RF WCDMA 基準比較測試白皮書(shū)

概覽

通過(guò)與傳統的儀器進(jìn)行比較，了解軟件定義的PXI RF儀器在速度上的優(yōu)勢。如WCDMA測量結果所示，基于多核處理器并行執行的LabVIEW測量算法與傳統儀器相比可以實(shí)現明顯的速度提升。

介紹

你在早晨7:00伴著(zhù)搖滾音樂(lè )的聲音醒來(lái)，收音機鬧鐘里的RDS接收器提示你正在收聽(tīng)來(lái)自Guns N’ Roses 樂(lè )隊的Welcome to the Jungle。然后，在你品嘗咖啡期時(shí)，可以在書(shū)房通過(guò)WLAN接收器來(lái)查收郵件。當準備好工作后，你走出家門(mén)，使用一個(gè)315MHz的FSK發(fā)射機來(lái)打開(kāi)車(chē)鎖。坐到車(chē)里，駛上道路，你又可以享受無(wú)線(xiàn)電收音機所提供的沒(méi)有廣告的娛樂(lè )節目。稍后，你會(huì )通過(guò)藍牙耳機會(huì )與車(chē)內的3G手機建立連接。幾分鐘內，車(chē)載的GPS導航儀可以修正你當前的3D位置，并向你指示路徑。GPS接收機傳出的聲音提示你需要駛入收費公路，同時(shí)RFID接收器將自動(dòng)收取相應的過(guò)路費。

RF技術(shù)無(wú)處不在。即便作為一個(gè)普通的消費者，每時(shí)每刻都會(huì )受其影響，更不要說(shuō)一個(gè)RF測試工程師了。無(wú)線(xiàn)設備的成本大幅降低，可以讓業(yè)余的時(shí)間變得更輕松，但是在設計下一代RF自動(dòng)測試系統時(shí)，將會(huì )帶來(lái)更多的挑戰。工程項目所面臨的降低測試成本的挑戰，比以往任何時(shí)候都嚴峻。因此，當前的自動(dòng)測試系統所關(guān)注的焦點(diǎn)在于減少整體的測試時(shí)間。

最新發(fā)布的6.6GHz RF測試平臺

為了滿(mǎn)足這一需求，NI開(kāi)發(fā)了6.6GHz高速RF測試平臺。所發(fā)布的新產(chǎn)品包括NI PXIe-5663矢量信號分析儀、NI PXIe-5673矢量信號發(fā)生器，可以為自動(dòng)化RF測試提供高速、靈活的解決方案。NI PXIe-5663能夠以50 MHz的瞬時(shí)帶寬分析10 MHz 到 6.6 GHz信號。NI PXIe-5673能夠以100MHz的瞬時(shí)帶寬生成85 MHz 到6.6 GHz的信號。

圖1. 基于最新6.6GHz RF測試平臺的PXI系統。

6.6GHz RF測試平臺非常適于自動(dòng)化測試應用。使用高度并行的NI LabVIEW測量算法，PXI模塊化儀器可實(shí)現顯著(zhù)優(yōu)于傳統儀器的測量速度。若要了解PXI模塊化儀器為何能夠實(shí)現比傳統儀器更快的測量速度，從二者的架構區別中即可找到原因。雖然二者使用類(lèi)似的組件，但是區別在于PXI系統使用高性能的多核中央處理器(Central processing units, CPU)。圖2中展示了兩種類(lèi)型儀器的系統框圖，即可看出這一區別。

圖2. 一個(gè)用戶(hù)定義的CPU是PXI RF儀器的核心組件。

雖然PXI和傳統儀器有許多共性，但是PXI模塊化儀器中用戶(hù)自定義的多核CPU可以實(shí)現更快的測量速度。在很多情況下，RF測量算法也是按照LabVIEW編程語(yǔ)言中所自有的并行方式編寫(xiě)的。因此，可以通過(guò)將CPU升級至多核，從而實(shí)現總體的測量速度的提升。隨著(zhù)CPU時(shí)鐘速率（或者CPU內核個(gè)數）按照摩爾定律提升，當前的RF測試儀器可以實(shí)現非?？斓乃俣?。如你在本文中所見(jiàn)，對于一些較為處理器密集型的RF測量算法，許多PXI矢量信號分析儀可以比傳統的臺式矢量信號分析儀的速度高出30倍。

