近年来,所有电子设备都在向小型化、集成化和智能化的方向发展,电子测试设备也不例外。随着新材料、新技术的引入,测试信号正向更快、更高频率、更高精度等方向发展,为了能准确的评价信号的真实特性,需要有更高带宽、更高精度、更加可靠的测试仪器来实现。此外,随着802.11ax等新无线通信技术以及未来5G的发展,测试仪器采用模块化硬件和软件定义的方式也变得更加流行。光通信及IP通信测试市场也处于一个持续的上升期,100G的普及与200/400G的启动、数据中心/云计算的火热、铜退光进的大趋势,都对光通信测试领域带来了持续的利好信息。

本文针对这些技术和市场热点,采访了几家业界领先的测试测量厂商,从中总结出了测试测量行业发展的六大趋势,同时也看看它们为其中挑战提供了哪些好的解决方案。

趋势一:未来5G通信的测试主要在毫米波部分

目前最前沿的无线通信技术莫过于5G移动通信。5G目前有两个侧重点,一个是在低于6GHz的带宽上,另一个则是在毫米波部分。日前,美国国家仪器(NI)产品市场总监Jason White在接受本刊专访时告诉记者,在低于6GHz的带宽上,我们要针对频谱的使用做到更优化更有效使用。在这其中,大规模MIMO系统带来了更好的在多通道之间同步的机制。针对这个设计,DSP厂商面临一些挑战,例如在Beamsteering(波束调整)或者在Beamforming(波束赋形)。

20170531testandmeasurement 灵活的毫米波系统原型设计平台

在毫米波的部分,即5G大于6GHz的平台上,它目前细分为两块。第一块是大家对毫米波了解得还不多,所以还在做很多通道模型的建立,做信道测量,同时针对在开放空间、密闭空间各种情形下的衰减状况。另外,毫米波上需要在成本、体积和功率这三者之间取得比较好的平衡。现在的IC工艺,毫米波因为其波长比较短,所以可以把天线集成在IC上,相应就产生了一些功率上的问题。因此,3GPP对5G的实施分为两个阶段。第一个阶段还是侧重在小于6GHz的平台上。

对于未来5G测试解决方案,Jason White表示,NI针对小于6GHz的部分提供第二代矢量信号收发仪VST2.0。在大于6GHz,也就是毫米波的部分,目前大部分测试使用的是台式仪器。大部分台式仪器最大只有40GHz,这些既有仪器当初是为了军工国防测量设计的,对于未来5G上较大的带宽不见得适合。另外这类仪器还面临成本很高的问题。NI跟前期的使用者合作下一代毫米波测试仪的时候,目标是要提供给使用者很好的测量精度,同时在灵活性以外,还要提供使用者可负担的成本。

另外,Jason White指出,5G测试需求的演进并不是革命性的,而是逐步演进的。5G的过渡前面有4.5G,像载波聚合这样的技术其实4G就已采用了,未来5G会聚合更多的载波。比如,Verizon 5G的规范上面就聚合了8个100MHz的载波,所以显然载波聚合会需要越来越多的大频宽测试需求。另外在毫米波的部分,虽然其整体测试还不知道怎样,但是在无线通信的演进过程中不变的是EVM或邻近通道Power ACP等等,这些测量项不管用什么样的协议几乎都要测试。其中一个可以借鉴的是,802.11ad中已经使用毫米波频段。另外,毫米波上会有比较大的测试项变革:目前很多测试是有连接线的,未来会有更多的空中下载(OTA),可能要在一个暗室中,用一个天线去对着待测物进行测试。原因在于毫米波之后,有很多天线在半导体工艺上已经被集成上去,已经没有任何节点可以直接去作有线连接测试。

趋势二:移动通信测试正处间歇期,光通信和IP通信测试则处上升期

罗德与施瓦茨(中国)科技有限公司业务发展部经理安毅博士向本刊表示,电子测试与测量作为电子信息工业中的重要组成部分,其发展与电子行业密切相关。随着电子信息技术的革新,产业和商业模式的发展,测试与测量也表现出相应的特点和趋势。第一,测试测量产品与技术的创新的重要性日益凸显。新的测试方法的实现,产品性能的提高才能更好地满足产业的需要。第二,测试测量产品与技术的前瞻性为电子信息产品的研发提供保障,加速产业的发展。

