RF WCDMA 基準(zhǔn)比較測試白皮書

概覽

通過與傳統(tǒng)的儀器進(jìn)行比較，了解軟件定義的PXI RF儀器在速度上的優(yōu)勢。如WCDMA測量結(jié)果所示，基于多核處理器并行執(zhí)行的LabVIEW測量算法與傳統(tǒng)儀器相比可以實現(xiàn)明顯的速度提升。

介紹

你在早晨7:00伴著搖滾音樂的聲音醒來，收音機(jī)鬧鐘里的RDS接收器提示你正在收聽來自Guns N’ Roses 樂隊的Welcome to the Jungle。然后，在你品嘗咖啡期時，可以在書房通過WLAN接收器來查收郵件。當(dāng)準(zhǔn)備好工作后，你走出家門，使用一個315MHz的FSK發(fā)射機(jī)來打開車鎖。坐到車?yán)?，駛上道路，你又可以享受無線電收音機(jī)所提供的沒有廣告的娛樂節(jié)目。稍后，你會通過藍(lán)牙耳機(jī)會與車內(nèi)的3G手機(jī)建立連接。幾分鐘內(nèi)，車載的GPS導(dǎo)航儀可以修正你當(dāng)前的3D位置，并向你指示路徑。GPS接收機(jī)傳出的聲音提示你需要駛?cè)胧召M公路，同時RFID接收器將自動收取相應(yīng)的過路費。

RF技術(shù)無處不在。即便作為一個普通的消費者，每時每刻都會受其影響，更不要說一個RF測試工程師了。無線設(shè)備的成本大幅降低，可以讓業(yè)余的時間變得更輕松，但是在設(shè)計下一代RF自動測試系統(tǒng)時，將會帶來更多的挑戰(zhàn)。工程項目所面臨的降低測試成本的挑戰(zhàn)，比以往任何時候都嚴(yán)峻。因此，當(dāng)前的自動測試系統(tǒng)所關(guān)注的焦點在于減少整體的測試時間。

最新發(fā)布的6.6GHz RF測試平臺

為了滿足這一需求，NI開發(fā)了6.6GHz高速RF測試平臺。所發(fā)布的新產(chǎn)品包括NI PXIe-5663矢量信號分析儀、NI PXIe-5673矢量信號發(fā)生器，可以為自動化RF測試提供高速、靈活的解決方案。NI PXIe-5663能夠以50 MHz的瞬時帶寬分析10 MHz 到 6.6 GHz信號。NI PXIe-5673能夠以100MHz的瞬時帶寬生成85 MHz 到6.6 GHz的信號。

圖1. 基于最新6.6GHz RF測試平臺的PXI系統(tǒng)。

6.6GHz RF測試平臺非常適于自動化測試應(yīng)用。使用高度并行的NI LabVIEW測量算法，PXI模塊化儀器可實現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)儀器的測量速度。若要了解PXI模塊化儀器為何能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)儀器更快的測量速度，從二者的架構(gòu)區(qū)別中即可找到原因。雖然二者使用類似的組件，但是區(qū)別在于PXI系統(tǒng)使用高性能的多核中央處理器(Central processing units, CPU)。圖2中展示了兩種類型儀器的系統(tǒng)框圖，即可看出這一區(qū)別。

圖2. 一個用戶定義的CPU是PXI RF儀器的核心組件。

雖然PXI和傳統(tǒng)儀器有許多共性，但是PXI模塊化儀器中用戶自定義的多核CPU可以實現(xiàn)更快的測量速度。在很多情況下，RF測量算法也是按照LabVIEW編程語言中所自有的并行方式編寫的。因此，可以通過將CPU升級至多核，從而實現(xiàn)總體的測量速度的提升。隨著CPU時鐘速率（或者CPU內(nèi)核個數(shù)）按照摩爾定律提升，當(dāng)前的RF測試儀器可以實現(xiàn)非常快的速度。如你在本文中所見，對于一些較為處理器密集型的RF測量算法，許多PXI矢量信號分析儀可以比傳統(tǒng)的臺式矢量信號分析儀的速度高出30倍。

