傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)通常將一些臺(tái)式儀器或特定儀器模塊組裝在機(jī)架上，構(gòu)成“機(jī)架堆疊”式測(cè)試系統(tǒng)，這種測(cè)試系統(tǒng)的局限性在于它們一般用來(lái)對(duì)一個(gè)元件、一個(gè)模塊或一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，而沒(méi)有足夠的能力支持對(duì)大范圍的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，最多只能對(duì)一個(gè)相近系列的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。隨著產(chǎn)品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降，專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)變得越來(lái)越不經(jīng)濟(jì)。為了降低產(chǎn)品的測(cè)試成本，測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)在必須能夠測(cè)試多種產(chǎn)品，以確保每種產(chǎn)品都能有一個(gè)合理的投資回報(bào)(ROI)。本文從解決靈活性、可伸縮和高效測(cè)試等問(wèn)題入手，介紹既能經(jīng)濟(jì)地滿(mǎn)足今天的要求，又能保護(hù)未來(lái)投資的合成測(cè)試系統(tǒng)方法。
今天的測(cè)試與測(cè)量提供商面臨著與日俱增的壓力，它們需要為客戶(hù)提供成本更為經(jīng)濟(jì)，而且能支持迅速加快的產(chǎn)品周期的解決方案。產(chǎn)生這些壓力的部分原因是：
1. 產(chǎn)品的總體生命周期和生產(chǎn)成本持續(xù)下降，而測(cè)試成本卻往往不能同步降低。
2. 制造商不斷追求更高的生產(chǎn)能力。
3. 產(chǎn)品復(fù)雜性的提高、技術(shù)和產(chǎn)品集成度的快速進(jìn)步不斷對(duì)生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備提出更高要求。產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中也經(jīng)歷比以往更多的改進(jìn)，這也相應(yīng)推動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在生產(chǎn)周期中進(jìn)行改進(jìn)。
4. 在產(chǎn)品生命周期較長(zhǎng)的情況下，測(cè)試設(shè)備的老化過(guò)時(shí)問(wèn)題嚴(yán)重。
5. 產(chǎn)品性能的提高推動(dòng)了對(duì)執(zhí)行速度更快、并能在運(yùn)行過(guò)程中工作的質(zhì)量更高的系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)和自測(cè)試的需求。
傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)提供商通常將一些臺(tái)式儀器或特定儀器模塊組裝在機(jī)架上，并用相應(yīng)的電纜和連接器將它們與被測(cè)產(chǎn)品連接起來(lái)。然后再增加軟件，對(duì)這些儀器的內(nèi)嵌功能進(jìn)行調(diào)用。這種方法被稱(chēng)為“機(jī)架堆疊”(rack-and-stack)式測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式。表1列舉了一些傳統(tǒng)儀器的例子，圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)架堆疊式射頻(RF)測(cè)試系統(tǒng)。
臺(tái)式儀器是為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)的，它們可以獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試，但供應(yīng)商也提供有機(jī)架安裝套件，方便將儀器集成到測(cè)試系統(tǒng)中使用。儀器模塊包含了與臺(tái)式儀器相同的核心硬件，但不包用戶(hù)接口、供電或其它輔助硬件部分。儀器模塊插入一塊背板之中，依靠一臺(tái)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)來(lái)提供用戶(hù)界面和控制功能。迄今為止，采用這些部件的傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)還是最為普遍的，但它們?cè)诮鉀Q測(cè)試和測(cè)量行業(yè)目前面臨的挑戰(zhàn)時(shí)遇到很大困難。