该公司认为,测试与测量的研究热点包括了5G测试、太赫兹等前沿的技术,除了测试与测量之外,罗德与施瓦茨公司在安全通信、广播电视与媒体、监测与网络测试等领域不断地研究和创新。此外,罗德与施瓦茨还推出了毫米波安检扫描仪,树立了新的行业标杆,更好地服务于安全行业。

随着电子通信技术的不断升级,测试测量产业整体市场需求在中长期还是会保持一个稳定的增长态势。安立通信科技(上海)有限公司市场部经理徐江表示,从细分市场来看,移动通信测试市场因为正处于4G与5G之间的间歇期,相对会处于一个短暂的低谷时期,静待5G市场的启动。物联网测试市场相对传统无线通信测试市场来说,其热烈的市场预期与实际的测试需求是有些差距的,因为物联网终端本身无线技术相对简单,对测试的依赖度及测试时间及测试成本都与传统手机终端差别很大,对于整个产业规模的拉动能力也不是一个量级。光通信及IP通信测试市场则会处于一个持续的上升期,100G的普及与200/400G的启动,数据中心/云计算的火热,铜退光进的大趋势,都对光通信测试领域带来了持续的利好信息。

安立公司也是着眼于5G相关技术及标准的发展及早期调试方式的研究,特别是5G会采用厘米波及毫米波频段,对终端测试而言其空口测试方案与过去完全不同,无法采用普通线缆连接的方式进行测量,这就对如何在OTA环境中保证测量精度及测试结果提出了挑战。

他表示,物联网的普及让越来越多的电子产品具备了联网功能,这对无线通信市场整体而言无疑是利好,但正因为联网功能越来越成为标配功能,从客户角度看就会越来越关注增加了联网功能以后的成本问题,这个成本会包括元器件的成本、研发的成本、制造的成本等多个环节。反应到测试仪器领域,工程师希望尽可能降低研发及生产测试的成本的要求,面对这个需求,安立在现有仪器平台上力求仅通过花费很小的软件升级即可支持最新的技术标准,尽可能最大化利用客户的现有投资。此外,该公司还在仪器硬件设计上进行了仔细的研究,简化了架构,减小了体积,以进一步的降低仪器价格,便于客户摆放及携带。

趋势三:无线技术普及驱动测试测量技术向混合域信号调试发展

近年来新材料新技术的引入使测试信号向更快、更高频率、更高精度等方向发展。为了能准确的评价信号的真实特性,需要有更高带宽、更高精度、更加可靠的测试仪器来实现。另外随着无线技术被广泛应用到各个行业,所以工程师需要对时域及频域信号的同时调试。同时也驱动了测试测量技术向混合域信号调试的方向发展。

泰克公司表示,目前工程师对混合信号的调试,已经突破了传统对模拟信号及数字信号的局限。工程师需要对新兴的无线技术进行测试,甚至需要对很多无线信号的进行标准评价,例如WiFi信号、低功耗蓝牙信号等。除此之外,对于越来越严格的EMI一致性要求,也希望能有工具帮忙进行EMI整改的评价。对此,泰克公司推出了MDO系列混合域示波器及RSA系列实时频谱仪来帮助广大的工程师进行混合域信号的调试。

对于物联网行业,泰克能从整个物联网的架构提供完整的测试方案,主体结构由电池、功率管理芯片、传感器、无线通信四大部分组成。工程师在每个部分设计都面临着严峻的挑战,如电池寿命优化、功率管理芯片准确评价/传感器的功耗的标定,以及从射频器件到发射及接收性能测试。因受物联网产品自身特性的制约,物联网行业必须考虑测试投入,这是物联网射频测试的最大挑战。随着泰克公司最新的矢量网络分析仪加入,泰克公司实现了针对物联网行业的高性价比从设计、部署、调测的全面解决方案。

无线射频信号高性价比的测试工具,以往对于无线信号的测试仪器价格都非常昂贵,导致很多公司从事无线产品或者模块的研发生产,测试都是轮流测试,这样导致生产效率大大降低,泰克推出了一些全新架构的产品,从矢量网络分析仪相比较同等指标产品价格只有其40%, 另外推出的RSA系列实时频谱分析超高性价比也提供了独特的信号分析功能。

趋势四:802.11ax三项技术解决多用户访问拥堵问题,那测试呢?

