無(wú)線技術(shù)正滲透到生活的方方面面——從手機(jī)到筆記本電腦、PDA、游戲控制器、數(shù)碼相機(jī)和手持GPS設(shè)備。大部分用戶可能并不了解其使用的無(wú)線設(shè)備的復(fù)雜性和精密性。但是，設(shè)計(jì)人員和制造商卻非常清楚他們所設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的各種無(wú)線產(chǎn)品必須滿足嚴(yán)格的產(chǎn)品規(guī)范、越來(lái)越短的上市周期和低成本的要求。

在Wi-Fi技術(shù)出現(xiàn)的早期，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)Wi-Fi產(chǎn)品一般采用通用的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行研發(fā)和制造測(cè)試。但是隨著產(chǎn)量的增加和價(jià)格的下降，這種方法已經(jīng)行不通了。這一行業(yè)需要一種系統(tǒng)級(jí)解決方案，不但能夠像通用儀器一樣測(cè)量參數(shù)，而且能夠提供符合面向規(guī)范的測(cè)試方案。換句話說(shuō)，新的測(cè)試方案不但能夠測(cè)量具體的參數(shù)，而且要提供圖形化測(cè)量結(jié)果，并快速反映DUT的信號(hào)細(xì)節(jié)特性。

無(wú)線連接規(guī)范涉及發(fā)送和接收兩方面，總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大的傳輸效率及與其他無(wú)線設(shè)備之間的最小干擾。因此，系統(tǒng)級(jí)的解決方案要能夠捕捉DUT的發(fā)射信號(hào)，根據(jù)每種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行快速而全面的分析。對(duì)接收測(cè)試而言，測(cè)試系統(tǒng)必須提供精確可控的信號(hào)源，根據(jù)技術(shù)規(guī)范測(cè)試DUT的特征。

測(cè)試系統(tǒng)需要分析DUT的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)。因此，測(cè)試儀器和測(cè)試方案必須能夠快速捕捉和分析信號(hào)，輸出測(cè)試結(jié)果。然而，每一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)和測(cè)試預(yù)算是有限的，這就要求系統(tǒng)的采購(gòu)成本及其測(cè)試速度必須滿足無(wú)線產(chǎn)品的上市周期與成本要求，能夠幫助研發(fā)人員在數(shù)周內(nèi)而不是數(shù)月內(nèi)將原始的設(shè)計(jì)變成量產(chǎn)的產(chǎn)品。

2003年以來(lái)，這樣的系統(tǒng)已被應(yīng)用于Wi-Fi產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量控制。隨著時(shí)間的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，包括WiMAX、藍(lán)牙、WiMedia和ZigBee。下面來(lái)分析這些無(wú)線規(guī)范與測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)系。

人機(jī)接口

在設(shè)計(jì)新型無(wú)線設(shè)備的研發(fā)中，設(shè)計(jì)人員必須分析底層標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)方面。所有的無(wú)線規(guī)范都涉及射頻和調(diào)制技術(shù)，通常具有基帶和射頻調(diào)制兩大子系統(tǒng)。在研發(fā)過(guò)程中，這些子系統(tǒng)能分別進(jìn)行獨(dú)立的和綜合的測(cè)試分析是非常重要的，因此，需要一個(gè)測(cè)試儀器能夠分別發(fā)射和接收射頻及基帶信號(hào)。

圖1 硬件接口盡可能保持簡(jiǎn)單——射頻輸入/輸出、基帶輸入/輸出、外部觸發(fā)輸入/輸出

這種面向系統(tǒng)的測(cè)試解決方案不需要像通用實(shí)驗(yàn)儀器那樣提供許多控制按鈕和開關(guān)，在面板上只有射頻與基帶輸入輸出端口（如圖1所示）。應(yīng)用基于PC的用戶圖形界面（GUI）軟件系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)卡接口，能夠容易控制和操作測(cè)試系統(tǒng)。運(yùn)行于PC上的分析軟件大大降低了測(cè)試系統(tǒng)的成本，同時(shí)又保持了快速而全面的對(duì)信號(hào)捕捉和分析能力。

