RF WCDMA基準(zhǔn)比較測(cè)試

概覽
通過(guò)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(shì)。如WCDMA測(cè)量結(jié)果所示，基于多核處理器并行執(zhí)行的LabVIEW測(cè)量算法與傳統(tǒng)儀器相比可以實(shí)現(xiàn)明顯的速度提升。

介紹
你在早晨7:00伴著搖滾音樂(lè)的聲音醒來(lái)，收音機(jī)鬧鐘里的RDS接收器提示你正在收聽來(lái)自Guns N’ Roses 樂(lè)隊(duì)的Welcome to the Jungle。然后，在你品嘗咖啡期時(shí)，可以在書房通過(guò)WLAN接收器來(lái)查收郵件。當(dāng)準(zhǔn)備好工作后，你走出家門，使用一個(gè)315MHz的FSK發(fā)射機(jī)來(lái)打開車鎖。坐到車?yán)?，駛上道路，你又可以享受無(wú)線電收音機(jī)所提供的沒(méi)有廣告的娛樂(lè)節(jié)目。稍后，你會(huì)通過(guò)藍(lán)牙耳機(jī)會(huì)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(fèi)公路，同時(shí)RFID接收器將自動(dòng)收取相應(yīng)的過(guò)路費(fèi)。

RF技術(shù)無(wú)處不在。即便作為一個(gè)普通的消費(fèi)者，每時(shí)每刻都會(huì)受其影響，更不要說(shuō)一個(gè)RF測(cè)試工程師了。無(wú)線設(shè)備的成本大幅降低，可以讓業(yè)余的時(shí)間變得更輕松，但是在設(shè)計(jì)下一代RF自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，將會(huì)帶來(lái)更多的挑戰(zhàn)。工程項(xiàng)目所面臨的降低測(cè)試成本的挑戰(zhàn)，比以往任何時(shí)候都嚴(yán)峻。因此，當(dāng)前的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所關(guān)注的焦點(diǎn)在于減少整體的測(cè)試時(shí)間。

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


圖1. 基于最新6.6GHz RF測(cè)試平臺(tái)的PXI系統(tǒng)。

6.6GHz RF測(cè)試平臺(tái)非常適于自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用。使用高度并行的NI LabVIEW測(cè)量算法，PXI模塊化儀器可實(shí)現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)儀器的測(cè)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(cè)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(gè)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(shí)現(xiàn)更快的測(cè)量速度。在很多情況下，RF測(cè)量算法也是按照LabVIEW編程語(yǔ)言中所自有的并行方式編寫的。因此，可以通過(guò)將CPU升級(jí)至多核，從而實(shí)現(xiàn)總體的測(cè)量速度的提升。隨著CPU時(shí)鐘速率（或者CPU內(nèi)核個(gè)數(shù)）按照摩爾定律提升，當(dāng)前的RF測(cè)試儀器可以實(shí)現(xiàn)非常快的速度。如你在本文中所見，對(duì)于一些較為處理器密集型的RF測(cè)量算法，許多PXI矢量信號(hào)分析儀可以比傳統(tǒng)的臺(tái)式矢量信號(hào)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(shì)，可以對(duì)一些高通量的無(wú)線測(cè)試應(yīng)用進(jìn)行分析。在這種情況下，測(cè)試時(shí)間在產(chǎn)品的成本(Cost of goods sold, COGS)中占有較大比重。而且，對(duì)于諸如3G UMTS (WCDMA)的無(wú)線通信協(xié)議來(lái)說(shuō)，處理器密集型的算法將會(huì)占用較多的處理器資源。針對(duì)這一問(wèn)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(cè)量算法，用于WCDMA物理層的測(cè)試。NI RF儀器以及合作伙伴的軟件，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本、高速度、而且高精度的測(cè)試平臺(tái)。