IEEE协会开发了新的802.11ax协议,用来解决802.11ac多用户访问AP的拥堵问题。Jason White告诉笔者,802.11ax当中导入了三项关键技术。比如在调制上,它采用了更高端的1024QAM。它针对上下行采用跟LTE中同样的OFDMA(正交频分多址接入)技术,来允许多个用户在同一时间访问。此外,它加入了MU-MIMO(多用户多输入多输出)天线技术,目的在于提升整体功率使用。

具体来说,从802.11ac到802.11ax所做的改善,它使用了波束调整,并在空间中允许更多使用者访问。“802.11ac侧重于给单一使用者最高的速度,就好像给专人开专道一样。而802.11ax则是让大家都能有相当好的体验,获得应有的带宽和网络资源。”Jason White表示。

802.11ax的改变也带来了几个新的测试挑战。首先,它使用1024QAM,造成子载波与子载波之间的间隔变得更小——无论是在芯片组本身需要有非常好的相位噪声或是相位线性度,还是在测试仪器方面需要相位噪声更好。同时,802.11ax 8x8多天线输入输出,要求8个通道之间要有更好的同步,因此矢量信号收发仪也要在多通道之间有更好的同步机制。

802.11ax协议的测试项目有一部分继承了802.11ac,但是802.11ax协议在整体上更加复杂,因此也带来了一些更复杂的测试细节。此外,它也导入了一些新的测试项目,如Unused Tones Error。因为有多用户的机制,所以即便不是旁边的使用者,它也需要针对临近子载波去进行测试。另外,它也增加了一些新的子站测试项目。

日前,NI针对802.11ax标准草案1.1分别发布了研发测试用和生产测试用的软件工具包——WLAN测试工具包17.0和WTS 1.3工具包。通过对既有的NI矢量信号收发器(VST)进行软件升级,工程师就可以进行802.11ax协议测试。

Jason White告诉记者,WLAN测试工具包17.0不仅支持802.11ax,而且支持以前的802.11a/b/g/n/ac/af/ah/p。除了这个工具包以外,NI同时还有其他工具包,比如蜂窝工具包,支持2G、3G、4G等不同代的通信协议。

对于降低成本或提升测试速度最显著的一个案例是WiFi芯片大厂——高通。该公司使用NI矢量信号收发仪,搭配这款WLAN测试套件,成功地将WiFi芯片的测试速度提升了200倍。同时,因为NI平台的灵活性,他们进一步缩短了上市时间。

趋势五:物理层观察信号+协议层分析总线协议,多个角度协作成趋势

力科公司(Teledyne Lecroy)市场经理李发存表示,测试测量技术追求的是在可控的误差范围内,高保真的对信号进行测量分析。这要求测试仪器需要更高的带宽、更高的采样率、更高的分辨率,随着100G/200G/400G通信的发展,以及PCIE4.0(16Gbps)、SAS4.0(24Gbps)和USB3.1(10Gbps)的推出,需要测试仪器具有更高的带宽,更高的采样率,才能高保真的采集这些高速信号。同时,对PDN以及各种传感器等小信号的分析,需要仪器具有更高的分辨率,才能更清晰的分析这些小信号。同时,测试测量也在追求从多个角度去分析观察问题,从物理层观察信号,从协议层分析总线协议。这样才可以得到全面的信息。

目前工程师测试遇到挑战主要是,仅仅通过物理层或者协议层的单一测试,无法定位问题,解决问题。该公司的示波器和协议分析仪的组合,可以帮助客户更快的定位问题,解决问题。

针对这些新的领域,Teledyne Lecroy一直在增强扩展自己的产品线,2016年该公司收购了FrontLine,提供业内领先的BlueTooth、WiFi、NFC等协议分析仪,进一步增强了其物联网测试解决方案;2015年推出的电机驱动分析仪MDA800,具有8个通道、12位分辨率,可以对电机驱动进行全面的分析,同时也可以对各种的传感器信号进行分析,是业内唯一的可以完整分析电动汽车电机驱动的仪器。

