PXI软件定义型仪器与传统仪器的基准比较

概览：理解软件定义PXI射频仪器与传统仪器相比在速度上的提升。WCDMA测量结果显示与传统仪器相比，固有并行化的LabVIEW测量算法在多核处理器上显著提高了执行速度。

简介

上午七点，在经典的摇滚乐声中，你起床了。收音机闹钟上的RDS接收机告诉你，正在聆听的音乐是枪与玫瑰乐队的《欢迎来到丛林》。随后，在你喝早茶的时候，无线局域网收发器提醒您到书房查收电子邮件。当从前门出发准备去上班的时候，你使用315MHz的FSK发射器将汽车的门打开。在驾驶汽车的时候，你会感谢卫星电台提供的没有广告的娱乐节目。一会儿，耳朵上戴的蓝牙收发器与3G手机通信。在几分钟内，你的GPS导航系统获得了3D坐标的修正值，你已经行驶在路上了。GPS接收器上发出的声音告诉你使用收费公路，在那里，RFID读卡器将对汽车收取合适的费用。

射频技术无处不在。作为消费者，我们很容易理解它对我们的影响，而对于射频测试工程师而言，它有着更为重大影响。无线设备的成本正在大幅度降低，使得我们可以更加容易地完成工作。然而，这却为我们设计下一代射频自动化测试系统提出了新的挑战。比以往都更为紧迫的任务是降低测试的成本。所以，现今的自动化测试系统最为关注的问题就是如何减少总的测试时间。

全新6.6 GHz射频测试平台介绍

为了满足这种需求，NI公司开发出了6.6GHz的高速射频测量平台。这些产品，即NI PXIe-5663矢量信号分析仪(VSA)和NI PXIe-5673矢量信号发生器(VSG)，为自动化射频测量提供了高速而灵活的解决方案。NI PXIe-5663可以进行从10MHz到6.6GHz、高达50MHz实时带宽的信号分析。NI PXIe-5673则提供了从85MHz到6.6GHz的信号生成，而且具有100MHz的实时带宽。(见图1)

图1. 装载全新6.6 GHz射频测试平台的PXI系统

新型的6.6GHz射频测试平台是自动化测试应用的理想选择。借助于高度并行化的NI LabVIEW测量算法，PXI模块化仪器可以提供比传统仪器高得多的速度。为了理解为什么PXI模块化仪器可以获得比传统仪器更快的测量速度，让我们先来考虑一下PXI模块化仪器和传统仪器在系统构架上的不同之处。两种系统使用了许多相似的部件，其中最主要的不同是PXI系统可以使用高性能的多核心中央处理器(即CPU)。为了解释这个概念，请看图2中两种类型仪器的方框图。

图2.用户自定义的CPU是PXI射频仪器的核心部件

虽然PXI仪器与传统仪器有着许多相似之处，但是PXI模块化仪器上的用户自定义式多核CPU使得测量可以更快的进行。在许多应用案例中，射频测量算法是用原生化的并行LabVIEW编程语言编写的。所以，总的测量速度可以通过将处理器升级到更多的处理核心而得到提高。随着CPU的时钟频率(或者核心的数量)按照摩尔定律不断地提高，现在的PXI射频测试人员可以获得更可观的测量速度。就像在这篇文章的基准数据中看到的那样，许多PXI矢量信号分析仪可以运行多核式射频测量算法，其速度是传统的顶级矢量信号分析仪的30倍！

为了理解PXI仪器的好处，让我们来考虑一下高速无线设备测试这种类型的应用。在这些应用中，测试时间通常在产品的COGS(售出商品的成本)中占有相当大的比例。而且，对于无线通信协议，如3G UMTS(WCDMA)标准，多处理器测量算法需要强大的处理能力。在这些应用中，NI公司的合作伙伴AmFax公司，提供了高度并行化的测量算法用于WCDMA物理层的测量。在这个应用案例中，NI公司的射频仪器和合作伙伴的软件结合在一起，提供了低成本、高速度高精度的测试平台。

使用LabVIEW软件来实现更快捷的WCDMA 测量

为了理解NI PXIe-5663射频矢量信号分析仪的测量速度和精度，让我们来“面对面”地将它们与顶级的传统仪器(表1)做以比较。两种做比照用的仪器都是相对较为新型的射频矢量信号分析仪，而且它们均比全功能的NI PXIe-5663射频测量系统贵很多。

表1.PXI仪器与传统仪器的比较

为了提供最为真实的基准数据，PXI仪器和传统仪器需要在一系列标准明确的测量下进行定时比较。对于WCDMA应用而言，我们需要考虑仪器在范围广泛测量中的性能。物理层的测量，如互补式累积分布函数(CCDF)要求长时间的采集，而且受处理器速度的影响较小。但是，需要解调的测量，如误差矢量幅度(EVM)等，需要大量的信号处理。最后，频域的测量， 如临近信道泄漏功率比(ACLR)和占用的带宽(OBW)等也需要测试，因为它们都需要进行离散傅立叶变换(DFT)计算。

使用通常的测试执行软件，如NI TestStand软件，用户可以快捷地配置自动化测量序列。NI TestStand软件不仅提供了内建的框架用于顺序化地进行测量，而且可以配置用来报告每次测试的测量时间。在图1中显示了NI TestStand报告自动化测试序列的测量时间的截图。

图3.NI TestStand软件在产品测试环境中进行自动化测量

在图3中，请观察EVM测量步骤附近的嵌套式for循环("Configure NI EVM"和"Measure NI Composite EVM")。外层的for循环决定了指定测量的均值次数，内层的for循环使用相同的测量设定来顺序化地执行多个对象。通过对多个测量使用相同的配置设定，用户可以对测量数据进行统计分析，来确定结果的平均值和标准差。