這些機(jī)架堆疊式解決方案常常受到其設(shè)計(jì)的限制。它們一般用來(lái)對(duì)一個(gè)元件、一個(gè)模塊或一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，而沒(méi)有足夠的能力支持對(duì)大范圍的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，最多只能對(duì)一個(gè)相近系列的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。隨著產(chǎn)品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降，專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)變得越來(lái)越不經(jīng)濟(jì)。為了降低產(chǎn)品的測(cè)試成本，測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)在必須能夠測(cè)試多種產(chǎn)品，以確保每種產(chǎn)品都能有一個(gè)合理的投資回報(bào)(ROI)。
許多基于臺(tái)式儀器的系統(tǒng)使用通用儀器總線(xiàn)( GPIB/IEEE-488)等低速通信總線(xiàn)，這大大限制了它們的測(cè)試吞吐率。不過(guò)，這還只是問(wèn)題的一部分。由于系統(tǒng)集成商通常只能使用生產(chǎn)時(shí)構(gòu)建在各儀器內(nèi)部的功能和測(cè)試算法，這也帶來(lái)了一個(gè)很大的問(wèn)題。在許多場(chǎng)合下，為測(cè)試而進(jìn)行的產(chǎn)品配置僅僅允許優(yōu)化測(cè)試算法以提高速度和性能，但對(duì)于傳統(tǒng)儀器，系統(tǒng)集成商根本無(wú)法接觸到這個(gè)層面。
在許多情況下，產(chǎn)品中的信號(hào)波形或數(shù)據(jù)協(xié)議將隨時(shí)間發(fā)生變化，這可能導(dǎo)致需要改變測(cè)試系統(tǒng)中的一臺(tái)甚至所有儀器。圖1所示的傳統(tǒng)射頻測(cè)試系統(tǒng)就體現(xiàn)了這一點(diǎn)。如果原來(lái)的產(chǎn)品或被測(cè)單元(UUT)工作頻率在3GHz以下，測(cè)試系統(tǒng)集成商通常將選擇覆蓋這一頻率范圍的頻譜分析儀、合成器、信號(hào)發(fā)生器或矢量信號(hào)分析儀，以降低初始采購(gòu)成本，在測(cè)試系統(tǒng)競(jìng)標(biāo)中尤其如此。如果下一代產(chǎn)品的工作頻率改到了6GHz范圍或更高，就需要對(duì)只能覆蓋3GHz頻率范圍的所有儀器進(jìn)行重新購(gòu)置和集成，盡管它們的處理能力和瞬時(shí)帶寬或許仍然足夠應(yīng)付升級(jí)產(chǎn)品的測(cè)試工作。這導(dǎo)致了巨大的一次性成本，并使針對(duì)特定單一產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)泛濫成災(zāi)。
所有這些問(wèn)題都影響了軍事、航天和商業(yè)領(lǐng)域的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用，但儀器老化過(guò)時(shí)問(wèn)題給軍事應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)最為嚴(yán)重。因?yàn)檐娪迷O(shè)備的工作年限很長(zhǎng)，軍用測(cè)試系統(tǒng)的使用期限常常在20年以上。系統(tǒng)老化過(guò)時(shí)的原因大多是由于測(cè)試軟件是圍繞儀器特定的硬件能力而編寫(xiě)的，而且軟件驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)特殊，使得改進(jìn)提高還不如徹底地重新設(shè)計(jì)。替換老化過(guò)時(shí)設(shè)備時(shí)也可能遇到?jīng)]有功能等效設(shè)備的情況。有時(shí)候，系統(tǒng)集成商必須用幾臺(tái)儀器來(lái)替換一臺(tái)儀器以取得等價(jià)功能，而傳統(tǒng)架構(gòu)的測(cè)試軟件也使這項(xiàng)工作變得更加困難。
最后，就一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的總體成本而言，系統(tǒng)校準(zhǔn)和自測(cè)試正變得越來(lái)越重要。機(jī)架堆疊式方法中所用的儀器主要是為單獨(dú)工作和校準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。在許多情況下，當(dāng)這些儀器被集成到一個(gè)系統(tǒng)中時(shí)，校準(zhǔn)和功能測(cè)試便變得難于執(zhí)行，有時(shí)甚至無(wú)法執(zhí)行。今天，產(chǎn)品的性能水平已要求在集成系統(tǒng)一級(jí)運(yùn)行校準(zhǔn)程序。為了盡可能地滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)4:1或10:1性能要求，這種方法是必需的。
作為一個(gè)行業(yè)，測(cè)試和測(cè)量供應(yīng)商面臨著提供能夠解決這些問(wèn)題的靈活、可伸縮和高效測(cè)試解決方案的挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)實(shí)際上也就是開(kāi)發(fā)出一種既能經(jīng)濟(jì)地滿(mǎn)足今天的要求，又能保護(hù)未來(lái)投資的方法。
合成測(cè)試直面挑戰(zhàn)
