一種低成本高效測試方法――合成測試系統

如圖2所示，軟件無(wú)線(xiàn)電僅僅由一個(gè)數字信號處理(DSP)引擎、一個(gè)通用發(fā)射機和接收機前端以及某種形式的發(fā)射天線(xiàn)組成。通用發(fā)射機和接收機前端在數字數據與調制無(wú)線(xiàn)電波之間進(jìn)行轉換，以便進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。這些部件之后是一個(gè)高速數字信號處理(DSP)單元，它提供無(wú)線(xiàn)電的大部分功能。在本質(zhì)上，這種組合提供了一個(gè)“通用”的無(wú)線(xiàn)電。設計人員通過(guò)軟件將無(wú)線(xiàn)電功能編程到DSP之中，他們編寫(xiě)軟件算法和在DSP輸入輸出端產(chǎn)生或處理數字表示信號的控制模塊。如果通信協(xié)議或處理算法需要修改，或無(wú)線(xiàn)電必須作為一種不同的類(lèi)型來(lái)進(jìn)行通信，設計人員只需修改軟件并將其下載到無(wú)線(xiàn)電即可。軟件無(wú)線(xiàn)電方法消除了傳統專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)電設計方法所需的重新設計和加工新硬件的必要性。今天，在小型封裝中所能提供的處理速度和能力使軟件無(wú)線(xiàn)電的實(shí)現變得更加容易。

圖3所示的合成儀器方框圖與軟件無(wú)線(xiàn)電的方框圖看起來(lái)非常相似。主要區別是將天線(xiàn)換成了對被測產(chǎn)品的接口，增加了多級電路以支持更靈活的信號調理，還增加了允許對電路元件進(jìn)行重新配置或根據需要進(jìn)行旁路的信號路徑。這些簡(jiǎn)單的修改使合成儀器所蘊藏的真正潛力能夠發(fā)揮出來(lái)。

本文將略過(guò)合成儀器的基礎知識，只介紹一下圖4中的激勵路徑。如果測試系統以許多信號產(chǎn)生儀器中常見(jiàn)的 “功能組成塊”電路為中心進(jìn)行模塊化，人們通常會(huì )發(fā)現某種用來(lái)創(chuàng )建信號波形的數字信號處理引擎，它后面緊跟著(zhù)一個(gè)模數轉換器。在射頻信號產(chǎn)生電路中，可以發(fā)現一個(gè)上行轉換功能塊，它的主要用途是將基帶信號轉換為射頻信號。在集成系統中，射頻輸出將通過(guò)電纜和開(kāi)關(guān)矩陣連接到被測單元。在一臺傳統儀器中，這些電路元件位于機箱內部，并且是固定的，如果不破壞這個(gè)緊固儀器的完整性，根本無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)中間的電路功能。在一臺合成儀器中，這些功能塊代表能訪(fǎng)問(wèn)輸入和輸出的獨立模塊。

這種“功能劃分”允許用戶(hù)在功能塊之間放置信號開(kāi)關(guān)，并且可以利用各個(gè)電路塊的基本功能。例如，如果依次順序連接所有的功能電路塊，就得到了一臺射頻與微波信號發(fā)生器。如果引出模數轉換器和上行轉換模塊之間的信號，就得到了一臺模擬信號發(fā)生器或函數發(fā)生器。如果直接從DSP進(jìn)行輸出，可以得到一個(gè)數字樣式發(fā)生器。通過(guò)組合不同的信號發(fā)生、捕獲和信號調理功能電路塊，合成測試系統可以對數字、模擬、功率、射頻、微波和許多其它信號類(lèi)型進(jìn)行合成。

需要注意的是，合成儀器可能也會(huì )包含冗余或并行路徑，如圖5所示。例如，系統中可能有一個(gè)高分辨率的窄帶D/A轉換器功能塊，另外還有一個(gè)低分辨率高帶寬功能塊。合成儀器架構主要是按照構建所需激勵信號和測量分析的必要基本電路組成功能塊來(lái)劃分系統。設計中可能包含需要的多種多樣的不同信號調理模塊。在需要多個(gè)同步信號的場(chǎng)合，同樣可以有多個(gè)數字處理功能塊，從而系統設計人員能夠提供所需的多個(gè)并行激勵或測量路徑。盡管如此，由于這一架構支持高層次的復用，冗余部件仍然被降到了最低。

通過(guò)最大程度地利用各個(gè)功能模塊并降低冗余度，合成儀器提供商可以推出性能更高的單元，滿(mǎn)足更嚴格的需求。由于用戶(hù)無(wú)須在許多不必要重復的功能單元上花費，這使得在提高系統性能的同時(shí)降低整個(gè)系統的成本成為可能。例如，如果三臺不同的儀器都含有一個(gè)DSP、D/A轉換器、濾波器和衰減器電路功能塊，就可以將節省下來(lái)的部分經(jīng)費用來(lái)采購一組更高性能的部件。這些特點(diǎn)突出體現在圖6中。在測試設備中，這類(lèi)精簡(jiǎn)除減少了支持測試系統所需的硬件數量之外，還起著(zhù)縮小測試系統體積的作用。

訪(fǎng)問(wèn)低層電路組成功能塊對于校準過(guò)程有著(zhù)極大的幫助。圖7是一個(gè)增加了校準和系統功能測試(STF)環(huán)路的基本合成儀器的方框圖。這個(gè)電路可以包含簡(jiǎn)單的回環(huán)切換路徑，以及標定的傳感器和其它相關(guān)硬件。對于傳統儀器，用戶(hù)是不可能訪(fǎng)問(wèn)到其中間電路環(huán)節的，這使其校準更為困難。更重要的是，這使得傳統儀器難以在運行時(shí)進(jìn)行有效的校準，如果不是不可能的話(huà)。合成系統方法提供了對每個(gè)功能單元進(jìn)行校準的能力，并允許調整校準程序以適應不同的測量類(lèi)型。在大多數情況下，這會(huì )使系統的性能大大提高。

合成架構也增強了系統地處理老化過(guò)時(shí)問(wèn)題和和升級測試系統的能力。當需要升級或出現老化過(guò)時(shí)情況時(shí)，只需添置或替換直接受影響的功能模塊而不是整套儀器。這降低了處理老化過(guò)時(shí)儀器的成本，同時(shí)也減少了相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險。

合成儀器概念看待硬件的方式與面向對象編程技術(shù)看待軟件“模塊”的方式相同。因此，面向對象的軟件與合成儀器方法完全吻合。先進(jìn)的合成實(shí)現方法采用了與功能硬件模塊一一關(guān)聯(lián)的軟件對象，與實(shí)現軟件對象一樣實(shí)現激勵和測量算法。對功能硬件模塊全部所需信息的這種封裝，使得智能軟件很容易將模塊組合為不同的配置形式，并確定最終的激勵和測量能力。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果已知每個(gè)模塊的傳遞函數，就可以對它們進(jìn)行組合，以建立復雜的激勵和測量功能。由于模塊與對象一樣看待，也可以將一組或多組校準系數駐留在對象之內。這使集成商能以多種不同方式對模塊進(jìn)行組合，同時(shí)對于直到與被測部件接口的電路都能維持高精度的系統級校準。

這種面向對象方法帶來(lái)的一個(gè)附加好處是能為測試系統和被測單元提供集成的診斷和故障預測能力。在采用順序編程技術(shù)的傳統測試系統中，很難執行集成診斷。在面向對象的合成系統方法中，智能軟件可以很容易地監控工作狀態(tài)和硬件及軟件對象的狀況，以便提供實(shí)時(shí)診斷。系統性的增強也可以提供故障預測能力。