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准确 高速 标准 广泛——电子测试测量技术发展趋势

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作者:edw时间:2006-12-11来源:电子产品世界

,作为一个看似不愠不火的基础性行业,远没有很多科技行业那样叱诧风云,不过作为几乎渗透到每个角落的庞大产业来说,产业的发展在很大程度上影响着整个人类科技发展的步伐。纵然阿基米德用杠杆翘动了地球,他依然无法告诉别人地球的重量。科技改变生活,借助先进的仪器,现代人已经可以轻松地出地球所有的基本参数。特别是伴随着信息技术、精密工程的发展,测量成为这些改变我们生活的新工艺、新材料、新产品的质量保证,离开测试测量的保障,我们面对的将是一个危机四伏的高科技世界。

随着被测试系统、产品的发展水平日趋提高--速度越来越快、体积越来越小、应用覆盖范围越来越广,人们对测试测量技术及精密仪器的要求也越来越高,促使测试测量技术和测量仪器不断出现新产品、新技术和新方法。高精度、高速度、高灵敏度和分辨率的需求成为推动测试测量技术发展的根本动力。

无线测量的挑战

通信缩短了世界的距离,数字无线信号逐渐占据了人们的生活。如何洞悉这些高速信号的一切细节,成为摆在所有测试测量仪器厂商面前的难题。即将在全球大规模布网的3G和WLAN是无线领域最具价值的技术,由此引发的庞大测试规模和严格的测试要求对于测试仪器厂商既是机遇也是挑战。
WiMax技术的商用面临着诸多挑战,稳定性和可靠性是最为重要的要求,同时还必须要适应无线信号速度快、频率高的特点。3G采用的CDMA技术的系统和信号的高复杂性以及各种新应用所需的高质量和高带宽,要求测试必须确保高精度和适应高速数据流,必须要提高仪器的智能程度以从原始数据中求出CDMA的各种有用参数,同时测试仪器的软件要便于升级以支持标准的升级。如果采用传统的测试仪器和方法,综合测试仪的可扩充仿真器件价格过于昂贵,无线基站的维护也是个不小的问题。

3G系统测试更偏重于数据业务性能测试,网络性能、多业务并行和网络间互联互通是测试重点,如何突破传统语音为主的方式是测试的难点。比如,语音信号一般只有20个KPI参数,而3G的数据服务将达到200个KPI参数。对于针对数据为主的无线技术的测试,必须确保无线链路的传输特性及其稳定程度,同时还需要应对下载测试的复杂程度。与此同时,无线网络作为一个庞大的通信系统,不同企业的产品之间的互操作性也是无线测试中重要的内容,由于RF射频芯片组和模块器件的设计比较复杂,因此即使是通用的标准也无法确保产品之间可以互操作。

新技术催生新产品

利润丰厚的无线测试提出的挑战给了测试测量行业巨大的发展推动力,作为新技术大范围应用保障基础的测试测量行业必须率先应对新的挑战,而影响测试测量水平的最重要因素就是仪器的功能。诸多新技术的出现确保测量仪器满足无线测试的需求。

数字射频(RF)信号复杂的调变信息、变化迅速、频率跳跃不定、尖锐和短暂消失等特点让传统采用扫频分析仪和矢量分析仪(VSA)测量的方法无所适从。如何实时捕获2.4GHz的高速信号以及发现多路信号中的干扰信号成为必须解决的难题。为此,泰克公司推出了曾经应用于示波器的DPO升级之后的DPX数字荧光波形成像处理器技术,通过显示颜色不同可以区分不同信号的出现概率。为了能够每秒处理48000个频谱,DPX采用专用的实时硬件处理进入的信号。通过使信号间隔达到最小,为用户提供了完全不同于以前的实时RF信号视图。它对最短24 _s的信号实现了100%的侦听概率。DPX技术利用显示颜色不同标明信号出现的概率,由此可以发现软件定义无线电在软件切换频率时产生的无线频率瞬时失真;DPX还可以把信号进行分离处理,帮助发现非线性干扰信号,在无线电监控中可以检查信号中是否含有非法信号。在捕捉方面则采用了全新的频率模板触发,模板可按电平和频率定义,超过预设值即触发。这样就可以通过建立不同的模板捕捉主要信号外的信号,并可以确保大信号中的小信号进行触发。两种技术的结合大大改善了频谱更新速率和信息显示能力,把大量RF数据转化成视图,清晰分辨出异常信号。几种技术的融合可以进行时域和频域同时分析,多域显示功能可以同时测试时域、频域等不同域信号并分别显示各个域的情况,便于查找错误或实时分析。基于这几种技术的实时频谱分析仪不仅适用于无线通信和RF行业开发领域,在无线监控和雷达设计等领域也有广泛的应用。吴佑寿院士指出:“数字荧光技术可以发现同频工作下的大信号背后的小信号,这对我们的数字通信非常有帮助。移动数字电视非常需要实时频谱分析,特别是测试移动传播信号的盲点和断点非常有价值,可以帮助我们确定每个位置的信号强弱。

