无线测试系统如何优化？
时间：10-02
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无论是移动设备、物联网(IoT)还是工业射频(RF)应用，整个世界都仰赖于无线的运作。因此，无线测试比以往任何时候都更重要。但如何均衡完整性、速度和预算呢?“从三项要求中任取两个”可不是好的答案。测试必须彻底，并且具有足够快的速度能跟上产品上市的步伐，还必须符合紧缩的预算。
测试工程师应该采用一种合适的方法来管理多方面的折衷因素，并针对特定情形找出最合适的解决方案。
确定测试要求
理想的无线测试一开始先比较和对比两种常见的无线测试系统：收发机和信号交递(handover)。收发机测试用于测试无线电设备彼此间如何直接通讯。而信号交递测试则用于测试天线或接取点(AP)如何与无线电设备(通常称为手持设备)一起执行任务。
不管是收发机测试还是交递测试，测试设备都需要考虑以下几个方面：
? 透过端口连接设备与测试系统
? 内部RF组件衰减、划分或组合信号
? 衰减器可以远程编程或手动设计
? 系统在指定的频率范围内作业
? 透过配置建立设备间的通讯路径
端口、衰减器和分波/混波器、频率范围以及内部配置，都是必须进行折衷之处，它们将影响整个测试的速度、全面性和成本。
做出选择
在理想的情况下，你会拥有最灵活的测试系统。这种系统可以将你需要测试的任何无线电或手持设备与天线连接在一起。两个设备之间的每条路径都有一个可编程的衰减器，用来单独地调节设备之间的信号强度，并且能够随时调节信号强度，以仿真信号衰减。
然而，随着端口数、潜在路径和RF组件的增加，费用也将大幅上升。增加额外的组件就必须扩大机架空间才足以容纳，同时也对功耗和散热提出了更高的要求。
如果减少了测试系统中的组件数，尺寸、功耗和冷却要求将随之降低，成本也会下降，必须付出的代价是失去测试的灵活度。有些测试配置甚至可能无法建模。其它测试场景可能需要花更长的时间，因为灵活度降低必然需要更多的反复测试才能涵盖个别案例，同时需要更多的时间因应额外的设备和测试步骤。
在信号的交递测试中，能够平衡灵活度、时间和节能的额外资源是使用人工衰减器。它们比可编程衰减器更便宜，因为它们缺少用于远程编程的电路，取而代之的是工程师必须透过衰减器前面板上的旋钮来设置衰减值。手动作业会增加配置的时间，而且无法适应所有的测试场景，例如衰减随时间改变的dB值设定，以仿真信号衰减。
即使是输入功率的规格也会对于预算造成压力。由于测试设备的组件功耗特性，通常接受有限的天线或接取点输入功率，约1W，而不是典型的商用40W设备。增加专用的衰减器取代在满功率下执行测试所付出的成本比升级测试系统组件要低得多。
虽然严格来说不算是折衷，但使用技术上中性的语言有助于拓展选择合适测试设备的范围。举例来说，LTE无线设备所使用的频率在每个国家都不同，必须指定实际的频率范围。每一家公司如何参考频率范围也各不相同。有些公司规定所有的东西以MHz为单位；其他公司则喜欢引用GHz。寻找在每种情况下都适用的值，可确保搜索结果更准确。
权衡明日的需求
折衷也会影响未来。测试工程师不能只考虑现在的需要，因为测试设备通常无法重新配置。如果你买了一台仅适合现有项目的设备，等到明年可能提出其他需要更高扩展性的设计要求，那时就必须再添购新的测试系统了。而第二台设备也许能够覆盖当前与未来的测试案例，因此过度节省的经济策略反而会弄巧成拙。
在某些情况下，为了取得更高覆盖率而额外付出的成本也许是可以忽略的。例如，如果你想在900MHz至2GHz频率范围内测试收发机，那么客制化的测试系统成本实际上与覆盖698MHz至3GHz频率范围的成本是相当的，因为后者可能会使用更多的标准组件，因而取得现成组件的成本效率。