Teledyne Lecroy一直在致力于追求高带宽、高采样率的同时,实现更高的分辨率、更高的测量精度。2016年力科推出了HDO9000,可以在4GHz带宽、40GS/s采样率下,实现10位的分辨率。2017年4月,力科的HDO-A系列示波器,在12位采样率下,实现了10GS/s采样率。针对最近热门的技术,如Type-C、PCIE4.0、SAS4.0、100G、400G等,力科都推出了物理层和协议层的完整解决方案。并且在某些领域,该公司还提供独家的PCIE4.0、SAS4.0、HDMI2.0协议分析仪。

趋势六:优化仪器的核心硬件,口袋紧凑型设备功能日渐强化

电子设备一直向小型化、集成化和智能化的方向发展,电子测试设备也不例外。但在1991年以前,所有的示波器都是传统的台式示波器,在小型化和集成化上鲜有突破。英国比克科技公司(Pico Technology)于1991年开发了PC示波器,经过26年的发展,该公司已经开创出一个PC示波器的市场。同时,市场上也正出现更多的基于PC的测试测量仪器,如基于PC的矢量网络分析仪、基于PC的频谱分析仪等等。

比克科技表示,基于PC的测试仪器有很多优点,如更加便携小巧、充分利用了外部PC的性能、简化了系统设计从而能够进一步优化仪器的核心硬件部分,使得基于PC的仪器能够具备更多优秀的性能指标。例如,比克示波器(PicoScope)这种可以装到口袋里的紧凑型设备包含了多达6种仪器的功能:示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、任意波形发生器、函数发生器、串行总线分析仪;而且还具备一系列领先的指标和特点:USB 3.0接口高速传输数据、2GS深存储深度、16位ADC分辨率、8位到16位可调ADC分辨率、8通道12位ADC分辨率、通道隔离、自定义示波器功能等。

工程师在测试过程中面临很多挑战,如外场测试或现场测试没有测试设备或存在仪器的供电问题;测量出现时间间隔较长的信号需要更长采集时间问题,如MIPI信号中的LP信号,每两个LP信号间的时间间隔有时候可能会达到ms级,这时候如需要同时观察到多个LP信号,则需要示波器具备更长的存储深度;测量电源纹波或者开关电源时需要示波器具有更高的动态范围;测量三相电或者功率变换系统时需要更多的示波器测量通道;CATIII环境下的差分或浮地测量;数模混合系统的测量;高速信号接口的测量验证;震动信号或者加速度信号的测量;慢速信号的长时间记录等等。

比克科技通过提供一系列有针对性特点和技术的产品来帮助用户应对这些挑战,如所有系列产品不仅便携而且大部分产品可以直接通过电脑的USB口进行供电;所有系列都有长存储深度如PicoScope 6000系列具有2GS的存储深度;PicoScope 4000具有12位ADC以及16位ADC(PicoScope 4262示波器底噪的有效值低至8.5uV)的高分辨率;PicoScope 5000具有8位ADC到16位ADC灵活可调的特点;PicoScope 4824具有8个输入通道;PicoScope 4444具有4对真实差分输入、8个通道、14位ADC、通道隔离的特点;PicoScope 9000具有高达25 GHz的带宽,可以验证高速接口信号的眼图、传输线或线缆等的特征阻抗等等。

各测试测量厂商在提供哪些好的测试解决方案?

