一種低成本高效測試方法——合成測試系統

傳統測試系統通常將一些臺式儀器或特定儀器模塊組裝在機架上，構成“機架堆疊”式測試系統，這種測試系統的局限性在于它們一般用來(lái)對一個(gè)元件、一個(gè)模塊或一個(gè)子系統進(jìn)行測試，而沒(méi)有足夠的能力支持對大范圍的產(chǎn)品進(jìn)行測試，最多只能對一個(gè)相近系列的產(chǎn)品進(jìn)行測試。隨著(zhù)產(chǎn)品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降，專(zhuān)用測試系統變得越來(lái)越不經(jīng)濟。為了降低產(chǎn)品的測試成本，測試系統現在必須能夠測試多種產(chǎn)品，以確保每種產(chǎn)品都能有一個(gè)合理的投資回報(ROI)。本文從解決靈活性、可伸縮和高效測試等問(wèn)題入手，介紹既能經(jīng)濟地滿(mǎn)足今天的要求，又能保護未來(lái)投資的合成測試系統方法。

今天的測試與測量提供商面臨著(zhù)與日俱增的壓力，它們需要為客戶(hù)提供成本更為經(jīng)濟，而且能支持迅速加快的產(chǎn)品周期的解決方案。產(chǎn)生這些壓力的部分原因是：

1. 產(chǎn)品的總體生命周期和生產(chǎn)成本持續下降，而測試成本卻往往不能同步降低。

2. 制造商不斷追求更高的生產(chǎn)能力。

3. 產(chǎn)品復雜性的提高、技術(shù)和產(chǎn)品集成度的快速進(jìn)步不斷對生產(chǎn)測試設備提出更高要求。產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中也經(jīng)歷比以往更多的改進(jìn)，這也相應推動(dòng)測試系統在生產(chǎn)周期中進(jìn)行改進(jìn)。

4. 在產(chǎn)品生命周期較長(cháng)的情況下，測試設備的老化過(guò)時(shí)問(wèn)題嚴重。

5. 產(chǎn)品性能的提高推動(dòng)了對執行速度更快、并能在運行過(guò)程中工作的質(zhì)量更高的系統級校準和自測試的需求。

傳統測試系統提供商通常將一些臺式儀器或特定儀器模塊組裝在機架上，并用相應的電纜和連接器將它們與被測產(chǎn)品連接起來(lái)。然后再增加軟件，對這些儀器的內嵌功能進(jìn)行調用。這種方法被稱(chēng)為“機架堆疊”(rack-and-stack)式測試系統開(kāi)發(fā)方式。表1列舉了一些傳統儀器的例子，圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的機架堆疊式射頻(RF)測試系統。

臺式儀器是為在實(shí)驗室環(huán)境下使用而設計的，它們可以獨立進(jìn)行測試，但供應商也提供有機架安裝套件，方便將儀器集成到測試系統中使用。儀器模塊包含了與臺式儀器相同的核心硬件，但不包用戶(hù)接口、供電或其它輔助硬件部分。儀器模塊插入一塊背板之中，依靠一臺遠程計算機來(lái)提供用戶(hù)界面和控制功能。迄今為止，采用這些部件的傳統測試系統還是最為普遍的，但它們在解決測試和測量行業(yè)目前面臨的挑戰時(shí)遇到很大困難。

這些機架堆疊式解決方案常常受到其設計的限制。它們一般用來(lái)對一個(gè)元件、一個(gè)模塊或一個(gè)子系統進(jìn)行測試，而沒(méi)有足夠的能力支持對大范圍的產(chǎn)品進(jìn)行測試，最多只能對一個(gè)相近系列的產(chǎn)品進(jìn)行測試。隨著(zhù)產(chǎn)品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降，專(zhuān)用測試系統變得越來(lái)越不經(jīng)濟。為了降低產(chǎn)品的測試成本，測試系統現在必須能夠測試多種產(chǎn)品，以確保每種產(chǎn)品都能有一個(gè)合理的投資回報(ROI)。

許多基于臺式儀器的系統使用通用儀器總線(xiàn)(GPIB/IEEE-488)等低速通信總線(xiàn)，這大大限制了它們的測試吞吐率。不過(guò)，這還只是問(wèn)題的一部分。由于系統集成商通常只能使用生產(chǎn)時(shí)構建在各儀器內部的功能和測試算法，這也帶來(lái)了一個(gè)很大的問(wèn)題。在許多場(chǎng)合下，為測試而進(jìn)行的產(chǎn)品配置僅僅允許優(yōu)化測試算法以提高速度和性能，但對于傳統儀器，系統集成商根本無(wú)法接觸到這個(gè)層面。

