概覽
通過與傳統的儀器進行比較，了解軟件定義的PXI RF儀器在速度上的優勢。如WCDMA測量結果所示，基于多核處理器并行執行的LabVIEW測量算法與傳統儀器相比可以實現明顯的速度提升。
介紹
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RF技術無處不在。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。無線設備的成本大幅降低，可以讓業余的時間變得更輕松，但是在設計下一代RF自動測試系統時，將會帶來更多的挑戰。工程項目所面臨的降低測試成本的挑戰，比以往任何時候都嚴峻。因此，當前的自動測試系統所關注的焦點在于減少整體的測試時間。
最新發布的6.6GHz RF測試平臺
為了滿足這一需求，NI開發了6.6GHz高速RF測試平臺。所發布的新產品包括NI PXIe-5663矢量信號分析儀、NI PXIe-5673矢量信號發生器，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。
6.6GHz RF測試平臺非常適于自動化測試應用。使用高度并行的NI LabVIEW測量算法，PXI模塊化儀器可實現顯著優于傳統儀器的測量速度。若要了解PXI模塊化儀器為何能夠實現比傳統儀器更快的測量速度，從二者的架構區別中即可找到原因。雖然二者使用類似的組件，但是區別在于PXI系統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框圖，即可看出這一區別。
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，從而實現總體的測量速度的提升。隨著CPU時鐘速率（或者CPU內核個數）按照摩爾定律提升，當前的RF測試儀器可以實現非?？斓乃俣?。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的臺式矢量信號分析儀的速度高出30倍。
為了更進一步了解PXI儀器的優勢，可以對一些高通量的無線測試應用進行分析。在這種情況下，測試時間在產品的成本(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 系統聯盟商的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，我們與一款行業領先的傳統儀器進行了一次巔峰對決（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測試系統要高出許多。
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儀器 A1 |
儀器 B2 |
PXIe-5663 |
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儀器類型 |
傳統 RF VSA |
傳統RF VSA |
PXI Express RF VSA |
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頻率范圍 |
9 kHz 到 8 GHz |
1 MHz 到 8 GHz |
10 MHz 到 6.6 GHz |
儀器A為Rhode & Schwartz FSG
儀器B為Rhode & Schwartz FSQ
表1. PXI和傳統儀器的比較。
為了提供更為切實的基準測試數據，可以在一系列通信標準的測量應用中，對PXI和傳統儀器的測量時間進行比較。對于WCDMA應用來說，可在一系列參數測量中，考核儀器的性能。物理層測試通常需要很長的采集時間，例如補償累計分布函數 (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。而對于一些需要解調運算的測試來說，例如誤差向量幅度(Error vector magnitude, EVM)，則需要大量的數據處理工作。最后還進行了頻域的測量，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行架構，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置的框架用于進行序列化的測試，還可以對每個測試所花費的時間進行統計。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計的界面截圖。
圖3. NI TestStand實現了產品測試的自動化。
如圖3所示，觀察嵌套的For 循環當中的EVM測試相關步驟（“NI 配置EVM”，“NI 測量EVM”）。外層的For循環用于確定對一個給定的測量進行平均的次數，內層的For循環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，可用于進行統計分析，以確定平均值和標準差。
配置RF儀器
在進行儀器基準測試時，需要將每個儀器都調整至最快的速度，這一點非常重要。對于傳統儀器來說，若要達到最快的速度，需要使用板載的平均函數而不是對每一個測量值手動的進行平均運算。此外，在測試運行時，應將前面板的顯示關閉。最后，選擇高效的儀器控制總線也非常重要。因為這種測試所產生的數據塊較小，所選的數據總線必須有較小的延遲。因此，我們選擇經由LAN的GPIB總線，以保證延遲最小。事實上，作為一個通常的準則，當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行基準測試，需要使用一個RF矢量信號發生器為其提供信號源，進行回環測試。為了評價PXIe-5663 VSA的性能，可以使用最新的PXIe-5667 6.6 GHz RF矢量信號發生器來生成源信號。此源信號符合WCDMA標準，以1.95GHz作為中心頻率。將RF輸出的功率設定為-10 dBm，并將信號發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（例如可重復性測試），但是回環測試的好處是，可以展示儀器的測量性能。
測量時間統計
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是按照設計驗證時所常用的次數來確定。在下文中，你可以了解到更多有關平均的次數和測量重復性之間關系。
各種測量應用的典型測量時間
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時間均以秒為單位 |