考虑到在连接上需要的衰减量，典型的范围包括：从0dB到95dB，以1dB为步距，一直到6000MHz；或者从0dB到127dB，以1dB为步距，一直到3,000MHz。在典型范围内所能涵盖的测试衰减需求越多，测试系统使用更便宜标准组件的可能性就越大。
收发机测试
收发机测试设备中的每个埠都代表待测无线电设备之一的RF信号。无线部份经常在屏蔽外壳中用于控制测试环境的每根天线都透过电缆连接到这一端口。
收发机测试设备中共有三种配置：完全扇出；有限扇出；集中扇出。
完全扇出是最灵活的，因为它提供了一种完全网格状的矩阵。它也是最贵的，因为它需要最多的RF组件。在完全扇出的配置中，两个无线设备对之间的每条可能路径都有一个对应的衰减器。如果有12个埠，就有(12×11)/2或66条可能的双向路径，每条路径都需要一个可编程的衰减器。如果是6个埠，就有(6×5)/2或15条可能的路径，因此需要15个可编程的衰减器。
在有限扇出配置中，每个端口连接到任一侧侧其它埠的特定子集。如果你用的是12埠的盒子，并拥有一个8埠有限扇出的设计，那么这12埠中的每一个都将连接到正上方的4个扇出和正下方的4个扇出。这将使需要衰减器的路径数量减少到48个。埠数越多，有限扇出设计就更具经济效益。一个36埠完全扇出盒子需要630个可编程衰减器。如果改用一个36埠12有限扇出的设计，只需要216个可编程衰减器，大幅节省约三分之二。如果在实际使用中有限扇出可以胜任，无线电设备将从地理上扩展得足够远，因而无须让所有设备都直接通讯。
集中扇出是最简单的设计，使用轮辐拓扑。每个埠只有一个可编程衰减器。但这将牺牲其灵活度。每台无线电设备透过测试系统在同一时刻只能与一台其它无线电设备通讯。
信号交递测试
在信号交递测试中有两种类型的埠：输入和输出。输入端口代表天线：基地台、接取点、蜂窝天线塔或连接到通讯网络的其它类型。输出端口代表手持设备或移动设备。在这个案例中，术语“输入”和“输出”是命名惯例，因为信号交递测试系统中的所有路径都是双向作业的。
共有三种类型的信号交递配置：完全扇出；有限扇出；手动交递。
与收发机测试系统一样，一个完全扇出的交递系统意味着所有的输入都可以与所有的输出对话。每个输入埠被连接到一个RF分波器/混波器，并根据输出端口数将信号划分成多条路径。每条路径都有一个衰减器。然后每条路径针对相关的输出端口导入分波/混波器。为了取得完全扇出交递系统中的路径数量，必须将输入埠数乘以输出埠数。一个8×4的系统需要为每个输入端口配置一个1×4的分波/混波器、4个衰减器，并针对每个输出端口配置一个1×8分波/混波器。因此总共有32个衰减器和12个分波/混波器。
在一个有限扇出配置中，每个输入都有一个衰减器，因此相同的信号强度可到达所有天线。所有的输入导入同一个分波/混波器，然后再导向连接输出的另一个分波/混波器。对于8×4的配置来说，只有8个衰减器和2个分波/混波器。虽然组件数量较少，但你无法从手持设备到天线的每条路径都为其单独调整衰减值。
手动交递系统也使用有限扇出配置。手动和编程有限扇出之间的区别在于，在手动系统中以手动旋转衰减器取代可编程衰减器。手动交递系统是最简单、最便宜的类型，通常应用在早期的研发阶段。
找到理想的解决方案
有选择当然很棒，但也可能使得决策过程复杂化。没有人能告诉你怎么做最能满足特定需求，因为没有其他人能为你权衡你自己的计划、复杂性和预算。然而，机会在于你可以找到合适的测试设备类型来满足特定需求。
测试工程师应该采用一种合适的方法来管理多方面的折衷因素，并针对特定情形找出最合适的解决方案。
