多重通讯的挑战与测试方案

作者：John Lukez and Rob Brownstein   来源：LitePoint Corporation

现今的个人通讯产品都倾向“多重通讯”功能方向发展，多重通讯装置意指单一装置中具备多种射频和连结方式，如在市场热卖的“苹果”品牌 iPhone或智能手机就具备蓝牙 (Bluetooth)、无线上网(WiFi)和蜂窝式移动手机(cellular)等多种无线通讯功能，我们再看看今日的3代手机结合了蓝牙、无线上网、FM, GPS甚至更多的无线连结功能，但在多重通讯装置的技术中存在著更高的测试挑战和困难。为确保质量，每种无线通讯和连结方式都必须进行适当的测试，但如以传统的对每种通讯方式进行串行测试，生产成本必然非常高昂而最后直接影响产品价格和利润，如何能确保产品质量同时最少化测试时间和成本便成各厂商的挑战。
　　
在测试领域中，大部份的无线测试设备只针对一至两种的无线通讯方式进行测试，换言之，测试一部多重通讯装置时则需在多个工位进行不同种类的连结测试，当中每个工位可能须重新接线、加电、初始化等等工序，这样便导致生产测试时间线性地增长(如图1)，为达至生产量和速度，只可增加产线和测试设备,在这里要强调的是总测试成本应该理解为测试设备成本结合上每件产品的测试时间成本，如图1的生产模式，要减低测试时间成本就要增加测试设备成本。

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当然，最理想的方案是单台测试设备能够具备多种无线通讯功能测试，更甚者，数项测试项目在同一测试设备能同时进行，这样就能大大地减少测试时间，而多重通讯测试系统的产生就能提供这种方案(图 2)。

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测试时间
　　
测试时间实际上是由多个独立的工序构成 – 产品运送、夹具装卸、程式下载和实际的测试分析，减省任何一个工序的时间对总体测试时间都有重要的影响，举例，假若能够在单一工位单一夹具下处理所有种类的无线通讯测，那产品运送和夹具装卸的时间就不需在每种无线通讯中重复从而减省很多时间，同样的优化慨念亦可用於测试分析上，最有效的优化方案是如何实现生产工序“并行化”以取代以往的流水式串行的工序。另外，再进行优化每种无线通讯的测试时间，举例，假若GPS的全帧为30秒，而现在达至的测试时间为33秒，那就意味著当中有10%的改进空间。
　　
除此外,有一重要的理解，工程师需意识到整个优化工程其实是数个重要环节的整合成果，其中包括多重通讯装置结构设计 (Device’s Architecture)，芯片的底层结构设计 (Underlying Chipset Architecture), 软件驱动和编写测试软件的灵考能力,所以，如能让芯片商，产品参考设计公司和最终的多重通讯装置工程师共同参与，相信有更大的空间为优化生产测试进行专门设计的方案，使整个生产时间和成本有显著的减幅。
　　
假如“多重通讯装置”是未来一个主流产品和市场，相信很快会进入量产和普遍应用，生产成本这个瓶颈问题是必须面对和解决，而革命性的单台式无线“多重通讯”测试系统就是要实现以上优化工程的基础。
　　
单台式无线测试系统
美国萊特菠特科技(LitePoint)公司从2005年开始一直是单台式测试系统的先驱者，测试系统除包含矢量分析仪(VSA)和信号源(VSG)外附有极友好使用的分析操作介面，让用户能对复杂的分析更快掌握和处理，在WiFi的测试工业中起了革命性的改变(图3)。

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在WiFi 单台式测试系统能快速成为市场主流测试用具後，LitePoint 及其他公司亦相续推出针对WiMAX的单台式测试系统及利用软件技术在单台硬件上扩展更多的应用如蓝牙、ZigBee 等等。
　　
单台的多重通讯测试系统需把移动手机、WiFi、蓝牙，GPS和FM等测试功能结合起来，虽然某些种类的通讯(WiFi和蓝牙)是用相同的频谱，而可用同组的VSA和VSG子系统进行测试，但无论如何针对不同的通讯，要达到并行测试目的，单台式多重通讯测试系统必须内置多个VSA和VSG子系统再加上内置开关式测试式接口，使某些连接口可分享同一子系统，而某些连接口则定为作并行测试口。从技术上来说，多个射频子系统、不管是开关式和专用等多个接口或共享同一电源等的设计都是无形中建立了互相干扰的环境，举例在并行测试中，由两个矢量信号源 (VSGs)产生的两个信号通过测试口到达被测品的天线接口，两个信号可能在系统或被测品(DUT)内部产生串扰或其相干扰的问题，当然如在被测品内部发生问题是用户产品开发部要处理的工作，而多重通讯测试系统的设计工程师或公司必须确保选用专业高性能的器件和线路设计消除系统中VSG产生的互相干扰。
　　
而共用电源系统亦可能产生干扰，因射频信号可通过直流线路回传电源系统而叠加於另一个VSG的信号上，如何使用滤波和线路设计隔绝射频信号对直流线路的回流就成为工程师的另一个挑战。
　　
总括而言，最终目标是单台式多重通讯测试系统在多个测试口进行测试时所得的结果要跟单种通讯测试仪表组装的系统结果一致甚至有更好表现。
　　
单台式多重无线测试系统的诞生
LitePoint 早在去年推出的MIMO 测试系统 IQnxn Plus 时就已走上单台式多重无线测试发展的技术领域中，此IQnxn Plus系统的测试能力覆盖 WiFi 和 WiMAX MIMO 所应用到的频段及多端口并行测试，由软件定议测试那种通讯模式。
　　
在开发时，除了要决定整体系统架构、端口安排、并行测试处理，工程师更要好好解决刚才提及到由多个VSA 和 VSG 所产生的种种问题，这些经验的累积成为实现真正单台式多重通讯测试系统的重要基础。  