配置射频仪器

在执行仪器基准时，如何配置每个仪器实现最快测量性能非常关键。对于传统仪器，可采用仪器板载的均值函数来代替手工求均值以实现最佳性能。此外，在测量进行时不能显示前面板。最后，选择最有效的仪器控制总线也很重要。因为这类测试的数据量较小，仪器控制总线需要对延迟进行优化。所以选择GPIB总线代替LAN可实现最佳延迟。一般来说，在很少需要或不需要求均值的应用中延迟对测量影响更大。

在确定射频矢量信号分析仪的测量速度基准中，射频矢量信号发生器需要设置为环回处理模式。为评估PXIe-5663 VSA，全新PXIe-5667 6.6 GHz射频矢量信号发生器配置为测试激励源。为了与WCDMA兼容，激励中心频率需设置在1.95 GHz。配置射频输出功率为-10 dBm，并将发生器与矢量信号分析仪直接连接。图4所示为硬件配置方式。

图4.将矢量信号分析仪直接连到矢量信号发生器上

在需要使用真实待测设备(DUT)来确定诸如测量重复性等特性时，环回处理模式的优势在于可显示仪器的测量性能。

测量时间基准结果

通过上述设置，观察以下每个测量时间（单位为秒）。注意表2中平均次数的选取根据设计验证应用中的经验值决定。本文接下来的部分将说明平均次数与测量可重复性之间的详细关系。

正如表2中显示的那样，NI PXIe-5663射频矢量信号分析仪无论使用嵌入式控制器还是机架式控制器，都可以提供比传统仪器更为优越的测量速度。另外，请注意观察处理器对总测量时间的影响。NI PXIe-8130嵌入式控制器使用了型号为AMD TuronX2 2.3GHz的CPU，而NI PXIe-8106嵌入式控制器则使用了2.16GHz的Intel Core 2 Duo式CPU。作为四核心处理器，NI 8353 1U机架式控制器，使用了两个2.4GHz的Core 2 Duo式CPU。因为CPU的性能直接决定了测量的速度，所以四核控制器可以提供比最快的双核控制器还要快的测量时间。请看图4中的图表，来确定相比于传统仪器所降低的总测量时间的百分比。

图5. NI 8353 1U控制器的测量速度比传统仪器快10倍

对大多数WCDMA PHY层测量，处理时间对总体测量时间影响最大。这类测量中总时间通常与采用的平均次数成比例。唯一的例外是CCDF测量，由于它需要特别长的采集量，因此处理器对总体测量时间的影响较小。观察图6中对CCDF测量结果，PXI测量系统比采用传统仪器稍快。

图6. 平均次数对CCDF测量时间影响很小

为确定采用PXI仪器后的性能提升，需要进行一系列测试。以下显示的数据为每个配置测量10次后的均值。图6中，采用PXI仪器系统代替传统仪器后，CCDF测量时间缩短了33%。同时可以看到NI 8353四核机架固定式控制器显著改善了测量时间。

对于处理器密集型的PHY层测量，处理器的选择极大影响了总体测量时间。图7到图9表明了采用传统仪器或PXI仪器时测量时间与平均次数的关系。

图7. PXI仪器在处理器密集型测量中速度改善最大

对于如EVM的处理器密集型测量，处理器的选择极大影响了测量时间。例如，NI PXIe-8130嵌入式双核处理器进行EVM测量时，并采用5次平均需要342毫秒。而采用NI 8353四核控制器可缩短33%的时间，即只需228毫秒。在邻近信道泄漏功率比(ACLR)测量中也有类似结果，见图8。

图8. ACLR测量时间对比平均数

使用PXI射频测量系统后，ACLR测量时间可提速16倍。单一ACLR测量（不包括配置时间）一般小于8 ms，即使与时域ACLR测量相比也快许多。

最终占用带宽的测量结果见图9。

由图9可见对于某些测试，PXI射频仪器相比传统仪器同样可提速30倍。此外，绝对测量时间的改善在需要大量求平均的场合下更显著。

测量平均对比可重复性

求平均会大大增加总体测试时间，但实现更多可重复测试却需要进行测量平均。测量平均事实上增加了测量时间，所以理解可重复性与平均数之间的关系将非常重要。由于噪声在求平均的过程中减小，我们发现连续两次测试的可重复性随平均数的增加而改善。图10中将每次测量中的EVM标准偏差与设置的平均次数进行了比较。

图10的结果中，所有EVM测量都在一帧WCDMA内完成，相当于2600 chip。观察测量可重复性与平均数之间的关系。图10中仅采用100次试验来计算数据集，而许多产品测试应用需要更大的数据测试量。事实上，许多测试在多台仪器上进行，这就需要更精确的测量可重复性模型。

将PXIe-5663射频矢量信号分析仪与PXIe-5673矢量信号发生器配置为环回处理模式，就可以轻松实现比EVM测量更好的结果。表3种显示了不同配置下的均值和标准偏差。

PXIe-5663射频矢量信号分析仪与PXIe-5673矢量信号发生器可在WCDMA标准下实现精确可重复的EVM测量。

结论

随着无线技术应用的深入，缩短测量时间的压力将越来越大。而PXI测试系统可成功驾驭计算领域的前沿技术。事实上，就如本文中显示的数据，在多核PXI处理器上执行并性测量算法的速度相比在传统仪器上执行类似算法的速度有显著提升。因而，NI全新的PXI 6.6 GHz射频测量平台，可满足对低成本射频测试的需求。更多关于PXI 6.6 GHz射频测量平台信息，请访问 ni.com/rf/platform 。