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中國每年都要生產成千上萬部手機，然而手機測試設備卻相當昂貴，測試速度普遍較慢。據保守估計，每測試一部手機將耗費生產商1$以及花費測試時間1-3分鐘。所以測試設備的費用往往是OEM、EMS等手機生產廠商最為關注的問題，而這也是阻礙擴大手機產量的一個瓶頸問題。National Instruments在中國大陸的系統聯盟商-VI Service Network, 利用NI的LabVIEW軟件的射頻硬件成功構建了一套價廉質優的手機在線測試系統。通過使用虛擬儀器和一些專有的技術，使得這套系統相對于傳統儀器擁有很多突出的優點；首先，系統的測試速度更快。由于客戶能夠完全掌握測試方案，根據實際的測試需要選取不同的測試參數。在一個客戶應用程序中我們通過采取并行測試的方法將速度提高了8倍。其次，系統是可擴展的。除了協議指定的一些參數測試之外，客戶可以通過對PXI或PCI的模塊擴展來增加測試，例如多媒體測試、話音質量測試、液晶屏測試和按鍵測試等等。這種擴展在傳統儀器上是無法實現的。第三，系統具有復用性。由于PCI和PXI是通用測試總線，所以一旦客戶的測試需求有所改變時，相同的設備在很大程度 上能夠被重復使用。這一特點對OEM或EMS生產商來說尤為重要。 本文中提供的手機測試方法適用于以下幾種通信協議的參數測試：GSM, CDMA, SCDMA和TD-SCDMA。其中GSM是世界上廣泛使用的一種移動通信協議標準，――也是中國，歐洲等國家和地區現行的通信協議標準；美國，日本和韓國等國家使用的是CDMA通信標準。中國正在建設CDMA網絡，開發SCDMA和TD-SCDMA標準，并希望這種通信協議標準在中國及其他地區得到廣泛的應用。由于此協議測試包含參數協議的實現，所以目前的這套系統能夠比較容易地擴展成CDMA2000和W-CDMA通信協議標準測試。 1. 方法和原理 1.1 CDMA/GSM手機測試系統結構 圖1 CDMA/GSM校驗系統硬件連接框圖 如圖1所示， 利用NI射頻信號分析模塊PXI-5660和外部射頻信號發生器，我們建立了一套功能強大的手機測試系統。PXI-5660以實時帶寬大、時間基軸穩定和能夠進行向量測量著稱，向量測量的特性更使其成為射頻成分和商業電子測量的理想選擇。我們的測試平臺提供了最優化的數據傳輸結構，從而減少了測試時間并降低了測試成本。 圖2 CDMA/GSM校驗系統實際測試平臺結構圖 由圖2可見，基于VI Service Network獨特的并行測試技術，我們的測試系統能夠實現兩臺手機的同時測試。僅因為這項技術，手機的測試速度就可以提高一倍。在此基礎上系統又整合了基于PXI的射頻信號發生器以及射頻信號分析模塊，測試速度相對于原來的GPIB儀器又提升了50%-100%。我們PXI總線測試系統的測試速度基準是80秒/2部手機，而基于GPIB的儀器測試一部手機的時間需要大約150秒的時間。 1.2 CDMA/GSM手機測試系統的軟件工具包 無線測試工具包軟件是按照軟件無線電的理念，基于National Instruments的LabVIEW開發，是我們手機在線測試系統的核心部分。作為一個最優化測試平臺，這套工具包將射頻數字轉換器變成功能強大的協議測試儀器。從而也使得NI的射頻硬件與其他的射頻硬件有了根本上的區別。通過調用高層函數(High level VIs)，客戶能夠接觸到一些協議測試的源代碼，目前這些源代碼僅僅為少數封閉式儀器供應商所獨有。有了這些源代碼，客戶就可以為手機生產建立一套高效，靈活的生產測試系統。由于這套無線測試工具包軟件是基于National Instruments的LabVIEW圖形編程環境開發的，所以它能夠被無縫整合到National Instruments的最新測試執行軟件TestStand中去，這將進一步提升生產測試流程的高效性。 1.3 CDMA/GSM手機功能測試原理 1.3.1 時間域測量 時間域測量常用于脈沖信號系統，測量參數包括脈沖上升/下降時間、脈沖重復間隔、開/關機時間、誤碼間隔時間等等。傳統的測量方法就是用示波器來觀察信號的時域波形。而我們可以用矢量信號分析儀將輸入信號移到基帶后采樣成同相分量I和正交分量Q。我們可以在幅度-時間、相位-時間或I/Q極坐標等坐標系統中來表示這兩個分量。