当然,没有采集就没有分析,再好的分析能力如果无法采集到信号也没有意义。比如泰克的频率外触发技术,通过高性能的探头,可以轻松侦测到高频小功率信号,从而保证分析的准确性。探头是信号采集的源泉,也是信号分析的基础。有源探头电容低而无源探头电阻高,为了尽量减少探头对信号的影响确保信号的准确性,必须确保探头具有高阻抗和低电容。力科公司推出了ZS系列有源探头,探头增加了前端放大器,在高频时确保了较高的阻抗,从而同时实现可高阻抗和低电容的苛刻要求,减少信号的干扰影响。探头作为信号侦测工具,不仅需要性能出色,更需要满足不同场合的需要。ZS系列增加了全面的端部/接地配件,前端探头体积很小,可以运用多种接地线组合,缩短接地线与信号的距离,让信号保真度更好。这种独特的设计可以测试IC腿、SMD元件、BGAs和通路等精密环境的信号。

平台化成为趋势

3G和WiMax技术的商用面临着诸多挑战,稳定性和可靠性是最为重要的要求,同时还必须要适应无线信号速度快、频率高的特点,这就对测试仪器提出了很高的要求。只有具备了软件开发、数字电路设计及测试、射频测试和协议分析等全面的解决方案才能适应3G网络的整体需求。从网关、天线到空中接口,从基站到主干网,从转换接口到小区切换,传输方式从TDM到ATM或者宽带IP和吉比特以太网,这需要一个完整的测试平台以保证高速数据交换和多信令识别系统的评估,并且保证3G与2G和WLAN等系统的无缝链接,从而保证整个网络的Qos。

面对这种挑战,单个仪器已经无法满足网络测试的综合需求,平台化产品成为解决问题的唯一途径。安捷伦公司展示了针对3G从研发设计到设备生产的全面的测试解决方案,其中包括为研发设计提供的ADS (Advanced Design System)设计方案;为数字基带提供的测试方案;为模块或设备提供的射频测试方案;为手机和基站提供的整机测试的系统测试方案;为TD-SCDMA网络信令提供的测试方案。比如,针对WCDMA/HSPDA的主要测试项目包括:端对端数据连接能力,使用户能够建立一条采用HSPDA的IP数据通道,在测试台上仿真最终用户的应用体验; HSDPA数据吞吐量监视器,使设计师可通过数据通道查看实时数据速率;支持CAT 6(6类)端对端数据连接和HSDPA衰落、InterRAT 2-box数据和话音切换以及空闲和数据重新选择能力。安捷伦的这个完整解决方案还针对GSM/GPRS/EGPRS实验室应用的用户,率先提供了双传送模式(DTM)和双小区仿真等先进特性,从而转化为独特的3G功能。 双小区仿真提供了两个独立小区供移动测试设备进行选择和切换,从而保证了对GSM/GPRS/EGPRS切换和小区选择进行真实测试。它既支持话音切换,也支持在IP数据连接期间的网络始发和自主切换。执行这些数据切换时,IP流量将被自动地通过适当小区重新路由,所有的上下文信息都予以保留。此外,它还可以切换DTM呼叫,并同时保持话音连接和数据连接。双小区仿真可以实现从GSM、GPRS和EGPRS网络扩展到WCDMA和HSDPA。 DTM可在真实条件下对并发的话音连接和包数据连接进行测试。例如,一个AMR话音呼叫(其中编解码率正在快速变化)可以与采用增量冗余的EGPRS IP数据连接同时进行。当它们运行时,可能会有意地加入误码,以强制进行重新传送。设计人员在进行Tx和Rx测量时,协议交换可被实时记录下来。DTM的能力还包括:支持多种PDP上下文和EGPRS多时隙等级33(具有完全的吞吐量),以及对多重和辅助PDP上下文的支持。

R&S也可以提供全面的3G业务测试解决方案,测试平台可以基于CRTU或者CMU200,支持GSM/GPRS、WCDMA和cdma2000等标准,可以进行MMS、WAP、视频电话、网络浏览、视频流等业务测试,并可以在业务测试的同时进行射频测试和信令监测,以便于进一步的分析。值得一提的是,为了对手机的业务支持进行严格的认证,OMA(Open Mobile Alliance)组织已经制订了一些3G业务测试例,其中一些已经被GCF或PTCRB所采纳,成为了手机认证的一部分。R&S推出了CRTU-ATE平台,可以基于上述需求为业务一致性测试提供了灵活的解决方案,并在业界率先支持MMS的一致性测试。