在許多情況下，產(chǎn)品中的信號波形或數據協(xié)議將隨時(shí)間發(fā)生變化，這可能導致需要改變測試系統中的一臺甚至所有儀器。圖1所示的傳統射頻測試系統就體現了這一點(diǎn)。如果原來(lái)的產(chǎn)品或被測單元(UUT)工作頻率在3GHz以下，測試系統集成商通常將選擇覆蓋這一頻率范圍的頻譜分析儀、合成器、信號發(fā)生器或矢量信號分析儀，以降低初始采購成本，在測試系統競標中尤其如此。如果下一代產(chǎn)品的工作頻率改到了6GHz范圍或更高，就需要對只能覆蓋3GHz頻率范圍的所有儀器進(jìn)行重新購置和集成，盡管它們的處理能力和瞬時(shí)帶寬或許仍然足夠應付升級產(chǎn)品的測試工作。這導致了巨大的一次性成本，并使針對特定單一產(chǎn)品的測試系統泛濫成災。

所有這些問(wèn)題都影響了軍事、航天和商業(yè)領(lǐng)域的測試系統應用，但儀器老化過(guò)時(shí)問(wèn)題給軍事應用帶來(lái)的挑戰最為嚴重。因為軍用設備的工作年限很長(cháng)，軍用測試系統的使用期限常常在20年以上。系統老化過(guò)時(shí)的原因大多是由于測試軟件是圍繞儀器特定的硬件能力而編寫(xiě)的，而且軟件驅動(dòng)程序相對特殊，使得改進(jìn)提高還不如徹底地重新設計。替換老化過(guò)時(shí)設備時(shí)也可能遇到?jīng)]有功能等效設備的情況。有時(shí)候，系統集成商必須用幾臺儀器來(lái)替換一臺儀器以取得等價(jià)功能，而傳統架構的測試軟件也使這項工作變得更加困難。

最后，就一個(gè)測試系統的總體成本而言，系統校準和自測試正變得越來(lái)越重要。機架堆疊式方法中所用的儀器主要是為單獨工作和校準而設計的。在許多情況下，當這些儀器被集成到一個(gè)系統中時(shí)，校準和功能測試便變得難于執行，有時(shí)甚至無(wú)法執行。今天，產(chǎn)品的性能水平已要求在集成系統一級運行校準程序。為了盡可能地滿(mǎn)足測試系統的標準4:1或10:1性能要求，這種方法是必需的。

作為一個(gè)行業(yè)，測試和測量供應商面臨著(zhù)提供能夠解決這些問(wèn)題的靈活、可伸縮和高效測試解決方案的挑戰。這個(gè)挑戰實(shí)際上也就是開(kāi)發(fā)出一種既能經(jīng)濟地滿(mǎn)足今天的要求，又能保護未來(lái)投資的方法。

合成測試直面挑戰

今天，測試行業(yè)中有進(jìn)取心的公司正努力迎接挑戰，合成儀器已成為許多公司的選擇方案。通過(guò)將軟件算法和基于核心儀器電路組成模塊的硬件相結合，合成儀器“合成”了傳統儀器中的激勵和測量功能。合成儀器的概念來(lái)源于當前設計和使用的軟件無(wú)線(xiàn)電、移動(dòng)電話(huà)和其它通信系統背后的一些廣為接受的技術(shù)與技巧。為了更好地描述和定義合成儀器的概念，對軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)作一個(gè)概略的介紹將會(huì )有所幫助。

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。

在合成環(huán)境中，接口的選擇沒(méi)有什么影響。方案提供商可以混合采用PXI、VXI、GPIB、Ethernet、USB、PCI、PCI-X或包括交換結構在內的任何其它通信總線(xiàn)，因為硬件和軟件模塊之間的接口也與插件對象一樣看待。硬件配置是從軟件部件和模塊中抽象出來(lái)的，這提供了一個(gè)非常強大的系統架構。

合成儀器的最大好處之一是它的測試能力不是受到測試儀器特性的約束，而是代表被測單元的工作特性。這方面的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是測試衰減器組的特性。常規的方法可能是先用一個(gè)功率計進(jìn)行輸出幅度測試，然后再用一個(gè)頻譜分析儀來(lái)進(jìn)行頻率響應測試，測試在工作參考設置條件下進(jìn)行。

每臺儀器所做的單次掃描結果如圖8(增益)和圖9(頻率響應)所示。圖8中的特性曲線(xiàn)看來(lái)是線(xiàn)性的，沒(méi)有什么明顯問(wèn)題。圖9中的特性曲線(xiàn)似乎線(xiàn)性度也不錯。不過(guò)，由于測試過(guò)程中使用了兩臺儀器，不容易研究所有的工作區域。任何試圖覆蓋整個(gè)工作范圍的努力都需要在不同的功率水平、頻率和衰減設置上進(jìn)行多次測試，同時(shí)還不可避免地要無(wú)數次地重復測試許多數據點(diǎn)。單域測試常常會(huì )隱藏一些工作區域中不良的非線(xiàn)性特性，而且雖然傳統儀器可被配置和用來(lái)涵蓋整個(gè)測試范圍，但并不十分有效。采用傳統儀器時(shí)所牽涉的大量設計和測試時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)也是必須考慮的。

