PXI軟件定義型儀器與傳統儀器的基準比較

　　理解軟件定義PXI射頻儀器與傳統儀器相比在速度上的提升。WCDMA測量結果顯示與傳統儀器相比，固有并行化的LabVIEW測量算法在多核處理器上顯著提高了執行速度。
簡介
　　上午七點，在經典的搖滾樂聲中，你起床了。收音機鬧鐘上的RDS接收機告訴你，正在聆聽的音樂是槍與玫瑰樂隊的《歡迎來到叢林》。隨后，在你喝早茶的時候，無線局域網收發器提醒您到書房查收電子郵件。當從前門出發準備去上班的時候，你使用315MHz的FSK發射器將汽車的門打開。在駕駛汽車的時候，你會感謝衛星電臺提供的沒有廣告的娛樂節目。一會兒，耳朵上戴的藍牙收發器與3G手機通信。在幾分鐘內，你的GPS導航系統獲得了3D坐標的修正值，你已經行駛在路上了。GPS接收器上發出的聲音告訴你使用收費公路，在那里，RFID讀卡器將對汽車收取合適的費用。
　　射頻技術無處不在。作為消費者，我們很容易理解它對我們的影響，而對于射頻測試工程師而言，它有著更為重大影響。無線設備的成本正在大幅度降低，使得我們可以更加容易地完成工作。然而，這卻為我們設計下一代射頻自動化測試系統提出了新的挑戰。比以往都更為緊迫的任務是降低測試的成本。所以，現今的自動化測試系統最為關注的問題就是如何減少總的測試時間。
全新6.6 GHz射頻測試平臺介紹
　　為了滿足這種需求，NI公司開發出了6.6GHz的高速射頻測量平臺。這些產品，即NI PXIe-5663矢量信號分析儀(VSA)和NI PXIe-5673矢量信號發生器(VSG)，為自動化射頻測量提供了高速而靈活的解決方案。NI PXIe-5663可以進行從10MHz到6.6GHz、高達50MHz實時帶寬的信號分析。NI PXIe-5673則提供了從85MHz到6.6GHz的信號生成，而且具有100MHz的實時帶寬。(見圖1)

圖1. 裝載全新6.6 GHz射頻測試平臺的PXI系統
　　新型的6.6GHz射頻測試平臺是自動化測試應用的理想選擇。借助于高度并行化的NI LabVIEW測量算法，PXI模塊化儀器可以提供比傳統儀器高得多的速度。為了理解為什么PXI模塊化儀器可以獲得比傳統儀器更快的測量速度，讓我們先來考慮一下PXI模塊化儀器和傳統儀器在系統構架上的不同之處。兩種系統使用了許多相似的部件，其中最主要的不同是PXI系統可以使用高性能的多核心中央處理器(即CPU)。為了解釋這個概念，請看圖2中兩種類型儀器的方框圖。

圖2.用戶自定義的CPU是PXI射頻儀器的核心部件
　　雖然PXI儀器與傳統儀器有著許多相似之處，但是PXI模塊化儀器上的用戶自定義式多核CPU使得測量可以更快的進行。在許多應用案例中，射頻測量算法是用原生化的并行LabVIEW編程語言編寫的。所以，總的測量速度可以通過將處理器升級到更多的處理核心而得到提高。隨著CPU的時鐘頻率(或者核心的數量)按照摩爾定律不斷地提高，現在的PXI射頻測試人員可以獲得更可觀的測量速度。就像在這篇文章的基準數據中看到的那樣，許多PXI矢量信號分析儀可以運行多核式射頻測量算法，其速度是傳統的頂級矢量信號分析儀的30倍！
　　為了理解PXI儀器的好處，讓我們來考慮一下高速無線設備測試這種類型的應用。在這些應用中，測試時間通常在產品的COGS(售出商品的成本)中占有相當大的比例。而且，對于無線通信協議，如3G UMTS(WCDMA)標準，多處理器測量算法需要強大的處理能力。在這些應用中，NI公司的合作伙伴AmFax公司，提供了高度并行化的測量算法用于WCDMA物理層的測量。在這個應用案例中，NI公司的射頻儀器和合作伙伴的軟件結合在一起，提供了低成本、高速度高精度的測試平臺。
使用LabVIEW軟件來實現更快捷的WCDMA 測量
　　為了理解NI PXIe-5663射頻矢量信號分析儀的測量速度和精度，讓我們來“面對面”地將它們與頂級的傳統儀器(表1)做以比較。兩種做比照用的儀器都是相對較為新型的射頻矢量信號分析儀，而且它們均比全功能的NI PXIe-5663射頻測量系統貴很多。