針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同GUI界面的軟件（例如，其中一種用于Wi-Fi，另一種用于WiMAX），可以將各種標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的測(cè)試需求集成到軟件之中。例如，針對(duì)于用戶開發(fā)出某種符合802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的功率譜密度模板的Wi-Fi產(chǎn)品，這樣的測(cè)試軟件可以加快測(cè)試速度且減少測(cè)試錯(cuò)誤。

一旦某個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型，即便其中的元件處于最壞設(shè)計(jì)容差的情況下仍能通過(guò)測(cè)試，那么這就是一個(gè)好的生產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是，元件失效或者制造工藝偏差等問(wèn)題仍可能造成產(chǎn)品失效，這個(gè)必須在裝箱運(yùn)送之前能夠檢測(cè)出來(lái)。這樣的測(cè)試中，射頻和基帶系統(tǒng)已經(jīng)不需要進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試，這時(shí)所需要的是一套全面而快速的測(cè)試方案，用來(lái)挑出有質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)品。

在這種情況下，我們可以采用和研發(fā)相同的測(cè)試架構(gòu)，但取消了基帶輸入和輸出端口，簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)（如圖2所示）。儀器只需要射頻輸入和輸出兩個(gè)端口，測(cè)試軟件只需要在數(shù)秒內(nèi)快速得出“pass”或“fail”的測(cè)試結(jié)果。這種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)具有較低的采購(gòu)成本，快速的測(cè)試速度也有利于降低總體測(cè)試成本。這對(duì)于產(chǎn)量大、價(jià)格便宜的無(wú)線產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的——目前，這樣面向制造測(cè)試的儀器已經(jīng)能夠涵蓋所有的需求。

圖2 取消基帶和簡(jiǎn)化觸發(fā)接口使同樣硬件構(gòu)架平臺(tái)最終變成一個(gè)面向制造的低成本測(cè)試系統(tǒng)解決方案

測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件

測(cè)試儀器需要產(chǎn)生和分析基于正交調(diào)制（如IQ調(diào)制）的信號(hào)。VSA（vector signal analyzer，矢量信號(hào)分析器）分析捕捉DUT發(fā)射信號(hào)，VSG（vector signal generator，矢量信號(hào)發(fā)生器）用于對(duì)DUT的靈敏度和對(duì)非理想信號(hào)的解調(diào)能力進(jìn)行測(cè)試（如圖3所示）。

圖3 測(cè)試硬件包含VSA、VSG和內(nèi)部控制模塊（例如PC的功能），通過(guò)以太網(wǎng)與PC主機(jī)進(jìn)行通信

VSA和VSG都可以通過(guò)PC軟件進(jìn)行控制，利用GUI界面可以控制信號(hào)的帶寬、功率、衰減等特性。對(duì)于VSA而言，GUI界面允許用戶選擇顯示內(nèi)容以及進(jìn)行顯示設(shè)置。例如，用戶可以在一個(gè)窗口查看頻譜、功率譜密度圖和子載波星座圖。部分或所有視圖都可由用戶自由選擇，同步顯示信號(hào)的多個(gè)信息。

將其應(yīng)用于研發(fā)

毫無(wú)疑問(wèn)，單芯片方案和參考設(shè)計(jì)已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程。但在實(shí)際研發(fā)中，很難僅僅通過(guò)對(duì)參考設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單改動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還需要處理頻率穩(wěn)定性、頻譜密度、群延遲、相位不平衡和本地振蕩器泄漏等問(wèn)題。然而，想要解決某個(gè)問(wèn)題之前必須首先搞清楚問(wèn)題本身。在這樣的情況下就是該系統(tǒng)測(cè)試方案起效的時(shí)候了，與其漫無(wú)目的地尋找各種參數(shù)——微伏、毫安、毫瓦與頻率的關(guān)系，不如利用EVM測(cè)量和含有豐富信息的圖形來(lái)快速定位設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

圖4 GUI軟件提供了信息量豐富的圖形顯示以及菜單可選的視圖

例如，當(dāng)功率放大器上電的時(shí)候就可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，功率放大器產(chǎn)生的電流將對(duì)晶振或者本地振蕩器產(chǎn)生頻率牽引。典型情況下，如果頻率恢復(fù)得快，那么很有可能是本地振蕩器受到牽引，但是當(dāng)其恢復(fù)較慢的時(shí)候，則可能是基準(zhǔn)晶振受到牽引。這里以實(shí)例說(shuō)明圖形化界面是如何幫助我們判斷受到牽引的是晶振還是LO的（如圖5所示）。

