一种低成本高效测试方法――合成测试系统

        今天的测试与测量提供商面临着与日俱增的压力，它们需要为客户提供成本更为经济，而且能支持迅速加快的产品周期的解决方案。产生这些压力的部分原因是：

1. 产品的总体生命周期和生产成本持续下降，而测试成本却往往不能同步降低。

2. 制造商不断追求更高的生产能力。

3. 产品复杂性的提高、技术和产品集成度的快速进步不断对生产测试设备提出更高要求。产品在生产过程中也经历比以往更多的改进，这也相应推动测试系统在生产周期中进行改进。

4. 在产品生命周期较长的情况下，测试设备的老化过时问题严重。

5. 产品性能的提高推动了对执行速度更快、并能在运行过程中工作的质量更高的系统级校准和自测试的需求。

        传统测试系统提供商通常将一些台式仪器或特定仪器模块组装在机架上，并用相应的电缆和连接器将它们与被测产品连接起来。然后再增加软件，对这些仪器的内嵌功能进行调用。这种方法被称为“机架堆叠”(rack-and-stack)式测试系统开发方式。表1列举了一些传统仪器的例子，图1给出了一个简单的机架堆叠式射频(RF)测试系统。

        台式仪器是为在实验室环境下使用而设计的，它们可以独立进行测试，但供应商也提供有机架安装套件，方便将仪器集成到测试系统中使用。仪器模块包含了与台式仪器相同的核心硬件，但不包用户接口、供电或其它辅助硬件部分。仪器模块插入一块背板之中，依靠一台远程计算机来提供用户界面和控制功能。迄今为止，采用这些部件的传统测试系统还是最为普遍的，但它们在解决测试和测量行业目前面临的挑战时遇到很大困难。

        这些机架堆叠式解决方案常常受到其设计的限制。它们一般用来对一个元件、一个模块或一个子系统进行测试，而没有足够的能力支持对大范围的产品进行测试，最多只能对一个相近系列的产品进行测试。随着产品生命周期的缩短和制造成本的不断下降，专用测试系统变得越来越不经济。为了降低产品的测试成本，测试系统现在必须能够测试多种产品，以确保每种产品都能有一个合理的投资回报(ROI)。

        许多基于台式仪器的系统使用通用仪器总线( GPIB/IEEE-488)等低速通信总线，这大大限制了它们的测试吞吐率。不过，这还只是问题的一部分。由于系统集成商通常只能使用生产时构建在各仪器内部的功能和测试算法，这也带来了一个很大的问题。在许多场合下，为测试而进行的产品配置仅仅允许优化测试算法以提高速度和性能，但对于传统仪器，系统集成商根本无法接触到这个层面。

        在许多情况下，产品中的信号波形或数据协议将随时间发生变化，这可能导致需要改变测试系统中的一台甚至所有仪器。图1所示的传统射频测试系统就体现了这一点。如果原来的产品或被测单元(UUT)工作频率在3GHz以下，测试系统集成商通常将选择覆盖这一频率范围的频谱分析仪、合成器、信号发生器或矢量信号分析仪，以降低初始采购成本，在测试系统竞标中尤其如此。如果下一代产品的工作频率改到了6GHz范围或更高，就需要对只能覆盖3GHz频率范围的所有仪器进行重新购置和集成，尽管它们的处理能力和瞬时带宽或许仍然足够应付升级产品的测试工作。这导致了巨大的一次性成本，并使针对特定单一产品的测试系统泛滥成灾。

        所有这些问题都影响了军事、航天和商业领域的测试系统应用，但仪器老化过时问题给军事应用带来的挑战最为严重。因为军用设备的工作年限很长，军用测试系统的使用期限常常在20年以上。系统老化过时的原因大多是由于测试软件是围绕仪器特定的硬件能力而编写的，而且软件驱动程序相对特殊，使得改进提高还不如彻底地重新设计。替换老化过时设备时也可能遇到没有功能等效设备的情况。有时候，系统集成商必须用几台仪器来替换一台仪器以取得等价功能，而传统架构的测试软件也使这项工作变得更加困难。

