一種低成本高效測試方法――合成測試系統

傳統測試系統通常將一些臺式儀器或特定儀器模塊組裝在機架上，構成“機架堆疊”式測試系統，這種測試系統的局限性在于它們一般用來對一個元件、一個模塊或一個子系統進行測試，而沒有足夠的能力支持對大范圍的產品進行測試，最多只能對一個相近系列的產品進行測試。隨著產品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降，專用測試系統變得越來越不經濟。為了降低產品的測試成本，測試系統現在必須能夠測試多種產品，以確保每種產品都能有一個合理的投資回報(ROI)。本文從解決靈活性、可伸縮和高效測試等問題入手，介紹既能經濟地滿足今天的要求，又能保護未來投資的合成測試系統方法。

今天的測試與測量提供商面臨著與日俱增的壓力，它們需要為客戶提供成本更為經濟，而且能支持迅速加快的產品周期的解決方案。產生這些壓力的部分原因是：

1. 產品的總體生命周期和生產成本持續下降，而測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能力。

3. 產品復雜性的提高、技術和產品集成度的快速進步不斷對生產測試設備提出更高要求。產品在生產過程中也經歷比以往更多的改進，這也相應推動測試系統在生產周期中進行改進。

4. 在產品生命周期較長的情況下，測試設備的老化過時問題嚴重。

5. 產品性能的提高推動了對執行速度更快、并能在運行過程中工作的質量更高的系統級校準和自測試的需求。

傳統測試系統提供商通常將一些臺式儀器或特定儀器模塊組裝在機架上，并用相應的電纜和連接器將它們與被測產品連接起來。然后再增加軟件，對這些儀器的內嵌功能進行調用。這種方法被稱為“機架堆疊”(rack-and-stack)式測試系統開發方式。表1列舉了一些傳統儀器的例子，圖1給出了一個簡單的機架堆疊式射頻(RF)測試系統。

臺式儀器是為在實驗室環境下使用而設計的，它們可以獨立進行測試，但供應商也提供有機架安裝套件，方便將儀器集成到測試系統中使用。儀器模塊包含了與臺式儀器相同的核心硬件，但不包用戶接口、供電或其它輔助硬件部分。儀器模塊插入一塊背板之中，依靠一臺遠程計算機來提供用戶界面和控制功能。迄今為止，采用這些部件的傳統測試系統還是最為普遍的，但它們在解決測試和測量行業目前面臨的挑戰時遇到很大困難。

這些機架堆疊式解決方案常常受到其設計的限制。它們一般用來對一個元件、一個模塊或一個子系統進行測試，而沒有足夠的能力支持對大范圍的產品進行測試，最多只能對一個相近系列的產品進行測試。隨著產品生命周期的縮短和制造成本的不斷下降，專用測試系統變得越來越不經濟。為了降低產品的測試成本，測試系統現在必須能夠測試多種產品，以確保每種產品都能有一個合理的投資回報(ROI)。

許多基于臺式儀器的系統使用通用儀器總線(GPIB/IEEE-488)等低速通信總線，這大大限制了它們的測試吞吐率。不過，這還只是問題的一部分。由于系統集成商通常只能使用生產時構建在各儀器內部的功能和測試算法，這也帶來了一個很大的問題。在許多場合下，為測試而進行的產品配置僅僅允許優化測試算法以提高速度和性能，但對于傳統儀器，系統集成商根本無法接觸到這個層面。

在許多情況下，產品中的信號波形或數據協議將隨時間發生變化，這可能導致需要改變測試系統中的一臺甚至所有儀器。圖1所示的傳統射頻測試系統就體現了這一點。如果原來的產品或被測單元(UUT)工作頻率在3GHz以下，測試系統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、信號發生器或矢量信號分析儀，以降低初始采購成本，在測試系統競標中尤其如此。如果下一代產品的工作頻率改到了6GHz范圍或更高，就需要對只能覆蓋3GHz頻率范圍的所有儀器進行重新購置和集成，盡管它們的處理能力和瞬時帶寬或許仍然足夠應付升級產品的測試工作。這導致了巨大的一次性成本，并使針對特定單一產品的測試系統泛濫成災。

所有這些問題都影響了軍事、航天和商業領域的測試系統應用，但儀器老化過時問題給軍事應用帶來的挑戰最為嚴重。因為軍用設備的工作年限很長，軍用測試系統的使用期限常常在20年以上。系統老化過時的原因大多是由于測試軟件是圍繞儀器特定的硬件能力而編寫的，而且軟件驅動程序相對特殊，使得改進提高還不如徹底地重新設計。替換老化過時設備時也可能遇到沒有功能等效設備的情況。有時候，系統集成商必須用幾臺儀器來替換一臺儀器以取得等價功能，而傳統架構的測試軟件也使這項工作變得更加困難。

最后，就一個測試系統的總體成本而言，系統校準和自測試正變得越來越重要。機架堆疊式方法中所用的儀器主要是為單獨工作和校準而設計的。在許多情況下，當這些儀器被集成到一個系統中時，校準和功能測試便變得難于執行，有時甚至無法執行。今天，產品的性能水平已要求在集成系統一級運行校準程序。為了盡可能地滿足測試系統的標準4:1或10:1性能要求，這種方法是必需的。

作為一個行業，測試和測量供應商面臨著提供能夠解決這些問題的靈活、可伸縮和高效測試解決方案的挑戰。這個挑戰實際上也就是開發出一種既能經濟地滿足今天的要求，又能保護未來投資的方法。

合成測試直面挑戰

今天，測試行業中有進取心的公司正努力迎接挑戰，合成儀器已成為許多公司的選擇方案。通過將軟件算法和基于核心儀器電路組成模塊的硬件相結合，合成儀器“合成”了傳統儀器中的激勵和測量功能。合成儀器的概念來源于當前設計和使用的軟件無線電、移動電話和其它通信系統背后的一些廣為接受的技術與技巧。為了更好地描述和定義合成儀器的概念，對軟件無線電(SDR)作一個概略的介紹將會有所幫助。