平均次數 |
儀器 A |
儀器 B |
NI PXI-5663 w/NI PXIe-8130 |
NI PXIe-5663 w/NI PXIe-8106 |
NI PXI-5663 w/NI 8353 |
|
CCDF |
1M |
0.505 |
0.510 |
0.488 |
0.330 |
0.384 |
|
EVM 測量時間 |
20 |
3.142 |
3.130 |
0.822 |
0.577 |
0.519 |
|
ACLR 測量時間 |
20 |
3.070 |
3.100 |
0.200 |
0.174 |
0.168 |
|
OBW 測量時間 |
20 |
4.554 |
4.540 |
0.217 |
0.188 |
0.167 |
|
總時間 |
|
11.270 |
11.280 |
1.727 |
1.269 |
1.070 |
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與儀器 A相比實現的速度提升 |
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1倍 |
1倍 |
6.56倍 |
8.88倍 |
10.53倍 |
表2. 傳統儀器和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架式控制器，PXIe-5663 RF矢量信號分析儀均可實現遠超傳統儀器的測量速度。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的測量速度還要快。圖5所示為以百分比的形式，與傳統儀器相比所實現的整體的測量時間的縮減。
圖5. 與傳統儀器相比，NI 8353 1U控制器可以縮減83%的測量時間。
對于多數的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行平均的次數有關。但也有一個例外，就是需要特別大的數據采集量的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測量系統比傳統儀器略快一些。
圖6. 平均運算的次數對于CCDF測量時間影響較小。
為了更加全面準確地觀察PXI儀器所帶來的性能提升，所進行的這些測量需要進行若干次。下面所示的所有數據是在每一種配置下進行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（而不是傳統儀器），CCDF測量時間可以減少33%。此處，你可以看到NI 8353 四核機架式控制器可以達到最高的測量速度。
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，可以看到傳統儀器和PXI儀器在測量時間和平均次數之間的關系。
圖7. 在處理器密集型的測量中，PXI儀器可以體現最大的速度優勢。
對于諸如EVM測量這樣的處理器密集型應用來說，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測量如果設定為對五個點進行平均值運算，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。在相鄰通道泄漏比率(Adjacent channel leakage ratio, ACLR)測量中也可看到類似的結果，如圖8所示。
圖8. 在ACLR測量中，測量時間與平均次數的關系。
在ACLR測量中，使用PXI RF測量系統可以比傳統儀器快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，這比常規的時域 ACLR測量時間還短。圖9所示為最后一項測量結果，即為占用帶寬的測量。
圖9. 在占用帶寬的測量中，使用PXI儀器可以比傳統儀器快30倍。
在圖9中你可以看到，對于一些測量來說，在達到相同的測量結果時，PXI RF儀器可以比傳統儀器快30倍。此外，在一些需要更多的平均次數的測量中，PXI儀器在絕對的測量時間上的優勢更為顯著。
測量值平均運算與重復性
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可重復的測量結果。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與重復性精度之間的關系非常重要。因為可以通過平均來降低信號中的一些噪聲，你可以看到：隨著平均次數的增加，連續運行的重復性精度提高。圖10中所示， 在不同的平均值次數的配置下的EVM標準差。
圖10. 在不同的平均運算次數情況下的EVM標準差。
如圖10所示,所有的EVM測量都是針對一個WCDMA幀內進行，相當于2600 chip。請觀察測量重復性精度與平均次數的關系。在圖10所示結果中僅僅使用了1000組數據，而對于大多數產品測試應用來說，通常需要更大的數據集。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，以表征測量重復性。
使用PXIe-5663 RF 矢量信號分析儀和PXIe-5673 矢量信號發生器，你可以很容易地實現優于1%的EVM測量。表3所示為更重配置下實現的均值和標準差。
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采集點數 |
平均次數 |
EVM均值 |
標準差 |
|
1000 |
1 |
0.82343% |
0.01276% |
|
1000 |
5 |
0.82171% |
0.00398% |
|
1000 |
10 |
0.82076% |
0.00225% |
|
1000 |
25 |
0.82055% |
0.00143% |
|
1000 |
50 |
0.82056% |
0.00098% |
|
1000 |
100 |
0.82063% |
0.00066% |
表3. 在不同的平均次數的情況下的EVM和標準差。
NI 5663 RF矢量信號分析儀和PXIe-5673 RF信號發生器可以對WCDMA標準實現精準的、可重復的EVM測量。
結論
隨著無線通信技術的使用越來越廣泛，減少其測量時間所需的難度越來越大。幸運的是，PXI測量系統可以利用計算領域的最新技術。事實上，如本文中的數據所示，執行于多核PXI處理器上的并行的測量算法比傳統儀器上的類似算法有顯著的速度優勢。因此，借助于National Instruments新推出的PXI 6.6 GHz RF測量平臺，你可以在應對RF測試中的新挑戰的同時降低測試成本。