hào)處理和測(cè)試算法，能更加顯著地提高測(cè)試效率。

　　

本方案在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的方法，因此架構(gòu)靈活、易于升級(jí)。首先，由任意波形發(fā)生器(AWG)和音頻／視頻數(shù)字化儀(AVD) 為主要模塊構(gòu)成的多頻帶混合信號(hào)儀器系統(tǒng)具有比較完善的功能，能獨(dú)立完成混合信號(hào)測(cè)試的大部分工作，對(duì)于不同頻帶范圍的混合信號(hào)芯片測(cè)試，可以用不同的 AWG和AVD組合完成。其次，由于結(jié)構(gòu)緊湊，使得信號(hào)采集和處理能在測(cè)試臺(tái)本地完成，提升了信號(hào)處理能力，消除了總線沖突。再次，這種靈活的架構(gòu)方便用戶將各個(gè)模塊作為可選件來(lái)配置測(cè)試系統(tǒng)，有效地降低了測(cè)試成本。另外，本方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)的移植和優(yōu)化，提升了信號(hào)處理能力，為多芯片并行測(cè)試提供了條件。
　　
5 結(jié)語(yǔ)
　　
IC技術(shù)的發(fā)展，一方面提供了大量的功能強(qiáng)大的芯片供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選用，目前高性價(jià)比的DSP芯片不僅迎合了當(dāng)今數(shù)字化浪潮，同時(shí)為設(shè)計(jì)者提供了多種低成本的選擇；另一方面，大量新型芯片的出現(xiàn)，給芯片測(cè)試帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，作為電子產(chǎn)品數(shù)字化核心之一的混合信號(hào)芯片成為芯片測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)測(cè)試設(shè)備制造業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況，提出了一種混合信號(hào)測(cè)試的低成本解決方案，本文方案充分利用現(xiàn)有條件，遵循標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)思路，解決了多種頻帶的混合信號(hào)測(cè)試問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)實(shí)情況下測(cè)試設(shè)備制造業(yè)的一個(gè)探索，相信會(huì)隨著新技術(shù)的出現(xiàn)不斷發(fā)展和完善。