Wi-Fi无线产品的研发与测试解决方案

无线技术正渗透到生活的方方面面--从手机到笔记本电脑、PDA、游戏控制器、数码相机和手持GPS设备。大部分用户可能并不了解其使用的无线设备的复杂性和精密性。但是，设计人员和制造商却非常清楚他们所设计和生产的各种无线产品必须满足严格的产品规范、越来越短的上市周期和低成本的要求。
　　在Wi-Fi技术出现的早期，在设计和生产Wi-Fi产品一般采用通用的实验仪器进行研发和制造测试。但是随着产量的增加和价格的下降，这种方法已经行不通了。这一行业需要一种系统级解决方案，不但能够像通用仪器一样测量参数，而且能够提供符合面向规范的测试方案。换句话说，新的测试方案不但能够测量具体的参数，而且要提供图形化测量结果，并快速反映DUT的信号细节特性。
　　
　　无线连接规范涉及发送和接收两方面，总体目标是实现最大的传输效率及与其他无线设备之间的最小干扰。因此，系统级的解决方案要能够捕捉DUT的发射信号，根据每种标准的技术规范进行快速而全面的分析。对接收测试而言，测试系统必须提供精确可控的信号源，根据技术规范测试DUT的特征。
　　测试系统需要分析DUT的发射信号和接收信号。因此，测试仪器和测试方案必须能够快速捕捉和分析信号，输出测试结果。然而，每一个产品研发和测试预算是有限的，这就要求系统的采购成本及其测试速度必须满足无线产品的上市周期与成本要求，能够帮助研发人员在数周内而不是数月内将原始的设计变成量产的产品。
　　2003年以来，这样的系统已被应用于Wi-Fi产品研发和质量控制。随着时间的发展，出现了一些新的无线标准，包括WiMAX、蓝牙、WiMedia和ZigBee。下面来分析这些无线规范与测试测量系统的关系。
人机接口
　　在设计新型无线设备的研发中，设计人员必须分析底层标准的各个方面。所有的无线规范都涉及射频和调制技术，通常具有基带和射频调制两大子系统。在研发过程中，这些子系统能分别进行独立的和综合的测试分析是非常重要的，因此，需要一个测试仪器能够分别发射和接收射频及基带信号。 这种面向系统的测试解决方案不需要像通用实验仪器那样提供许多控制按钮和开关，在面板上只有射频与基带输入输出端口(如图1所示)。应用基于PC的用户图形界面(GUI)软件系统，通过以太网卡接口，能够容易控制和操作测试系统。运行于PC上的分析软件大大降低了测试系统的成本，同时又保持了快速而全面的对信号捕捉和分析能力。

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针对不同的标准，采用不同GUI界面的软件(例如，其中一种用于Wi-Fi，另一种用于WiMAX)，可以将各种标准相对应的测试需求集成到软件之中。例如，针对于用户开发出某种符合802.11a／b／g标准的功率谱密度模板的Wi-Fi产品，这样的测试软件可以加快测试速度且减少测试错误。
　　一旦某个产品设计定型，即便其中的元件处于最坏设计容差的情况下仍能通过测试，那么这就是一个好的生产产品设计。但是，元件失效或者制造工艺偏差等问题仍可能造成产品失效，这个必须在装箱运送之前能够检测出来。这样的测试中，射频和基带系统已经不需要进行单独的测试，这时所需要的是一套全面而快速的测试方案，用来挑出有质量问题的产品。 在这种情况下，我们可以采用和研发相同的测试架构，但取消了基带输入和输出端口，简化了接口设计(如图2所示)。仪器只需要射频输入和输出两个端口，测试软件只需要在数秒内快速得出"pass"或"fail"的测试结果。这种经过简化的系统具有较低的采购成本，快速的测试速度也有利于降低总体测试成本。这对于产量大、价格便宜的无线产品来说是至关重要的--目前，这样面向制造测试的仪器已经能够涵盖所有的需求。

测试系统的硬件和软件
　　测试仪器需要产生和分析基于正交调制(如IQ调制)的信号。VSA(vectorsignal analyzer，矢量信号分析器)分析捕捉DUT发射信号，VSG(vectorsignal generator，矢量信号发生器)用于对DUT的灵敏度和对非理想信号的解调能力进行测试(如图3所示)。