安立公司去年针对移动终端测试领域推出了MT8821C无线通信分析仪。MT8821C是一个集所有功能于一身的终端测试仪,支持LTE 4x4 MIMO DL终端测试及DL CA 5CC终端测试。该产品可帮助终端厂商加快LTE-A及LTE-A Pro终端商用的步伐。在近期其还将增加支持包括NB-IoT及Cat-M在内的LPWA物联网技术。

从产品线来看,安立公司对无线移动通信、IP数据/光通信、电子通用测量领域提供全面测试解决方案。该公司针对产线测试需要模块化、集成度高的测试方案,有面向无线终端测试的MT8870A无线终端测试仪及面向100G光模块产线测试的MP2110A一体化眼图及误码仪。针对工程师现场维护需要小巧轻便的仪表,其最近又推出了可放入口袋的最新超轻便仪器系列:S331P超轻便电缆和天线分析仪、MA24507A 毫米波功率分析仪、MS2760A毫米波频谱分析仪。

该公司表示,未来1到2年内,其产品研发的重点将是物联网终端、5G研发测试及高速接口、高速光通信测试领域的应用方案。物联网及5G方面会陆续发布针对Cat-M、NB-IoT等低功耗广覆盖物联网技术的测试解决方案,并会推出针对5G芯片及终端开发必不可少的新一代基站模拟器。在高速串行接口、高速光通信技术方面,也会在现有方案上做进一步的完善及升级,以满足业界及客户日新月异的测试需求。

罗德与施瓦茨公司安毅博士则表示,该公司具有无线综合测试仪CMW、矢量信号源SMW、频谱与信号分析仪FSW、EMC测试接收机ESW等等众多产品。这些产品能够满足非常苛刻的测试需求,同时测试功能全面而强大,可以覆盖众多领域、众多环节的测试应用,如通信、航天国防、科学研究等。

MDO4000B系列示波器是泰克推出非常具有特色的一款产品,主要是用来应对因为无线信号的兴起,对信号调试提出的新的挑战。其最大的特点是可以从时域频域信号混合调试这个新的角度来观测信号的关联性。对于全新架构的无线测试仪器,VNA及RSA系统产品大大降低了仪器的成本而不损害仪器的测试能力,更好的应对越来越高的无线信号及相关器件的调试。

Teledyne Lecroy最有特色的产品是LabMaster10Zi-A,最高带宽可达100GHz,采样率240GS/s,采用的是模块化设计,通道数目灵活配置,最高可以配置成80个通道,通道之间的抖动小于1fs,可以实现最高的带宽、最高的通道密度,非常适合100G/400G通信、PCIE4.0、SAS4.0等对带宽和采样率要求非常高的领域。

现在测试仪器竞争激烈,也存在同质化的现象,Teledyne Lecroy一直致力于开发满足客户需求的产品,提供差异化的产品,来提高自己的竞争力。“Teledyne Lecroy的MDA800电机分析仪就是我们针对电机驱动分析开发的一款仪器,它具有8个通道,12位的分辨率,可以作为一台示波器使用,也可以分析功率、功率因数、效率、转速、转矩以及谐波,可以完成功率分析仪、谐波分析仪、转速扭矩测试设备完成的功能。”李发存表示。

Teledyne Lecroy的产品有两大类:示波器和协议分析仪,力科提供业内最宽带宽范围的示波器,从40MHz低带宽的示波器到100GHz高带宽的示波器,同时力科的HDO系列高精度示波器可以提供最高12位的硬件精度。力科的协议分析仪产品线非常丰富,紧跟各个协议总线的发展,提供最前沿的协议分析方案,例如PCIE4.0、HDMI2.0、DP1.4等协议分析方案。

比克科技告诉记者,该公司最新推出了一款独特产品,即PicoScope 4444,它具有4个真实差分输入通道(接上D9~BNC的适配器即可变为8通道输入的示波器)、14位的ADC分辨率精度、通道间隔离、256 MS的深存储等特点。该款示波器是浮地测量的理想方案,解决了A-B伪差分测量的共模抑制比问题、隔离示波器的非平衡输入问题,以及使用差分探头的高昂价格问题等等。

PC示波器通过将示波器的核心部件即数据采集部分与控制系统及PC分离开来,并通过一系列技术创新,使得示波器变得非常紧凑、小巧,硬件性能不仅没有减弱,还得到了多方面的优化,而借助外部强大的PC,使得其功能也和传统高性能示波器一样强大,远优于传统的因为便携要求配置较低操作系统的低端台式示波器。“所以我们将比克科技的PicoScope与传统台式示波器的关系比喻为当今功能强大确又非常小巧的智能手机与过去体积庞大功能简单的大哥大。”比克科技表示。