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利用软件无线电实现自动测试

软件定义无线电(SDR)正在彻底改变无线设备的设计和测试方式。与传统无线电方法相比,SDR具有高度的灵活性和可配置性,因为它们将大多数无线电功能和信号处理模块集成在软件组件中,从而使得它们非常适合用来应对不断变化的无线环境所需的复杂多样的被测设备。

高端SDR提供无线电前端,具有从DC到18GHz的宽调谐范围、高达1–3GHz的高瞬时带宽、多达16个通道的MIMO(多输入多输出)、以及基于FPGA的数字后端,具有片上DSP功能,能够快速完成全面重新配置。数字后端还提供内置主机接口和网络功能,支持快速集成、自动化和规模测试系统。

图1:Per Vices的 Cyan SDR示意图。

自动测试(AT)是大规模开发和生产现代射频设备的关键步骤,可确保系统在发布前满足性能和法规要求。在这个领域,测试工程师面临的一个大问题是,传统的模拟无线电测试设备并不总是像被测设备(DUT)一样能够快速更新,尤其是在5G和物联网时代。这可能会造成设备和测试设备之间的技术差距,因为通过更换仪器来跟上最新技术既费时又费钱。此外,随着RF测试市场需求的增加,DUT的数量会显著增加,因此,相对于手动测试方法,AT系统的效率更高。

在这种情况下,SDR可能是完美的解决方案,因为它们将强大的RF功能(如宽调谐范围、高带宽和MIMO操作)与完全可重新配置的基于软件的功能以及嵌入式网络接口相结合,从而使得这些功能可以由主机系统远程自动控制。随着新技术和协议的出现,SDR可以轻松适应,因此无需更改设备就可以完成不同领域中各类设备的测试。它们可以同时实现信号产生和频谱监控等多种功能,因此可以显著减少元器件数量。图2显示了如何在测试解决方案中集成SDR。

图2:在ATE应用中集成Per Vices SDR设备。

显然,AT提供了许多优于手动测试的优点。主要优势在于部分甚至完全消除了测试过程中的人工操作,从而显著减少了协议测试时间和成本,进而使射频设备价格更具竞争力,缩短了上市时间,并为提高DUT的性能和安全性提供了更多空间。此外,重复性工作的减少将支持工程师通过把更多的时间和精力用于开发测试用例来改进产品。AT协议还可以自动、远程、无中断运行,无需人工干预即可灵活选择多种测试场景,最大限度地减少了人为错误,提高了测试进程可靠性。最后,AT支持在程序中测试多输入和多输出,这增加了在每种测试条件下捕捉所有工作模式的机会,提高了被测设备可靠性。

尽管有这些优点,使用AT时还需要考虑到一些缺点。一个主要问题是设备的选择,这将决定测试能力和可靠性比手工测试高多少。例如,手动测试时,经验丰富的测试工程师可以快速发现仪器故障或不切实际的测量结果,并重新检查各项设置予以纠正;但在AT中,可能只有在花费很长时间、并测试多套设备后才能发现这些错误。此外,如果自动化测试设备(ATE)不能重新配置或适应新技术和不同的测试用例,整套测试系统会很快过时。另一个约束是集成,因为AT需要使用专门的软件和设备作为主机来监控ATE,如果仪器设备基于传统的模拟无线电,将可能非常耗时且成本高昂。

由于可重构性和高性能,软件定义无线电在ATE测量中越来越受欢迎。只需一台设备就可以测试接收机、发射机甚至整个收发系统,从而免除了对专用硬件的需求,显著提高了灵活性和成本效益。单个商业成品(COTS)SDR可以通过修改软件来满足任何测试用例的要求,甚至是未知的用例。高端网络接口嵌入非常先进的数字后端软件定义无线电,允许与主机系统进行更快的数据传输,使其易于集成到AT架构中,因此无需太多工程量即可将多个SDR连接到主网络,并一起运行来执行复杂的测试、同步评估以及存储大量数据。随着测试条件的变化,测试提供商可以重新配置某些无线链路,以应对频带、调制协议、幅度、功率和速度的变化。

就设备而言,MIMO SDR正被用于AT,以完全取代整个实验室。例如,具有16个RF通道的MIMO SDR仅使用一套设备就可以并行执行多达16项独立功能,而利用单独的专用硬件测试设备则需要16套甚至更多。考虑到在测量结束时,可以完全重新配置每个MIMO信道来执行另一个功能,从而对总设备数量的影响甚至更大。SDR还提供面向未来的操作,这意味着它们可以重新编程,以添加或修改测试用例以及“通过/失败”标准,而无需事先深入了解,从而使测试工程师能够根据最新协议、算法和其他要求来调整测试场景。

为了应对不同测试和测量条件,SDR可以进行定制,以满足特定的尺寸、重量和功耗(SWaP)要求、客户网络接口、存储能力和软件兼容性,为测试案例和协议开辟一个充满各种可能性的新世界。例如,为实现便携性,可以对模块化SDR进行定制,这对于在正常操作期间进行机载测试或无法运输到实验室的大型固定系统来说非常重要。此外,由于SDR是软件可控制的,因此DUT可以直接连接到SDR,依次测试不同的频率、协议和RF性能,无需人工干预,并在过程结束时自动生成测试报告。SDR还提供远程访问功能,因此可以集成到实验室服务器中,并通过IP和VPN连接进行远程访问。然后,可以对测试进行编程,优选功率阈值并以正确的顺序完成测试,从而将AT测试期间损坏DUT的风险降至最低。

总的来说,SDR是AT的强大工具,可以适应不同的测试场景,可以轻松集成到自动化系统中,并为测试设备提供经济高效、经得起未来考验的方法。

当考虑将SDR用于ATE时,有几个关键特性需要考虑,以确保设备非常适合特定用例。需要考虑的一个重要特性是RF通道能力,包括完整的Tx/Rx功能、大动态范围、低噪声系数和宽调谐范围,因此该器件可以处理多种信号而不会出现饱和或失真。另一个期望的重要特性是足够数量的独立通道,通道数量不足将限制SDR可以同时执行的功能或测试的数量。在复杂的ATE系统中,通道数量的增多意味着设备数量的减少,从而降低成本和复杂性。因此,选择MIMO SDR可以显著改善设计。

此外,必须确保SDR的工作频率在DUT范围内,这可以确保SDR能够在所有可能的工作模式下精确测试DUT。通过使用具有宽调谐范围和高瞬时带宽的SDR,测试工程师可以设计出适用于各种设备的多功能测试系统。ATE的另一个重要特征是易于集成。选择可以轻松集成到现有ATE和系统中的SDR,对于节省部署和维护期间的工程时间和成本以及降低系统的复杂性、并将SDR与主机间的集成或通信错误几率降至最低都至关重要。此外,使用与GNU Radio等开源软件工具兼容的SDR,可以通过主机快速灵活地开发测试流程。最后,考虑公司对定制应用和设计的支持也很重要,要选择一家可以合作的公司,创建满足特定测试需求的定制解决方案,这对于实现快速部署和可靠运行也同样至关重要。

(参考原文:SDRs for Automated Testing

本文为《电子工程专辑》2023年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

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