Wi-Fi無線產(chǎn)品的研發(fā)與測試解決方案

無線技術(shù)正滲透到生活的方方面面——從手機到筆記本電腦、PDA、游戲控制器、數(shù)碼相機和手持GPS設(shè)備。大部分用戶可能并不了解其使用的無線設(shè)備的復(fù)雜性和精密性。但是，設(shè)計人員和制造商卻非常清楚他們所設(shè)計和生產(chǎn)的各種無線產(chǎn)品必須滿足嚴格的產(chǎn)品規(guī)范、越來越短的上市周期和低成本的要求。

在Wi-Fi技術(shù)出現(xiàn)的早期，在設(shè)計和生產(chǎn)Wi-Fi產(chǎn)品一般采用通用的實驗儀器進行研發(fā)和制造測試。但是隨著產(chǎn)量的增加和價格的下降，這種方法已經(jīng)行不通了。這一行業(yè)需要一種系統(tǒng)級解決方案，不但能夠像通用儀器一樣測量參數(shù)，而且能夠提供符合面向規(guī)范的測試方案。換句話說，新的測試方案不但能夠測量具體的參數(shù)，而且要提供圖形化測量結(jié)果，并快速反映DUT的信號細節(jié)特性。

無線連接規(guī)范涉及發(fā)送和接收兩方面，總體目標是實現(xiàn)最大的傳輸效率及與其他無線設(shè)備之間的最小干擾。因此，系統(tǒng)級的解決方案要能夠捕捉DUT的發(fā)射信號，根據(jù)每種標準的技術(shù)規(guī)范進行快速而全面的分析。對接收測試而言，測試系統(tǒng)必須提供精確可控的信號源，根據(jù)技術(shù)規(guī)范測試DUT的特征。

測試系統(tǒng)需要分析DUT的發(fā)射信號和接收信號。因此，測試儀器和測試方案必須能夠快速捕捉和分析信號，輸出測試結(jié)果。然而，每一個產(chǎn)品研發(fā)和測試預(yù)算是有限的，這就要求系統(tǒng)的采購成本及其測試速度必須滿足無線產(chǎn)品的上市周期與成本要求，能夠幫助研發(fā)人員在數(shù)周內(nèi)而不是數(shù)月內(nèi)將原始的設(shè)計變成量產(chǎn)的產(chǎn)品。

2003年以來，這樣的系統(tǒng)已被應(yīng)用于Wi-Fi產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量控制。隨著時間的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的無線標準，包括WiMAX、藍牙、WiMedia和ZigBee。下面來分析這些無線規(guī)范與測試測量系統(tǒng)的關(guān)系。

人機接口

在設(shè)計新型無線設(shè)備的研發(fā)中，設(shè)計人員必須分析底層標準的各個方面。所有的無線規(guī)范都涉及射頻和調(diào)制技術(shù)，通常具有基帶和射頻調(diào)制兩大子系統(tǒng)。在研發(fā)過程中，這些子系統(tǒng)能分別進行獨立的和綜合的測試分析是非常重要的，因此，需要一個測試儀器能夠分別發(fā)射和接收射頻及基帶信號。

圖1 硬件接口盡可能保持簡單——射頻輸入/輸出、基帶輸入/輸出、外部觸發(fā)輸入/輸出

這種面向系統(tǒng)的測試解決方案不需要像通用實驗儀器那樣提供許多控制按鈕和開關(guān)，在面板上只有射頻與基帶輸入輸出端口（如圖1所示）。應(yīng)用基于PC的用戶圖形界面（GUI）軟件系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)卡接口，能夠容易控制和操作測試系統(tǒng)。運行于PC上的分析軟件大大降低了測試系統(tǒng)的成本，同時又保持了快速而全面的對信號捕捉和分析能力。

針對不同的標準，采用不同GUI界面的軟件（例如，其中一種用于Wi-Fi，另一種用于WiMAX），可以將各種標準相對應(yīng)的測試需求集成到軟件之中。例如，針對于用戶開發(fā)出某種符合802.11a/b/g標準的功率譜密度模板的Wi-Fi產(chǎn)品，這樣的測試軟件可以加快測試速度且減少測試錯誤。

一旦某個產(chǎn)品設(shè)計定型，即便其中的元件處于最壞設(shè)計容差的情況下仍能通過測試，那么這就是一個好的生產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計。但是，元件失效或者制造工藝偏差等問題仍可能造成產(chǎn)品失效，這個必須在裝箱運送之前能夠檢測出來。這樣的測試中，射頻和基帶系統(tǒng)已經(jīng)不需要進行單獨的測試，這時所需要的是一套全面而快速的測試方案，用來挑出有質(zhì)量問題的產(chǎn)品。

在這種情況下，我們可以采用和研發(fā)相同的測試架構(gòu)，但取消了基帶輸入和輸出端口，簡化了接口設(shè)計（如圖2所示）。儀器只需要射頻輸入和輸出兩個端口，測試軟件只需要在數(shù)秒內(nèi)快速得出“pass”或“fail”的測試結(jié)果。這種經(jīng)過簡化的系統(tǒng)具有較低的采購成本，快速的測試速度也有利于降低總體測試成本。這對于產(chǎn)量大、價格便宜的無線產(chǎn)品來說是至關(guān)重要的——目前，這樣面向制造測試的儀器已經(jīng)能夠涵蓋所有的需求。

