一种低成本高效测试方法——合成测试系统

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，合成测试系统可以对数字、模拟、功率、射频、微波和许多其它信号类型进行合成。 

需要注意的是，合成仪器可能也会包含冗余或并行路径，如图5所示。例如，系统中可能有一个高分辨率的窄带D/A转换器功能块，另外还有一个低分辨率高带宽功能块。合成仪器架构主要是按照构建所需激励信号和测量分析的必要基本电路组成功能块来划分系统。设计中可能包含需要的多种多样的不同信号调理模块。在需要多个同步信号的场合，同样可以有多个数字处理功能块，从而系统设计人员能够提供所需的多个并行激励或测量路径。尽管如此，由于这一架构支持高层次的复用，冗余部件仍然被降到了最低。

通过最大程度地利用各个功能模块并降低冗余度，合成仪器提供商可以推出性能更高的单元，满足更严格的需求。由于用户无须在许多不必要重复的功能单元上花费，这使得在提高系统性能的同时降低整个系统的成本成为可能。例如，如果三台不同的仪器都含有一个DSP、D/A转换器、滤波器和衰减器电路功能块，就可以将节省下来的部分经费用来采购一组更高性能的部件。这些特点突出体现在图6中。在测试设备中，这类精简除减少了支持测试系统所需的硬件数量之外，还起着缩小测试系统体积的作用。

访问低层电路组成功能块对于校准过程有着极大的帮助。图7是一个增加了校准和系统功能测试(STF)环路的基本合成仪器的方框图。这个电路可以包含简单的回环切换路径，以及标定的传感器和其它相关硬件。对于传统仪器，用户是不可能访问到其中间电路环节的，这使其校准更为困难。更重要的是，这使得传统仪器难以在运行时进行有效的校准，如果不是不可能的话。合成系统方法提供了对每个功能单元进行校准的能力，并允许调整校准程序以适应不同的测量类型。在大多数情况下，这会使系统的性能大大提高。 

合成架构也增强了系统地处理老化过时问题和和升级测试系统的能力。当需要升级或出现老化过时情况时，只需添置或替换直接受影响的功能模块而不是整套仪器。这降低了处理老化过时仪器的成本，同时也减少了相关的技术风险。

合成仪器概念看待硬件的方式与面向对象编程技术看待软件“模块”的方式相同。因此，面向对象的软件与合成仪器方法完全吻合。先进的合成实现方法采用了与功能硬件模块一一关联的软件对象，与实现软件对象一样实现激励和测量算法。对功能硬件模块全部所需信息的这种封装，使得智能软件很容易将模块组合为不同的配置形式，并确定最终的激励和测量能力。举个简单的例子，如果已知每个模块的传递函数，就可以对它们进行组合，以建立复杂的激励和测量功能。由于模块与对象一样看待，也可以将一组或多组校准系数驻留在对象之内。这使集成商能以多种不同方式对模块进行组合，同时对于直到与被测部件接口的电路都能维持高精度的系统级校准。

这种面向对象方法带来的一个附加好处是能为测试系统和被测单元提供集成的诊断和故障预测能力。在采用顺序编程技术的传统测试系统中，很难执行集成诊断。在面向对象的合成系统方法中，智能软件可以很容易地监控工作状态和硬件及软件对象的状况，以便提供实时诊断。系统性的增强也可以提供故障预测能力。

在合成环境中，接口的选择没有什么影响。方案提供商可以混合采用PXI、VXI、GPIB、Ethernet、USB、PCI、PCI-X或包括交换结构在内的任何其它通信总线，因为硬件和软件模块之间的接口也与插件对象一样看待。硬件配置是从软件部件和模块中抽象出来的，这提供了一个非常强大的系统架构。

合成仪器的最大好处之一是它的测试能力不是受到测试仪器特性的约束，而是代表被测单元的工作特性。这方面的一个简单例子是测试衰减器组的特性。常规的方法可能是先用一个功率计进行输出幅度测试，然后再用一个频谱分析仪来进行频率响应测试，测试在工作参考设置条件下进行。

每台仪器所做的单次扫描结果如图8(增益)和图9(频率响应)所示。图8中的特性曲线看来是线性的，没有什么明显问题。图9中的特性曲线似乎线性度也不错。不过，由于测试过程中使用了两台仪器，不容易研究所有的工作区域。任何试图覆盖整个工作范围的努力都需要在不同的功率水平、频率和衰减设置上进行多次测试，同时还不可避免地要无数次地重复测试许多数据点。单域测试常常会隐藏一些工作区域中不良的非线性特性，而且虽然传统仪器可被配置和用来涵盖整个测试范围，但并不十分有效。采用传统仪器时所牵涉的大量设计和测试时间开销也是必须考虑的。