确定测试要求
理想的无线测试一开始先比较和对比两种常见的无线测试系统：收发机和信号交递(handover)。收发机测试用于测试无线电设备彼此间如何直接通讯。而信号交递测试则用于测试天线或接取点(AP)如何与无线电设备(通常称为手持设备)一起执行任务。
不管是收发机测试还是交递测试，测试设备都需要考虑以下几个方面：
? 透过端口连接设备与测试系统
? 内部RF组件衰减、划分或组合信号
? 衰减器可以远程编程或手动设计
? 系统在指定的频率范围内作业
? 透过配置建立设备间的通讯路径
端口、衰减器和分波/混波器、频率范围以及内部配置，都是必须进行折衷之处，它们将影响整个测试的速度、全面性和成本。
做出选择
在理想的情况下，你会拥有最灵活的测试系统。这种系统可以将你需要测试的任何无线电或手持设备与天线连接在一起。两个设备之间的每条路径都有一个可编程的衰减器，用来单独地调节设备之间的信号强度，并且能够随时调节信号强度，以仿真信号衰减。
然而，随着端口数、潜在路径和RF组件的增加，费用也将大幅上升。增加额外的组件就必须扩大机架空间才足以容纳，同时也对功耗和散热提出了更高的要求。
如果减少了测试系统中的组件数，尺寸、功耗和冷却要求将随之降低，成本也会下降，必须付出的代价是失去测试的灵活度。有些测试配置甚至可能无法建模。其它测试场景可能需要花更长的时间，因为灵活度降低必然需要更多的反复测试才能涵盖个别案例，同时需要更多的时间因应额外的设备和测试步骤。
在信号的交递测试中，能够平衡灵活度、时间和节能的额外资源是使用人工衰减器。它们比可编程衰减器更便宜，因为它们缺少用于远程编程的电路，取而代之的是工程师必须透过衰减器前面板上的旋钮来设置衰减值。手动作业会增加配置的时间，而且无法适应所有的测试场景，例如衰减随时间改变的dB值设定，以仿真信号衰减。
即使是输入功率的规格也会对于预算造成压力。由于测试设备的组件功耗特性，通常接受有限的天线或接取点输入功率，约1W，而不是典型的商用40W设备。增加专用的衰减器取代在满功率下执行测试所付出的成本比升级测试系统组件要低得多。
虽然严格来说不算是折衷，但使用技术上中性的语言有助于拓展选择合适测试设备的范围。举例来说，LTE无线设备所使用的频率在每个国家都不同，必须指定实际的频率范围。每一家公司如何参考频率范围也各不相同。有些公司规定所有的东西以MHz为单位；其他公司则喜欢引用GHz。寻找在每种情况下都适用的值，可确保搜索结果更准确。
权衡明日的需求
折衷也会影响未来。测试工程师不能只考虑现在的需要，因为测试设备通常无法重新配置。如果你买了一台仅适合现有项目的设备，等到明年可能提出其他需要更高扩展性的设计要求，那时就必须再添购新的测试系统了。而第二台设备也许能够覆盖当前与未来的测试案例，因此过度节省的经济策略反而会弄巧成拙。
在某些情况下，为了取得更高覆盖率而额外付出的成本也许是可以忽略的。例如，如果你想在900MHz至2GHz频率范围内测试收发机，那么客制化的测试系统成本实际上与覆盖698MHz至3GHz频率范围的成本是相当的，因为后者可能会使用更多的标准组件，因而取得现成组件的成本效率。
考虑到在连接上需要的衰减量，典型的范围包括：从0dB到95dB，以1dB为步距，一直到6000MHz；或者从0dB到127dB，以1dB为步距，一直到3,000MHz。在典型范围内所能涵盖的测试衰减需求越多，测试系统使用更便宜标准组件的可能性就越大。
收发机测试
收发机测试设备中的每个埠都代表待测无线电设备之一的RF信号。无线部份经常在屏蔽外壳中用于控制测试环境的每根天线都透过电缆连接到这一端口。