AmFax使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)更快的WCDMA測(cè)量
為了展示PXIe-5663 RF矢量信號(hào)分析儀的測(cè)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(duì)決（如表1所示）。比對(duì)試驗(yàn)所使用的兩個(gè)傳統(tǒng)儀器均為較新的RF矢量信號(hào)分析儀(Vector signal analyzers, VSA)，并且其價(jià)格比一個(gè)完整的PXIe-5663 RF測(cè)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(shí)的基準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以在一系列通信標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量應(yīng)用中，對(duì)PXI和傳統(tǒng)儀器的測(cè)量時(shí)間進(jìn)行比較。對(duì)于WCDMA應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可在一系列參數(shù)測(cè)量中，考核儀器的性能。 物理層測(cè)試通常需要很長(zhǎng)的采集時(shí)間，例如補(bǔ)償累計(jì)分布函數(shù) (Complementary cumulative distribution function, CCDF)，其最終的測(cè)試時(shí)間與處理器的速度性能不太相關(guān)。而對(duì)于一些需要解調(diào)運(yùn)算的測(cè)試來(lái)說(shuō)，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(cè)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(cè)試通常需要離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform, DFT)運(yùn)算。

在一個(gè)常見的測(cè)試執(zhí)行架構(gòu)，例如NI TestStand軟件中，你可以很快地配置一個(gè)自動(dòng)測(cè)試序列。NI TestStand軟件不僅提供一個(gè)內(nèi)置的框架用于進(jìn)行序列化的測(cè)試，還可以對(duì)每個(gè)測(cè)試所花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如圖3所示，即為NI TestStand 在一個(gè)自動(dòng)測(cè)試序列中對(duì)測(cè)試時(shí)間統(tǒng)計(jì)的界面截圖。


圖3. NI TestStand實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品測(cè)試的自動(dòng)化。

如圖3所示，觀察嵌套的For 循環(huán)當(dāng)中的EVM測(cè)試相關(guān)步驟（“NI 配置EVM”，“NI 測(cè)量EVM”）。外層的For循環(huán)用于確定對(duì)一個(gè)給定的測(cè)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(cè)量多次。在同一配置下得到的多個(gè)測(cè)量值，可用于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(cè)試時(shí)，需要將每個(gè)儀器都調(diào)整至最快的速度，這一點(diǎn)非常重要。對(duì)于傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)，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(duì)每一個(gè)測(cè)量值手動(dòng)的進(jìn)行平均運(yùn)算。此外，在測(cè)試運(yùn)行時(shí)，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?yàn)檫@種測(cè)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(shí)上，作為一個(gè)通常的準(zhǔn)則，當(dāng)不使用或者較少使用平均運(yùn)算時(shí)，延遲對(duì)于測(cè)量的影響較為顯著。

為了對(duì)RF矢量信號(hào)分析儀的測(cè)量速度進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，需要使用一個(gè)RF矢量信號(hào)發(fā)生器為其提供信號(hào)源，進(jìn)行回環(huán)測(cè)試。為了評(píng)價(jià)PXIe-5663 VSA的性能，可以使用最新的PXIe-5667 6.6 GHz RF矢量信號(hào)發(fā)生器來(lái)生成源信號(hào)。此源信號(hào)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(hào)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(gè)實(shí)際的儀器作為待測(cè)單元(Device under test, DUT) 比較適用于特性測(cè)試（例如可重復(fù)性測(cè)試），但是回環(huán)測(cè)試的好處是，可以展示儀器的測(cè)量性能。

測(cè)量時(shí)間統(tǒng)計(jì)
按照上述的各項(xiàng)配置，觀察各項(xiàng)測(cè)量的測(cè)量時(shí)間（以秒為單位）。 請(qǐng)注意，表2中的測(cè)量所使用的平均的次數(shù)是按照設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)所常用的次數(shù)來(lái)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(cè)量重復(fù)性之間關(guān)系。

表2. 傳統(tǒng)儀器和PXI儀器的WCDMA測(cè)量時(shí)間。

如表2所示，無(wú)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(hào)分析儀均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)儀器的測(cè)量速度。此外，可以看到處理器的速度對(duì)整個(gè)測(cè)量時(shí)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(gè)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(gè)2.4 GHz Core 2 Duo CPU。由于CPU的性能直接決定測(cè)量的速度，四核控制器能夠比最快的雙核控制器實(shí)現(xiàn)的測(cè)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(shí)現(xiàn)的整體的測(cè)量時(shí)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(cè)量時(shí)間。