為了更進(jìn)一步了解PXI儀器的優(yōu)勢，可以對一些高通量的無(wú)線(xiàn)測試應用進(jìn)行分析。在這種情況下，測試時(shí)間在產(chǎn)品的成本(Cost of goods sold, COGS)中占有較大比重。而且，對于諸如3G UMTS (WCDMA)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議來(lái)說(shuō)，處理器密集型的算法將會(huì )占用較多的處理器資源。針對這一問(wèn)題，作為National Instruments 系統聯(lián)盟商的AmFax公司提供了高度并行的測量算法，用于WCDMA物理層的測試。NI RF儀器以及合作伙伴的軟件，實(shí)現了一個(gè)低成本、高速度、而且高精度的測試平臺。

AmFax使用LabVIEW實(shí)現更快的WCDMA測量

為了展示PXIe-5663 RF矢量信號分析儀的測量速度和精度，我們與一款行業(yè)領(lǐng)先的傳統儀器進(jìn)行了一次巔峰對決（如表1所示）。比對試驗所使用的兩個(gè)傳統儀器均為較新的RF矢量信號分析儀(Vector signal analyzers, VSA)，并且其價(jià)格比一個(gè)完整的PXIe-5663 RF測試系統要高出許多。

儀器A為Rhode Schwartz FSG

儀器B為Rhode Schwartz FSQ

表1. PXI和傳統儀器的比較。

為了提供更為切實(shí)的基準測試數據，可以在一系列通信標準的測量應用中，對PXI和傳統儀器的測量時(shí)間進(jìn)行比較。對于WCDMA應用來(lái)說(shuō)，可在一系列參數測量中，考核儀器的性能。 物理層測試通常需要很長(cháng)的采集時(shí)間，例如補償累計分布函數 (Complementary cumulative distribution function, CCDF)，其最終的測試時(shí)間與處理器的速度性能不太相關(guān)。而對于一些需要解調運算的測試來(lái)說(shuō)，例如誤差向量幅度(Error vector magnitude, EVM)，則需要大量的數據處理工作。最后還進(jìn)行了頻域的測量，例如相鄰信道泄漏功率比 (Adjacent channel leakage power ratio, ACLR)以及占用帶寬(Occupied bandwidth, OBW)，這些測試通常需要離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform, DFT)運算。

在一個(gè)常見(jiàn)的測試執行架構，例如NI TestStand軟件中，你可以很快地配置一個(gè)自動(dòng)測試序列。NI TestStand軟件不僅提供一個(gè)內置的框架用于進(jìn)行序列化的測試，還可以對每個(gè)測試所花費的時(shí)間進(jìn)行統計。如圖3所示，即為NI TestStand 在一個(gè)自動(dòng)測試序列中對測試時(shí)間統計的界面截圖。

圖3. NI TestStand實(shí)現了產(chǎn)品測試的自動(dòng)化。

如圖3所示，觀(guān)察嵌套的For 循環(huán)當中的EVM測試相關(guān)步驟（“NI 配置EVM”，“NI 測量EVM”）。外層的For循環(huán)用于確定對一個(gè)給定的測量進(jìn)行平均的次數，內層的For循環(huán)用于在同一配置下測量多次。在同一配置下得到的多個(gè)測量值，可用于進(jìn)行統計分析，以確定平均值和標準差。