相比之下，一台合成仪器就能执行更为复杂的测试，象三维表面一样刻划出衰减器组的幅度和频率响应。测试结果如图10所示。图中曲线显示，衰减器组在某些工作区域有一些不好的非线性特性，很可能涉及衰减器组中某些特定的衰减器。经过校正，很容易就可以仅仅针对有关的区域进行重复测试，如果需要，还可以定义附加的通过/失败准则作为响应表面的坡度。测试维数也可以增加到包括相位响应或其它因素。合成测试方法可以轻松地对这些复杂的测试脚本进行控制，在减少测试次数和增加被测单元涵盖范围方面，合成测试所带来的好处只受到测试设计人员创造力的限制。

合成解决方案

由于合成仪器方法所带来的广泛好处，它可以支持许多测试和测量应用。已在使用或正在开发中的合成解决方案涵盖了军事、航天和商业测试等各个领域的市场。

目前，美国国防部正积极采购新的测试系统和以合成架构为基础升级老的测试系统。这一点丝毫不值得奇怪，因为测试测量行业的许多技术进步都脱胎于军事与航天测试应用。合成测试系统将为国防部提供它所需要的灵活性以及更便携、经济和免于老化过时的测试方案，并具有在战场上提供多兵种支持的能力。

在最近的伊拉克战争期间，人们发现在许多场合美军士兵严重丧失了后勤支持。合成测试系统的灵活性和更小的体积使它能以更少的设备为军队提供更多的测试功能，以及为多兵种的设备提供测试的能力。运行多种不同测试算法和提供多种接口支持了合成测试系统的多兵种测试能力，而便携能力的增强将使士兵们在战场上受益。 

合成仪器在军事与航天测试中最吸引人的潜力在于它无需任何修改便可运行原有的测试程序。美国海军的CASS测试系统运行着3000多个测试程序组(TPS)，但它面临着严重的仪器老化过时问题。在Autotestcon 2002会议上，Aeroflex和洛克西德-马丁公司进行了一次联合演示，它们利用一个合成射频子系统来替换一套传统的射频仪器。演示系统运行了未经修改的有代表性的CASS测试程序，包括与被测单元的软硬件接口。考虑到600多套在用的CASS系统和数十亿美元的TPS投资，在处理大规模老化过时问题上，合成仪器方法可以极大地降低成本和复杂性。

一家顶级商业卫星制造商希望大幅削减卫星通信有效载荷测试所花费的时间，包括从部件级测试到整个卫星的测试。从最初将各个部件安装到面板，到完整组装的有效载荷，最后到全部组装好的卫星一级，该公司都要对有效载荷进行测试。图11是该公司基于仪器的老系统的方框图，图12是替换它的合成测试系统的方框图。这个案例提供了一个对合成测试的有关性能与投资回报潜力进行评价的绝佳途径，因为最终用户有一个可用来进行直接比较的老系统。 

在进行比较时，最终用户在新旧两个系统上运行了同样的测试过程，用的是相同的测试序列软件。测试得到的基准数据显示，合成测试系统具有突出的性能优势。表2给出了比较结果，可见速度平均提高近2.5倍。线性频率响应测试的速度提高了几乎10倍，这一点尤为重要，因为对于每颗卫星，这项测试都要执行几千次。这些结果只反映了部分的节省情况。系统设置和校准时间也有相似程度的减少，这使端对端测试的周期时间和成本都有显著降低。 

本文小结

对于商业无线电和通信测试，合成方法也能产生类似的效果。今天，瞬时带宽能达到数百兆赫兹的模数或数模转换模块已不少见。这些部件与接收器前端和高性能射频上下行转换模块相结合，可以实现软件定义的测试系统。在本质上，这些测试系统组成了一个仪器品质的SDR，能测试老式无线电和软件无线电。软件定义的灵活性使获得的测试系统可以对具有不同频率、调制方式、数据协议甚至跳频能力的多种类型无线电进行测试。显而易见，组建一个基于合成仪器的测试系统有着相当大的好处。如果你或你的公司需要一个新的或改进的测试系统，建议郑重考虑一下合成测试系统解决方案。