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


圖6. 平均運(yùn)算的次數(shù)對(duì)于CCDF測(cè)量時(shí)間影響較小。

為了更加全面準(zhǔn)確地觀察PXI儀器所帶來(lái)的性能提升，所進(jìn)行的這些測(cè)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(cè)量后的均值。如圖6中所示，若使用基于PXI的測(cè)量系統(tǒng)（而不是傳統(tǒng)儀器），CCDF測(cè)量時(shí)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(cè)量速度。

對(duì)于處理器密集型的物理層測(cè)量來(lái)說(shuō)，選擇不同的處理器對(duì)總體的測(cè)量時(shí)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(cè)量時(shí)間和平均次數(shù)之間的關(guān)系。


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

對(duì)于諸如EVM測(cè)量這樣的處理器密集型應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇不同的處理器對(duì)總體的測(cè)量時(shí)間影響很大。例如，一個(gè)EVM測(cè)量如果設(shè)定為對(duì)五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平均值運(yùn)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(shí)間縮減33%，只需要228毫秒。在相鄰?fù)ǖ佬孤┍嚷?Adjacent channel leakage ratio, ACLR)測(cè)量中也可看到類似的結(jié)果，如圖8所示。


圖8. 在ACLR測(cè)量中，測(cè)量時(shí)間與平均次數(shù)的關(guān)系。

在ACLR測(cè)量中，使用PXI RF測(cè)量系統(tǒng)可以比傳統(tǒng)儀器快16倍。對(duì)于一個(gè)ACLR測(cè)量（不考慮配置所需時(shí)間）來(lái)說(shuō)，典型的測(cè)試時(shí)間不超過(guò)8毫秒，這比常規(guī)的時(shí)域 ACLR測(cè)量時(shí)間還短。圖9所示為最后一項(xiàng)測(cè)量結(jié)果，即為占用帶寬的測(cè)量。


圖9. 在占用帶寬的測(cè)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(duì)于一些測(cè)量來(lái)說(shuō)，在達(dá)到相同的測(cè)量結(jié)果時(shí)，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(cè)量中，PXI儀器在絕對(duì)的測(cè)量時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)更為顯著。

測(cè)量值平均運(yùn)算與重復(fù)性
雖然平均運(yùn)算對(duì)整體的測(cè)量時(shí)間影響較大，但是仍需要通過(guò)平均運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。由于測(cè)量值平均運(yùn)算事實(shí)上增大了總體的測(cè)量時(shí)間，所以弄清平均運(yùn)算次數(shù)與重復(fù)性精度之間的關(guān)系非常重要。因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)平均來(lái)降低信號(hào)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(yùn)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(yùn)算次數(shù)情況下的EVM標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖10所示,所有的EVM測(cè)量都是針對(duì)一個(gè)WCDMA幀內(nèi)進(jìn)行，相當(dāng)于2600 chip。請(qǐng)觀察測(cè)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(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品測(cè)試應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通常需要更大的數(shù)據(jù)集。事實(shí)上，許多測(cè)試都是使用多個(gè)儀器，因此需要一個(gè)更精確的模型，以表征測(cè)量重復(fù)性。

使用PXIe-5663 RF 矢量信號(hào)分析儀和PXIe-5673 矢量信號(hào)發(fā)生器，你可以很容易地實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1%的EVM測(cè)量。表3所示為更重配置下實(shí)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(hào)分析儀和PXIe-5673 RF信號(hào)發(fā)生器可以對(duì)WCDMA標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的、可重復(fù)的EVM測(cè)量。

結(jié)論
隨著無(wú)線通信技術(shù)的使用越來(lái)越廣泛，減少其測(cè)量時(shí)間所需的難度越來(lái)越大。幸運(yùn)的是，PXI測(cè)量系統(tǒng)可以利用計(jì)算領(lǐng)域的最新技術(shù)。事實(shí)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(cè)量算法比傳統(tǒng)儀器上的類似算法有顯著的速度優(yōu)勢(shì)。因此，借助于National Instruments新推出的PXI 6.6 GHz RF測(cè)量平臺(tái)，你可以在應(yīng)對(duì)RF測(cè)試中的新挑戰(zhàn)的同時(shí)降低測(cè)試成本。