為了更進(jìn)一步了解PXI儀器的優(yōu)勢，可以對一些高通量的無線測試應(yīng)用進(jìn)行分析。在這種情況下，測試時間在產(chǎn)品的成本(Cost of goods sold, COGS)中占有較大比重。而且，對于諸如3G UMTS (WCDMA)的無線通信協(xié)議來說，處理器密集型的算法將會占用較多的處理器資源。針對這一問題，作為National Instruments 系統(tǒng)聯(lián)盟商的AmFax公司提供了高度并行的測量算法，用于WCDMA物理層的測試。NI RF儀器以及合作伙伴的軟件，實現(xiàn)了一個低成本、高速度、而且高精度的測試平臺。

AmFax使用LabVIEW實現(xiàn)更快的WCDMA測量

為了展示PXIe-5663 RF矢量信號分析儀的測量速度和精度，我們與一款行業(yè)領(lǐng)先的傳統(tǒng)儀器進(jìn)行了一次巔峰對決（如表1所示）。比對試驗所使用的兩個傳統(tǒng)儀器均為較新的RF矢量信號分析儀(Vector signal analyzers, VSA)，并且其價格比一個完整的PXIe-5663 RF測試系統(tǒng)要高出許多。

儀器A為Rhode Schwartz FSG

儀器B為Rhode Schwartz FSQ

表1. PXI和傳統(tǒng)儀器的比較。

為了提供更為切實的基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)，可以在一系列通信標(biāo)準(zhǔn)的測量應(yīng)用中，對PXI和傳統(tǒng)儀器的測量時間進(jìn)行比較。對于WCDMA應(yīng)用來說，可在一系列參數(shù)測量中，考核儀器的性能。 物理層測試通常需要很長的采集時間，例如補(bǔ)償累計分布函數(shù) (Complementary cumulative distribution function, CCDF)，其最終的測試時間與處理器的速度性能不太相關(guān)。而對于一些需要解調(diào)運算的測試來說，例如誤差向量幅度(Error vector magnitude, EVM)，則需要大量的數(shù)據(jù)處理工作。最后還進(jìn)行了頻域的測量，例如相鄰信道泄漏功率比 (Adjacent channel leakage power ratio, ACLR)以及占用帶寬(Occupied bandwidth, OBW)，這些測試通常需要離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform, DFT)運算。

在一個常見的測試執(zhí)行架構(gòu)，例如NI TestStand軟件中，你可以很快地配置一個自動測試序列。NI TestStand軟件不僅提供一個內(nèi)置的框架用于進(jìn)行序列化的測試，還可以對每個測試所花費的時間進(jìn)行統(tǒng)計。如圖3所示，即為NI TestStand 在一個自動測試序列中對測試時間統(tǒng)計的界面截圖。

圖3. NI TestStand實現(xiàn)了產(chǎn)品測試的自動化。

如圖3所示，觀察嵌套的For 循環(huán)當(dāng)中的EVM測試相關(guān)步驟（“NI 配置EVM”，“NI 測量EVM”）。外層的For循環(huán)用于確定對一個給定的測量進(jìn)行平均的次數(shù)，內(nèi)層的For循環(huán)用于在同一配置下測量多次。在同一配置下得到的多個測量值，可用于進(jìn)行統(tǒng)計分析，以確定平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

配置RF儀器

在進(jìn)行儀器基準(zhǔn)測試時，需要將每個儀器都調(diào)整至最快的速度，這一點非常重要。對于傳統(tǒng)儀器來說，若要達(dá)到最快的速度，需要使用板載的平均函數(shù)而不是對每一個測量值手動的進(jìn)行平均運算。此外，在測試運行時，應(yīng)將前面板的顯示關(guān)閉。最后，選擇高效的儀器控制總線也非常重要。因為這種測試所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊較小，所選的數(shù)據(jù)總線必須有較小的延遲。因此，我們選擇經(jīng)由LAN的GPIB總線，以保證延遲最小。事實上，作為一個通常的準(zhǔn)則，當(dāng)不使用或者較少使用平均運算時，延遲對于測量的影響較為顯著。

