RF WCDMA基準比較測試

概覽
通過與傳統(tǒng)的儀器進行比較，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。當準備好工作后，你走出家門，使用一個315MHz的FSK發(fā)射機來打開車鎖。坐到車里，駛上道路，你又可以享受無線電收音機所提供的沒有廣告的娛樂節(jié)目。稍后，你會通過藍牙耳機會與車內的3G手機建立連接。幾分鐘內，車載的GPS導航儀可以修正你當前的3D位置，并向你指示路徑。GPS接收機傳出的聲音提示你需要駛入收費公路，同時RFID接收器將自動收取相應的過路費。

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(yè)余的時間變得更輕松，但是在設計下一代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峻。因此，當前的自動測試系統(tǒng)所關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實現(xiàn)比傳統(tǒng)儀器更快的測量速度，從二者的架構區(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內核個數(shù)）按照摩爾定律提升，當前的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(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)領先的傳統(tǒng)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(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測試數(shù)據(jù)，可以在一系列通信標準的測量應用中，對PXI和傳統(tǒng)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(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。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(shù)據(jù)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(zhí)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(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)了產品測試的自動化。

如圖3所示，觀察嵌套的For 循環(huán)當中的EVM測試相關步驟（“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行平均的次數(shù)，內層的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，可用于進行統(tǒng)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(tǒng)儀器來說，若要達到最快的速度，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(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(fā)生器為其提供信號源，進行回環(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(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平均的次數(shù)和測量重復性之間關系。

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架式控制器，PXIe-5663 RF矢量信號分析儀均可實現(xiàn)遠超傳統(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行平均的次數(shù)有關。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(shù)據(jù)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(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(tǒng)儀器和PXI儀器在測量時間和平均次數(shù)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(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(shù)的關系。

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，在達到相同的測量結果時，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(shù)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(shù)的增加，連續(xù)運行的重復性精度提高。圖10中所示， 在不同的平均值次數(shù)的配置下的EVM標準差。


圖10. 在不同的平均運算次數(shù)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(shù)的關系。在圖10所示結果中僅僅使用了1000組數(shù)據(jù)，而對于大多數(shù)產品測試應用來說，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)的均值和標準差。



表3. 在不同的平均次數(shù)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(fā)生器可以對WCDMA標準實現(xiàn)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(tǒng)可以利用計算領域的最新技術。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，你可以在應對RF測試中的新挑戰(zhàn)的同時降低測試成本。