掃頻儀用于顯示信號在時域的幅度，即RF信號的包絡。對于TDMA技術來說時域分析尤為重要，所以脈沖的波形和定時在GSM手機的檢測中是必不可少的參數。 1.3.2 頻域測量 手機的頻域測量通常分為Spectrum due to modulation and wideband noise測試以及Spectrum due to switching測試。 Spectrum due to modulation and wideband noise測試是為了確保調制過程不會造成頻譜的過度傳播。如果頻譜過度傳播，那么工作在其他頻段的手機就將受到噪聲的干擾。這項測試在某種程度上也被視為相鄰信道功率測試。我們通過這項測試可以及時發現信號發射過程中諸如I/Q基帶信號發生器、濾波器和調制器等各個層面上的問題。 GSM/EDGE發射器會使射頻信號功率迅速呈下降趨勢。發射射頻載波功率測試確保這一過程發生時間的快速而準確，然而射頻信號功率下降過快又會導致在發射射頻信號中出現不良頻率的干擾信號。所以Spectrum due to switching test測試確保了這些頻率成分的信號功率保持在一個可以接受的范圍內。如果射頻信號功率下降過快，就會導致工作在發射頻率附近其他信道上的手機受到很強的噪聲干擾。如果這項測試不能通過的話可能的原因就是發射器的功率放大器或是基準回路有問題。 1.3.3 調制域測量 調制質量是手機發射器最重要的性能指標之一，所以它的測量就變得尤為重要。CDMA手機和GSM手機的調制質量 測試方法有所不同，CDMA手機是通過測試ρ和頻率誤差來表征它的調制質量，而GSM手機則通過測試相位誤差和頻率誤差來表征它的調制質量。 CDMA手機：ρ是關于互功率和總功率之間關系測量。互功率是將測得的射頻信號功率和理想的參考信號功率求互相關得到： PowerthatcorrelateswithidealSignalPowerTotalPowerSignalpowerErrorPowerρ==+ (1) ρ的性能好壞嚴重影響到手機對信號的處理能力。如果ρ值太小使得許多不相關的信號以噪聲的形式出現在信號中，于是我們就不得不加大信號的功率來提高信噪比，這樣基站在發射功率不變的基礎上就不得不暫時屏蔽掉一些通話以保證另一些通話有足夠的信噪比。 頻率誤差的測量是為了驗證手機信號發射器是否工作在準確的頻率上。這對于手機以及整個通信系統來說也是至關重要的，如果手機發射頻率出現比較大的誤差就會對工作在其相鄰頻率信道上的信號產生干擾。 GSM手機：相位誤差(GMSK)和頻率誤差是用于表征GSM手機調制質量的兩個重要參數。相位誤差的測量能反映出發射器電路中I/Q基帶信號發生器、濾波器、調制器和放大器等部分的問題，在實際系統中，太大的相位誤差會使接收器在某些邊界條件下無法正確解調，這最終會影響工作頻率范圍。頻率誤差的測量能夠反映出合成器/鎖相環等部分的性能。頻率誤差過大反映出當信號發送時存在頻率轉換，合成器不能快速識別信號。在實際系統中，頻率誤差過大會造成接收器無法鎖定頻率，最終導致和其他手機之間相互干擾。 1.3.4 通道功率的測量 通道功率是指在信號頻率帶寬范圍內的平均功率，它是通信系統最基本的參數之一。在無線通信系統中，我們要用盡可能小的功率實現最佳的通信連接。這樣不僅有助于將整個系統的干擾保持在最小的程度，還可以最大限度地延長基站電池的壽命。手機移動通信中如果通道功率太小，那我們就無法得到理想的通話質量，如果通道功率太大，基站電池的壽命就會大大縮短，我們要使通道功率保持在一個使兩者性能達到最佳的均衡狀態。因此通道功率的測試在手機測試中就顯得至關重要。 2. 測試結果 用我們的手機在線測試系統分別對CDMA和GSM手機進行了各種參數的測試。結果表明，我們的手機測試系統高速而準確。 2.1 CDMA手機校驗測試 2.1.1 校驗測試項目 Transmitter: zPower vs. power control register zPower compensation over frequency channels zPower vs. power control register in High Power mode zAdjacent Channel Power(ACPR) Receiver: zReceived Signal Strength Indicator(RSSI) range zRSSI vs. input power zRSSI vs. frequency channels zRSSI vs. frequency offset within band zHigh gain RSSI tests 2.1.2 對單個UUT進行反復測試 對于發射器來說，最主要的測試是射頻輸出功率vs. Tx PDM的測量。