針對無線測試的幾種并行測試架構(gòu)探討

近幾年來發(fā)展最為迅猛的一項(xiàng)技術(shù)是無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)。盡管這項(xiàng)技術(shù)最初由于筆記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦等個(gè)人設(shè)備的普及而得到快速發(fā)展，但市場調(diào)查表明這一發(fā)展勢頭仍將保持迅猛，因?yàn)閃LAN技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到更多的消費(fèi)類設(shè)備中，這一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)也被擴(kuò)展使用到“物聯(lián)網(wǎng)”中。

不僅是WLAN服務(wù)需要得到更廣泛的應(yīng)用，802.11ac等新標(biāo)準(zhǔn)也將為設(shè)備提供所需的帶寬來滿足視頻流等更高級的應(yīng)用。對于設(shè)備制造商而言，這意味著測試方法也需要與時(shí)俱進(jìn)才能應(yīng)對制造需求的快速增長，而且需要在維持相同質(zhì)量水平的同時(shí)降低成本。如果采用多待測設(shè)備(DUT)測試架構(gòu)，企業(yè)將可大幅縮短實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所需的時(shí)間。

I.WLAN設(shè)備的生產(chǎn)測試

過去，WLAN生產(chǎn)測試方法通常是通過連接一個(gè)運(yùn)行良好的設(shè)備(也稱為“黃金樣本”)和功率計(jì)來測量數(shù)據(jù)吞吐量和驗(yàn)證信號電平。近幾年來，企業(yè)越來越多地采用更先進(jìn)的發(fā)射和接收測試來進(jìn)行誤差矢量幅度(EVM)、頻譜掩模、發(fā)射功率、分組錯(cuò)誤率(PER)和接收機(jī)靈敏度等測量。這種新測試方法的實(shí)現(xiàn)是基于WLAN芯片組供應(yīng)商為客戶提供了所需的軟件來控制嵌入到設(shè)備中的芯片。通過直接控制待測設(shè)備而無需與設(shè)備進(jìn)行無線通信，測試廠商和最終用戶可在拓寬測試覆蓋范圍的同時(shí)更快速開發(fā)應(yīng)用。

A.信令

在傳統(tǒng)的信令測試中，對于WLAN測試，測試系統(tǒng)通常用于模擬無線接入點(diǎn)，而對于蜂窩測試，測試系統(tǒng)則用于模擬基站。信令測試的優(yōu)勢是既可測試標(biāo)準(zhǔn)物理(PHY)層，又可測試媒體訪問控制(MAC)協(xié)議層。通過模擬無線接入點(diǎn)來測試MAC層對設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程非常有用，但在生產(chǎn)測試中這一功能通常是不必要的。此外，信令測試需要在測試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的協(xié)議棧，而且速度比非信令測試要慢得多，因?yàn)樾帕顪y試是用于真正的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，而不是用于極其快速的生產(chǎn)測試。相反，非信令測試針對生產(chǎn)應(yīng)用優(yōu)化了速度，使待測設(shè)備可快速完成功率電平、帶寬、通道或頻率以及調(diào)制方案等參數(shù)測試[1]，從而幫助設(shè)備制造商拓寬測試覆蓋范圍，而且不會延長測試時(shí)間。有利當(dāng)然也有弊——非信令測試的主要缺點(diǎn)是芯片供應(yīng)商的DUT控制需要進(jìn)行額外的前期開發(fā)。

B.WLAN非信令測試框架

典型的非信令WLAN測試系統(tǒng)通過一個(gè)主機(jī)進(jìn)行控制，主機(jī)運(yùn)行的測試執(zhí)行程序可讀取文件的測試矢量和測量設(shè)置、運(yùn)行所需的測試，并將結(jié)果寫入日志文件或數(shù)據(jù)庫。測試執(zhí)行程序調(diào)用應(yīng)用程序編程接口(API)來控制測試儀器，這些測試儀器通常包括一個(gè)或多個(gè)矢量信號分析儀、矢量信號發(fā)生器或者矢量信號收發(fā)儀。此外，測試執(zhí)行程序還通過調(diào)用WLAN測量算法來對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

非信令測試還要求主機(jī)具有芯片組供應(yīng)商提供的芯片組控制庫才能在非信令模式下控制DUT。圖1顯示了這些組件如何構(gòu)成一個(gè)典型的WLAN非信令測試框架。