儀器A1儀器B2NI PXIe-5663
　　儀器類型傳統射頻矢量信號分析儀傳統射頻矢量信號分析儀PXI Express射頻矢量信號分析儀
頻率范圍9 kHz 到8 GHz1 MHz 到 8 GHz10 MHz 到 6.6 GHz
發布時間2007年2006年2008年

　　1.儀器A是Rohde & Schwarz公司的FSG。
　　2.儀器B是Rohde & Schwarz公司的FSQ。

表1.PXI儀器與傳統儀器的比較

　　為了提供最為真實的基準數據，PXI儀器和傳統儀器需要在一系列標準明確的測量下進行定時比較。對于WCDMA應用而言，我們需要考慮儀器在范圍廣泛測量中的性能。物理層的測量，如互補式累積分布函數(CCDF)要求長時間的采集，而且受處理器速度的影響較小。但是，需要解調的測量，如誤差矢量幅度(EVM)等，需要大量的信號處理。最后，頻域的測量， 如臨近信道泄漏功率比(ACLR)和占用的帶寬(OBW)等也需要測試，因為它們都需要進行離散傅立葉變換(DFT)計算。
使用通常的測試執行軟件，如NI TestStand軟件，用戶可以快捷地配置自動化測量序列。　　　　NI TestStand軟件不僅提供了內建的框架用于順序化地進行測量，而且可以配置用來報告每次測試的測量時間。在圖1中顯示了NI TestStand報告自動化測試序列的測量時間的截圖。

圖3.NI TestStand軟件在產品測試環境中進行自動化測量
　　在圖3中，請觀察EVM測量步驟附近的嵌套式for循環("Configure NI EVM"和"Measure NI Composite EVM")。外層的for循環決定了指定測量的均值次數，內層的for循環使用相同的測量設定來順序化地執行多個對象。通過對多個測量使用相同的配置設定，用戶可以對測量數據進行統計分析，來確定結果的平均值和標準差。
配置射頻儀器
　　在執行儀器基準時，如何配置每個儀器實現最快測量性能非常關鍵。對于傳統儀器，可采用儀器板載的均值函數來代替手工求均值以實現最佳性能。此外，在測量進行時不能顯示前面板。最后，選擇最有效的儀器控制總線也很重要。因為這類測試的數據量較小，儀器控制總線需要對延遲進行優化。所以選擇GPIB總線代替LAN可實現最佳延遲。一般來說，在很少需要或不需要求均值的應用中延遲對測量影響更大。
　　在確定射頻矢量信號分析儀的測量速度基準中，射頻矢量信號發生器需要設置為環回處理模式。為評估PXIe-5663 VSA，全新PXIe-5667 6.6 GHz射頻矢量信號發生器配置為測試激勵源。為了與WCDMA兼容，激勵中心頻率需設置在1.95 GHz。配置射頻輸出功率為-10 dBm，并將發生器與矢量信號分析儀直接連接。圖4所示為硬件配置方式。

圖4.將矢量信號分析儀直接連到矢量信號發生器上
　　在需要使用真實待測設備(DUT)來確定諸如測量重復性等特性時，環回處理模式的優勢在于可顯示儀器的測量性能。
測量時間基準結果
　　通過上述設置，觀察以下每個測量時間（單位為秒）。注意表2中平均次數的選取根據設計驗證應用中的經驗值決定。本文接下來的部分將說明平均次數與測量可重復性之間的詳細關系。
各類測試的典型測量時間