配置RF儀器

在進(jìn)行儀器基準測試時(shí)，需要將每個(gè)儀器都調整至最快的速度，這一點(diǎn)非常重要。對于傳統儀器來(lái)說(shuō)，若要達到最快的速度，需要使用板載的平均函數而不是對每一個(gè)測量值手動(dòng)的進(jìn)行平均運算。此外，在測試運行時(shí)，應將前面板的顯示關(guān)閉。最后，選擇高效的儀器控制總線(xiàn)也非常重要。因為這種測試所產(chǎn)生的數據塊較小，所選的數據總線(xiàn)必須有較小的延遲。因此，我們選擇經(jīng)由LAN的GPIB總線(xiàn)，以保證延遲最小。事實(shí)上，作為一個(gè)通常的準則，當不使用或者較少使用平均運算時(shí)，延遲對于測量的影響較為顯著(zhù)。

為了對RF矢量信號分析儀的測量速度進(jìn)行基準測試，需要使用一個(gè)RF矢量信號發(fā)生器為其提供信號源，進(jìn)行回環(huán)測試。為了評價(jià)PXIe-5663 VSA的性能，可以使用最新的PXIe-5667 6.6 GHz RF矢量信號發(fā)生器來(lái)生成源信號。此源信號符合WCDMA標準，以1.95GHz作為中心頻率。將RF輸出的功率設定為-10 dBm，并將信號發(fā)生器的輸出端口和分析儀的輸入端口直接連線(xiàn)。圖4中展示了硬件的配置。

圖4. 直接連接VSA和VSG。

雖然使用一個(gè)實(shí)際的儀器作為待測單元(Device under test, DUT) 比較適用于特性測試（例如可重復性測試），但是回環(huán)測試的好處是，可以展示儀器的測量性能。

測量時(shí)間統計

按照上述的各項配置，觀(guān)察各項測量的測量時(shí)間（以秒為單位）。 請注意，表2中的測量所使用的平均的次數是按照設計驗證時(shí)所常用的次數來(lái)確定。在下文中，你可以了解到更多有關(guān)平均的次數和測量重復性之間關(guān)系。

各種測量應用的典型測量時(shí)間

表2. 傳統儀器和PXI儀器的WCDMA測量時(shí)間。

如表2所示，無(wú)論使用嵌入式控制器還是機架式控制器，PXIe-5663 RF矢量信號分析儀均可實(shí)現遠超傳統儀器的測量速度。此外，可以看到處理器的速度對整個(gè)測量時(shí)間的影響。其中，NI PXIe-8130嵌入式控制器使用AMD Turon X2 2.3 GHz CPU，NI PXIe-8106 使用一個(gè)2.16 GHz Intel Core 2 Duo CPU，四核控制器NI 8353 1U機架式控制器則使用兩個(gè)2.4 GHz Core 2 Duo CPU。由于CPU的性能直接決定測量的速度，四核控制器能夠比最快的雙核控制器實(shí)現的測量速度還要快。圖5所示為以百分比的形式，與傳統儀器相比所實(shí)現的整體的測量時(shí)間的縮減。

圖5. 與傳統儀器相比，NI 8353 1U控制器可以縮減83%的測量時(shí)間。

對于多數的WCDMA物理層測量來(lái)說(shuō)，測量值的處理時(shí)間對整體的測量時(shí)間影響最大。對于這些測量來(lái)說(shuō)，整體的測量時(shí)間通常與進(jìn)行平均的次數有關(guān)。但也有一個(gè)例外，就是需要特別大的數據采集量的CCDF測量。在這種情況下，處理器的性能對于整體的測量時(shí)間影響較小。圖6所示即為CCDF測量，可以看到PXI測量系統比傳統儀器略快一些。

圖6. 平均運算的次數對于CCDF測量時(shí)間影響較小。

為了更加全面準確地觀(guān)察PXI儀器所帶來(lái)的性能提升，所進(jìn)行的這些測量需要進(jìn)行若干次。下面所示的所有數據是在每一種配置下進(jìn)行10次測量后的均值。如圖6中所示，若使用基于PXI的測量系統（而不是傳統儀器），CCDF測量時(shí)間可以減少33%。此處，你可以看到NI 8353 四核機架式控制器可以達到最高的測量速度。