而另一个重要的基础就是LitePoint在多种的通讯模式测试 WiFi, WiMAX, WiMedia, Bluetooth和GPS已有丰富的经验，而巧合地,除了WiMedia外，另外四种通讯模式WiFi, WiMAX, Bluetooth和GPS已被纳入为智能手机和移动互联网装置的标准或短期的加增功能列表中。
　　
今年莱特菠特科技(LitePoint)推出首款多重通讯(Multicom)装置测试系统型号为IQ2010(图4)，此系统的硬件将具备6种通讯模式: WiFi, Bluetooth, GPS, FM, WiMAX和NFC，用户可透过软件授权的方式就能启用各种通讯模式。使用者可视其所需购买这些授权方案，且在现场就能启动增购的功能。

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IQ2010 的操作是通过USB与电脑连结，利用提供的操作介面，可轻易控制系统进行测试，而系统包含三个并行测试的子系统，第一个为GPS任意波形发生器arbitrary waveform generator (AWG)提供GPS所需的信号，其频率为1.57542 GHz L1。
在GPS测试同时可启用FM子系统，后者是一个FM 任意波形发生器和FM矢量分析仪 VSA，频段覆盖为 76 至 108MHz。
　　
第三个并行子系统用於测量WiFi, WiMAX, Bluetooth 和NFC，由於前三种通讯 (WiFi, WiMAX和Bluetooth)频率重叠故不能作并行测试，WiFi 发射和接收测试可用RF1和RF2接口(I和Q)而频段为 2.15 至 2.7GHz 和 4.9 至 6GHz，WiMAX 亦一样但频段为 2.15 至 2.7GHz, 3.3 至 3.8GHz 和 4.9 至 6GHz，Bluetooth 则在 2.4 至 2.5GHz 频段。
　　
NFC 用 BNC头连结并利用内置开关绕过本振(LO)和混频部份使覆盖从直流 (DC) 至35MHz,而内置前端转换装置让信号源和分析仪互相切换於RF1和RF2接口，例如 RF1进行WiFi发射而RF2进行WiFi 接收。
　　
以上的系统结构可让3种通讯如对WiFi, GPS和FM进行并行测试，以最为普遍智能手机的功能WiFi, Bluetooth, GPS和FM作例子，配含适宜的生产软件，IQ2010可在WiFi和Bluetooth作串行测试时同时对GPS和FM作并行测试，这样可减少一半的测试时间 (由100秒以上减至40秒内)，如图2所示。  
　
序列测试(sequence-based testing)功能
　　
并行测试是最有效减少整体测试时间的方案，用家可自行组装多台单模式通讯仪表来实现或选用单台多重通讯测试系统如IQ2010。 另外亦有一些方法可改进测试时间，在测试中的信号其实包含一连串不停在功率和调制变化中的数据包，用户可利用ACK 信号的特点从而减少对被测品(DUT)传送指令的次数变相地节省测试时间。
　　
举例，在误码率测试中，一般会发1000个数据包，然后看有多少个误包出现，测试软件中可能需要在每个包后发出要求发下一个包的指令如 “send the next one”，这样处理就需要传送多次指令。假如能得到芯片商的配合，让DUT在收到一个无误包时回传一个ACK信号，没有ACK信号回传就代表是一个误包，这样用一指令连续发送1000个包，测试仪可跟据收到多少 ACK信号计算出误包率，当中大量减少DUT和仪表的指令传送时间。
　　
用户介面
而另一个LitePoint工程师要考虑的因素就是用户的使用惯性，试想如采用多台单模式的系统，要熟悉和应用多个不同介面就是一个烦事，更别说要组装、协调和有效地使用在多重通讯装置上，故在用户介面的设计上,IQ2010在多个不同的通讯模式都用上相近的版面(图5)，相同的操作键亦尽量安排在同一位置，用户只需熟悉一个通讯模式的操作介面，对其他模式的操作就不会感到复杂难用。

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总结
不管今日或将来的个人通讯装备都会具备多重无线通讯模式，如果没有创新的测试方案，每多一种通讯模式都会线性地增加生产成本和时间，在消费电子市场中，功能的增添是在剧烈竞争中的必然工具和发展，但价格却又要保持竞争力，面对两难处境，IQ2010在并行测试 (Concurrent Testing) 和 序列測試(sequence-based testing)的创新设计却让生产时间降低，解决了生产成本的瓶颈问题。