Tx PDM是射頻功率控制寄存器，它與射頻輸出功率之間有對應關系，我們通過串口指令設置此寄存器的初值，然后測試射頻輸出功率是否與之對應正確。我們對一個UUT進行了37次測試，得到了相應的輸出功率vs. Tx PDM曲線和測量標準差。 對于接收器來說，最主要的測試是Rx PDM vs.射頻接收功率的測量。Rx PDM是接收器的增益控制寄存器，它與射頻輸入功率之間有對應關系，通過串口指令讀取這個寄存器的初值，可以控制增益得到所需強度的信號。我們同樣對UUT測試37次，得到了相應的Rx PDM vs. 輸入功率曲線和測量標準差。 結果表明，37次測試全部正確，發射器測試平均標準差只有0.2dBm，接收器測試平均標準差只有0.7LSB，測試結果相當理想。 2.2 GSM手機測試的準確性驗證 我們用PXI-5660對GSM手機進行了一系列測試： zFrequency &Phase Error zPower measurement zPower Ramp zSpectrum due to Modulation z Spectrum due to Switching 測試結果如下： zFrequency &Phase Error: 頻率誤差為2.5Hz，僅占中心頻率的9310?×；峰值相位誤差為2o，僅占相位容差的1%(GSM標準的相位容差為20o)；均方根相位誤差比系統測量的最小精度(0.1 o)還要小。 zPower Measurement 在單脈沖測試中，功率的測量標準差僅為0.03dBm zPower Ramp 在單脈沖測試中，在GSM脈沖有用段信號的功率斜波精度為0.03dB。噪聲下限為-84.8dBc。 zSpectrum due to Modulation 在雙脈沖測試中，載波頻率以下250kHz頻譜精度為0.3dB。噪聲下限為-70dBc。 zSpectrum due to Switching 在雙脈沖測試中，精度為2.4dB。噪聲下限低于-50dBc。 由測試結果可見，本系統測量精確度很高。 2.3 SCDMA手機的在線測試成功案例 信威有限公司(www.xinwei.com.cn)是中國本地的一家無線通訊設備公司。信威聯合了大唐電信等其他幾家通訊公司共同研制開發SCDMA標準。SCDMA協議是目前中國國內正在開發的3G協議－TD-SCDMA的基礎之一。SCDMA也是目前唯一一個有中國公司自主擁有IP的電信協議。信威公司的SCDMA手機工作在1.8GHz，它已經為眾多中小型城市提供了價格低廉的無線接入和信息服務，并很有希望向各大主要城市推廣SCDMA網絡。在業務容量與日俱增的情況下，信威急需提高其手機檢測系統的質量和效率。VI Service Network的手機在線測試系統為他們提供了一套非常成功的解決方案，我們在每一條手機生產線上使用一臺基于NI PXI總線的測試系統，包含NI的PXI-5660，替換了原先基于兩臺GPIB的傳統手機測試儀器。這樣，測試的效率幾乎是原先的2倍多，總的生產能力比原先提高了4倍。至今，我們的系統已經在信威公司的生產廠正常運作數月之久，進一步驗證了本系統的可靠性和穩定性。 3. 結論 VI Service Network基于PXI的無線測試系統能夠很大程度上地改善客戶的手機測試系統。它通過多臺手機并行測試的實現，提高了測試速度，同時降低了每臺手機的測試成本，是高效生產的理想選擇。基于LabVIEW的無線測試工具包為客戶提供了各種高層函數 (High level functions) 和實例 (Examples) 使客戶能夠找到一個靈活、可擴展和進一步開發的解決方案。客戶既可以使用目前的系統，也可以按照需求構建一套自行設計的測試系統。以后，客戶還能夠利用National Instruments本地化的技術支持網絡以及NI眾多系統聯盟商的服務資源來解決開發和生產過程中所遇到的各種問題。 |