對于處理器密集型的物理層測量來(lái)說(shuō)，選擇不同的處理器對總體的測量時(shí)間影響很大。在圖7至9中，可以看到傳統儀器和PXI儀器在測量時(shí)間和平均次數之間的關(guān)系。

圖7. 在處理器密集型的測量中，PXI儀器可以體現最大的速度優(yōu)勢。

對于諸如EVM測量這樣的處理器密集型應用來(lái)說(shuō)，選擇不同的處理器對總體的測量時(shí)間影響很大。例如，一個(gè)EVM測量如果設定為對五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平均值運算，若使用PXIe-8130嵌入式雙核控制器需要342毫秒，若使用NI 8353四核控制器則所需時(shí)間縮減33%，只需要228毫秒。在相鄰通道泄漏比率(Adjacent channel leakage ratio, ACLR)測量中也可看到類(lèi)似的結果，如圖8所示。

圖8. 在A(yíng)CLR測量中，測量時(shí)間與平均次數的關(guān)系。

在A(yíng)CLR測量中，使用PXI RF測量系統可以比傳統儀器快16倍。對于一個(gè)ACLR測量（不考慮配置所需時(shí)間）來(lái)說(shuō)，典型的測試時(shí)間不超過(guò)8毫秒，這比常規的時(shí)域 ACLR測量時(shí)間還短。圖9所示為最后一項測量結果，即為占用帶寬的測量。

圖9. 在占用帶寬的測量中，使用PXI儀器可以比傳統儀器快30倍。

在圖9中你可以看到，對于一些測量來(lái)說(shuō)，在達到相同的測量結果時(shí)，PXI RF儀器可以比傳統儀器快30倍。此外，在一些需要更多的平均次數的測量中，PXI儀器在絕對的測量時(shí)間上的優(yōu)勢更為顯著(zhù)。

測量值平均運算與重復性

雖然平均運算對整體的測量時(shí)間影響較大，但是仍需要通過(guò)平均運算以實(shí)現可重復的測量結果。由于測量值平均運算事實(shí)上增大了總體的測量時(shí)間，所以弄清平均運算次數與重復性精度之間的關(guān)系非常重要。因為可以通過(guò)平均來(lái)降低信號中的一些噪聲，你可以看到：隨著(zhù)平均次數的增加，連續運行的重復性精度提高。圖10中所示， 在不同的平均值次數的配置下的EVM標準差。

圖10. 在不同的平均運算次數情況下的EVM標準差。

如圖10所示,所有的EVM測量都是針對一個(gè)WCDMA幀內進(jìn)行，相當于2600 chip。請觀(guān)察測量重復性精度與平均次數的關(guān)系。在圖10所示結果中僅僅使用了1000組數據，而對于大多數產(chǎn)品測試應用來(lái)說(shuō)，通常需要更大的數據集。事實(shí)上，許多測試都是使用多個(gè)儀器，因此需要一個(gè)更精確的模型，以表征測量重復性。

使用PXIe-5663 RF 矢量信號分析儀和PXIe-5673 矢量信號發(fā)生器，你可以很容易地實(shí)現優(yōu)于1%的EVM測量。表3所示為更重配置下實(shí)現的均值和標準差。

表3. 在不同的平均次數的情況下的EVM和標準差。

NI 5663 RF矢量信號分析儀和PXIe-5673 RF信號發(fā)生器可以對WCDMA標準實(shí)現精準的、可重復的EVM測量。

結論

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的使用越來(lái)越廣泛，減少其測量時(shí)間所需的難度越來(lái)越大。幸運的是，PXI測量系統可以利用計算領(lǐng)域的最新技術(shù)。事實(shí)上，如本文中的數據所示，執行于多核PXI處理器上的并行的測量算法比傳統儀器上的類(lèi)似算法有顯著(zhù)的速度優(yōu)勢。因此，借助于National Instruments新推出的PXI 6.6 GHz RF測量平臺，你可以在應對RF測試中的新挑戰的同時(shí)降低測試成本。