表2. 傳統儀器與PXI儀器的WCDMA測量時間.
　　正如表2中顯示的那樣，NI PXIe-5663射頻矢量信號分析儀無論使用嵌入式控制器還是機架式控制器，都可以提供比傳統儀器更為優越的測量速度。另外，請注意觀察處理器對總測量時間的影響。NI PXIe-8130嵌入式控制器使用了型號為AMD TuronX2 2.3GHz的CPU，而NI PXIe-8106嵌入式控制器則使用了2.16GHz的Intel Core 2 Duo式CPU。作為四核心處理器，NI 8353 1U機架式控制器，使用了兩個2.4GHz的Core 2 Duo式CPU。因為CPU的性能直接決定了測量的速度，所以四核控制器可以提供比最快的雙核控制器還要快的測量時間。請看圖4中的圖表，來確定相比于傳統儀器所降低的總測量時間的百分比。

圖5. NI 8353 1U控制器的測量速度比傳統儀器快10倍
　　對大多數WCDMA PHY層測量，處理時間對總體測量時間影響最大。這類測量中總時間通常與采用的平均次數成比例。唯一的例外是CCDF測量，由于它需要特別長的采集量，因此處理器對總體測量時間的影響較小。觀察圖6中對CCDF測量結果，PXI測量系統比采用傳統儀器稍快。

圖6. 平均次數對CCDF測量時間影響很小
　　為確定采用PXI儀器后的性能提升，需要進行一系列測試。以下顯示的數據為每個配置測量10次后的均值。圖6中，采用PXI儀器系統代替傳統儀器后，CCDF測量時間縮短了33%。同時可以看到NI 8353四核機架固定式控制器顯著改善了測量時間。
　　對于處理器密集型的PHY層測量，處理器的選擇極大影響了總體測量時間。圖7到圖9表明了采用傳統儀器或PXI儀器時測量時間與平均次數的關系。

圖7. PXI儀器在處理器密集型測量中速度改善最大
　　對于如EVM的處理器密集型測量，處理器的選擇極大影響了測量時間。例如，NI PXIe-8130嵌入式雙核處理器進行EVM測量時，并采用5次平均需要342毫秒。而采用NI 8353四核控制器可縮短33%的時間，即只需228毫秒。在鄰近信道泄漏功率比(ACLR)測量中也有類似結果，見圖8。

圖8. ACLR測量時間對比平均數
　　使用PXI射頻測量系統后，ACLR測量時間可提速16倍。單一ACLR測量（不包括配置時間）一般小于8 ms，即使與時域ACLR測量相比也快許多。
最終占用帶寬的測量結果見圖9。

圖9. 采用PXI儀器進行占用帶寬測量可提速30倍
　　由圖9可見對于某些測試，PXI射頻儀器相比傳統儀器同樣可提速30倍。此外，絕對測量時間的改善在需要大量求平均的場合下更顯著。
測量平均對比可重復性
　　求平均會大大增加總體測試時間，但實現更多可重復測試卻需要進行測量平均。測量平均事實上增加了測量時間，所以理解可重復性與平均數之間的關系將非常重要。由于噪聲在求平均的過程中減小，我們發現連續兩次測試的可重復性隨平均數的增加而改善。圖10中將每次測量中的EVM標準偏差與設置的平均次數進行了比較。

　　圖10的結果中，所有EVM測量都在一幀WCDMA內完成，相當于2600 chip。觀察測量可重復性與平均數之間的關系。圖10中僅采用100次試驗來計算數據集，而許多產品測試應用需要更大的數據測試量。事實上，許多測試在多臺儀器上進行，這就需要更精確的測量可重復性模型。
將PXIe-5663射頻矢量信號分析儀與PXIe-5673矢量信號發生器配置為環回處理模式，就可以輕松實現比EVM測量更好的結果。表3種顯示了不同配置下的均值和標準偏差。

　　　　　　　　　　　　　表3. EVM及標準偏差作為平均數的函數
　　PXIe-5663射頻矢量信號分析儀與PXIe-5673矢量信號發生器可在WCDMA標準下實現精確可重復的EVM測量。
結論
　　隨著無線技術應用的深入，縮短測量時間的壓力將越來越大。而PXI測試系統可成功駕馭計算領域的前沿技術。事實上，就如本文中顯示的數據，在多核PXI處理器上執行并性測量算法的速度相比在傳統儀器上執行類似算法的速度有顯著提升。因而，NI全新的PXI 6.6 GHz射頻測量平臺，可滿足對低成本射頻測試的需求。更多關于PXI 6.6 GHz射頻測量平臺信息，請訪問ni.com/rf/platform。