II.多DUT測試可提高測試吞吐量

盡管近幾年來設(shè)備制造商普遍采用非信令測試來大幅縮短測試時(shí)間，但是更復(fù)雜的新無線技術(shù)的出現(xiàn)以及產(chǎn)品周期的不斷縮短進(jìn)一步增加了減少測試時(shí)間和成本的壓力。例如，802.11ac通過增加新的數(shù)據(jù)速率、帶寬以及空間流擴(kuò)展了802.11n。隨著設(shè)備制造商將802.11ac應(yīng)用到產(chǎn)品中，他們不僅需要測試這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，而且為了保持向后兼容性，還需要繼續(xù)測試以前的標(biāo)準(zhǔn)。

此類因素顯著增加了測試時(shí)間，繼而增加了測試成本。新的解決方案是芯片組供應(yīng)商、測試廠商以及最終用戶通過并行測試多臺設(shè)備來最大限度提高效率，這一方法也稱為“多DUT”測試。通過利用最新的多DUT測試軟硬件架構(gòu)，設(shè)備制造商可以顯著增加他們的生產(chǎn)測試吞吐量而不會增加測試成本。這里來研究和比較各種多DUT測試方案，其中圖2所示的方案是使用一個(gè)VSA+VSG或VST通過一個(gè)開關(guān)矩陣來測試4個(gè)DUT。

圖2：多DUT硬件配置范例

這里基于這一測試配置來討論不同的方法。為了比較這些方法，此處將一個(gè)典型的WLAN測試分成以下幾個(gè)常見的步驟，并規(guī)定了它們的相對時(shí)間單位，如表1所示。

表1，WLAN測試的常見組成元素

這些步驟中耗時(shí)最長的是與待測設(shè)備進(jìn)行通信來實(shí)現(xiàn)正確運(yùn)行模式所需的時(shí)間。取決于DUT和測試計(jì)劃，DUT控制時(shí)間可占總測試時(shí)間的45%~90%。因此，如果要開發(fā)一個(gè)具有最低總測試成本的測試系統(tǒng)，則該系統(tǒng)必須具有低的測試設(shè)備成本，同時(shí)使測試設(shè)備的待機(jī)時(shí)間降到最低。

C.串行測試

在傳統(tǒng)的測試計(jì)劃中，設(shè)備通過一個(gè)由夾具和射頻儀器支持的測試站進(jìn)行串行測試。測試順序與圖3中所示的時(shí)間框圖相似。此類測試應(yīng)用的主要優(yōu)勢是非常易于實(shí)現(xiàn)。然而，這種方法并沒有利用任何類型的軟件或硬件并行機(jī)制，從而導(dǎo)致所有DUT啟動(dòng)期間RF儀器均處于待機(jī)狀態(tài)。

圖3：串行測試時(shí)間框圖[!--empirenews.page--]

D.流水線

利用多線程并行軟件架構(gòu)和外部開關(guān)電路，已經(jīng)完成啟動(dòng)的DUT在執(zhí)行TX和RX測試時(shí)，并行軟件線程可控驅(qū)動(dòng)下一個(gè)DUT的啟動(dòng)過程，從而實(shí)現(xiàn)測試的流水線執(zhí)行。這種方法減少了儀器的停機(jī)時(shí)間，縮短了高達(dá)35%的測試時(shí)間，如圖4所示。

圖4：流水線測試的時(shí)間框圖

E.并行RX測試

另一種減少測試時(shí)間的方法是通過向多個(gè)DUT發(fā)送相同的波形來同時(shí)執(zhí)行多個(gè)RX測試。通過將每個(gè)DUT分配到相應(yīng)的軟件線程，所有DUT均可同時(shí)啟動(dòng)。使用如圖5所示的技術(shù)，多DUT的測試時(shí)間相比流水線測試可減少25%，相比串行測試設(shè)備可減少超過50%。

圖5：并行RX測試時(shí)間框圖

F.其他多DUT測試方法

流水線和并行RX測試僅僅只是兩個(gè)例子來說明如何提高WLAN制造測試的吞吐量而無需添加額外測試設(shè)備。由于測試軟件變得日益復(fù)雜且設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)程序針對測試不斷進(jìn)行優(yōu)化，新的測試方法將繼續(xù)涌現(xiàn)以幫助設(shè)備制造商不斷提高測試吞吐量，降低測試成本，同時(shí)跟上未來無線技術(shù)發(fā)展的步伐。