 不仅仅是无线通信领域,平台化已经成为整个测试测量行业的发展方向。比如,很早就倡导测量平台化的NI,依托LabVIEW软件和PXI总线,借助强大的PC处理功能和独特的信号采集技术,一直坚持从设计过程到生产过程的全流程一体化测试系统的建立,其目的就是要建立一个统一的生产测试平台。从工业控制到生产流程测试再到多种数据收集,LabVIEW作为NI的根本优势,其核心竞争力就是一个集多行业多领域的平台化测试。

软件作用日渐突出

谈到LabVIEW,就不得不谈软件在现代测试测量中的重要作用。现在的测试仪器已经不仅仅是硬件的比拼,更多的突破和竞争集中在软件的更新上。软件已经在现代测试中发挥着越来越重要的作用,几乎2006年每个新推出的高端仪器都搭配了较高的内存并内嵌各种操作系统,用以保障软件的高效运行。比如泰克的DPX软件可以发现SDR的软件切换频率的无线频率瞬时失真,是数字RF信号测试的关键;力科公司的WaveScan搜索分析团建支持多种扫描模式,并具有高级采集分析功能,可以快速发现异常事件,并对信号进行全面分析。可以说,借助软件的力量,测试软件已经逐渐成为测试发展的重点。

综合测试系统是一个自动化平台,模块化是发展趋势,重点在于软件平台的搭建,LabVIEW 可以应用在全平台操作系统,从测试到设计都采用一个平台,LabVIEW让客户自主开发驱动模块满足需要。已经20年的LabVIEW软件发展到了8.20版本,并且已经推出了LabVIEW8.20的简体中文版,更方便中国工程师的使用。LabVIEW 8.20的功能比以前有了较大的提高,不仅图形化界面更加便于操作,而且还可以实现工程师自主开发程序模块,针对不同应用开发不同模块程序。在编程工具方面,增加了使用面向对象的编程方式开发可扩展的代码,使用自动VI接口创建功能集成.NET Web服务,使用自动DLL接口生成功能重复利用外部代码,动态地调用DLL并使用调回(callback)功能。用户界面开发方面增加了使用基于OpenGL的3D显示工具创建高级用户界面,通过Web对应用实现同步的多用户控制和测量功能改进。同时,使用新的技术数据管理(TDM)Streaming VI实现更快速流盘,使用FPGA向导自己定制数据采集设备,将标准PC机转换成一个实时系统,在工业系统中加入触摸板,使用共享变量与移动设备轻松通信以及使用MathScript在您的LabVIEW程序框图中加入文本数学模式。

特别是伴随PC处理技术的最新进展,LabVIEW获得更多的发挥空间。CPU向双核甚至多核方向发展让LabVIEW在多路并行信号处理方面发挥更大的优势(复杂的信号绝大多数都是并行的),多核处理器可以提高虚拟仪器的采集和处理性能,据介绍,双核对多路信号的分析处理能力比单核提高了100%,更有利于多设备多信号在单一PC上的处理和分析。结合具有高传输能力的PXI总线,虚拟仪器可以更好采集、传输和处理复杂多变的无线信号。

不仅仅是测量

如果你还只是把测量仪器当作单纯的测试工具,你显然已经跟不上测量仪器发展的趋势,很多测量仪器已经逐渐开始扮演起硬件开发工具的角色。

LabVIEW软件平台依托图形化界面,可以代替VHDL进行FPGA的开发。用户通过在LabVIEW界面进行图形化编程设计,然后LabVIEW软件将程序自动转换成VHDL代码写入FPGA。采用LabVIEW开发的结构和LOOP与VHDL完全一样,而LabVIEW的图形化特性可以让开发更直观更方便。特别是对于并行任务开发,利用LabVIEW的图形界面可以实现多路并行控制,而VHDL文本则有很大困难。这样,开发工程师只需要熟练掌握LabVIEW而不需要再学习VHDL就可以实现多种产品功能的开发,开发的焦点也从编写程序转变为如何实现各组件的功能组合。这种方法把设计和测试过程有效地整合在一起,提高了开发的效率。

同样,泰克公司也针对嵌入式系统开发推出自己的新产品,用以帮助工程师在开发过程中跟踪信号和模拟仿真。通过针对串行和并行传输的不同优化,便于追踪噪声、发现建立保持问题、解决总线逻辑、捕捉亚稳态,并可以选择不同的总线传输模式进行预先仿真,为开发过程提供模拟预期。



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