圖5 左圖中快速的頻率穩(wěn)定過(guò)程表明是VCO頻推；右圖中較慢的頻率穩(wěn)定過(guò)程表明是晶振頻推

對(duì)于802.11a/g信號(hào)，我們使用STS（short training sequence，短訓(xùn)練序列）估算頻率誤差（圖5左圖中紅線表示STS的平均頻率誤差），如果在一個(gè)包的結(jié)尾發(fā)現(xiàn)頻率誤差與STS 的計(jì)算不同， 則代表在封包的內(nèi)部頻率誤差有波動(dòng)。

圖6 左圖和中圖表示VCO或晶振牽引的影響，右圖表示功放開啟的影響

這里來(lái)看幾個(gè)不同的OFDM信號(hào)頻率誤差計(jì)算方法（如圖6所示）。頻率誤差預(yù)估參數(shù)的調(diào)整會(huì)對(duì)EVM結(jié)果產(chǎn)生影響。這些選項(xiàng)參數(shù)是根據(jù)短訓(xùn)練序列、長(zhǎng)訓(xùn)練序列以整個(gè)數(shù)據(jù)包來(lái)計(jì)算頻率誤差，如果EVM結(jié)果對(duì)頻率誤差預(yù)估方式的選擇非常敏感，那就表明系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性有問(wèn)題——最有可能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)包的開頭。

圖7 OFDM星座圖提供的信息非常詳盡

星座圖（如圖7所示）能夠提供很多相關(guān)信息用作設(shè)計(jì)參考，通過(guò)相位、增益和功率壓縮等信息能夠幫助我們縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和DVT（device verification testing）階段所需的時(shí)間。

如圖7所示，上左圖是一個(gè)理想的OFDM信號(hào)星座圖。上右圖給出了I/Q不平衡的情形（兩路基帶調(diào)制信號(hào)在上變頻之前幅度不一致，EVM變差）。下左圖給出了I/Q非理想正交的情形（兩路基帶信號(hào)在上變頻之前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全正交，星座圖出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，EVM變差）。下右圖給出了幅值和相位同時(shí)失配的情形。

應(yīng)用于制造

如前所述，當(dāng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)入制造測(cè)試階段，通常會(huì)假設(shè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)等都沒(méi)有問(wèn)題。很多失效問(wèn)題都來(lái)源于制造而非設(shè)計(jì)缺陷。因此，軟件不需要提供設(shè)計(jì)過(guò)程中的測(cè)試細(xì)節(jié)。面向制造測(cè)試階段的軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)是簡(jiǎn)潔的GUI界面和快速的產(chǎn)品測(cè)試功能。

適用于制造測(cè)試的軟件，GUI界面簡(jiǎn)潔，測(cè)試快速。單擊GUI界面中“測(cè)試按鈕”啟動(dòng)測(cè)試，輸入DUT的MAC地址，軟件開始對(duì)DUT進(jìn)行測(cè)試，最終窗口顯示測(cè)試細(xì)節(jié)和Pass或者Fail。
研發(fā)和制造測(cè)試平臺(tái)采用相同的架構(gòu)，這樣做的好處是使某些可能在制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題很容易被追溯到研發(fā)階段，不需要特別復(fù)雜的處理。研發(fā)和測(cè)試階段采用同樣的VSA和VSG硬件構(gòu)架和設(shè)置，這有利于簡(jiǎn)化問(wèn)題和加快問(wèn)題的解決。

總結(jié)

本文介紹的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)都是基于LitePoint公司的IQview和IQflex測(cè)試平臺(tái)，這款面向Wi-Fi的測(cè)試產(chǎn)品早已于2003年被推出。目前，面向Wi-Fi和WiMAX的一個(gè)全新的測(cè)試平臺(tái)IQmax也已問(wèn)世，它將幫助ODM廠商和大型制造商進(jìn)一步節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)和制造的時(shí)間與成本。