收发机测试设备中共有三种配置：完全扇出；有限扇出；集中扇出。
完全扇出是最灵活的，因为它提供了一种完全网格状的矩阵。它也是最贵的，因为它需要最多的RF组件。在完全扇出的配置中，两个无线设备对之间的每条可能路径都有一个对应的衰减器。如果有12个埠，就有(12×11)/2或66条可能的双向路径，每条路径都需要一个可编程的衰减器。如果是6个埠，就有(6×5)/2或15条可能的路径，因此需要15个可编程的衰减器。
图1：12端口的完全扇出配置。这种12埠设计共有66个可编程衰减器
在有限扇出配置中，每个端口连接到任一侧侧其它埠的特定子集。如果你用的是12埠的盒子，并拥有一个8埠有限扇出的设计，那么这12埠中的每一个都将连接到正上方的4个扇出和正下方的4个扇出。这将使需要衰减器的路径数量减少到48个。埠数越多，有限扇出设计就更具经济效益。一个36埠完全扇出盒子需要630个可编程衰减器。如果改用一个36埠12有限扇出的设计，只需要216个可编程衰减器，大幅节省约三分之二。如果在实际使用中有限扇出可以胜任，无线电设备将从地理上扩展得足够远，因而无须让所有设备都直接通讯。
图2：12端口的集中扇出配置。所有的端口在星状配置下透过一个阻性功率分波/混波器进行连接。图中总共有12个可编程的衰减器
集中扇出是最简单的设计，使用轮辐拓扑。每个埠只有一个可编程衰减器。但这将牺牲其灵活度。每台无线电设备透过测试系统在同一时刻只能与一台其它无线电设备通讯。
当你设置好一个埠上的衰减器时，你就限制了它到其它埠的传输，不能再为每个可能的通讯设备单独设置衰减值。你仍然可以在任何一对无线电设备之间编程特定的衰减值，但会失去对于其它可能路径上的衰减值进行控制的灵活度。
图3：一种12埠的有限扇出设计。每个埠只连接到8个最近的相邻埠(4个上方的相邻埠和4个下方的相邻埠)。这种设计需要48个可编程衰减器
信号交递测试
在信号交递测试中有两种类型的埠：输入和输出。输入端口代表天线：基地台、接取点、蜂窝天线塔或连接到通讯网络的其它类型。输出端口代表手持设备或移动设备。在这个案例中，术语“输入”和“输出”是命名惯例，因为信号交递测试系统中的所有路径都是双向作业的。
共有三种类型的信号交递配置：完全扇出；有限扇出；手动交递。
与收发机测试系统一样，一个完全扇出的交递系统意味着所有的输入都可以与所有的输出对话。每个输入埠被连接到一个RF分波器/混波器，并根据输出端口数将信号划分成多条路径。每条路径都有一个衰减器。然后每条路径针对相关的输出端口导入分波/混波器。为了取得完全扇出交递系统中的路径数量，必须将输入埠数乘以输出埠数。一个8×4的系统需要为每个输入端口配置一个1×4的分波/混波器、4个衰减器，并针对每个输出端口配置一个1×8分波/混波器。因此总共有32个衰减器和12个分波/混波器。
在一个有限扇出配置中，每个输入都有一个衰减器，因此相同的信号强度可到达所有天线。所有的输入导入同一个分波/混波器，然后再导向连接输出的另一个分波/混波器。对于8×4的配置来说，只有8个衰减器和2个分波/混波器。虽然组件数量较少，但你无法从手持设备到天线的每条路径都为其单独调整衰减值。
手动交递系统也使用有限扇出配置。手动和编程有限扇出之间的区别在于，在手动系统中以手动旋转衰减器取代可编程衰减器。手动交递系统是最简单、最便宜的类型，通常应用在早期的研发阶段。
找到理想的解决方案
有选择当然很棒，但也可能使得决策过程复杂化。没有人能告诉你怎么做最能满足特定需求，因为没有其他人能为你权衡你自己的计划、复杂性和预算。然而，机会在于你可以找到合适的测试设备类型来满足特定需求。