為了對RF矢量信號分析儀的測量速度進(jìn)行基準(zhǔn)測試，需要使用一個RF矢量信號發(fā)生器為其提供信號源，進(jìn)行回環(huán)測試。為了評價PXIe-5663 VSA的性能，可以使用最新的PXIe-5667 6.6 GHz RF矢量信號發(fā)生器來生成源信號。此源信號符合WCDMA標(biāo)準(zhǔn)，以1.95GHz作為中心頻率。將RF輸出的功率設(shè)定為-10 dBm，并將信號發(fā)生器的輸出端口和分析儀的輸入端口直接連線。圖4中展示了硬件的配置。

圖4. 直接連接VSA和VSG。

雖然使用一個實際的儀器作為待測單元(Device under test, DUT) 比較適用于特性測試（例如可重復(fù)性測試），但是回環(huán)測試的好處是，可以展示儀器的測量性能。

測量時間統(tǒng)計

按照上述的各項配置，觀察各項測量的測量時間（以秒為單位）。 請注意，表2中的測量所使用的平均的次數(shù)是按照設(shè)計驗證時所常用的次數(shù)來確定。在下文中，你可以了解到更多有關(guān)平均的次數(shù)和測量重復(fù)性之間關(guān)系。

各種測量應(yīng)用的典型測量時間

表2. 傳統(tǒng)儀器和PXI儀器的WCDMA測量時間。

如表2所示，無論使用嵌入式控制器還是機(jī)架式控制器，PXIe-5663 RF矢量信號分析儀均可實現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)儀器的測量速度。此外，可以看到處理器的速度對整個測量時間的影響。其中，NI PXIe-8130嵌入式控制器使用AMD Turon X2 2.3 GHz CPU，NI PXIe-8106 使用一個2.16 GHz Intel Core 2 Duo CPU，四核控制器NI 8353 1U機(jī)架式控制器則使用兩個2.4 GHz Core 2 Duo CPU。由于CPU的性能直接決定測量的速度，四核控制器能夠比最快的雙核控制器實現(xiàn)的測量速度還要快。圖5所示為以百分比的形式，與傳統(tǒng)儀器相比所實現(xiàn)的整體的測量時間的縮減。

圖5. 與傳統(tǒng)儀器相比，NI 8353 1U控制器可以縮減83%的測量時間。

對于多數(shù)的WCDMA物理層測量來說，測量值的處理時間對整體的測量時間影響最大。對于這些測量來說，整體的測量時間通常與進(jìn)行平均的次數(shù)有關(guān)。但也有一個例外，就是需要特別大的數(shù)據(jù)采集量的CCDF測量。在這種情況下，處理器的性能對于整體的測量時間影響較小。圖6所示即為CCDF測量，可以看到PXI測量系統(tǒng)比傳統(tǒng)儀器略快一些。

圖6. 平均運算的次數(shù)對于CCDF測量時間影響較小。

為了更加全面準(zhǔn)確地觀察PXI儀器所帶來的性能提升，所進(jìn)行的這些測量需要進(jìn)行若干次。下面所示的所有數(shù)據(jù)是在每一種配置下進(jìn)行10次測量后的均值。如圖6中所示，若使用基于PXI的測量系統(tǒng)（而不是傳統(tǒng)儀器），CCDF測量時間可以減少33%。此處，你可以看到NI 8353 四核機(jī)架式控制器可以達(dá)到最高的測量速度。

對于處理器密集型的物理層測量來說，選擇不同的處理器對總體的測量時間影響很大。在圖7至9中，可以看到傳統(tǒng)儀器和PXI儀器在測量時間和平均次數(shù)之間的關(guān)系。