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VSA和VSG都可以通过PC软件进行控制，利用GUI界面可以控制信号的带宽、功率、衰减等特性。对于VSA而言，GUI界面允许用户选择显示内容以及进行显示设置。例如，用户可以在一个窗口查看频谱、功率谱密度图和子载波星座图。部分或所有视图都可由用户自由选择，同步显示信号的多个信息。
将其应用于研发
　　毫无疑问，单芯片方案和参考设计已经大大简化了产品的研发过程。但在实际研发中，很难仅仅通过对参考设计的简单改动实现产品设计，还需要处理频率稳定性、频谱密度、群延迟、相位不平衡和本地振荡器泄漏等问题。然而，想要解决某个问题之前必须首先搞清楚问题本身。在这样的情况下就是该系统测试方案起效的时候了，与其漫无目的地寻找各种参数--微伏、毫安、毫瓦与频率的关系，不如利用EVM测量和含有丰富信息的图形来快速定位设计中存在的问题。
　　例如，当功率放大器上电的时候就可能会出现问题，功率放大器产生的电流将对晶振或者本地振荡器产生频率牵引。典型情　　况下，如果频率恢复得快，那么很有可能是本地振荡器受到牵引，但是当其恢复较慢的时候，则可能是基准晶振受到牵引。这里以实例说明图形化界面是如何帮助我们判断受到牵引的是晶振还是LO的(如图5所示)。

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对于802.11a／g信号，我们使用STS(short training sequence，短训练序列)估算频率误差(图5左图中红线表示STS的平均频率误差)，如果在一个包的结尾发现频率误差与STS的计算不同，则代表在封包的内部频率误差有波动。
　　这里来看几个不同的OFDM信号频率误差计算方法(如图6所示)。频率误差预估参数的调整会对EVM结果产生影响。这些选项参数是根据短训练序列、长训练序列以整个数据包来计算频率误差，如果EVM结果对频率误差预估方式的选择非常敏感，那就表明系统的频率稳定性有问题--最有可能出现在数据包的开头。
　　星座图(如图7所示)能够提供很多相关信息用作设计参考，通过相位、增益和功率压缩等信息能够帮助我们缩短产品设计周期和DVT(device verification testing)阶段所需的时间。
　　如图7所示，上左图是一个理想的OFDM信号星座图。上右图给出了I／Q不平衡的情形(两路基带调制信号在上变频之前幅度不一致，EVM变差)。下左图给出了I／Q非理想正交的情形(两路基带信号在上变频之前没有实现完全正交，星座图出现扭转，EVM变差)。下右图给出了幅值和相位同时失配的情形。

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　　对于802.11a／g信号，我们使用STS(short training sequence，短训练序列)估算频率误差(图5左图中红线表示STS的平均频率误差)，如果在一个包的结尾发现频率误差与STS的计算不同，则代表在封包的内部频率误差有波动。
　　这里来看几个不同的OFDM信号频率误差计算方法(如图6所示)。频率误差预估参数的调整会对EVM结果产生影响。这些选项参数是根据短训练序列、长训练序列以整个数据包来计算频率误差，如果EVM结果对频率误差预估方式的选择非常敏感，那就表明系统的频率稳定性有问题--最有可能出现在数据包的开头。
　　星座图(如图7所示)能够提供很多相关信息用作设计参考，通过相位、增益和功率压缩等信息能够帮助我们缩短产品设计周期和DVT(device verification testing)阶段所需的时间。
　　如图7所示，上左图是一个理想的OFDM信号星座图。上右图给出了I／Q不平衡的情形(两路基带调制信号在上变频之前幅度不一致，EVM变差)。下左图给出了I／Q非理想正交的情形(两路基带信号在上变频之前没有实现完全正交，星座图出现扭转，EVM变差)。下右图给出了幅值和相位同时失配的情形。


应用于制造
　　如前所述，当产品转入制造测试阶段，通常会假设产品的设计等都没有问题。很多失效问题都来源于制造而非设计缺陷。因此，软件不需要提供设计过程中的测试细节。面向制造测试阶段的软件设计目标是简洁的GUI界面和快速的产品测试功能。
　　适用于制造测试的软件，GUI界面简洁，测试快速。单击GUI界面中"测试按钮"启动测试，输入DUT的MAC地址，软件开始对DUT进行测试，最终窗口显示测试细节和Pass或者Fail。
　　研发和制造测试平台采用相同的架构，这样做的好处是使某些可能在制造过程中出现的问题很容易被迫溯到研发阶段，不需　要特别复杂的处理。研发和测试阶段采用同样的VSA和VSG硬件构架和设置，这有利于简化问题和加快问题的解决。
总结
　　本文介绍的系统测试平台都是基于LitePoint公司的IQview和IQflex测试平台，这款面向WI-Fi的测试产品早已于2003年被推出。目前，面向Wi-Fi和WiMAX的一个全新的测试平台IQmax也已问世，它将帮助ODM厂商和大型制造商进一步节省产品研发和制造的时间与成本。