III.多DUT制造測試方法

選擇用于并行多DUT WLAN生產(chǎn)測試的測試設(shè)備時(shí)，必須確保所選的設(shè)備采用了最新的商業(yè)現(xiàn)成可用(COTS)技術(shù)，以在最大程度提高當(dāng)前吞吐量的同時(shí)，獲得針對未來需求的可擴(kuò)展性，包括從多核CPU處理器和用于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線，到用于管理并行測試的多線程軟件架構(gòu)。

A.多核處理器和儀器數(shù)據(jù)總線

通常RF測試系統(tǒng)中最昂貴的部件是用于生成和接收RF信號的電路。許多其它組件，如存儲器、硬盤驅(qū)動(dòng)器和CPU處理器常見于個(gè)人計(jì)算機(jī)，因此產(chǎn)品生命周期較短且非常廉價(jià)。選擇測試系統(tǒng)時(shí)，還需要確保該系統(tǒng)易于根據(jù)市場上出現(xiàn)的新COTS進(jìn)行升級。

PXI是一種基于PC的堅(jiān)固測試平臺，提供了用于測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本部署解決方案，包括無線產(chǎn)品生產(chǎn)測試。PXI結(jié)合了PCI Express的電氣總線特性與堅(jiān)固的機(jī)械封裝，并增加了用于制造測試的專用同步總線和主要軟件特性。這種強(qiáng)大的組合為設(shè)備制造商測試提供了目前市場上具有最高吞吐量和最低延遲數(shù)據(jù)總線的解決方案之一，它顯著地降低了測試時(shí)間。PXI的另一個(gè)優(yōu)勢是嵌入式計(jì)算機(jī)，通常也稱為PXI嵌入式控制器，其在緊湊的外形結(jié)構(gòu)中提供了最新的高新能CPU處理器。這種模塊化特性可允許用戶在出現(xiàn)新技術(shù)時(shí)以相對低的成本升級整個(gè)無線測試系統(tǒng)。

圖6：NI PXI Express機(jī)箱包含射頻分析儀和發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、開關(guān)、電源和嵌入式計(jì)算機(jī)

B.多線程軟件架構(gòu)

正如本文前面例子中所提到的測試方法，在選擇大規(guī)模多DUT無線制造的測試系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的軟件架構(gòu)必須具有多線程且可進(jìn)行并行測試。NI LabVIEW是一種具有內(nèi)在并行機(jī)制的圖形化編程語言，非常適用于多DUT制造測試。相對于順序語言，LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流程序本身包含有哪些部分可以并行運(yùn)行的信息。

圖7：作為一種固有的多線程編程語言，NI LabVIEW是大規(guī)模多DUT制造測試的理想之選

C.理想的多DUT WLAN測試系統(tǒng)

PXI平臺的靈活性和可擴(kuò)展性以及NI LabVIEW的固有并行機(jī)制為多DUT WLAN制造測試提供了一個(gè)革命性的新工具。NI PXIe-5646R矢量信號收發(fā)儀(VST)具有高達(dá)6GHz的頻率覆蓋范圍和高達(dá)200MHz的RF帶寬，使其不僅成為測試802.11ac等最新WLAN標(biāo)準(zhǔn)的理想儀器，而且也非常適用于極具挑戰(zhàn)性的未來標(biāo)準(zhǔn)(如LTE-Advanced載波聚合等)的測量。

當(dāng)搭配PXI平臺和基于NI LabVIEW的NI WLAN測量套件軟件的多種開關(guān)功能時(shí)，NI矢量信號收發(fā)儀就成為大規(guī)模多DUT制造測試的理想儀器。此外，NI矢量信號收發(fā)儀還可測試許多其它無線標(biāo)準(zhǔn)，包括藍(lán)牙、NFC、GPS/GNSS、2G/3G蜂窩和LTE等，常常具有業(yè)界領(lǐng)先的性能和測試時(shí)間[2]。

圖8：一個(gè)完整的WLAN測試系統(tǒng)由一個(gè)NI矢量信號收發(fā)儀與NI WLAN測量套件軟件組成