圖7. 在處理器密集型的測量中，PXI儀器可以體現(xiàn)最大的速度優(yōu)勢。

對于諸如EVM測量這樣的處理器密集型應(yīng)用來說，選擇不同的處理器對總體的測量時間影響很大。例如，一個EVM測量如果設(shè)定為對五個點進(jìn)行平均值運算，若使用PXIe-8130嵌入式雙核控制器需要342毫秒，若使用NI 8353四核控制器則所需時間縮減33%，只需要228毫秒。在相鄰?fù)ǖ佬孤┍嚷?Adjacent channel leakage ratio, ACLR)測量中也可看到類似的結(jié)果，如圖8所示。

圖8. 在ACLR測量中，測量時間與平均次數(shù)的關(guān)系。

在ACLR測量中，使用PXI RF測量系統(tǒng)可以比傳統(tǒng)儀器快16倍。對于一個ACLR測量（不考慮配置所需時間）來說，典型的測試時間不超過8毫秒，這比常規(guī)的時域 ACLR測量時間還短。圖9所示為最后一項測量結(jié)果，即為占用帶寬的測量。

圖9. 在占用帶寬的測量中，使用PXI儀器可以比傳統(tǒng)儀器快30倍。

在圖9中你可以看到，對于一些測量來說，在達(dá)到相同的測量結(jié)果時，PXI RF儀器可以比傳統(tǒng)儀器快30倍。此外，在一些需要更多的平均次數(shù)的測量中，PXI儀器在絕對的測量時間上的優(yōu)勢更為顯著。

測量值平均運算與重復(fù)性

雖然平均運算對整體的測量時間影響較大，但是仍需要通過平均運算以實現(xiàn)可重復(fù)的測量結(jié)果。由于測量值平均運算事實上增大了總體的測量時間，所以弄清平均運算次數(shù)與重復(fù)性精度之間的關(guān)系非常重要。因為可以通過平均來降低信號中的一些噪聲，你可以看到：隨著平均次數(shù)的增加，連續(xù)運行的重復(fù)性精度提高。圖10中所示， 在不同的平均值次數(shù)的配置下的EVM標(biāo)準(zhǔn)差。

圖10. 在不同的平均運算次數(shù)情況下的EVM標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖10所示,所有的EVM測量都是針對一個WCDMA幀內(nèi)進(jìn)行，相當(dāng)于2600 chip。請觀察測量重復(fù)性精度與平均次數(shù)的關(guān)系。在圖10所示結(jié)果中僅僅使用了1000組數(shù)據(jù)，而對于大多數(shù)產(chǎn)品測試應(yīng)用來說，通常需要更大的數(shù)據(jù)集。事實上，許多測試都是使用多個儀器，因此需要一個更精確的模型，以表征測量重復(fù)性。

使用PXIe-5663 RF 矢量信號分析儀和PXIe-5673 矢量信號發(fā)生器，你可以很容易地實現(xiàn)優(yōu)于1%的EVM測量。表3所示為更重配置下實現(xiàn)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

表3. 在不同的平均次數(shù)的情況下的EVM和標(biāo)準(zhǔn)差。

NI 5663 RF矢量信號分析儀和PXIe-5673 RF信號發(fā)生器可以對WCDMA標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)精準(zhǔn)的、可重復(fù)的EVM測量。

結(jié)論

隨著無線通信技術(shù)的使用越來越廣泛，減少其測量時間所需的難度越來越大。幸運的是，PXI測量系統(tǒng)可以利用計算領(lǐng)域的最新技術(shù)。事實上，如本文中的數(shù)據(jù)所示，執(zhí)行于多核PXI處理器上的并行的測量算法比傳統(tǒng)儀器上的類似算法有顯著的速度優(yōu)勢。因此，借助于National Instruments新推出的PXI 6.6 GHz RF測量平臺，你可以在應(yīng)對RF測試中的新挑戰(zhàn)的同時降低測試成本。