圖2 取消基帶和簡化觸發(fā)接口使同樣硬件構(gòu)架平臺最終變成一個面向制造的低成本測試系統(tǒng)解決方案

測試系統(tǒng)的硬件和軟件

測試儀器需要產(chǎn)生和分析基于正交調(diào)制（如IQ調(diào)制）的信號。VSA（vector signal analyzer，矢量信號分析器）分析捕捉DUT發(fā)射信號，VSG（vector signal generator，矢量信號發(fā)生器）用于對DUT的靈敏度和對非理想信號的解調(diào)能力進行測試（如圖3所示）。

圖3 測試硬件包含VSA、VSG和內(nèi)部控制模塊（例如PC的功能），通過以太網(wǎng)與PC主機進行通信

VSA和VSG都可以通過PC軟件進行控制，利用GUI界面可以控制信號的帶寬、功率、衰減等特性。對于VSA而言，GUI界面允許用戶選擇顯示內(nèi)容以及進行顯示設(shè)置。例如，用戶可以在一個窗口查看頻譜、功率譜密度圖和子載波星座圖。部分或所有視圖都可由用戶自由選擇，同步顯示信號的多個信息。

將其應(yīng)用于研發(fā)

毫無疑問，單芯片方案和參考設(shè)計已經(jīng)大大簡化了產(chǎn)品的研發(fā)過程。但在實際研發(fā)中，很難僅僅通過對參考設(shè)計的簡單改動實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，還需要處理頻率穩(wěn)定性、頻譜密度、群延遲、相位不平衡和本地振蕩器泄漏等問題。然而，想要解決某個問題之前必須首先搞清楚問題本身。在這樣的情況下就是該系統(tǒng)測試方案起效的時候了，與其漫無目的地尋找各種參數(shù)——微伏、毫安、毫瓦與頻率的關(guān)系，不如利用EVM測量和含有豐富信息的圖形來快速定位設(shè)計中存在的問題。

圖4 GUI軟件提供了信息量豐富的圖形顯示以及菜單可選的視圖

例如，當功率放大器上電的時候就可能會出現(xiàn)問題，功率放大器產(chǎn)生的電流將對晶振或者本地振蕩器產(chǎn)生頻率牽引。典型情況下，如果頻率恢復(fù)得快，那么很有可能是本地振蕩器受到牽引，但是當其恢復(fù)較慢的時候，則可能是基準晶振受到牽引。這里以實例說明圖形化界面是如何幫助我們判斷受到牽引的是晶振還是LO的（如圖5所示）。

圖5 左圖中快速的頻率穩(wěn)定過程表明是VCO頻推；右圖中較慢的頻率穩(wěn)定過程表明是晶振頻推

對于802.11a/g信號，我們使用STS（short training sequence，短訓(xùn)練序列）估算頻率誤差（圖5左圖中紅線表示STS的平均頻率誤差），如果在一個包的結(jié)尾發(fā)現(xiàn)頻率誤差與STS 的計算不同， 則代表在封包的內(nèi)部頻率誤差有波動。

圖6 左圖和中圖表示VCO或晶振牽引的影響，右圖表示功放開啟的影響

這里來看幾個不同的OFDM信號頻率誤差計算方法（如圖6所示）。頻率誤差預(yù)估參數(shù)的調(diào)整會對EVM結(jié)果產(chǎn)生影響。這些選項參數(shù)是根據(jù)短訓(xùn)練序列、長訓(xùn)練序列以整個數(shù)據(jù)包來計算頻率誤差，如果EVM結(jié)果對頻率誤差預(yù)估方式的選擇非常敏感，那就表明系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性有問題——最有可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)包的開頭。

圖7 OFDM星座圖提供的信息非常詳盡

星座圖（如圖7所示）能夠提供很多相關(guān)信息用作設(shè)計參考，通過相位、增益和功率壓縮等信息能夠幫助我們縮短產(chǎn)品設(shè)計周期和DVT（device verification testing）階段所需的時間。

如圖7所示，上左圖是一個理想的OFDM信號星座圖。上右圖給出了I/Q不平衡的情形（兩路基帶調(diào)制信號在上變頻之前幅度不一致，EVM變差）。下左圖給出了I/Q非理想正交的情形（兩路基帶信號在上變頻之前沒有實現(xiàn)完全正交，星座圖出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，EVM變差）。下右圖給出了幅值和相位同時失配的情形。

應(yīng)用于制造

如前所述，當產(chǎn)品轉(zhuǎn)入制造測試階段，通常會假設(shè)產(chǎn)品的設(shè)計等都沒有問題。很多失效問題都來源于制造而非設(shè)計缺陷。因此，軟件不需要提供設(shè)計過程中的測試細節(jié)。面向制造測試階段的軟件設(shè)計目標是簡潔的GUI界面和快速的產(chǎn)品測試功能。

適用于制造測試的軟件，GUI界面簡潔，測試快速。單擊GUI界面中“測試按鈕”啟動測試，輸入DUT的MAC地址，軟件開始對DUT進行測試，最終窗口顯示測試細節(jié)和Pass或者Fail。
研發(fā)和制造測試平臺采用相同的架構(gòu)，這樣做的好處是使某些可能在制造過程中出現(xiàn)的問題很容易被追溯到研發(fā)階段，不需要特別復(fù)雜的處理。研發(fā)和測試階段采用同樣的VSA和VSG硬件構(gòu)架和設(shè)置，這有利于簡化問題和加快問題的解決。

總結(jié)

本文介紹的系統(tǒng)測試平臺都是基于LitePoint公司的IQview和IQflex測試平臺，這款面向Wi-Fi的測試產(chǎn)品早已于2003年被推出。目前，面向Wi-Fi和WiMAX的一個全新的測試平臺IQmax也已問世，它將幫助ODM廠商和大型制造商進一步節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)和制造的時間與成本。