        最后，就一个测试系统的总体成本而言，系统校准和自测试正变得越来越重要。机架堆叠式方法中所用的仪器主要是为单独工作和校准而设计的。在许多情况下，当这些仪器被集成到一个系统中时，校准和功能测试便变得难于执行，有时甚至无法执行。今天，产品的性能水平已要求在集成系统一级运行校准程序。为了尽可能地满足测试系统的标准4:1或10:1性能要求，这种方法是必需的。

        作为一个行业，测试和测量供应商面临着提供能够解决这些问题的灵活、可伸缩和高效测试解决方案的挑战。这个挑战实际上也就是开发出一种既能经济地满足今天的要求，又能保护未来投资的方法。

合成测试直面挑战

        今天，测试行业中有进取心的公司正努力迎接挑战，合成仪器已成为许多公司的选择方案。通过将软件算法和基于核心仪器电路组成模块的硬件相结合，合成仪器“合成”了传统仪器中的激励和测量功能。合成仪器的概念来源于当前设计和使用的软件无线电、移动电话和其它通信系统背后的一些广为接受的技术与技巧。为了更好地描述和定义合成仪器的概念，对软件无线电( SDR)作一个概略的介绍将会有所帮助。

        如图2所示，软件无线电仅仅由一个数字信号处理( DSP)引擎、一个通用发射机和接收机前端以及某种形式的发射天线组成。通用发射机和接收机前端在数字数据与调制无线电波之间进行转换，以便进行无线通信。这些部件之后是一个高速数字信号处理(DSP)单元，它提供无线电的大部分功能。在本质上，这种组合提供了一个“通用”的无线电。设计人员通过软件将无线电功能编程到DSP之中，他们编写软件算法和在DSP输入输出端产生或处理数字表示信号的控制模块。如果通信协议或处理算法需要修改，或无线电必须作为一种不同的类型来进行通信，设计人员只需修改软件并将其下载到无线电即可。软件无线电方法消除了传统专用无线电设计方法所需的重新设计和加工新硬件的必要性。今天，在小型封装中所能提供的处理速度和能力使软件无线电的实现变得更加容易。

        图3所示的合成仪器方框图与软件无线电的方框图看起来非常相似。主要区别是将天线换成了对被测产品的接口，增加了多级电路以支持更灵活的信号调理，还增加了允许对电路元件进行重新配置或根据需要进行旁路的信号路径。这些简单的修改使合成仪器所蕴藏的真正潜力能够发挥出来。

        本文将略过合成仪器的基础知识，只介绍一下图4中的激励路径。如果测试系统以许多信号产生仪器中常见的 “功能组成块”电路为中心进行模块化，人们通常会发现某种用来创建信号波形的数字信号处理引擎，它后面紧跟着一个模数转换器。在射频信号产生电路中，可以发现一个上行转换功能块，它的主要用途是将基带信号转换为射频信号。在集成系统中，射频输出将通过电缆和开关矩阵连接到被测单元。在一台传统仪器中，这些电路元件位于机箱内部，并且是固定的，如果不破坏这个紧固仪器的完整性，根本无法访问中间的电路功能。在一台合成仪器中，这些功能块代表能访问输入和输出的独立模块。

        这种“功能划分”允许用户在功能块之间放置信号开关，并且可以利用各个电路块的基本功能。例如，如果依次顺序连接所有的功能电路块，就得到了一台射频与微波信号发生器。如果引出模数转换器和上行转换模块之间的信号，就得到了一台模拟信号发生器或函数发生器。如果直接从DSP进行输出，可以得到一个数字样式发生器。通过组合不同的信号发生、捕获和信号调理功能电路块，合成测试系统