相比之下，一臺合成儀器就能執行更為復雜的測試，象三維表面一樣刻劃出衰減器組的幅度和頻率響應。測試結果如圖10所示。圖中曲線(xiàn)顯示，衰減器組在某些工作區域有一些不好的非線(xiàn)性特性，很可能涉及衰減器組中某些特定的衰減器。經(jīng)過(guò)校正，很容易就可以?xún)H僅針對有關(guān)的區域進(jìn)行重復測試，如果需要，還可以定義附加的通過(guò)/失敗準則作為響應表面的坡度。測試維數也可以增加到包括相位響應或其它因素。合成測試方法可以輕松地對這些復雜的測試腳本進(jìn)行控制，在減少測試次數和增加被測單元涵蓋范圍方面，合成測試所帶來(lái)的好處只受到測試設計人員創(chuàng )造力的限制。

合成解決方案

由于合成儀器方法所帶來(lái)的廣泛好處，它可以支持許多測試和測量應用。已在使用或正在開(kāi)發(fā)中的合成解決方案涵蓋了軍事、航天和商業(yè)測試等各個(gè)領(lǐng)域的市場(chǎng)。

目前，美國國防部正積極采購新的測試系統和以合成架構為基礎升級老的測試系統。這一點(diǎn)絲毫不值得奇怪，因為測試測量行業(yè)的許多技術(shù)進(jìn)步都脫胎于軍事與航天測試應用。合成測試系統將為國防部提供它所需要的靈活性以及更便攜、經(jīng)濟和免于老化過(guò)時(shí)的測試方案，并具有在戰場(chǎng)上提供多兵種支持的能力。

在最近的伊拉克戰爭期間，人們發(fā)現在許多場(chǎng)合美軍士兵嚴重喪失了后勤支持。合成測試系統的靈活性和更小的體積使它能以更少的設備為軍隊提供更多的測試功能，以及為多兵種的設備提供測試的能力。運行多種不同測試算法和提供多種接口支持了合成測試系統的多兵種測試能力，而便攜能力的增強將使士兵們在戰場(chǎng)上受益。

合成儀器在軍事與航天測試中最吸引人的潛力在于它無(wú)需任何修改便可運行原有的測試程序。美國海軍的CASS測試系統運行著(zhù)3000多個(gè)測試程序組(TPS)，但它面臨著(zhù)嚴重的儀器老化過(guò)時(shí)問(wèn)題。在A(yíng)utotestcon 2002會(huì )議上，Aeroflex和洛克西德-馬丁公司進(jìn)行了一次聯(lián)合演示，它們利用一個(gè)合成射頻子系統來(lái)替換一套傳統的射頻儀器。演示系統運行了未經(jīng)修改的有代表性的CASS測試程序，包括與被測單元的軟硬件接口?？紤]到600多套在用的CASS系統和數十億美元的TPS投資，在處理大規模老化過(guò)時(shí)問(wèn)題上，合成儀器方法可以極大地降低成本和復雜性。

一家頂級商業(yè)衛星制造商希望大幅削減衛星通信有效載荷測試所花費的時(shí)間，包括從部件級測試到整個(gè)衛星的測試。從最初將各個(gè)部件安裝到面板，到完整組裝的有效載荷，最后到全部組裝好的衛星一級，該公司都要對有效載荷進(jìn)行測試。圖11是該公司基于儀器的老系統的方框圖，圖12是替換它的合成測試系統的方框圖。這個(gè)案例提供了一個(gè)對合成測試的有關(guān)性能與投資回報潛力進(jìn)行評價(jià)的絕佳途徑，因為最終用戶(hù)有一個(gè)可用來(lái)進(jìn)行直接比較的老系統。

在進(jìn)行比較時(shí)，最終用戶(hù)在新舊兩個(gè)系統上運行了同樣的測試過(guò)程，用的是相同的測試序列軟件。測試得到的基準數據顯示，合成測試系統具有突出的性能優(yōu)勢。表2給出了比較結果，可見(jiàn)速度平均提高近2.5倍。線(xiàn)性頻率響應測試的速度提高了幾乎10倍，這一點(diǎn)尤為重要，因為對于每顆衛星，這項測試都要執行幾千次。這些結果只反映了部分的節省情況。系統設置和校準時(shí)間也有相似程度的減少，這使端對端測試的周期時(shí)間和成本都有顯著(zhù)降低。

本文小結

對于商業(yè)無(wú)線(xiàn)電和通信測試，合成方法也能產(chǎn)生類(lèi)似的效果。今天，瞬時(shí)帶寬能達到數百兆赫茲的模數或數模轉換模塊已不少見(jiàn)。這些部件與接收器前端和高性能射頻上下行轉換模塊相結合，可以實(shí)現軟件定義的測試系統。在本質(zhì)上，這些測試系統組成了一個(gè)儀器品質(zhì)的SDR，能測試老式無(wú)線(xiàn)電和軟件無(wú)線(xiàn)電。軟件定義的靈活性使獲得的測試系統可以對具有不同頻率、調制方式、數據協(xié)議甚至跳頻能力的多種類(lèi)型無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行測試。顯而易見(jiàn)，組建一個(gè)基于合成儀器的測試系統有著(zhù)相當大的好處。如果你或你的公司需要一個(gè)新的或改進(jìn)的測試系統，建議鄭重考慮一下合成測試系統解決方案。