今天，測(cè)試行業(yè)中有進(jìn)取心的公司正努力迎接挑戰(zhàn)，合成儀器已成為許多公司的選擇方案。通過(guò)將軟件算法和基于核心儀器電路組成模塊的硬件相結(jié)合，合成儀器“合成”了傳統(tǒng)儀器中的激勵(lì)和測(cè)量功能。合成儀器的概念來(lái)源于當(dāng)前設(shè)計(jì)和使用的軟件無(wú)線(xiàn)電、移動(dòng)電話(huà)和其它通信系統(tǒng)背后的一些廣為接受的技術(shù)與技巧。為了更好地描述和定義合成儀器的概念，對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電( SDR)作一個(gè)概略的介紹將會(huì)有所幫助。
如圖2所示，軟件無(wú)線(xiàn)電僅僅由一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理( DSP)引擎、一個(gè)通用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端以及某種形式的發(fā)射天線(xiàn)組成。通用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與調(diào)制無(wú)線(xiàn)電波之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。這些部件之后是一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元，它提供無(wú)線(xiàn)電的大部分功能。在本質(zhì)上，這種組合提供了一個(gè)“通用”的無(wú)線(xiàn)電。設(shè)計(jì)人員通過(guò)軟件將無(wú)線(xiàn)電功能編程到DSP之中，他們編寫(xiě)軟件算法和在DSP輸入輸出端產(chǎn)生或處理數(shù)字表示信號(hào)的控制模塊。如果通信協(xié)議或處理算法需要修改，或無(wú)線(xiàn)電必須作為一種不同的類(lèi)型來(lái)進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)人員只需修改軟件并將其下載到無(wú)線(xiàn)電即可。軟件無(wú)線(xiàn)電方法消除了傳統(tǒng)專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)方法所需的重新設(shè)計(jì)和加工新硬件的必要性。今天，在小型封裝中所能提供的處理速度和能力使軟件無(wú)線(xiàn)電的實(shí)現(xiàn)變得更加容易。
圖3所示的合成儀器方框圖與軟件無(wú)線(xiàn)電的方框圖看起來(lái)非常相似。主要區(qū)別是將天線(xiàn)換成了對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的接口，增加了多級(jí)電路以支持更靈活的信號(hào)調(diào)理，還增加了允許對(duì)電路元件進(jìn)行重新配置或根據(jù)需要進(jìn)行旁路的信號(hào)路徑。這些簡(jiǎn)單的修改使合成儀器所蘊(yùn)藏的真正潛力能夠發(fā)揮出來(lái)。
本文將略過(guò)合成儀器的基礎(chǔ)知識(shí)，只介紹一下圖4中的激勵(lì)路徑。如果測(cè)試系統(tǒng)以許多信號(hào)產(chǎn)生儀器中常見(jiàn)的
“功能組成塊”電路為中心進(jìn)行模塊化，人們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)某種用來(lái)創(chuàng)建信號(hào)波形的數(shù)字信號(hào)處理引擎，它后面緊跟著一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在射頻信號(hào)產(chǎn)生電路中，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)上行轉(zhuǎn)換功能塊，它的主要用途是將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。在集成系統(tǒng)中，射頻輸出將通過(guò)電纜和開(kāi)關(guān)矩陣連接到被測(cè)單元。在一臺(tái)傳統(tǒng)儀器中，這些電路元件位于機(jī)箱內(nèi)部，并且是固定的，如果不破壞這個(gè)緊固儀器的完整性，根本無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)中間的電路功能。在一臺(tái)合成儀器中，這些功能塊代表能訪(fǎng)問(wèn)輸入和輸出的獨(dú)立模塊。
這種“功能劃分”允許用戶(hù)在功能塊之間放置信號(hào)開(kāi)關(guān)，并且可以利用各個(gè)電路塊的基本功能。例如，如果依次順序連接所有的功能電路塊，就得到了一臺(tái)射頻與微波信號(hào)發(fā)生器。如果引出模數(shù)轉(zhuǎn)換器和上行轉(zhuǎn)換模塊之間的信號(hào)，就得到了一臺(tái)模擬信號(hào)發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器。如果直接從DSP進(jìn)行輸出，可以得到一個(gè)數(shù)字樣式發(fā)生器。通過(guò)組合不同的信號(hào)發(fā)生、捕獲和信號(hào)調(diào)理功能電路塊，合成測(cè)試系
