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一種低成本高效測試方法――合成測試系統(tǒng)

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

1. 產品的總體生命周期和生產成本持續(xù)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能力。

3. 產品復雜性的提高,、技術和產品集成度的快速進步不斷對生產測試設備提出更高要求,。產品在生產過程中也經歷比以往更多的改進，這也相應推動測試系統(tǒng)在生產周期中進行改進,。

4. 在產品生命周期較長的情況下,，測試設備的老化過時問題嚴重。

5. 產品性能的提高推動了對執(zhí)行速度更快,、并能在運行過程中工作的質量更高的系統(tǒng)級校準和自測試的需求,。

        傳統(tǒng)測試系統(tǒng)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品連接起來,。然后再增加軟件,，對這些儀器的內嵌功能進行調用。這種方法被稱為“機架堆疊”(rack-and-stack)式測試系統(tǒng)開發(fā)方式,。表1列舉了一些傳統(tǒng)儀器的例子,，圖1給出了一個簡單的機架堆疊式射頻(RF)測試系統(tǒng)。

        臺式儀器是為在實驗室環(huán)境下使用而設計的,，它們可以獨立進行測試,，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(tǒng)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提供用戶界面和控制功能。迄今為止,，采用這些部件的傳統(tǒng)測試系統(tǒng)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(zhàn)時遇到很大困難。

        這些機架堆疊式解決方案常常受到其設計的限制,。它們一般用來對一個元件、一個模塊或一個子系統(tǒng)進行測試,，而沒有足夠的能力支持對大范圍的產品進行測試,，最多只能對一個相近系列的產品進行測試。隨著產品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降,，專用測試系統(tǒng)變得越來越不經濟,。為了降低產品的測試成本，測試系統(tǒng)現(xiàn)在必須能夠測試多種產品,，以確保每種產品都能有一個合理的投資回報(ROI),。

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

        在許多情況下,，產品中的信號波形或數據協(xié)議將隨時間發(fā)生變化,，這可能導致需要改變測試系統(tǒng)中的一臺甚至所有儀器。圖1所示的傳統(tǒng)射頻測試系統(tǒng)就體現(xiàn)了這一點,。如果原來的產品或被測單元(UUT)工作頻率在3GHz以下,，測試系統(tǒng)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(tǒng)競標中尤其如此,。如果下一代產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行重新購置和集成，盡管它們的處理能力和瞬時帶寬或許仍然足夠應付升級產品的測試工作,。這導致了巨大的一次性成本,，并使針對特定單一產品的測試系統(tǒng)泛濫成災。

        所有這些問題都影響了軍事,、航天和商業(yè)領域的測試系統(tǒng)應用，但儀器老化過時問題給軍事應用帶來的挑戰(zhàn)最為嚴重,。因為軍用設備的工作年限很長,，軍用測試系統(tǒng)的使用期限常常在20年以上。系統(tǒng)老化過時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的,，而且軟件驅動程序相對特殊,，使得改進提高還不如徹底地重新設計。替換老化過時設備時也可能遇到沒有功能等效設備的情況,。有時候,，系統(tǒng)集成商必須用幾臺儀器來替換一臺儀器以取得等價功能，而傳統(tǒng)架構的測試軟件也使這項工作變得更加困難,。

        最后,，就一個測試系統(tǒng)的總體成本而言，系統(tǒng)校準和自測試正變得越來越重要,。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系統(tǒng)中時,，校準和功能測試便變得難于執(zhí)行,，有時甚至無法執(zhí)行。今天,，產品的性能水平已要求在集成系統(tǒng)一級運行校準程序,。為了盡可能地滿足測試系統(tǒng)的標準4:1或10:1性能要求,，這種方法是必需的。

        作為一個行業(yè),，測試和測量供應商面臨著提供能夠解決這些問題的靈活,、可伸縮和高效測試解決方案的挑戰(zhàn)。這個挑戰(zhàn)實際上也就是開發(fā)出一種既能經濟地滿足今天的要求,，又能保護未來投資的方法,。

合成測試直面挑戰(zhàn)

        今天，測試行業(yè)中有進取心的公司正努力迎接挑戰(zhàn),，合成儀器已成為許多公司的選擇方案,。通過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(tǒng)儀器中的激勵和測量功能,。合成儀器的概念來源于當前設計和使用的軟件無線電,、移動電話和其它通信系統(tǒng)背后的一些廣為接受的技術與技巧。為了更好地描述和定義合成儀器的概念,，對軟件無線電( SDR)作一個概略的介紹將會有所幫助,。

        如圖2所示,，軟件無線電僅僅由一個數字信號處理( DSP)引擎、一個通用發(fā)射機和接收機前端以及某種形式的發(fā)射天線組成,。通用發(fā)射機和接收機前端在數字數據與調制無線電波之間進行轉換,，以便進行無線通信。這些部件之后是一個高速數字信號處理(DSP)單元,，它提供無線電的大部分功能,。在本質上，這種組合提供了一個“通用”的無線電,。設計人員通過軟件將無線電功能編程到DSP之中,，他們編寫軟件算法和在DSP輸入輸出端產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,，或無線電必須作為一種不同的類型來進行通信,，設計人員只需修改軟件并將其下載到無線電即可。軟件無線電方法消除了傳統(tǒng)專用無線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線電的實現(xiàn)變得更加容易。

        圖3所示的合成儀器方框圖與軟件無線電的方框圖看起來非常相似,。主要區(qū)別是將天線換成了對被測產品的接口,，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行重新配置或根據需要進行旁路的信號路徑。這些簡單的修改使合成儀器所蘊藏的真正潛力能夠發(fā)揮出來,。

        本文將略過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(tǒng)以許多信號產生儀器中常見的 “功能組成塊”電路為中心進行模塊化,，人們通常會發(fā)現(xiàn)某種用來創(chuàng)建信號波形的數字信號處理引擎，它后面緊跟著一個模數轉換器,。在射頻信號產生電路中,，可以發(fā)現(xiàn)一個上行轉換功能塊，它的主要用途是將基帶信號轉換為射頻信號,。在集成系統(tǒng)中，射頻輸出將通過電纜和開關矩陣連接到被測單元,。在一臺傳統(tǒng)儀器中,，這些電路元件位于機箱內部，并且是固定的,，如果不破壞這個緊固儀器的完整性,，根本無法訪問中間的電路功能。在一臺合成儀器中,，這些功能塊代表能訪問輸入和輸出的獨立模塊,。

        這種“功能劃分”允許用戶在功能塊之間放置信號開關，并且可以利用各個電路塊的基本功能,。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進行輸出,，可以得到一個數字樣式發(fā)生器,。通過組合不同的信號發(fā)生、捕獲和信號調理功能電路塊,，合成測試系統(tǒng)